Unternehmen bringen ihre Produkte meist in Folien verpackt an den Verbraucher. Um undichte Verpackungen bereits während des Herstellungsprozesses aussortieren zu können, haben Fraunhofer-Forscher einen Dünnschicht-Temperatursensor entwickelt.
Technikartikel, die durch Schmutz oder Feuchtigkeit beschädigt werden; Lebensmittel, die ihre Haltbarkeit verlieren; Medikamente, die verunreinigt werden – undichte Verpackungen können für Hersteller beträchtliche finanzielle Verluste bedeuten oder nachhaltig das Image schädigen. Weltweit produzieren Unternehmen pro Jahr rund eine Billion Folienverpackungen für Nahrungsmittel, Kosmetik-, Pharma- und Technikprodukte. 90 % dieser Verpackungen werden mit Wärmekontaktverfahren hergestellt, sprich mit heißen Werkzeugen versiegelt.
Forscher der Fraunhofer-Institute für Werkstoffmechanik IWM in Freiburg und für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Dresden haben ein Verfahren entwickelt, mit dem fehlerhafte undichte Verpackungen deutlich reduziert, wenn nicht sogar ganz vermieden werden sollen: Ein Dünnschicht-Temperatursensor direkt auf der Siegelschiene, der eine Inlineüberwachung des Verpackungsprozesses erlauben soll.
Aufwändige Fehlersuche soll der Vergangenheit angehören
Im bislang üblichen Verfahren klemmen zwei beheizte Siegelschienen einen Folienschlauch ein, schmelzen den Kunststoffverbund teilweise auf und versiegeln auf diese Weise die Packung. Wie gut die Siegelnaht hält, hängt vor allem von der Temperatur der Siegelschienenoberfläche ab. Ist sie zu heiß, verbrennt die Folie. Ist sie zu kalt, verschweißen die Folienbereiche nicht fest genug miteinander. Das Ergebnis ist in beiden Fällen gleich: Die Verpackung ist undicht.
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Die Hersteller betreiben daher einen enormen Aufwand, um solchen Fehlern auf die Schliche zu kommen. So werden einige Verpackungen stichprobenartig im Wasserbad überprüft, aufsteigende Luftblasen weisen dann auf eine Undichtigkeit hin.
Jede einzelne Verpackung inline überprüfbar
Diese eher unzuverlässige Kontrolle könnte dank des neuen Verfahrens bald der Vergangenheit angehören: „Wir bringen die Temperatursensoren direkt auf der Siegelschiene auf und erhalten somit bei jedem Siegelvorgang eine unmittelbare Information zu jeder Packungseinheit“, erläutert Gregor Wendt, Wissenschaftler am IVV. Sei die Temperatur zu hoch oder zu niedrig, könne dies an der Maschine sofort nachgeregelt werden – noch bevor zahlreiche undichte Verpackungen vom Band laufen. Auch Füllmaterial, das fälschlicherweise in die Siegelnaht gelangt, soll die Inlinequalitätsprüfung erkennen können: Schweißen die Siegelschienen die Folien zusammen, nehmen diese einen Teil der Wärme der Schienen auf. Die Schiene kühlt also ein wenig ab. Wie weit die Temperatur sinkt, wird auch von einer eingeklemmten Masse beeinflusst. Hat sich ein Fremdkörper in die Nahtzone verirrt, nimmt dieser einen Teil der Wärme auf und die Schiene kühlt stärker ab als ohne eingeklemmtes Füllgut.
Beim Sensor selbst setzen die Beschichtungsspezialisten auf Thermoelemente, die sie über etablierte Dünnschichtverfahren herstellen: Sie dampfen die verschiedenen Materialien des Thermoelements im Vakuum direkt auf die Siegelschiene auf. Der entstehende Sensor ist mit einigen Hundert Nanometern Schichtdicke extrem dünn und besitzt eine sehr kurze Ansprechzeit.
An einem Laborsiegelgerät konnte das Forschungsteam bereits zeigen, dass der Siegelprozess mit integriertem Dünnschichtsensor funktioniert. In weiteren Schritten erarbeiten die Wissenschaftler derzeit Lösungen, um diese Technik für gängige Werkzeuge in der industriellen Fertigung und die damit verbundenen hohen Taktzahlen und unterschiedlichen Folienmaterialien anzupassen.
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