Neuartiges Fügewerkzeug mit Dünnschichttemperatursensoren.

Neuartiges Fügewerkzeug mit Dünnschichttemperatursensoren. (Bild: Fraunhofer IVV)

Bisher erfolgt die Temperaturerfassung und -regelung bei Heißfügeprozessen mittels Widerstandsthermometern oder gekapselter Thermoelemente. Diese messen jedoch oft zu weit entfernt von der Fügezone und agieren nur integral und träge. Gerade beim Einsatz von neuen, recyclingfähigen Monoverbundfolien oder bei schnelllaufenden Prozessen kann das zu einer massiven Beeinträchtigung von Qualität, Produktsicherheit und Prozessstabilität führen.

Durch die Ausstattung der Fügewerkzeuge mit ultradünnen Temperatursensoren wird erstmals eine schnelle, sensitive und räumlich aufgelöste Temperaturmessung bei der Herstellung jeder einzelnen Foliennaht möglich.

Dafür wurde in einem ersten Entwicklungsschritt eine neuartige Multilagenbeschichtung für die Ausrüstung der Fügewerkzeuge mit Dünnschichtthermoelementen entwickelt. Derart funktionalisierte Werkzeuge können nun Temperaturverläufe eine Foliendicke von der Fügezone entfernt messen. In Kombination mit zum Beispiel hochdynamischen keramischen Heizelementen ist damit zukünftig eine echtzeitnahe Regelung der Prozessparameter möglich.

Backenstuhl einer Schlauchbeutelmaschine.
Backenstuhl einer Schlauchbeutelmaschine. (Bild: Fraunhofer IVV)

1 Mio. Fügezyklen durch Optimierung des Schichtaufbaus

Für den industriellen Einsatz der Technologie haben die Forschenden ihren Fokus in der Folge auf eine signifikante Erhöhung der Standzeit der funktionalisierten Werkzeuge und das Erreichen der notwendigen Detektionsempfindlichkeit für eine zuverlässige Erkennung von Abweichungen im Fügeprozess gelegt.

Dafür wurde der Multilagenaufbau überarbeitet und die Herausforderung der elektrischen Isolierung des meist metallischen Substrates gelöst. Unter industrienahen Bedingungen konnte so eine Standzeit von bislang circa 1 Mio. Fügezyklen problemlos erreicht werden.

Im Zuge der Optimierung und der Auswahl potenziell geeigneter Schutzschichten mit antiadhäsiver Wirkung wurde im Forschungsprojekt eine Methodik zur Bewertung der Anhaftneigung solcher Schichten entwickelt und erfolgreich getestet. Neue, ökologischere Folienverbunde sind in Bezug auf das Anhaften der Folien am Werkzeug auch eine Herausforderung für bestehende Verarbeitungsanlagen. Antiadhäsive Schutzschichten sind daher nicht nur eine Notwendigkeit beim Einsatz von Dünnschichtsensoren, sondern auch für klassische Werkzeuge interessant.

Ultradünne Sensoren für adaptive Prozesse und eine Inline-Qualitätsüberwachung

Die durch den Einsatz der Sensoren unmittelbar an der Werkzeugoberfläche ermittelten Prozessdaten geben frühzeitig Auskunft über Prozessschwankungen, Störungen und etwaige Fehler, wie Knitter oder Verschmutzungen in der Naht. Das ermöglicht eine durchgängige Inlinequalitätsprüfung während des Fügeprozesses. Ausschuss und Ressourcenverbrauch lassen sich so auf ein Minimum reduzieren und die Prozesseffizienz signifikant erhöhen.

Durch die Möglichkeit des Erhebens von Prozessdaten unmittelbar an der Fügezone tragen sensorbeschichtete (Füge-)werkzeuge essenziell zur Entwicklung adaptiver Fügeprozesse bei. Davon profitieren Maschinenhersteller, die ihre Prozesse so besser auf die jeweiligen packmittel- beziehungsweise packungsseitigen Anforderungen ausrichten und eine individualisierte Produktion mit kleiner Losgröße unterstützen können. Eine lückenlose Rückverfolgbarkeit von Produktionsdaten und eine Inlinequalitätskontrolle sind zudem besonders für die Pharma- und Medizinproduktebranche und zunehmend auch im Lebensmittelbereich unverzichtbar.

Dünnschichtbasierte Sensoren sind aber auch bei der Produktion technischer Güter und für andere thermische Fertigungsprozesse, wie zum Beispiel das Thermoformen, Spritzgießen oder Extrudieren von großer Bedeutung. Hier garantiert eine exakte Werkzeugtemperierung die sichere Ausformung und eine hohe Oberflächengüte. Temperatursensoren sind dabei nicht die einzige Technologie, die als Dünnschicht ausgeführt werden kann. Zukünftige Entwicklungsbestrebungen der Forschenden adressieren beispielsweise auch Drucksensoren.

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