Partikel in der Siegelnaht erkennen: Siegelnahtkontrolle in der Tiefziehverpackung mit 3D-Profilmessung

Die Siegelnaht ist die kritischste Stelle jeder Tiefzieh- und flexiblen Verpackung. Sie entscheidet darüber, ob das Produkt dicht verschlossen beim Endkunden ankommt oder ob ein einzelnes Partikel in der Naht zu Undichtigkeit, verkürzter Haltbarkeit und im schlimmsten Fall zu einem Rückruf führt. Viele Verpackungsbetriebe prüfen die Siegelnaht heute mit 2D-Zeilenkameras, die Grauwerte über die Nahtbreite auswerten. Diese Verfahren stoßen jedoch bei dreidimensionalen Fehlern systematisch an ihre Grenzen. Dieser Beitrag erklärt, warum das so ist, welche Alternativen es gibt und wie eine 3D-Siegelnahtkontrolle über die volle Packbreite im Maschinentakt ausgelegt wird.

Wichtige Punkte im Überblick

  • Die Siegelnaht ist die kritischste Stelle jeder Tiefziehverpackung, denn ein einzelnes Partikel verursacht Undichtigkeit, verkürzte Haltbarkeit und im schlimmsten Fall einen Rückruf.
  • 2D-Zeilenkameras werten nur Grauwerte aus und übersehen dreidimensionale Fehler unter bedruckter oder glänzender Deckelfolie, weil das Druckbild den Höhenfehler überlagert.
  • Der Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 erfasst die Nahttopographie per Triangulation, sodass sich Partikel unabhängig von Druck und Glanz als Höhenerhebung abzeichnen.
  • Die Prüfung folgt dem Maschinentakt mit einem vollständigen 3D-Scan pro Hub über die volle Formatbreite, in dokumentierten Anwendungen etwa 575 mm bei 9 Takten pro Minute, bei größeren Breiten mit mehreren Messköpfen.
  • Vor der Entscheidung ist ein Machbarkeitstest mit Originalmustern aller Folienvarianten unverzichtbar, weil transparente und glänzende Folien die eigentliche Herausforderung bilden.

Warum Siegelnahtfehler zu den teuersten Verpackungsfehlern gehören

Ein Partikel in der Siegelnaht, etwa ein Produktrest, der beim Befüllen auf die Siegelfläche gelangt, ist zunächst unscheinbar. Die Folgen sind es nicht: Die Naht siegelt an dieser Stelle nicht vollflächig, sodass Sauerstoff oder Keime eindringen können und das Produkt vor Ablauf des Mindesthaltbarkeitsdatums verdirbt. Wird ein solcher Fehler erst beim Handel oder beim Endkunden entdeckt, drohen Reklamationen ganzer Chargen und Rückrufaktionen mit Kosten, die in keinem Verhältnis zum Wert der einzelnen Packung stehen.

Hinzu kommt, dass Siegelnahtfehler typischerweise nicht als Einzelereignis auftreten. Eine verschmutzte Siegelstation produziert fehlerhafte Packungen in Serie, bis der Fehler bemerkt wird. Je später die Erkennung erfolgt, desto größer wird der Ausschussberg. Das eigentliche Ziel ist deshalb nicht die Stichprobe im Labor, sondern die lückenlose Inline-Prüfung jeder einzelnen Packung mit einem Ausschleusesignal pro Einzelpack statt pro Format oder Charge.

Bisherige Verfahren im Vergleich: Zeilenkamera, Röntgen, Stichprobe

Zeilenkamera mit Grauwertauswertung

Der verbreitetste Ansatz ist eine 2D-Zeilenkamera, die die Siegelnaht überfährt und Grauwerte über die Nahtbreite berechnet. Das funktioniert, solange sich ein Fehler auch im Kontrast zeigt. Ein Partikel unter einer bedruckten Deckelfolie erzeugt jedoch häufig keinen auswertbaren Grauwertunterschied, da das Druckbild den Fehler überlagert, glänzende Folien Reflexe erzeugen und transparente Folien kaum Kontrast liefern. Ein dreidimensionaler Fehler, also eine lokale Erhebung von wenigen Zehntelmillimetern, bleibt für ein reines Helligkeitsverfahren unsichtbar. Genau diese Lücke beschreiben Anwender immer wieder: Die 2D-Prüfung ist vorhanden, erkennt die kritischen Fälle jedoch nicht zuverlässig.

Röntgenprüfung

Als Alternative wird häufig die Röntgenprüfung geprüft. Sie erkennt Fremdkörper mit ausreichendem Dichteunterschied, stellt aber eine erhebliche Investition dar, benötigt Strahlenschutzmaßnahmen und ist für flache, dichteähnliche Partikel in der Siegelebene nicht immer die passende Antwort. Für viele Betriebe steht der Aufwand in keinem Verhältnis zur eigentlichen Aufgabe, nämlich eine geometrische Abweichung in der Nahtebene zu finden.

Stichprobe und Schliffbild

Die dritte Praxis ist die Laborstichprobe: Nahtquerschnitte werden unter dem Stereomikroskop beurteilt. Das liefert wertvolle Informationen über die Nahtqualität, ist jedoch kein durchgängiger Prozess. Die Auswahl erfolgt zufällig, die Auswertung ist personenabhängig, und zwischen Fehlerentstehung und Entdeckung vergehen Stunden. Für die Prozessfreigabe und Ursachenanalyse bleibt die mikroskopische Querschnittsanalyse sinnvoll, als alleinige Absicherung der laufenden Produktion reicht sie jedoch nicht aus.

Partikel dreidimensional erkennen: das Messprinzip des Laser-Profilsensors

Ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 projiziert eine Laserlinie auf die Siegelnaht und erfasst deren Höhenprofil nach dem Triangulationsprinzip. Während die Packung unter dem Sensor durchläuft oder der Sensor über die Naht traversiert, entsteht aus tausenden Einzelprofilen ein vollständiges Höhenbild der Siegelfläche.

Der entscheidende Unterschied zur 2D-Kamera liegt darin, dass nicht der Kontrast, sondern die Topographie ausgewertet wird. Ein Partikel in der Naht zeigt sich im Höhenbild als lokale Erhebung, unabhängig davon, ob die Deckelfolie bedruckt, glänzend oder transparent ist. Das Druckbild, das die Grauwertauswertung stört, spielt für die Höhenauswertung schlicht keine Rolle. Ebenso werden Falten in der Siegelnaht, unvollständige Nahtprägungen oder Produktanhaftungen als geometrische Abweichung sichtbar.

Die nachgelagerte Bildverarbeitung mit einem Bildverarbeitungssystem der Modellreihe XG-X segmentiert das Höhenbild, definiert die Siegelzone als Prüfbereich und bewertet jede Abweichung gegen einstellbare Toleranzen, und zwar pro Packung im Takt der Maschine.

Auslegung im Maschinentakt: volle Packbreite, ein Scan pro Hub, Einzelpack-Ausschleusung

Damit die 3D-Kontrolle in der Linie funktioniert, muss sie sich an der Maschine orientieren und nicht umgekehrt. In der Praxis haben sich drei Auslegungsprinzipien bewährt.

Volle Formatbreite erfassen

Tiefziehmaschinen siegeln mehrere Packungen pro Format. Die Prüfung muss deshalb die gesamte Formatbreite abdecken, in typischen Anwendungen zum Beispiel rund 575 mm. Je nach Breite geschieht das mit einem Messkopf mit großer Messfeldbreite oder mit mehreren synchronisierten Messköpfen. Wichtig ist, dass keine Randspur ungeprüft bleibt, denn Partikel halten sich nicht an Prüffenster.

Ein 3D-Scan pro Maschinenhub

Die Tiefziehmaschine arbeitet getaktet, beispielsweise mit 9 Takten pro Minute. Die Messung wird auf diesen Takt synchronisiert, sodass pro Maschinenhub ein vollständiger 3D-Scan erfolgt, der über das Maschinensignal getriggert wird. So entsteht für jedes Format ein lückenloses Höhenbild, ohne die Linie zu verlangsamen.

Ausschleusung pro Einzelpackung

Das Prüfergebnis muss der einzelnen Packung zugeordnet werden und nicht dem Format. Die Bildverarbeitung teilt das Formatbild in die einzelnen Packungen auf und gibt pro Packung ein OK/NG-Signal an die Steuerung. So wird nur die tatsächlich fehlerhafte Packung ausgeschleust, der Ausschuss bleibt minimal, und die Rückverfolgbarkeit pro Pack ist gegeben.

Bedruckte, glänzende und transparente Deckelfolien: was bei der Optik zu beachten ist

Deckelfolien sind optisch anspruchsvoll: bedruckt, hochglänzend, matt oder vollständig transparent, oft im Wechsel auf derselben Anlage. Für die Auslegung ergeben sich daraus folgende Anforderungen:

  • Bedruckte Folien: Für die Höhenauswertung sind sie irrelevant, was den Kernvorteil gegenüber der Grauwertmethode ausmacht. Bei stark absorbierenden Druckfarben ist auf eine ausreichende Signalstärke des Laserprofils zu achten.
  • Glänzende Folien: Direkte Reflexe können einzelne Profilpunkte stören. Abhilfe schaffen die Wahl des Anstellwinkels, Sensoren mit hoher Dynamik und Filterfunktionen in der Profilverarbeitung.
  • Transparente Folien: Hier entstehen Mehrfachreflexionen von Ober- und Unterseite. Moderne Profilsensoren bieten Auswertemodi, die gezielt die relevante Oberfläche selektieren. In der Applikationsphase wird geprüft, welche Folientypen stabil messbar sind.

Ein Praxisbeispiel verdeutlicht den Unterschied: Bei Tiefziehpackungen mit bedruckter Deckelfolie bleiben Partikel unter dem Druckbild in der Grauwertprüfung unsichtbar. Im Höhenbild des Laser-Profilsensors zeichnen sich dieselben Partikel dagegen deutlich als lokale Erhebung ab. Entscheidend ist deshalb, die Machbarkeit vorab mit Originalmustern aller Folienvarianten zu verifizieren, einschließlich der schwierigen transparenten Varianten.

Von der Siegelnaht zur Dichtungsvermessung: verwandte Aufgaben

Die Siegelnahtkontrolle ist selten die einzige Geometrieaufgabe im Verpackungsprozess. Aus denselben Anwendungsfeldern stammen typischerweise folgende Prüfaufgaben:

  • Dichtraupen und Dosiernähte: Höhe, Lage und Querschnitt applizierter Dichtungen werden mit Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000 oder konfokalen Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 geprüft, in dokumentierten Anwendungen im Hundertstelmillimeterbereich und mit einer Wiederholbarkeit im Bereich weniger Mikrometer.
  • L-Siegel und definierte Nahtgeometrien: Wo eine schattenfreie, maßstabtreue 2D-Messung gefragt ist, kommt der Inline Profilprojektor der Modellreihe TM-X5000 zum Einsatz.
  • Offline-Nahtvermessung und Wareneingang: Digitale Messprojektoren der Modellreihe IM-X dokumentieren Nahtmaße und Packmittelgeometrien mit automatischen Prüfprotokollen.
  • Ursachenanalyse im Labor: Für Schliffbilder und Nahtquerschnitte bleibt ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX-X1 das Werkzeug der Wahl, als Ergänzung zur Inline-Prüfung und nicht als deren Ersatz.

So entsteht ein durchgängiges Prüfkonzept: eine 100-%-Inline-Kontrolle im Takt, ergänzt um messende Verfahren für Freigabe, Wareneingang und Fehleranalyse.

Fazit

Wer Partikel in der Siegelnaht zuverlässig finden will, muss dreidimensional messen. Grauwertbasierte 2D-Verfahren erkennen nur, was Kontrast erzeugt, und genau das tun die kritischen Fehler unter bedruckten oder glänzenden Deckelfolien oft nicht. Ein 2D/3D Laser-Profilsensor erfasst die Nahttopographie über die volle Packbreite, synchron zum Maschinentakt und mit Ausschleusung pro Einzelpackung. Der Weg dorthin führt über einen Machbarkeitstest mit Originalmustern: reale Folienvarianten, reale Fehlerbilder und reale Taktzeit.

Häufige Fragen

F Wie kann man Partikel in der Siegelnaht automatisch erkennen?

A

Zuverlässig gelingt das mit 3D-Profilmessung: Ein Laser-Profilsensor erfasst das Höhenbild der Siegelnaht, in dem sich Partikel als lokale Erhebung abzeichnen, unabhängig von Druckbild oder Glanz der Folie. 2D-Zeilenkameras mit Grauwertauswertung erkennen dagegen nur Fehler, die einen Kontrastunterschied erzeugen, und übersehen dreidimensionale Defekte unter bedruckter Folie häufig.

F Warum reicht eine 2D-Zeilenkamera für die Siegelnahtkontrolle nicht aus?

A

Eine Zeilenkamera bewertet Helligkeitsunterschiede über die Nahtbreite. Partikel unter einer bedruckten oder glänzenden Deckelfolie erzeugen aber oft keinen auswertbaren Grauwertunterschied, weil das Druckbild den Fehler überlagert. Ein Höhenfehler von wenigen Zehntelmillimetern bleibt so unentdeckt, im 3D-Höhenbild ist er dagegen eindeutig sichtbar.

F Funktioniert die 3D-Siegelnahtprüfung auch bei transparenter oder glänzender Deckelfolie?

A

Ja, in den meisten Fällen, genau hier liegt der Vorteil gegenüber kontrastbasierten Verfahren. Glänzende Folien erfordern eine geeignete Sensoranstellung und Profilfilter, bei transparenten Folien selektieren moderne Auswertemodi die relevante Oberfläche. Die Machbarkeit sollte vorab mit Originalmustern aller Folienvarianten getestet werden.

F Wie schnell kann eine Inline-Siegelnahtkontrolle auf einer Tiefziehanlage prüfen?

A

Die Prüfung wird auf den Maschinentakt synchronisiert. Pro Maschinenhub erfolgt ein vollständiger 3D-Scan über die gesamte Formatbreite, in typischen Anwendungen etwa 575 mm bei 9 Takten pro Minute. Die Bildverarbeitung teilt das Formatbild in Einzelpackungen auf und liefert pro Packung ein OK/NG-Signal für die Ausschleusung.

F Ist Röntgenprüfung eine Alternative zur 3D-Siegelnahtkontrolle?

A

Röntgensysteme erkennen Fremdkörper mit ausreichendem Dichteunterschied. Sie sind jedoch deutlich aufwendiger in Investition und Strahlenschutz und für flache, dichteähnliche Partikel in der Siegelebene nicht immer geeignet. Geht es primär um geometrische Fehler in der Naht, etwa Partikel, Falten oder unvollständige Prägung, ist die 3D-Profilmessung meist der direktere und wirtschaftlichere Weg..

F Welche Toleranzen sind bei der Vermessung von Dichtungen und Siegelraupen erreichbar?

A

Mit Laser-Wegmesssensoren der Modellreihe LK-G5000 und konfokalen Wegmesssensoren der Modellreihe CL-3000 lassen sich Höhe und Lage applizierter Dichtungen in dokumentierten Anwendungen im Hundertstelmillimeterbereich prüfen. Für vollständige Querschnitts- und Konturmessungen kommen zudem telezentrische Messsysteme oder Bildvermessungssysteme zum Einsatz.

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