Wandstärke und Schichtdicke an Flaschen, Folien und Siegeln messen

Ob eine PET-Flasche dem Innendruck standhält und ob ein Deckel dauerhaft dichtet, hängt an einem Maß, das man von außen nicht sieht. Die Wandstärke der Flasche und die Dicke der Siegelfolie entscheiden über Festigkeit und Dichtheit, und beide liegen oft im Bereich einiger Hundertstel bis einiger Zehntel Millimeter. Zu dünn heißt Leckage und Ausschuss, zu dick heißt vergeudetes Material.

Dieser Beitrag richtet sich an Qualitäts- und Prozessverantwortliche in der Getränke- und Lebensmittelproduktion sowie bei Verpackungsherstellern. Er zeigt, wie sich Wandstärke, Schicht- und Siegeldicke an transparentem Material berührungslos und ohne Anlagenstopp messen lassen, worauf bei der Auswertung des Messwerts zu achten ist und wie aus dem destruktiven Stichprobenschnitt eine laufende Kontrolle wird.

Wichtige Punkte im Überblick

Über Festigkeit und Dichtheit entscheidet ein von außen unsichtbares Maß: die Wandstärke der Flasche und die Dicke von Siegelfolie und Klebstoffschicht, oft im Bereich einiger Hundertstel bis einiger Zehntel Millimeter.
Ein konfokaler Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000 wertet die Reflexionen an Vorder- und Rückfläche des transparenten Materials aus und bestimmt daraus die Dicke berührungslos, ohne Anlagenstopp und je nach Messkopf mit Genauigkeit bis in den Submikrometerbereich.
An der PET-Flasche wird die Wandstärke an mehreren Höhen geprüft, weil sich das Material beim Streckblasen ungleich verteilt, und erst die Streuung über viele Flaschen erlaubt eine Aussage über die Prozessfähigkeit.
Am gewölbten Behälterrand misst der Sensor schräg durch die Wand und liefert einen zu großen Wert, weshalb nur die Messwerte im kürzesten, senkrechten Abstand ausgewertet werden.
Aus dem destruktiven Querschnitt und der Wägung wird eine kontinuierliche, dokumentierte Dickenmessung im Prozess, deren Werte sich zur Nachregelung des Blas- oder Siegelprozesses zurückführen lassen.

Warum Wandstärke und Siegeldicke die kritischen Maße sind

An vielen Behältern und Verpackungen ist nicht der Außendurchmesser das Problem, sondern die Wand dahinter. Eine Flasche kann maßhaltig aussehen und trotzdem an einer zu dünnen Stelle versagen.

Zu dünne Wand oder zu dünnes Siegel führt zu Leckage und Ausschuss. Bei der PET-Flasche bricht oder verformt sich eine dünne Stelle unter Druck, beim Deckel öffnet ein zu dünnes Siegel die Verpackung vorzeitig.
Die Materialverteilung an der Streckblasmaschine ist eine Prozessgröße. Beim Streckblasen verteilt sich das Material nicht gleichmäßig über die Höhe der Flasche, sodass die Wandstärke gezielt an mehreren Stellen kontrolliert werden muss.
Siegel- und Folienstärke sind Dichtheitsmerkmale. An Bechern und Deckeln entscheidet die Dicke der Siegelfolie und der Klebstoffschicht darüber, ob die Verpackung dicht bleibt und ob sich Etiketten oder Deckel später lösen.

In dokumentierten Anwendungen taucht dieses Thema an sehr unterschiedlichen Produkten auf, von der Getränkeflasche bis zur Lebensmittelverpackung. Ein Verpackungshersteller im Molkerei- und Fettbereich beschäftigte sich beispielsweise mit der Dicke des Klebstoffs auf Folienetiketten, weil sich diese wiederholt von den Bechern lösten. Das Maß ist klein, die Wirkung auf die Produktqualität groß.

Berührungslos durch transparentes Material messen: das Konfokalprinzip

Transparentes Glas und klares PET stellen taktile und kontrastbasierte Verfahren vor ein Problem. Ein Taster verformt dünnes Material oder erreicht die Innenwand nicht, eine Kamera sieht durch das Material hindurch. Ein konfokaler Wegmesssensor löst das, weil er die Reflexionen an beiden Grenzflächen des transparenten Materials auswertet.

Ein konfokaler Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000 sendet Licht auf das Objekt und wertet aus, in welcher Tiefe die Vorder- und die Rückfläche liegen. Aus dem Abstand beider Flächen ergibt sich die Dicke, ohne Kontakt und ohne dass die Anlage anhalten muss.

Messung an transparenten Objekten. Vorder- und Rückwand einer Flasche oder Folie werden gleichzeitig erfasst, sodass sich die Dicke direkt bestimmt.
Abstands- und Dickenmessung ohne Kontakt. Der Sensor arbeitet mit einigen Millimetern bis Zentimetern Abstand und beeinflusst das Material nicht.
Genauigkeit je nach Messkopf bis in den Submikrometerbereich. Für Wandstärken von einigen Hundertstel bis zu einigen Zehntel Millimetern und für transparente Folien und Beschichtungen ab einer Dicke von 15 µm liefert das Verfahren die nötige Auflösung.

Das Verfahren eignet sich damit für genau die Fälle, in denen der klassische Messschieber oder die Bügelmessschraube am transparenten oder dünnen Material scheitert.

Wandstärke der PET-Flasche an mehreren Höhen an der Streckblasmaschine

An der PET-Flasche genügt ein einzelner Messpunkt nicht. Weil sich das Material beim Streckblasen unterschiedlich verteilt, muss die Wandstärke an mehreren Höhen entlang der Flasche geprüft werden, vom Hals über den Bauch bis zum Boden.

Messung an mehreren Höhen. Erst die Verteilung über die Höhe zeigt, ob der Blasprozess sauber läuft oder ob eine Zone systematisch zu dünn ausfällt.
Hohe Geschwindigkeiten und viele Behälter je Stunde. Streckblaslinien laufen schnell, und die Messung darf den Takt nicht bremsen. Der berührungslose Sensor misst zerstörungsfrei am Behälter, ohne die Flasche zu entnehmen.
Wiederholmessung und Streuung als Grundlage. Nicht der Einzelwert zählt, sondern die Streuung über viele Flaschen. Erst sie erlaubt eine Aussage über die Fähigkeit des Prozesses.

In realen Projekten liefert diese Messung nicht nur ein i.O./n.i.O.-Ergebnis, sondern auch die Datenbasis, um den Blasprozess nachzuregeln, bevor Ausschuss entsteht. Die Wandstärke wird damit von einer nachgelagerten Prüfgröße zu einer Führungsgröße im Prozess.

Schicht- und Folienstärke sowie Siegel- und Klebstoffdicke

Neben der Flaschenwand gibt es eine ganze Familie dünner Schichten, deren Dicke über Funktion und Haltbarkeit entscheidet. Sie sind oft nur einige Hundertstel Millimeter dick und liegen auf oder unter transparentem Material.

Dünne Platinen und Folien ab einer Dicke von 15 µm. Deckelfolien und Siegelplatinen an Bechern müssen dick genug sein, um zu dichten, und dünn genug, um sich sauber öffnen zu lassen.
Klebstoff- und Etikettenschicht an Bechern und Deckeln. Eine zu dünne Klebstoffschicht lässt Etiketten oder Deckel ablösen, eine zu dicke verschmiert und verteuert.
Ergänzende Querschnittanalyse. Wo der Schichtaufbau im Detail interessiert, etwa bei mehrlagigen Folien oder einer Verklebung, ergänzt ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX-X1 die Inline-Messung durch eine Schichtdickenmessung am Querschnitt im Labor.

Wo statt einer reinen Dicke ein Höhenprofil über eine Fläche gefragt ist, etwa eine Siegelnaht oder eine Kleberaupe, liefert ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 das Profil über die gesamte Breite. So lässt sich nicht nur die Dicke an einem Punkt, sondern der Verlauf entlang der Naht bewerten.

Schräg gemessen ist zu dick: die richtige Auswertung des Messwerts

Ein Punkt aus der Anwendungspraxis wird leicht übersehen und verfälscht sonst jede Messung. Am gewölbten Behälter trifft der Sensor die Wand nicht überall senkrecht. Misst er schräg durch die Wand, ist der Messweg länger als die tatsächliche Wandstärke, und der Wert fällt zu groß aus.

Am Rand des Behälters wird schräg gemessen. Je stärker die Krümmung, desto größer der Fehler, wenn der Sensor nicht senkrecht auf die Wand blickt.
Auswertung nur der Messwerte im kürzesten Abstand. Der korrekte Wert entsteht dort, wo der Messstrahl senkrecht durch die Wand läuft, also am kürzesten Weg zwischen Vorder- und Rückfläche.
Nutzung der gleichzeitig gemessenen Abstandswerte. Weil der Sensor auch die Lage der Oberfläche kennt, lässt sich die Orientierung berücksichtigen und der schräge Messwert korrigieren oder verwerfen.

Wer diese Geometrie von Beginn an einplant, vermeidet einen systematischen Fehler, der sonst erst spät und schwer zu erklären auffällt. In dokumentierten Anwendungen ist die korrekte Auswertung häufig wichtiger als die reine Sensorauflösung.

Vom Stichprobenschnitt zur laufenden Kontrolle

Die bisherige Kontrolle der Wandstärke ist in vielen Betrieben destruktiv und langsam. Eine Flasche wird zersägt, unter dem Mikroskop vermessen, oder das Gewicht dient als indirekter Anhaltspunkt für die Materialmenge. Beides ist aufwendig und liefert kein Bild der laufenden Produktion.

Grenzen des destruktiven Querschnitts und der Wägung. Der Schnitt zerstört das Teil und erfasst nur wenige Stück je Intervall. Die Wägung sagt etwas über die Gesamtmasse, aber nichts über die Verteilung der Wandstärke.
Kontinuierliche, dokumentierte Dickenmessung. Der berührungslose Sensor misst im Prozess, ohne zu zerstören, und legt die Werte automatisch ab. Aus einer Stichprobe wird eine durchgehende Kontrolle.
Rückführung der Werte in die Prozessregelung. Weil die Messwerte laufend vorliegen, lässt sich ein Trend erkennen und der Blas- oder Siegelprozess nachstellen, bevor die Toleranz verlassen wird.

Für die Machbarkeit gilt der gleiche Grundsatz wie bei jeder optischen Messung an transparentem Material. Klären Sie Materialart, Dickenbereich und Geometrie vorab am realen Teil, prüfen Sie Grenzmuster und legen Sie fest, an welchen Stellen und mit welcher Streuung gemessen wird. So wird aus einer gelegentlichen Stichprobe eine belastbare, dokumentierte Prozesskontrolle.

Häufige Fragen

F Wie misst ein Konfokalsensor die Wandstärke einer transparenten Flasche?

Der konfokale Wegmesssensor wertet die Reflexionen an der Vorder- und der Rückfläche des transparenten Materials aus und bestimmt aus deren Tiefenabstand die Wandstärke. Die Messung erfolgt berührungslos mit einigen Millimetern bis Zentimetern Abstand und ohne Anlagenstopp. So lassen sich Glas- und PET-Wände messen, an denen ein Taster oder eine Kamera scheitert.

F Welche Dicken und Genauigkeiten sind erreichbar?

In der Anwendungspraxis werden Wandstärken von einigen Hundertstel bis zu einigen Zehntel Millimetern gemessen, transparente Folien und Beschichtungen ab einer Dicke von 15 µm. Die Genauigkeit reicht je nach Messkopf bis in den Submikrometerbereich. Welcher Wert im konkreten Fall erreichbar ist, hängt von Material, Dickenbereich und Geometrie ab und sollte am realen Teil verifiziert werden.

F Warum fällt die gemessene Wandstärke am Behälterrand zu groß aus?

Am gewölbten Rand trifft der Messstrahl die Wand schräg, sodass der Messweg länger ist als die tatsächliche Wandstärke. Der korrekte Wert entsteht dort, wo der Strahl senkrecht durch die Wand läuft, also am kürzesten Abstand. Über die gleichzeitig gemessene Lage der Oberfläche lässt sich die schräge Messung korrigieren oder verwerfen.

F Kann man Siegelfolie und Klebstoffschicht auf demselben Weg messen?

Ja. Dünne Siegelfolien und Klebstoffschichten lassen sich konfokal messen, transparente Folien und Beschichtungen ab einer Dicke von 15 µm. Wo statt einer Punktdicke der Verlauf über eine Fläche interessiert, etwa entlang einer Siegelnaht, liefert ein 2D/3D Laser-Profilsensor der Modellreihe LJ-X8000 das Profil. Für den detaillierten Schichtaufbau ergänzt ein Digitalmikroskop der Modellreihe VHX-X1 die Analyse am Querschnitt.

F Was ist der Vorteil gegenüber Querschnitt und Wägung?

Der Querschnitt zerstört das Teil und erfasst nur wenige Stück, die Wägung liefert nur die Gesamtmasse ohne Verteilung. Die berührungslose Messung arbeitet zerstörungsfrei im laufenden Prozess, dokumentiert jeden Wert und zeigt die Verteilung über den Behälter. So entsteht statt einer Momentaufnahme eine durchgehende Kontrolle.

F Lässt sich die Wandstärkenmessung in die Prozessregelung einbinden?

Ja. Weil die Werte laufend und dokumentiert vorliegen, lässt sich ein Trend frühzeitig erkennen und der Streckblas- oder Siegelprozess nachregeln, bevor die Toleranz verlassen wird. Die Wandstärke wird damit von einer nachträglichen Prüfgröße zu einer Führungsgröße, die Ausschuss vermeidet.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Messen, Kennzeichnen und Prüfen in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion: Der Überblick für Qualitäts- und Produktionsverantwortliche

Hauptartikel zum Thema: Maßprüfung von Flaschen, Verschlüssen und Behältern: vom Messschieber und Profilprojektor zum Bildmessgerät

Weiterer Artikel im Thema: Wareneingangskontrolle von Verpackungskomponenten: Glas, Verschlüsse und Zukaufteile dokumentiert prüfen

Weiterer Artikel im Thema: Inline-Maßkontrolle in der Abfüllung: Durchmesser, Füllhöhe und Verschlussgeometrie

Weiterer Artikel im Thema: 3D-Profil- und Volumenmessung von Lebensmitteln und Verpackungswerkzeugen