Schweißnähte an Packmitteln prüfen: Tube, Kapsel, Getränkekarton, Sack und Beutel aus dem Converting

Wer Tuben füllt, Kaffeekapseln herstellt, Getränkekartons verschließt, Säcke abfüllt oder im Converting Beutel fertigt, setzt Schweißnähte, die selten versagen und deshalb schwer zu beobachten sind. Verschweißt wird mit der Ultraschall-Sonotrode oder mit Wärme. Die Fragen ähneln sich: Ist die Naht durchgängig? Ist Schmelze ausgetreten? Sitzt die Naht dort, wo sie zur Kartonkante, zur Perforation oder zu einer inneren Folie sitzen soll? Steckt Schmutz in der Naht? Dieser Leitfaden richtet sich an Verpackungs- und Prozessingenieure bei Abfüllern und Convertern und an Hersteller von Kapsel-, Tuben-, Sack- und Converting-Maschinen. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen. Eine installierte Nahtprüfung ist nicht darunter: zwei Tests endeten mit einem positiven Ergebnis, die übrigen Fälle sind Anfragen, Konzepte, Ideen, ein Plan und eine Einschätzung.

Wichtige Punkte im Überblick

Gemeint sind die Schweißnähte an Tube, Kapsel, Getränkekarton, Sack mit Zipper und an Beuteln aus dem Converting, nicht die Siegelnaht an Schale, Becher, Blister und Schlauchbeutel.
Bei Dosisbeuteln verlangt eine Anfrage die Nahtabstände zu Perforation und Stanzlöchern auf etwa ±0,1 mm; rechnerisch ist das weniger als ein Promille des Bildfelds, deshalb steht die Kameraauflösung zuerst auf der Liste.
Für den Boden einer per Sonotrode verschweißten Papierkapsel benennt ein Konzept ausgetretene Schmelze, Knicke und Abdrücke der Sonotrode, Overseal und Underseal als Prüfmerkmale, die sich eher im Relief als in der Farbe zeigen.
Welcher von drei Wegen die Naht ins Bild holt, entscheidet zuerst das Material: Durchlicht über die veränderte Lichtdurchlässigkeit, das Formbild von LumiTrax oder die Zeilenkamera für Säcke und Bahnen ohne Stillstand.
Ein Kamerabild belegt keine Dichtheit, es zeigt Merkmale, die mit Undichtheit zusammenhängen, und meldet inline die auffälligen Nähte.

Nicht die Siegelnaht der Schale: welche Packmittelnähte hier gemeint sind

In den Anwendungen stehen „verschweißt" und „gesiegelt" oft für dasselbe. Die Siegelnaht an Schale, Becher, Blister und Schlauchbeutel ist trotzdem ein eigenes Feld. Partikel und Produkt in der Siegelnaht einer Tiefziehverpackung behandelt der Beitrag zur Siegelnahtkontrolle mit 3D-Profilmessung. Kanäle, Falten und unterbrochene Siegelung an Schale und Beutel stehen im Beitrag zur Siegelnahtkontrolle mit Bildverarbeitung. Die Dicke der Siegelschicht behandelt der Beitrag zur Siegel- und Klebstoffdicke. Eine Papierschale mit Siegeldeckel bleibt deshalb dort; eine Papierkapsel, die eine Sonotrode verschweißt, gehört hierher. Verpackungen um Medizinprodukte behandelt der Beitrag zur Sterilbarriere.

Hier geht es um Packmittelformen, die diese Seiten nicht nennen: Tube, Kapsel, Getränkekarton, Sack mit Zipper und die Beutel, die ein Converter verschweißt. Jede Form hat ihren eigenen Fehler, der zählt.

Kapsel: Bodennaht nach dem Ultraschallschweißen und Siegelnaht

Ein dokumentiertes Konzept beschreibt eine Kaffeekapsel aus beschichtetem Papier. Ein Zuschnitt wird gerollt und per Sonotrode verschweißt, der Boden eingeführt und verschweißt, der Rand gerollt und die Siegelfläche planiert. Später kommen in der Produktionsmaschine Filterpapier, Füllung und Deckel hinzu. Für die Station „Bodenkontrolle Schweißnaht" waren die Prüfmerkmale benannt: ausgetretene Schmelze, Knicke und Abdrücke der Sonotrode, Overseal und Underseal. Vorgegeben waren vier Spuren, 70 bis 100 ms je Prüfung und mehrere Kamerastationen in einer Maschine. Musterteile sollten aus einer Vorfertigung kommen.

Bei beschichtetem Papier trägt die Naht die Wasser- und Hygienebarriere. Knicke und Abdrücke zeigen sich eher im Relief als in der Farbe; das Bild sollte deshalb die Form der Oberfläche zeigen. Wo mehrere Stationen an einer Maschine sitzen, passt die High-Performance Bildverarbeitung mit integrierter AI der Modellreihe VS-G: an einem Controller arbeiten bis zu acht Kameras. Ob die Prüfzeit je Spur erreicht wird, klärt ein Test am Muster.

Zur Siegelnaht einer Teekapsel liegt ein Ergebnis vor: In einer Vorführung mit einer All-in-One Kamera mit integrierter AI der Modellreihe VS und einer Beleuchtung aus mehreren Winkeln war die Erkennung sehr gut. An der Anlage war das noch nicht getestet.

Tube und Getränkekarton: Endnaht, Längsnaht und Verschmutzung in der Naht im Hochtakt

An der Tube sitzt die Endnaht nach dem Verschweißen immer an derselben Position. Das vereinfacht die Prüfung, weil ein festes Prüffenster genügt. Ein Konzept für einige Dutzend Tuben pro Minute sah eine Kamera mit 5 Megapixeln und LumiTrax vor.

Am Getränkekarton ging es in einer Einschätzung um die Längsnaht. Sie muss richtig hängen und darf gegenüber dem Karton nicht verschoben sein; bei einem Bildfeld um 50 mm und mehreren Kartons pro Sekunde. Die Einschätzung: Mit Gegenlicht lässt sich die Naht gut prüfen. Getestet war das zu diesem Zeitpunkt nicht. Als zweite Stelle kam das Fügen der beiden Kartonseiten hinzu.

Eine andere Anforderung richtet sich auf Verschmutzung im Verschweißprozess. Erkannt werden sollen Fehler ab wenigen Millimetern bei rund 15.000 Kartons pro Stunde, also rechnerisch etwa vier Kartons pro Sekunde oder gut 0,2 s je Karton. Der Einbauraum ist knapp, der Arbeitsabstand liegt bei 100 mm oder weniger; vorgesehen war eine monochrome Kamera mit rund 5 Megapixeln. Der Grund für den Aufwand: Ein einzelner Fehler, der erst nach dem Palettieren auffällt, betrifft große Mengen.

Sack und Zipper: Nahtüberstand, Verschlussnaht und Zipperstreifen im Schweißprozess

Am Sack zählt der Überstand der Naht. Ein Konzept sieht vor, ihn vor einer Wendestation zu erkennen, bei vielen Farbvarianten und einem Bildfeld von 50 bis 70 mm. Vorgesehen war eine Zeilenkamera mit Encoder. Bei KEYENCE gehört die Zeilenkamera zur High-End Bildverarbeitung mit ultimativer Flexibilität der Modellreihe XG-X; sie wird über den Encoder gesteuert, sodass jede Bildzeile zur Bewegung des Sacks passt.

Für Foliensäcke aus der Bauchemie wurde die Prüfung der Verschlussnaht als Idee formuliert. Bilder und Schlechtteile gab es noch nicht; in dieser Lage ist ein Fehlerkatalog der erste Schritt. An einer anderen Sackanlage ist geplant, mit einer Kamera der Modellreihe VS mit 15 Megapixeln zunächst eine Schweißnaht zu prüfen.

Beim Zipperbeutel liegt ein Ergebnis vor: Eine Machbarkeitsstudie verlief erfolgreich. Bisher prüft ein Bediener per Sichtprüfung, ob der Zipper richtig sitzt und der Beutel richtig zugeführt wird. Eine Prüfung an der bisherigen Station wäre technisch am einfachsten gewesen, kam dort aber nicht in Frage; deshalb soll die Prüfung in den Schweißprozess wandern. Das Konzept sieht zwei Kameras je Beutel vor, eine von oben und eine seitlich auf den Zipperstreifen, mit einem Bildfeld um 400 x 80 mm und etwa einer Sekunde für zwei Beutel. Vorgesehen war eine Zeilenkamera mit Infrarot-Durchlicht.

Beutel aus dem Converting: zwei Kammern, Beutelkopf und Naht zur Perforation

Ein Schlauchbeutel mit zwei Kammern für Zweikomponentenklebstoff wird gefaltet und so verschweißt, dass zwei Kammern entstehen. Wandert die innere Kante der Alufolie, trennt die Naht die Kammern nicht mehr, und der Klebstoff härtet im Beutel aus. Eine Anfrage brachte zwei Ideen: Ein Konfokaler Wegmesssensor der Modellreihe CL-3000 könnte über einen Umlenkspiegel im Kaliber die Dicke der Folienwand messen, ein Lichtleiter mit einfacher Lichtquelle könnte zeigen, ob Licht durch die Naht dringt. Die Dicke dient hier nur als Hinweis auf die Trennung. Ob beide Ideen an der Folienwand funktionieren, ist am Muster zu klären.

Am Nachfüllbeutel für Seifenspender geht es um den Beutelkopf. Eine Anfrage mit Musterteilen nennt Flakes, Schmutz und eine Mindestbreite der Schweißnaht von 0,8 mm, bei einem Bildfeld um 50 x 37 mm und rund 1.500 Beuteln pro Stunde. Erwogen wurde eine All-in-One Kamera mit 15 Megapixeln, im Gegenlicht oder mit Spotbeleuchtung.

Ein Konzept für Staubsaugerbeutel trennt zwei Stellen. Die Seiten werden vor dem Falten verschweißt; hier zählt, ob die Naht vorhanden ist, optional mit Zählen im Gegenlicht. Kopf- und Fußende werden danach verschweißt; sie sollen vor dem Schneiden auf Durchgängigkeit geprüft werden. Das Bildfeld liegt um 600 x 400 mm, bei 0,4 s Stillstand in einem Takt von einer Sekunde.

Bei Dosisbeuteln geht es um die Lage. Eine Anfrage verlangt die Abstände der Nähte zu Perforation und Stanzlöchern auf etwa ±0,1 mm, bei einem Bildfeld um 120 x 255 mm und 1,5 s Stillstand; dazu die Anwesenheit eines Spritzgussteils. Rechnerisch sind ±0,1 mm auf 255 mm Bildfeld weniger als ein Promille. Die Auflösung der Kamera gehört deshalb zuerst auf die Liste.

Durchlicht, Formbild oder Zeile: wie eine Packmittelnaht sichtbar wird

Die Fälle zeigen drei Wege, eine Naht ins Bild zu holen. Durchlicht durch Folie, Papier oder Karton macht die Naht über ihre veränderte Lichtdurchlässigkeit sichtbar; darauf setzen die Fälle zu Kartonlängsnaht, Beutelkopf, Staubsaugerbeutel und Zipper. LumiTrax setzt aus Bildern verschiedener Beleuchtungsrichtungen ein Formbild für Unregelmäßigkeiten und ein Texturbild für Muster zusammen. Für Tubenendnaht und Kapselboden nannten die Konzepte LumiTrax; das Texturbild bleibt auf glänzenden Verpackungen frei von Blendeffekten. LumiTrax läuft auf VS und VS-G.

Die Zeilenkamera an der XG-X eignet sich für laufende Bahnen und bewegte Säcke, wo kein Stillstand zur Verfügung steht. Welcher Weg passt, entscheidet zuerst das Material. Durchlicht braucht Zugang von beiden Seiten und ein Packmittel, das Licht durchlässt; an Alu-Verbund und dicht bedrucktem Karton ist das vorab zu prüfen. Das Formbild braucht Platz für die Beleuchtung über der Naht. Die Zeile braucht das Encoder-Signal der Maschine. Bei vielen Farbvarianten, wie am Sack, lohnt es sich, Merkmale aus Form oder Durchlicht zu wählen statt aus der Farbe, damit nicht jede Variante eine eigene Einstellung verlangt.

Ein 3D-Profil kommt in diesen Fällen nicht vor: Die Packmittelnaht zeigt sich hier im Bild, nicht über ihre Höhe.

Häufige Fragen

F Ist die Naht an Tube oder Kapsel eine Schweißnaht oder eine Siegelnaht?

In den Anwendungen stehen beide Wörter für dieselbe Fügestelle. Für die Prüfung entscheidet die Packmittelform: An der Kapsel interessiert der Schmelzaustritt nach der Sonotrode, an der Tube die Endnaht in fester Lage, an der Schale das Produkt in der Siegelnaht.

F Belegt ein Kamerabild, dass eine Kapsel dicht ist?

Nein. Das Bild zeigt Merkmale, die mit Undichtheit zusammenhängen, etwa ausgetretene Schmelze, Knicke, Abdrücke, Overseal und Underseal. Die Dichtheit selbst ist eine eigene Prüfung; die Kamera meldet inline die auffälligen Nähte.

F Wann lohnt sich eine Zeilenkamera an der Packmittelnaht?

Wenn Sack, Beutel oder Bahn sich ohne Stillstand bewegen und das Bildfeld lang und schmal ist. Der Encoder steuert die Aufnahme, sodass jede Zeile zur Bewegung passt. Bei KEYENCE läuft die Zeilenkamera an der Modellreihe XG-X.

F Wie fängt man an, wenn noch keine Schlechtteile vorliegen?

Mit einem Fehlerkatalog: welche Naht, welcher Fehler, welche Größe, welcher Takt. Danach folgen Musterteile mit echten oder nachgestellten Fehlern und ein Test mit passender Beleuchtung, bevor die Station festgelegt wird.

F Welche Angaben braucht ein Test an einer Packmittelnaht?

Bildfeld, Takt oder Stillstandzeit, kleinster Fehler, Zahl der Spuren und Varianten sowie Einbauraum und Arbeitsabstand. Die dokumentierten Anfragen nennen genau diese Werte, vom Bildfeld um 50 mm am Karton bis 600 x 400 mm am Staubsaugerbeutel. Dazu gehören Gut- und Schlechtteile aus der Linie.

F Kann die Prüfung in die Schweißstation wandern?

Ja, etwa wenn ein Merkmal danach verdeckt ist oder die Prüfung an der späteren Station nicht in Frage kommt. Für den Zipperbeutel sieht das Konzept zwei Kameras je Beutel im Schweißprozess vor.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Schweißnahtprüfung: Nahtgeometrie, Fehlstellen und Nachweis an Metall, Kunststoff und Folie in der Linie