DE102022106411A1

DE102022106411A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität

Info

Publication number: DE102022106411A1
Application number: DE102022106411.5A
Authority: DE
Inventors: Jens Marbaz; Alexander Gehrke; Achim Wolf; Jürgen Luka
Original assignee: Harro Hofliger Verpackungsmaschinen GmbH
Current assignee: Harro Hofliger Verpackungsmaschinen GmbH
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2023-09-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität. Die Vorrichtung (10) besitzt eine Fixiereinrichtung zum Halten der tiefgezogenen Folie innerhalb der Werkzeugkavität einer Formatplatte (62) und ein Positionierungsgestell (60), in dem die Formatplatte (62) mit den Werkzeugkavitäten positionierbar und fixierbar ist. Darüber hinaus ist zumindest einem Mess-Sensor (58) vorhanden, der an einer Ausricht- und Verfahreinheit (42) lagefixiert ist. Zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität wird die Folie zunächst innerhalb der Werkzeugkavität einer Formatplatte (62) tiefgezogen und die tiefgezogene Folie innerhalb der Werkzeugkavität gehalten. Anschließend wird die Formatplatte (62) in einer definierten Referenzstellung positioniert. Ein an einer Ausricht- und Verfahreinheit (42) lagefixierter Mess-Sensor (58) wird anschließend zu einem definierten Messpunkt verfahren, wobei an dem definierten Messpunkt zumindest eine Messung der Wandstärke der tiefgezogenen Folie erfolgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität. Tiefgezogene Folien werden insbesondere für die Herstellung von Einzel- oder Mehrkammerportionsverpackungen für eine Vielzahl von Konsumgütern eingesetzt. So können beispielsweise Wasch- und Reinigungsmittel, Kaffee und Tee, nicht-verschreibungspflichtige Arzneimittel, Nahrungsergänzungsmitteln oder Instantgetränke auf diese Weise verpackt werden.
STAND DER TECHNIK
Vordosierte Kapseln für die Geschirrspülmaschine oder die Waschmaschine bestehen aus einer wasserlöslichen Folie, die thermogeformt und anschließend mit Pulver, Gel oder Flüssigkeit gefüllt wird. Bei einer solchen wasserlöslichen Folie kann es sich beispielsweise um eine PVA/ PVOH-Folie handeln. Auch essbare Folien oder Folien aus thermoplastischen, wasserlöslichen und biologisch abbaubaren Granulaten auf Basis von Milchprotein sind als nachhaltige Alternativen denkbar.
Die Folie wird zunächst von einer Endlosrolle abgezogen und auf die Werkzeugplatte der Maschine geführt. Dort wird die Folie mit bekannten Vorheiztechnologien erhitzt, bis diese oberhalb der Aktivierungstemperatur in einen fließfähigen Zustand versetzt wird. Mittels Vakuum kann die Folie in die Werkzeugkavitäten tiefgezogen werden. In den Werkzeugkavitäten wird die tiefgezogene Folie bei einem niedrigeren Haltevakuum gehalten, so dass die Folie ihre Position beibehält. Anschließend können die Werkzeugkavitäten mit der tiefgezogenen Bodenfolie mit einem entsprechenden Füllmittel befüllt werden; auch eine Befüllung mit mehreren unterschiedlichen Füllmitteln ist möglich. Über eine Heiß- oder Wassersiegelung wird die Deckfolie an den die jeweilige Werkzeugkavität umgebenden Siegelstegen auf die Bodenfolie aufgesiegelt, wodurch eine vollständig geschlossene Produkthülle entsteht. Die sich noch innerhalb der Werkzeugkavität befindliche, befüllte Folienhülle kann anschließend ausgestanzt, ausgeschnitten oder ausgelasert werden, um einzelne Portionspackungen zu erhalten. Diese Portionspackungen können beispielsweise über Vakuumsauger aus der Werkzeugkavität ausgetragen werden.
Bei dem oben beschriebenen Vakuumthermoformprozess der Polyvinylalkohol-Folie (PVA/ PVOH-Folie) wird die Basisfolienstärke beim Tiefzug in die Werkzeugkavität stark reduziert. Abhängig von den gewählten Prozessparametern - beispielsweise Vakuumstärke, Vakuumverlauf, Vorheiztemperatur, Vorheizzeit, Vorheiztechnologie, Betriebsmodus - sowie von den Umgebungsbedingungen wie Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit, wird die Basisfolienstärke mehr oder weniger stark reduziert.
Für eine gleichmäßige Wanddickenverteilung im tiefgezogenen Zustand ist ein homogener Folienfluss essentiell. Ein inhomogener Folienfluss führt zu einer Überstressung der Folie und somit zu einer stark reduzierten Folienstärke in diesem Bereich. Bei einer unter mehreren Prozessparametern geformten Folie (beispielsweise eine hohe Temperatur in Kombination mit einem hohen Formvakuum) kann es darüber hinaus zu einer oberflächlichen Verletzung durch Mikrorisse kommen. Dabei kann der Verletzungsgrad mit zunehmendem Streckfaktor verstärkt werden. Dies kann zum Verlust wichtiger Eigenschaften, beispielsweise der Dichtigkeit der Produkthülle gegen das Austreten von eindosierten Füllmedien, führen. Daher ist eine definierte minimale resultierende Folienstärke der tiefgezogenen Folie notwendig, um die gesetzlichen Qualitätskriterien zu erfüllen, die Dichtigkeit sicherzustellen und letztendlich keine Schlechtteile zu produzieren.
Die fertigen Portionspackungen werden in der Regel einer Reihe von gesetzlich vorgeschriebenen Prüfungen unterzogen. So wird beispielsweise bei wasserlöslichen Wasch- und Reinigungsmitteln ein Auflösetest durchgeführt. Dabei werden die gefüllten Portionspackungen in einem Liter demineralisiertem Wasser bei einer definierten Temperatur auf Dichtheit überprüft. Dazu wird die Portionspackung vorsichtig in den mit Wasser befüllten Prüfbehälter eingeführt, bis diese vollständig eingetaucht ist und in dem Wasser schwebt. Der Test gilt dabei als erfolgreich, wenn die Anzahl derjenigen Portionspackungen, die ihren Inhalt innerhalb einer definierten Zeit nicht freigeben, über einem vordefinierten Grenzwert liegt. Von dem Ergebnis dieses Test lassen sich dann auch interpretativ Rückschlüsse auf die resultierende Folienstärke der tiefgezogenen Folie ziehen. Darüber hinaus werden in der Regel weitere Tests durchgeführt. Insgesamt sind diese Prüfmethoden relativ zeitintensiv. Prüfungen am fertigen Produkt finden darüber hinaus erst am Ende des Herstellungsprozesses statt, so dass es bei einem Nicht-Bestehen einer Charge zu einem hohen Ausschuss an fertigen Portionspackungen kommt.
Die Qualitätskriterien der fertigen Portionspackung korrelieren maßgeblich mit der resultierenden Folienstärke der tiefgezogenen Folie und dem vorliegenden Folienfluss. Es wird daher im Herstellungsprozess angestrebt, die resultierende Folienstärke zu maximieren und das Folienflussverhalten optimal zu steuern.
Um die Wandstärken von tiefgezogenen Folien unmittelbar nach dem Tiefziehen zu messen, müssen diese aus der Werkzeugkavität entnommen werden. Nach der Entfernung der Folie aus der Werkzeugkavität stellt sich die Folie jedoch stark zurück und bildet daher in der Regel eine wellige Oberfläche, so dass keine Messung an reproduzierbar wiederkehrenden identischen Messpunkten möglich ist. Daher wird in der Regel eine luftgefüllte Portionspackung vermessen. Auf der Bodenfolie ist in diesem Fall - ohne Befüllung der Kavitäten - bereits die Deckfolie aufgesiegelt worden, so dass sich eine pralle Produkthülle ergibt, die sich nicht mehr merklich zurückstellt. Aufgrund der beidseitig benötigten Zugänglichkeit kann jedoch keine zerstörungsfreie Messung mit taktilen Messuhren mehr vorgenommen werden. Auch kann es bei der taktilen Messung aufgrund der Antastkräfte zu Ungenauigkeiten kommen. Diese Antastkräfte wirken sich durch das zeitabhängige elastische Materialverhalten jedoch auf die Messung aus und können somit die Messwerte verfälschen.
Die Verwendung von optischen Messverfahren ist ebenfalls schwierig, da die fertigen Produkthüllen eine nicht exakt definierte Außenkontur aufweisen und die Seitenflächen der Produkthüllen jeweils winkelig ansteigen. Die Portionspackung bildet daher auch bei identischen Gegebenheiten (beispielsweise identische Prozessparameter, identische Folie, usw.) im geformten Zustand nie eine exakt gleiche geometrische Oberfläche. Optische Sensoren haben jedoch in der Regel einen kleinen Arbeitsbereich und müssen in einem definierten Arbeitsabstand positioniert werden. Darüber hinaus muss der Lichtstrahl in einem rechten Winkel auf die zu messende Oberfläche auftreffen, da optische Dickenmessgeräte in der Regel nur eine geringe Winkelstabilität aufweisen. Optische Dickenmessgeräte mit einer höheren Winkelkompensation sind fehleranfällig und aus geometrischen Gründen für die beschriebene Messaufgabe in der Regel nicht geeignet. Aufgrund der Formschrägen der Portionspackungen ist daher eine vom Anwender durchzuführende manuelle Positionierung und Abstimmung des Arbeitsabstands und des Winkels bei jeder einzelnen Messung erforderlich. Dies ist sehr zeitintensiv und weist ein sehr hohes Fehlerpotential auf, so dass es zu einer hohen Ineffizienz im Rahmen der Messung kommt.
Daher ist es in der Regel sowohl bei taktilen Messverfahren als auch bei optischen Messverfahren nicht möglich, bei verschiedenen Folien beziehungsweise bei verschiedenen Produkten einen wiederkehrenden Messpunkt anzufahren. Vielmehr hängt die Wahl des Messpunkts während der Messung vom Anwender ab. Darüber hinaus werden je nach Anwender unterschiedliche Antastkräfte durch die Spitze der Messuhr auf die Folie aufgebracht. Um die Möglichkeit zu haben, dass dennoch bei unterschiedlichen Messungen nahezu ähnliche Messpunkte verwendet werden, kann versucht werden, die entsprechende Stelle bei allen zu messenden Produkten optisch, beispielsweise mit einem Filzstift, zu markieren. Durch diese mechanische Einwirkung wird die sehr leicht verletzbare Polyvinylalkoholfolie jedoch an der Oberfläche verändert, so dass die eigentlichen Messwerte mit einem gewissen Fehler behaftet sind. Darüber hinaus ist es quasi nicht möglich, die Markierungen jeweils an exakt der gleichen Position anzubringen. Erschwerend kommt hinzu, dass die Folie für die Messung kontinuierlich bewegt wird, um zu dem nächsten Messpunkt zu gelangen. Dies führt zu einer hohen Ineffizienz des entsprechenden Messverfahrens.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Ausgehend von diesem vorbekannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie anzugeben, bei der die Messung der Wandstärke noch in der Werkzeugkavität erfolgen kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs 1 gegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität ist durch die Merkmale des nebengeordneten Anspruchs 9 gegeben. Sinnvolle Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von sich an diese Ansprüche anschließenden weiteren Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität besitzt eine Fixiereinrichtung, durch die die tiefgezogene Folie in der Werkzeugkavität einer Formatplatte gehalten werden kann. Diese Fixiereinrichtung kann dafür sorgen, dass die tiefgezogene Folie innerhalb der Werkzeugkavität verbleibt, ohne die Position zu verändern. Somit kann es nicht zu einer Rückstellung des tiefgezogenen Folienmaterials kommen, so dass die Wandstärke der tiefgezogenen Folie nicht weiter verändert wird. Das Folienmaterial verweilt vielmehr in der eingenommenen Position, was eine grundlegende Voraussetzung für eine reproduzierbare Messung darstellt. Darüber hinaus weist die Vorrichtung ein Positionierungsgestell auf. In diesem Positionierungsgestell kann die Formatplatte mit den Werkzeugkavitäten und der tiefgezogenen Folie positioniert und fixiert werden. Die Formatplatte ist somit für jede Messung identisch positioniert, so dass sich ein stets wiederkehrender Referenzpunkt für die Messung ergibt. Die Vorrichtung besitzt zumindest einen Mess-Sensor, der an einer Ausricht- und Verfahreinheit lagefixiert ist.
Durch die reproduzierbare Positionierung der Folie noch innerhalb der Werkzeugkavität ergibt sich eine besonders gute Messgenauigkeit. Bei der Messung der fertigen Portionspackung müsste diese dagegen angefasst und in einer entsprechenden Vorrichtung positioniert werden. Eine solche reproduzierbare Positionierung der geformten Portionspackung ist jedoch, insbesondere aufgrund der unterschiedlichen geometrischen Ausprägungen der geformten Portionspackungen, sehr schwierig.
Die Ausricht- und Verfahreinheit kann beispielsweise als XYZ-Portalachse ausgebildet sein. Eine XYZ-Portalachse ermöglicht in der Z-Achse lediglich eine senkrechte Messung im rechten Winkel. Sofern die Werkzeugkavität einen planen Boden aufweist, kann dies ausreichend sein. Vorzugsweise kann ein Roboterarm (mehrachsiges Robotersystem) als Ausricht- und Verfahreinheit eingesetzt werden. Mittels eines solches Roboterarms können die Mess-Sensoren auch in der Z-Achse in beliebigen Winkeln ausgerichtet werden, so dass sämtliche Freiformflächen vermessen werden können. Der Mess-Sensor kann in diesem Fall durch den Roboterarm so ausgerichtet werden, dass der Winkel exakt 90 Grad beträgt und der erforderliche Arbeitsabstand eingehalten wird.
Bei dem Mess-Sensor kann es sich insbesondere um einen optischen Sensor handeln. Auf diese Weise muss die zu messende Folie nicht berührt werden. Dadurch kann eine Reduktion von Fehlereinflussgrößen erreicht werden. Bei dem optischen Sensor kann es sich beispielsweise um einen konfokalen Sensor, um einen konfokal chromatischen Sensor oder um ein Interferometer handeln.
Bei der tiefgezogenen Folie kann es sich insbesondere um eine transparente bis halbtransparente Folie handeln. Vorzugsweise kann es sich um eine thermoplastische Folie, insbesondere um eine Folie aus Polyvinylalkohol handeln. Auch essbare Folien oder Folien aus thermoplastischen, wasserlöslichen und biologisch abbaubaren Granulaten auf Basis von Milchprotein, die ein ausgezeichnetes Zersetzungsverhalten aufweisen, können auf diese Weise vermessen werden.
Vorzugsweise kann die Ausricht- und Verfahreinheit mittelbar oder unmittelbar an einem Maschinengestell montiert sein. Die Ausricht- und Verfahreinheit kann dabei direkt an dem Maschinengestell montiert sein, oder auch an der Bodenplatte, an der auch das Maschinengestell befestigt ist. Das Maschinengestell kann vorzugsweise eine zusätzliche Versteifung aufweisen, um Vibrationen durch die Bewegung der Ausricht- und Verfahreinheit zu minimieren.
Die Ausricht- und Verfahreinheit kann in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in einem verschließbaren Messraum angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch das Positionierungsgestell in einem verschließbaren Messraum angeordnet sein. Insbesondere kann die komplette Messvorrichtung in diesem Messraum angeordnet sein. Ein solcher Messraum kann dem Schutz des Bedieners dienen, insbesondere bei der Verwendung eines optischen Sensors. Gleichzeitig kann der Messraum auch dem Schutz des Messverfahrens dienen, da Fehlereinflüsse durch die Umgebung auf diese Weise optimal ausgeschlossen werden können.
Vorzugsweise kann die Fixiereinrichtung eine Vakuumpumpe aufweisen. Diese Vakuumpumpe kann bereits für das Tiefziehen der Folie eingesetzt werden, so dass keine zusätzliche Einrichtung benötigt wird.
Die Formatplatte kann in diesem Fall insbesondere über einen pneumatischen Ankoppelpunkt, beispielsweise über einen Pneumatik-Steckverbinder, mit der Vakuumpumpe verbunden sein.
Vorzugsweise kann das Positionierungsgestell fest an einem Maschinengestell montiert sein. An diesem Maschinengestell können auch die weiteren Bestandteile der Vorrichtung, insbesondere die Ausricht- und Verfahreinheit montiert sein, so dass die Formatplatte und die Ausricht- und Verfahreinheit definiert zueinander ausgerichtet sind. Vorzugsweise kann das Positionierungsgestell formschlüssig mit einer an dem Maschinengestell befestigten Bodenplatte verbunden sein. Das Maschinengestell kann vorzugsweise eine zusätzliche Versteifung aufweisen, um Vibrationen durch die Bewegung der Ausricht- und Verfahreinheit zu minimieren.
Eine solche Fixierung des Positionierungsgestells an einem Maschinengestell ist insbesondere bei Labor- oder Testvorrichtungen von Vorteil. In derartigen Vorrichtungen kann beispielsweise während der Entwicklung oder Anpassung von neuen Formatgeometrien der Formatplatten überprüft werden, ob die gewählte Geometrie der Werkzeugkavitäten im Zusammenspiel mit den gewählte Prozesssparametern zu einer ausreichenden Wandstärke der tiefgezogenen Folie führt. Sofern die Ergebnisse in diesem Fall nicht zufriedenstellen sind, kann beispielsweise die Geometrie der Werkzeugkavitäten, insbesondere hinsichtlich des Flächenverlaufs oder des Streckfaktors, oder auch einer der Prozessparameter des Tiefziehprozesses geändert werden. Erst wenn die Ergebnisse der Messung die Einhaltung der erforderlichen Qualitätskriterien bestätigen, kann die eigentliche Produktion unter den ermittelten Prozessparametern gestartet werden.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Messvorrichtung auch in eine Produktionsvorrichtung für entsprechende Portionspackungen integriert werden. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Stichproben-Prüfung von einzelnen Formatplatten erfolgen, so dass sichergestellt werden kann, dass die eingestellten Prozessparameter mit dem verwendeten Folienmaterial nach wie vor zu solchen Portionspackungen führen, die die erforderlichen Qualitätskriterien erfüllen. In diesem Fall kann beispielsweise eine Abzweigung von einzelnen Formatplatten innerhalb der Produktionsvorrichtung erfolgen. Die abgezweigten Formatplatten werden in diesem Fall nicht sofort weiterverarbeitet, sondern zunächst der integrieren Messvorrichtung zugeführt. Die Formatplatten werden bei entsprechenden Produktionsmaschinen in der Regel in einer definierten, reproduzierbaren Linearbewegung transportiert. Dies erfolgt regelmäßig über ein Transportband, auf dem die Formatplatten - in der Regel in einem Werkzeugträger fixiert - positioniert werden. Das Positionierungsgestell kann daher in diesem Fall beweglich ausgebildet sein und an einem definierten Referenzpunkt angehalten werden. Dabei kann insbesondere das Transportband als Positionierungsgestell dienen. Diese Möglichkeit besteht beispielsweise auch während der Inbetriebnahme der Vorrichtung, während eines Factory Acceptance Tests oder während eines Site Acceptance Tests, da in diesen Fällen keine hohe Taktung erforderlich ist und keine Vielzahl an Produkten hergestellt werden muss.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Messen der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität wird zunächst die Folie in eine innerhalb einer Formatplatte vorhandene Werkzeugkavität tiefgezogen. In diesem tiefgezogenen Zustand wird die Folie innerhalb der Werkzeugkavität gehalten. Die tiefgezogene Folie verbleibt dadurch innerhalb der Werkzeugkavität, ohne die Position zu verändern. Somit kann es nicht zu einer Rückstellung des tiefgezogenen Folienmaterials kommen, so dass die Wandstärke der tiefgezogenen Folie nicht weiter verändert wird. Das Folienmaterial verweilt vielmehr in der eingenommenen Position, was eine grundlegende Voraussetzung für eine reproduzierbare Messung darstellt. Die Formatplatte mit der tiefgezogenen Folie wird anschließend in einer definierten Referenzstellung positioniert. Die Formatplatte ist somit für jede Messung identisch positioniert, so dass sich ein stets wiederkehrender Referenzpunkt für die Ausricht- und Verfahreinheit ergibt. Für die eigentliche Messung wird ein an der Ausricht- und Verfahreinheit lagefixierter Mess-Sensor zu einem definierten Messpunkt verfahren. An diesem definierten Messpunkt erfolgt dann zumindest eine Messung der Wandstärke der tiefgezogenen Folie.
Bei einer direkten Prüfung der resultierenden Folienstärke unmittelbar nach dem Vakuumthermoformprozess können durch das erfindungsgemäße Messerverfahren erstmals die direkten Einflüsse des Vakuumthermoformprozesses auf die Folie sichtbar gemacht werden. Dies ermöglicht es auch, einzelne Prozessparameter auf ihre Auswirkungen auf die resultierende Folienstärke zu überprüfen.
Durch die direkte Prüfung der resultierenden Folienstärke unmittelbar nach dem Vakuumthermoformprozess kann darüber hinaus aufgrund von Erfahrungswerten sehr schnell beurteilt werden, ob eine daraus geformte Portionspackung die vorgeschriebenen Qualitätskriterien erfüllen wird. Bei einer zu geringen resultierenden Folienstärke kann dann die weitere Herstellung der Portionspackung abgebrochen werden. Die Folie selbst kann in diesem Verfahrensstand relativ einfach recycelt werden, so dass lediglich ein geringer Ausschuss zu erwarten ist.
Das Halten der tiefgezogenen Folie innerhalb der Werkzeugkavität kann insbesondere mittels Vakuum erfolgen. In der Regel erfolgt bereits das Tiefziehen der Folie mittels Vakuum, so dass für das Halten der Folie keine zusätzliche Einrichtung benötigt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Messung der resultierenden Wandstärke einer tiefgezogenen Folie kann die Formatplatte selbst in einem Positionierungsgestell als Messraum positioniert werden. Dadurch ist es möglich, dass sich der zumindest eine Mess-Sensor stets auf denselben Nullpunkt als Referenz bezieht. Von diesem Nullpunkt aus kann der Messablauf vollautomatisch starten. Das Positionierungsgestell dient somit der Positionierung der Formatplatte in einer definierten Referenzstellung.
Vorzugsweise können in dem Programmablauf des Messverfahrens bestimmte Messpunkte definiert werden. Diese definierten Messpunkte werden bei jedem Durchgang des Messverfahrens angefahren, so dass eine reproduzierbare Durchführbarkeit der Messungen erreicht wird. Dies ermöglicht es, die ermittelten Messergebnisse untereinander zu vergleichen. Dies war bei der Verwendung von taktilen Messuhren bislang nicht möglich. Darüber hinaus ermöglich der vollautomatisierte Messablauf eine deutlich effizientere Messung. Während bei der Verwendung einer taktilen Messuhr eine Formatplatte mit vier Kavitäten mit einer Verfahrensdauer der Messung von etwa 40 Minuten zu rechnen ist, kann die Verfahrensdauer bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf lediglich etwa 5 Minuten reduziert werden.
Vorzugsweise können pro Messpunkt etwa 100 einzelne Messwerte aufgezeichnet und zu einem finalen Messwert weiterverarbeitet werden. Bei manuellen Messungen können aufgrund zeitlicher Aspekte dagegen in der Regel lediglich zwei bis drei Messwerte je Messpunkt erfasst werden. Dies erhöht die Genauigkeit der Messung und macht diese insgesamt deutlich aussagekräftiger. Vorzugsweise verweilt die Ausricht- und Verfahreinheit kurz vor und kurz nach der Messung an dem definierten Messpunkt, so dass eine mögliche Bewegung der Ausricht- und Verfahreinheit nicht zu einer Messwertverfälschung oder einem Messfehler führen kann.
Um die Genauigkeit der Messung weiter zu erhöhen, kann der Messablauf zweimal unmittelbar hintereinander durchgeführt werden. Die Ergebnisse der beiden Messreihen können in diesem Fall auf ihre Gültigkeit gegengeprüft werden.
Über das Abfahren eines Streifenmusters kann darüber hinaus ein sehr exaktes Oberflächenprofil hinsichtlich der resultierenden Folie abgebildet werden (Scanner-Prinzip). Dadurch ist es möglich, eine Flächenbeurteilung vorzunehmen. Prinzipiell kann in kurzen Abständen an sehr nah aufeinander folgenden Messpunkten gemessen werden, so dass eine sehr hohe Messwertdichte erreicht werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich besonders schnelle und reproduzierbare Messungen durchführen. Darüber hinaus können die Messungen im tiefgezogenen Zustand innerhalb der Werkzeugkavität erfolgen. Auch die Messwertverarbeitung kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung automatisiert erfolgen. Insgesamt ist daher ein vollautomatisiertes Messverfahren möglich, bei dem während der Messung sämtliche Mess-Sensoren reproduzierbar und gemäß deren individuellen Anforderungen, beispielsweise hinsichtlich Arbeitsabstand und Winkel, positioniert werden können. Dies ermöglicht eine Messung der Wandstärke im tiefgezogenen Zustand direkt in der Werkzeugkavität. Dabei kann sowohl die Wandstärke von planen Flächen als auch die Wandstärke von Freiformflächen im tiefgezogenen Zustand gemessen werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sind den in den Ansprüchen ferner angegebenen Merkmalen sowie den nachstehenden Ausführungsbeispielen zu entnehmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine Frontansicht der teilweise innerhalb eines geschützten, verschließbaren Messraums befindlichen erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Messraum gemäß 1,
3 eine Frontansicht einer in dem Messraum befindlichen ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Ausricht- und Verfahreinheit als XYZ-Portalachse ausgebildet ist,
4 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 3,
5 eine perspektivische Detailansicht der XYZ-Portalachse gemäß 3 und 4 während der Messung einer Werkzeugkavität,
6 eine Detail-Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Ausricht- und Verfahreinheit als Roboterarm ausgebildet ist, während einer senkrechten Messung in der Z-Achse,
7 eine perspektivische Ansicht des Roboterarms gemäß 6,
8 eine Seitenansicht des Roboterarms gemäß 6 und 7 während einer Messung einer Werkzeugkavität mit ansteigendem Winkelverlauf, und
9 eine schematische graphische Auswertung der Messwerte aller Messpunkte einer Formatplatte im Entwicklungsformat mit vier unterschiedlich tiefen Werkzeugkavitäten mit Informationen zur durchschnittlichen, maximalen und minimalen resultierenden Folienstärke.

WEGE ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 10, die teilweise in einem geschützten, verschließbaren Messraum 12 angeordnet ist, ist in 1 und 2 schematisch dargestellt. Bei der Vorrichtung 10 handelt es sich im vorliegenden Beispielsfall um eine Labor- oder Testvorrichtung, mittels der einzelne Formatplatten unabhängig von der eigentlichen Produktionsmaschine auf die resultierende Folienstärke überprüft werden können.
Die Vorrichtung 10 besitzt ein Maschinengestell 20, das fest an einer Bodenplatte 22 angebracht ist. Das Maschinengestell 20 besitzt zwei vertikale Stützträger 24, 26, die mit einem gewissen gegenseitigen Abstand voneinander vorhanden sind. Die Stützträger 24, 26 sind an der Bodenplatte 22 befestigt, wobei die Stützträger 24, 26 jeweils ein Stück von den Seitenrändern 28 der Bodenplatte 22 entfernt sind. Zwischen den beiden Stützträgern 24, 26 befindet sich ein unterer Bereich 30 des Messraums 12, der von einer zwischen den Stützträgern 24, 26 angeordneten Tür 32 nach vorne begrenzt wird. Nach hinten wird dieser untere Bereich 30 von einer hier nicht dargestellten Wand begrenzt.
Oberhalb der beiden Stützträger 24, 26 befindet sich eine etwa U-förmige Maschinenplatte 34 (siehe auch 3), die an den beiden Stützträgern 24, 26 befestigt ist. Die Maschinenplatte 34 ist mitsamt der an ihr befestigten Bauteile in einem oberen Bereich 36 des Messraums 12 untergebracht. Dieser obere Bereich 36 des Messraums 12 ragt über die beiden Stützträger 24, 26 hinaus und reicht seitlich der beiden Stützträger 24, 26 bis auf die Bodenplatte 22 herab.
Zwischen den beiden Stützträgern 24, 26 ist eine Versteifung 36 in Form einer vertikalen Versteifungsplatte vorhanden. Die Versteifung 36 dient der Stabilisierung der Vorrichtung 10, so dass Bewegungen der einzelnen Bauteile aufgefangen werden können und die Messergebnisse exakt und reproduzierbar ausfallen.
An der Maschinenplatte 34 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 bis 5 eine als XYZ-Portalachse 40 ausgebildete Ausricht- und Verfahreinheit 42 befestigt, die sich vollständig innerhalb des Messraums 12 befindet. Dies dient sowohl dem Schutz des Bedieners der Vorrichtung 10 als auch dem Schutz des Messverfahrens vor äußeren Einflüssen.
Die XYZ-Portalachse 40 wird über insgesamt drei Servomotoren 44, 46, 48 verfahren. Über den ersten Servomotor 44 wird die XYZ-Portalachse 40 in der X-Achse 50 parallel zu der Versteifung 36 verfahren. Über den zweiten Servomotor 46 wird die XYZ-Portalachse 40 in der Y-Achse 52 parallel zu den vertikalen Stützträgern 24, 26 verfahren. Über den dritten Servomotor 48 wird die XYZ-Portalachse 40 in der Z-Achse 54 in vertikaler Richtung verfahren. Die drei Servomotoren 44, 46, 48 können die XYZ-Portalachse 40 somit gemäß dem gewünschten Messablauf exakt positionieren. Beschleunigende Bewegungen der XYZ-Portalachse 40 zwischen den einzelnen angefahrenen Messpunkten werden durch die beiden vertikalen Stützträger 24, 26 sowie durch die zusätzliche Versteifung 36 aufgenommen, so dass Vibrationen und Bewegungen minimiert werden können.
An dem freien Ende der Z-Achse 54 der XYZ-Portalachse 40 befindet sich eine Sensorklemmung 56. In dieser Sensorklemmung 56 kann ein für die jeweilige Messaufgabe geeigneter Sensor 58 so fixiert werden, dass sich die Position des Sensors 58 während des Verfahrens der XYZ-Portalachse 40 und damit auch während des Messverfahrens nicht verändern kann.
Die Positionierung des Sensors 58 sollte daher reproduzierbar erfolgen. Sofern dies nicht möglich oder gewünscht ist, muss der Sensor 58 bei der Montage jeweils neu auf den definierten Arbeitsbereich eingestellt werden. In diesem Zusammenhang ist auch eine neue Positionierungsabstimmung zwischen dem Sensor 58 und der Z-Achse 54 der XYZ-Portalachse 40 erforderlich, so dass die Position des Sensors 58 exakt der im Programmablauf der Messung definierten Position entspricht. Hierfür können geeignete, aus dem Stand der Technik bereits bekannte, Messmittel verwendet werden, deren Messfehler kleiner ist als die im Messablauf erlaubte Messungenauigkeit. Eine Demontage des Sensors 58 kann beispielsweise für Wartungs- oder Eichzwecke erforderlich sein, in diesem Fall kann der Sensor 58 anschließend erneut montiert werden. Bei einem Defekt des Sensors 58 kann auch ein Austausch des Sensors 58 erforderlich sein. Darüber hinaus kann es notwendig sein unterschiedliche zu messende Folien jeweils mit unterschiedlichen Sensoren 58 zu vermessen.
Zwischen den beiden Stützträgern 24, 26 befindet sich ein Positionierungsgestell 60 für eine Formatplatte 62. Das Positionierungsgestell 60 ist formschlüssig mit der Bodenplatte 22 verbunden. Auf dem Positionierungsgestell 60 kann ein Werkzeugträger 64 mit einer Formatplatte 62 reproduzierbar positioniert werden. An dem Werkzeugträger 64 ist ein pneumatischer Ankoppelpunkt 66 in Form eines Pneumatik-Steckverbinders vorhanden. An dem pneumatischen Ankoppelpunkt 66 ist eine hier nicht dargestellte Schlauchleitung angebracht, die zu einer Vakuumpumpe führt.
Das eigentliche Tiefziehen der zu messenden Folie kann zunächst in einer Formatplatte 62 außerhalb des Messraums 12 und damit unabhängig von der Vorrichtung 10 erfolgen. Dabei kann die zu messende Folie zunächst in einer sich innerhalb der Formatplatte 62 befindliche Werkzeugkavität 68 tiefgezogen werden. Dies kann durch sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Umformverfahren erfolgen, wie sie beispielsweise auch in der DIN 8580 beschrieben sind. Beispielsweise kann dies durch Tiefziehen unter Zuhilfenahme eines Vorreckstempels erfolgen. Bei der Herstellung von wasserlöslichen Portionspackungen handelt es sich bei der verwendeten Folie in der Regel um eine thermoplastische Polyvinylalkoholfolie, welche im Vakuumthermoformprozess unter Einsatz von Temperatur und Vakuum zur Produkthülle einer Portionspackung thermogeformt wird.
Über die an dem pneumatischen Ankoppelpunkt 66 des Werkzeugträgers 68 vorhandene Schlauchleitung zur Sicherstellung des verbleibenden Tiefzugs der Folie mittels Vakuum kann zunächst zwischen der Folie und der Werkzeugkavität 68 Vakuum erzeugt werden, um die Folie tiefzuziehen. Anschließend kann auf diese Weise auch sichergestellt werden, dass die tiefgezogene Folie im jeweiligen Stadium des erfolgten Tiefzugs innerhalb der Werkzeugkavität 68 verbleibt, ohne die Position der tiefgezogenen Folie zu verändern. In dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel dient daher der pneumatische Ankoppelpunkt 66 mit der Schlauchleitung und der Vakuumpumpe als Fixiereinrichtung 70 für die tiefgezogene Folie.
Erst nach dem Abschluss der Messung wird eine Rückstellung der tiefgezogenen Folie durch das Abstellen des Vakuums zugelassen. Alternativ dazu kann der Verbleib im jeweiligen Stadium des Tiefzugs gegebenenfalls auch durch andere Methoden realisiert werden. Dabei können sämtliche aus dem Stand der Technik bekannten Techniken eingesetzt werden, die eine Rückstellung der tiefgezogenen Folie verhindern. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass durch diese Techniken die resultierende Materialstärke der tiefgezogenen Folie nicht verändert wird.
Nach dem Abschluss des Tiefziehens wird die Formatplatte 62 mit dem Werkzeugträger 64 in einer Aufnahmeschiene 80 des Positionierungsgestells 60 positioniert. Die Aufnahmeschiene 80 besitzt dazu einen hier nicht näher dargestellten Anschlag, so dass eine geführte Positionierung des Werkzeugträgers 64 mit der Formatplatte 62 ermöglicht wird. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Werkzeugträger 64 und damit auch die Formatplatte 64 stets identisch positioniert ist und somit einen stets wiederkehrenden Referenzpunkt für das Koordinatensystem der Ausricht- und Verfahreinheit 42 (im vorliegenden Beispielsfall der XYZ-Portalachse 40) bildet.
Nach der erfolgten Positionierung des Werkzeugträgers 64 mit der Formatplatte 62 auf dem Positionierungsgestell 60 kann der Start des automatisierten Messablaufs erfolgen. Im vorliegenden Beispielsfall wird der Messablauf manuell über einen Starttaster 82 gestartet. Im vorliegenden Beispielsfall ist der Starttaster 82 im Bereich des linken vertikalen Stützträgers 24 angeordnet. Alternativ dazu kann der Start des Messablaufs auch manuell oder automatisch über die Maschinensteuerung realisiert werden. Zu Beginn des Messablaufs richtet sich zunächst die XYZ-Portalachse 40 so aus, dass der Mittelpunkt des Sensormesspunkts im definierten Arbeitsabstand und Winkel auf den Referenzpunkt ausgerichtet ist. Nach dem erfolgten Anfahren des Referenzpunkts fährt die XYZ-Portalachse 40 den programmierten Messablauf ab.
Während des Messablaufs werden mehrere Messpunkte gemäß der Definition der Messaufgabe aufgezeichnet. Dies kann sowohl kontinuierlich, als auch lediglich an den jeweils definierten, von der XYZ-Portalachse 40 angefahrenen Messpunkten erfolgen. Die Messfrequenz und weitere spezifische Einstellungen, welche jeweils in Korrelation zur Messaufgabe stehen, werden entsprechend dem verwendeten Sensor 58 eingestellt. Soll lediglich an definierten Messpunkten gemessen werden, erhält der Sensor 58 (beziehungsweise die dazugehörige Steuerung) von der Maschinensteuerung der XYZ-Portalachse 40 ein entsprechendes Signal, so dass die Messung ausgelöst wird. Die Messung wird dabei erst gestartet, wenn der Sensor 58 die definierte Koordinatenposition erreicht hat. Kurz vor und kurz nach der Messung verweilt die XYZ-Portalachse 40 für eine gewissen Zeit an der definierten Koordinatenposition des Messpunkts, so dass keine Messwertverfälschung beziehungsweise kein Messfehler durch eine mögliche Bewegung der XYZ-Portalachse 40 auftreten kann.
Nach dem erfolgten Abfahren des definierten Messablaufs kann die XYZ-Portalachse 40 auf eine definierte Startposition oder auf den definierten Referenzpunkt zurückkehren und die Messung ist beendet. Alternativ dazu kann die XYZ-Portalachse 40 auch an dem letzten angefahrenen Messpunkt verweilen.
In 6 bis 8 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem die Ausricht- und Verfahreinheit 42 als Roboterarm 90 ausgebildet ist. Auch in diesem Fall handelt es sich um eine Test- oder Laborvorrichtung, mittels der einzelne Formatplatten unabhängig von der eigentlichen Produktionsmaschine auf die resultierende Folienstärke überprüft werden können.
Der Roboterarm 90 besitzt eine Sensoraufnahmehalterung 92, an der der Sensor 58 so fixiert werden kann, dass sich die Position des Sensors 58 während des Verfahrens des Roboterarms 90 und damit auch während des Messverfahrens nicht verändern kann. Die Positionierung des Sensors 58 sollte daher reproduzierbar erfolgen. Sofern dies nicht möglich oder gewünscht ist, muss der Sensor 58 bei der Montage jeweils neu auf den definierten Arbeitsbereich eingestellt werden. In diesem Zusammenhang ist auch eine neue Positionierungsabstimmung zwischen dem Sensor 58 und dem Roboterarm 90 erforderlich, so dass die Position des Sensors 58 exakt der im Programmablauf der Messung definierten Position entspricht.
Sofern in der Z-Achse 54 eine Arbeit des Roboterarms 90 oberhalb der Formatplatte 62 erforderlich ist, kann der Roboterarm 90 mit einer entsprechenden Aufhängung 94 oberhalb der Formatplatte 62 formschlüssig verbunden sein (6). Abhängig von der Notwendigkeit der Anwendung kann auch die Positionierung des Roboterarms 90 entsprechend angepasst werden. Bei Bedarf kann der Roboterarm 90 daher auch formschlüssig mit der Bodenplatte 22 und/ oder dem Maschinengestell 20 verbunden sein. Auch der Roboterarm 90 ist zum Schutz des Bedieners und des Messablaufs in einem verschließbaren Messraum 12 angeordnet.
Nach der erfolgten Positionierung des Werkzeugträgers 64 mit der Formatplatte 62 auf dem Positionierungsgestell 60 kann der Start des automatisierten Messablaufs erfolgen. Auch bei dieser Ausführungsform kann der eigentliche Messablauf entsprechend dem oben dargestellten Verfahren erfolgen.
Nach Abschluss der Messung werden die von der Steuerung des Sensors 58 aufgezeichneten Messwerte exportiert und automatisiert weiterverarbeitet. Der Export kann dabei über sämtliche gängige Schnittstellen erfolgen. So können die exportierten Daten beispielsweise als csv-Datei weiterverarbeitet werden. Dabei können die Daten in eine Excel-Datei eingelesen und automatisiert ausgewertet werden. In diesem Zusammenhang erfolgt auch die Prüfung der Wertevalidität anhand statistischer Hilfsmittel, wie beispielsweise anhand von Standardabweichungen und/ oder anhand von Mittelwerten. In der Regel werden zwei Messabläufe durchgeführt, so dass die Messwerte beider Messreihen auf ihre Gültigkeit gegengeprüft werden können. Darüber hinaus erfolgt auch eine Prüfung der einzelnen Messwerte eines Messpunkts hinsichtlich der Gültigkeit. Bei der Nichterfüllung der vordefinierten Kriterien wird der Messpunkt als ungültig gekennzeichnet. Die Kriterien der Gültigkeitsprüfung können in der Auswertedatei individuell festgelegt werden. Dadurch ist es möglich, verschiedene Szenarien abzuprüfen. Die geprüften Messwerte beider Messreihen können anschließend in eine Gesamtauswertung zusammengeführt werden.
Ungültige Messpunkte können gekennzeichnet werden, beispielsweise über eine farbliche Markierung. Durch die ungültigen Messpunkte wird eine Prüfung der vorliegenden Problematik anhand der Messwerte möglich. Die gültigen und die ungültigen Messwerte können anschließend im Rahmen des Berechnungsalgorithmus in eine graphische Lösung überführt werden. Diese graphische Lösung kann die Darstellung der Messwerte eines entsprechenden Messpunkts innerhalb der Werkzeugkavität ermöglichen. Auch an dieser Stelle können ungültige Messwerte (beispielsweise über eine farbliche Markierung) gekennzeichnet werden.
Darüber hinaus ist es möglich, für eine bestehende Werkzeugkavität den Mittelwert sowie den Maximal- und den Minimal-Wert anzugeben und graphisch darzustellen. Die Kennzeichnung des minimalen und damit des kritischsten Messwerts innerhalb der graphischen Darstellung kann auch in diesem Fall farblich erfolgen. Der Mittelwert sowie der Minimalwert können beispielsweise herangezogen werden, um eine Aussage hinsichtlich der Produktqualität zu geben und damit eine Unterscheidung in ein Gut-Teil oder ein Schlecht-Teil zu ermöglichen. Über einen farblichen Verlauf kann zudem sichtbar gemacht werden, in welchem Bereich sich die Messwerte insgesamt bewegen.
In 9 ist das Ergebnis der graphischen Auswertung beispielhaft für ein Entwicklungsformat 100 dargestellt, welches über vier verschieden tiefe Werkzeugkavitäten 102, 104, 106, 108 verfügt. Über den graphischen Verlauf werden die abnehmenden Messwerte bei kontinuierlich tiefer werdenden Werkzeugkavitäten 102, 104, 106, 108 ersichtlich. Schwarz dargestellt werden ungültige Messpunkte 110 und die umrandeten Messpunkte 112 kennzeichnen jeweils die niedrigste Folienstärke eines Messpunkts innerhalb einer Werkzeugkavität 102, 104, 106, 108.

Claims

Vorrichtung (10) zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität, - mit einer Fixiereinrichtung (70) zum Halten der tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität (68) einer Formatplatte (62), - mit einem Positionierungsgestell (60), in dem die Formatplatte (62) mit den Werkzeugkavitäten (68) positionierbar und fixierbar ist, - mit zumindest einem Mess-Sensor (58), der an einer Ausricht- und Verfahreinheit (42) lagefixiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, - dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausricht- und Verfahreinheit (42) als XYZ-Portalachse (40) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, - dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausricht- und Verfahreinheit (42) als Roboterarm (90) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, - dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausricht- und Verfahreinheit (42) mittelbar oder unmittelbar an einem Maschinengestell (20) montiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, - dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausricht- und Verfahreinheit (42) und/ oder das Positionierungsgestell (60) in einem verschließbaren Messraum (12) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, - dadurch gekennzeichnet, dass - die Fixiereinrichtung (70) eine Vakuumpumpe aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, - dadurch gekennzeichnet, dass - das Positionierungsgestell (60) fest an einem Maschinengestell (20) montiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, - dadurch gekennzeichnet, dass - das Positionierungsgestell beweglich ausgebildet ist, - das Positionierungsgestell an einem definierten Referenzpunkt anhaltbar ist.
Verfahren zur Messung der Wandstärke einer tiefgezogenen Folie innerhalb einer Werkzeugkavität, mit folgenden Verfahrensschritten: (a) die Folie wird innerhalb einer Werkzeugkavität (68) einer Formatplatte (62) tiefgezogen, (b) die tiefgezogene Folie wird innerhalb der Werkzeugkavität gehalten, (c) die Formatplatte (62) wird in einer definierten Referenzstellung positioniert, (d) ein an einer Ausricht- und Verfahreinheit (42) lagefixierter Mess-Sensor (58) wird zu einem definierten Messpunkt verfahren, (e) an dem definierten Messpunkt erfolgt zumindest eine Messung der Wandstärke der tiefgezogenen Folie.
Verfahren nach Anspruch 9, - dadurch gekennzeichnet, dass - die tiefgezogene Folie mittels Vakuum innerhalb der Werkzeugkavität gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, - dadurch gekennzeichnet, dass - die Verfahrensschritte (d) und (e) mehrmals hintereinander durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, - dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausricht- und Verfahreinheit (42) kurz vor und kurz nach der Messung in Verfahrensschritt (d) an dem definierten Messpunkt verweilt.