CH721934B1

CH721934B1 - Vorrichtung zum Heisssiegeln von Verpackungen

Info

Publication number: CH721934B1
Application number: CH001079/2025A
Authority: CH
Inventors: Gross Rafael; Dellsperger René
Original assignee: Rychiger Ag
Priority date: 2025-09-18
Filing date: 2025-09-18
Publication date: 2026-02-27
Also published as: CH721934A2

Abstract

Eine Vorrichtung zum Heisssiegeln von Verpackungen umfasst ein Siegelwerkzeug (10) mit einer Heizeinrichtung (16), insbesondere zum Beheizen eines am Siegelwerkzeug (10) angeordneten Siegelstempels (15), ein Gegenwerkzeug (30), wobei das Siegelwerkzeug (10) und das Gegenwerkzeug (30) entlang einer Arbeitsrichtung relativ zueinander bewegbar sind. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Kraftmesseinrichtung (40) mit mindestens einem Kraftsensor zum Messen einer Siegelkraft, wobei der mindestens eine Kraftsensor am Siegelwerkzeug (10) und/oder am Gegenwerkzeug (30) angeordnet ist, und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Sensordaten des mindestens einen Kraftsensors.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Heisssiegeln von Verpackungen, umfassend ein Siegelwerkzeug mit einer Heizeinrichtung und ein Gegenwerkzeug, wobei das Siegelwerkzeug und das Gegenwerkzeug entlang einer Arbeitsrichtung relativ zueinander bewegbar sind.

Stand der Technik

[0002] Das Heisssiegeln von Verpackungen wird breit angewandt. So stellt es beispielsweise eines der häufigsten Verfahren zum Verschliessen von Verpackungen für Lebensmittel oder pharmazeutischen Produkten dar. Das Heisssiegeln wird beispielsweise zum Verschliessen von flexiblen Kunststoffbeuteln oder für das Aufsiegeln von Foliendeckeln auf Behälter wie Kapseln, Becher, Schalen oder Trays eingesetzt. Grundsätzlich werden beim Heisssiegeln zwei Kunststoffschichten miteinander verbunden, wobei Verfahren bekannt sind, um eine möglichst feste Verbindung zu schaffen und andere, bei denen die Verbindung auf einfache Weise wieder gelöst werden kann.

[0003] Grundsätzlich wird beim Heisssiegeln mindestens eine Polymerschicht erhitzt, bis sie sich teilweise verflüssigt. Die teilweise verflüssigte Schicht wird unter einem gewissen Druck mit dem Gegenstück in Kontakt gebracht. Durch Abkühlen der Schicht verfestigt sich diese wieder und sie bleibt am Gegenstück haften.

[0004] Die Qualität der Siegelnaht ist entscheidend: Undichtigkeiten oder Beschädigungen der Siegelnaht sind eine häufigere Ursache für die Kontamination oder die Beeinträchtigung des verpackten Produkts als ein Versagen der Verpackung an anderer Stelle. Durch eine Siegelnaht hoher Qualität wird somit sichergestellt, dass die Verpackung das verpackte Produkt vor seiner Benutzung vor Staub, Keimen, Hefen, Bakterien, Viren und Alterungsprozessen schützt.

[0005] Die Heizeinrichtung kann insbesondere zum Beheizen eines am Siegelwerkzeug angeordneten Siegelstempels dienen und beispielsweise als Leiterstruktur ausgebildet sein, die sich beim Durchleiten eines Stroms erwärmt (Widerstandsheizung). Das Beheizen kann im Wesentlichen kontinuierlich erfolgen, oder es wird eine Heizeinrichtung mit sehr geringer Wärmekapazität eingesetzt, die das Generieren von Heizimpulsen ermöglicht.

[0006] Weitere Heizeinrichtungen sind möglich, so z. B. eine Heissluft-Heizung, eine Ultraschall-Sonotrode, eine Induktionsheizung (für Siegelschichten mit Metallgehalt) oder eine Mikrowellenheizung. Wenn der Siegelprozess unmittelbar mit einem Schneidvorgang verbunden ist, kann dieser mit einem Heizdraht erfolgen und zwar so, dass die durch den Heizdraht erwärmte Trennstelle unmittelbar anschliessend, im noch erwärmten Zustand, aufgesiegelt wird.

[0007] Beim Gegenwerkzeug kann es sich um eine Matrize handeln, die zur Aufnahme des Gegenstücks bzw. eines Abschnitts davon ausgebildet ist. Es kann sich auch nur um ein ebenes Gegenstück handeln, dem entlang z. B. eine flache Folienbahn geführt wird und das die Kräfte beim Zusammenwirken von Siegelwerkzeug und Gegenwerkzeug aufnehmen kann.

[0008] Das Siegelwerkzeug und das Gegenwerkzeug sind beispielsweise vertikal übereinander angeordnet, und die Arbeitsrichtung ist vertikal. Dabei ist insbesondere das Siegelwerkzeug oben angeordnet und relativ zu einem ortsfesten Gegenwerkzeug beweglich. Es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen das Gegenwerkzeug beweglich und das Siegelwerkzeug im Wesentlichen ortsfest ist, oder solche, bei denen beide Werkzeuge beweglich sind. Ebenso sind Ausführungen möglich, bei denen das Siegelwerkzeug unten und das Gegenwerkzeug oben angeordnet sind, oder bei denen die Arbeitsrichtung horizontal oder schräg verläuft.

[0009] Aufgrund der hohen Taktzahl heutiger Vorrichtungen zum Heisssiegeln entsteht bei Beeinträchtigungen des Siegelprozesses rasch viel Ausschuss, insbesondere dann, wenn die Störung erst anhand der verpackten Produkte festgestellt wird. Es besteht deshalb der Wunsch, Störungen im Siegelprozess schnellstmöglich festzustellen oder gar Hinweise auf drohende Probleme zu erkennen, bevor das Problem auftritt.

Darstellung der Erfindung

[0010] Aufgabe der Erfindung ist es entsprechend, eine dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörende Vorrichtung zum Heisssiegeln von Verpackungen zu schaffen, welche eine frühzeitige Erkennung von Störungen ermöglicht.

[0011] Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung umfasst die Vorrichtung eine Kraftmesseinrichtung mit mindestens einem Kraftsensor zum Messen einer Siegelkraft, wobei der mindestens eine Kraftsensor am Siegelwerkzeug und/oder am Gegenwerkzeug angeordnet ist, und eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Sensordaten des mindestens einen Kraftsensors.

[0012] Die Kraftmesseinrichtung ermöglicht insbesondere eine zeitaufgelöste Erfassung der Siegelkraft während des Siegelvorgangs (sowie bevorzugt auch vor, zwischen und nach den Siegelvorgängen). Dadurch wird eine Kraftmesskurve erhalten, die einen höheren Informationsgehalt aufweist als lediglich ein Wert einer Maximalkraft oder eine Momentaufnahme zu einem gewissen Zeitpunkt im Siegelprozess. Dies ermöglicht eine detailliertere Analyse und eine schnelle Reaktion. Damit werden in einem Störungsfall der Ausschuss und gegebenenfalls die Standzeit minimiert. Insbesondere ist die zeitliche Auflösung der Kraftmesseinrichtung mindestens 100 Messungen/s, bevorzugt mindestens 1'000 Messungen/s. Es sind Kraftmessvorrichtungen verfügbar, die eine zeitliche Auflösung von bis zu 50'000 Messungen/s (oder mehr) erlauben.

[0013] Die Kraftmessung erfolgt bevorzugt direkt, d. h. der Kraftsensor erfasst direkt die Kraft, die auf das mit dem Sensor versehene Element (Siegelwerkzeug oder Gegenwerkzeug) wirkt. Dies gewährleistet verlässliche Daten und minimiert mögliche Einflüsse, die zu Messfehlern führen können.

[0014] Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst bevorzugt einen am Siegelwerkzeug angeordneten Siegelstempel und eine Heizeinrichtung zum Beheizen desselben. Bei der Heizeinrichtung handelt es sich insbesondere um eine elektrisch leitende Struktur, die als Widerstandsheizung betrieben werden kann. Dies ermöglicht schnelle Zykluszeiten, erfordert keine Verbrauchsmaterialien oder -medien, die das Produkt verunreinigen könnten, ist kostengünstig und flexibel.

[0015] Bei der Verarbeitungseinheit kann es sich um eine dedizierte Recheneinheit handeln, die die Sensordaten empfängt, verarbeitet, gegebenenfalls speichert und über geeignete Schnittstellen an weitere Geräte, z. B. eine nachgeordnete Recheneinheit, eine Ausgabeeinheit oder einen Cloud-Speicher, übermittelt. Die Verarbeitungseinheit kann beispielsweise in ein loT-Edge-System integriert werden, wodurch statistische Auswertungen, sowie Funktionen zur vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance) unterstützt werden. Dadurch lassen sich langfristige Trends erkennen, Abweichungen frühzeitig identifizieren und Wartungsmassnahmen bedarfsgerecht einleiten.

[0016] Bei den verarbeiteten Daten kann es sich um digitalisierte Messwerte, gefilterte, gemittelte oder aggregierte Werte oder Berechnungsergebnisse handeln. Zur Auslösung von Aktionen und/oder zum Ausgeben von Mitteilungen bzw. Warnungen kann die Verarbeitungseinheit oder eine nachgeordnete Recheneinheit unmittelbar mit der Maschinensteuerung verbunden sein. In weiteren Ausführungsformen handelt es sich bei der Verarbeitungseinheit um einen Standardrechner (z. B. einen PC). In wieder anderen Ausführungsformen ist die Verarbeitungseinheit Teil der Maschinen- bzw. Anlagesteuerung.

[0017] Die Messung der Siegelkraft, insbesondere des Verlaufs der Siegelkraft, liefert verlässliche und wertvolle Informationen für den Betrieb und die Instandhaltung der mit der Siegelvorrichtung ausgestatteten Maschine. Aus diesen Informationen kann auf aktuelle oder drohende Störungen, Verschleiss oder Verschmutzung der Vorrichtung oder auf Probleme mit einem bestimmten Werkstück geschlossen werden.

[0018] So ist die Verarbeitungseinheit insbesondere dazu eingerichtet, in Abhängigkeit der Sensordaten eine Aktion auszulösen, wobei die Aktion mindestens eines der folgenden umfasst:

a)

Ausgeben einer Mitteilung an eine Bedienperson;

b)

Ausschleusen mindestens eines Werkstücks;

c)

Veranlassen eines automatischen Reinigungs-, Justage- oder Austauschvorgangs;

d)

Beeinflussen einer Betriebsweise einer Anlage, die die Vorrichtung zum Heisssiegeln umfasst.

[0019] Bei der Mitteilung an die Bedienperson handelt es sich z. B. um die Information über eine (drohende) Störung, den Hinweis, eine bestimmte Massnahme zu treffen (z. B. manuell einen Reinigungsvorgang oder eine Justage durchzuführen) oder den Hinweis, in einem gewissen Zeitfenster eine Wartung einzuplanen, um mittelfristig drohende Störungen zu vermeiden (predictive maintenance).

[0020] Das Beeinflussen der Betriebsweise kann insbesondere das Stoppen der Anlage, eine Reduktion der Verarbeitungsgeschwindigkeit, das Nachstellen von Betriebsparametern oder ähnliches umfassen.

[0021] Die Kraftmesseinrichtung ermöglicht im Zusammenspiel mit der Verarbeitungseinheit und einer Maschinensteuerung somit insbesondere die Realisierung eines geschlossenen Regelkreises, wobei Betriebsparameter wie Heizleistung, Solltemperatur, Weg oder Vorspannung eines Federelements in Abhängigkeit des erfassten Kraftverlaufs nachgestellt oder automatische Unterhaltsschritte (z. B. Reinigung, Kalibrierung) ausgelöst werden.

[0022] Verschiedene Auslösekriterien für die Massnahmen a)-d) sind möglich, darunter z. B.

1)

das Unter- bzw. Überschreiten eines Sollwerts (in Betrag, 1. und/oder 2. Ableitung);

2)

eine erhebliche Abweichung von einem Sollverlauf;

3)

eine Klassifikation als „ungewöhnlich“ mittels eines unsupervised-machine-learning-Algorithmus (Clusteranalyse);

4)

eine Zuordnung zu einem ungewöhnlichen Betriebszustand mittels eines supervisedlearning-Algorithmus (trainiert anhand von verschiedenen Kraftverläufen, die dem Normalbetrieb und verschiedenen Störungen entsprechen).

[0023] Die Betriebsparameter sind für die jeweilige Applikation unterschiedlich und in engen Grenzen einzuhalten. Sollwerte oder -verläufe können beispielsweise bei der Einrichtung eines neuen Prozesses erfasst werden.

[0024] Mit Vorteil umfasst der mindestens eine Kraftsensor einen Dehnungsmessstreifen. Sensoren dieses Typs sind mit den unterschiedlichsten Spezifikationen verfügbar, langlebig und liefern präzise und zeitlich hoch aufgelöste Messergebnisse. Sie sind zudem gut für die Integration in das Siegel- bzw. Gegenwerkzeug geeignet.

[0025] Der Einsatz anderer Typen ist grundsätzlich möglich. So können z. B. optische oder faseroptische Sensoren, Piezo-, elektrodynamische oder resistive Kraftaufnehmer eingesetzt werden.

[0026] Bevorzugt umfasst die Kraftmesseinrichtung mindestens zwei Kraftsensoren, insbesondere mindestens drei Kraftsensoren. Dies schafft Redundanz und ermöglicht neben der Gewinnung eines Absolutwerts der Kraft auch die Gewinnung von Richtungsangaben.

[0027] Mit Vorteil sind denn auch die die mindestens zwei Kraftsensoren alle am Siegelwerkzeug oder alle am Gegenwerkzeug, in verschiedenen Umfangspositionen, angeordnet. So können Richtungsangaben und damit Hinweise auf eine asymmetrische Kraftwirkung zwischen Siegelwerkzeug, Werkstück und Gegenwerkzeug erhalten werden. Bevorzugt sind drei entlang des Umfangs des entsprechenden Werkzeugs verteilte Kraftsensoren vorhanden, um eine eindeutige Richtungsbestimmung zu ermöglichen. Bei einem Siegelwerkzeug zur Herstellung einer kreisrunden Siegelnaht sind bevorzugt die drei Sensoren in einem gegenseitigen Winkel von 120°, symmetrisch zum Zentrum der herzustellenden Siegelfläche, angeordnet.

[0028] Besonders bevorzugt ist die Verarbeitungseinheit zur Bestimmung eines Einwirkwinkels aus Sensordaten der mindestens zwei Kraftsensoren eingerichtet. Bei drei Sensoren ist eine eindeutige Bestimmung des Winkels möglich.

[0029] Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsformen ist die Kraftmesseinrichtung am Gegenwerkzeug angeordnet. In der Regel ist das Gegenwerkzeug einfacher aufgebaut, umfasst oft keine eigene Heizeinrichtung (und keinen Temperatursensor) und ist im Wesentlichen stationär angeordnet. Entsprechend ist die Integration der Kraftmesseinrichtung einfacher zu bewerkstelligen als am Siegelwerkzeug.

[0030] Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsformen ist die Kraftmesseinrichtung am Siegelwerkzeug, hinter dem Siegelstempel, angeordnet. Je nach Aufbau und Kinematik des Siegelwerkzeugs kann diese Variante vorteilhaft sein. Es ist zu beachten, dass die Kraftmesseinrichtung nicht zwingend unmittelbar hinter dem Siegelstempel angeordnet sein muss, sie kann von diesem durch weitere Elemente (z. B. eine Heizung, einen isolierenden Grundkörper o. ä.) getrennt sein.

[0031] Grundsätzlich ist es möglich, Kraftsensoren sowohl am Siegelwerkzeug als auch am Gegenwerkzeug anzuordnen.

[0032] Mit Vorteil ist die Kraftmesseinrichtung derart elastisch ausgebildet und/oder gelagert, dass sie Krafteinwirkungen in einem Winkel zur Arbeitsrichtung aufnehmen kann, so dass eine Zentrierung zwischen Siegelwerkzeug, Werkstück und Gegenwerkzeug erfolgt. Die Elastizität kann durch die Wahl einer entsprechenden Materialisierung der Kraftmesseinrichtung erreicht werden, oder es sind gesonderte Mittel, z. B. mechanische oder pneumatische Federn in der Kraftmesseinrichtung oder deren Lagerung vorhanden.

[0033] Mit Vorteil umfasst das Gegenwerkzeug eine pneumatische Federvorrichtung, wobei ein Luftdruck der Federvorrichtung insbesondere einstellbar ist. Dies ermöglicht letztlich eine einfache und automatisierte Anpassung der Siegelkraft. Diese kann im Rahmen eines geschlossenen Regelkreises anhand der Messdaten der Kraftmesseinrichtung erfolgen. Die pneumatische Federvorrichtung kann so ausgebildet sein, dass sie die Zentrierung zwischen Siegelwerkzeug, Werkstück und Gegenwerkzeug ermöglicht.

[0034] Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann weiter eine Einrichtung zum Erfassen einer von der Heizeinrichtung bezogenen elektrischen Leistung und/oder Energie und/oder einer abgegebenen thermischen Leistung und/oder Energie und zum Ausgaben der erfassten Leistung und/oder Energie an die Verarbeitungseinheit umfassen. Diese weiteren Informationen ermöglichen eine verbesserte Überwachung des Siegelvorgangs. So deutet eine Erhöhung der elektrischen Leistung bzw. Energie bzw. eine Verringerung der thermischen Leistung bzw. Energie auf eine Verschmutzung oder Oxidation der Heizfläche hin. Es kann entsprechend eine Mitteilung ausgegeben werden, wonach eine Reinigung der Heizfläche notwendig ist, oder es wird ein automatisierter Reinigungsprozess ausgelöst bzw. eingeplant.

[0035] Die elektrische Leistung kann am Eingang der Heizeinrichtung gemessen werden, die Energie ergibt sich durch eine zeitliche Integration. Die thermische Leistung kann anhand von Messungen eines Temperatursensors bestimmt werden, die Energie ergibt sich wiederum mittels Integration.

[0036] Die Erfassung der entsprechenden Informationen ist besonders bei der Nutzung von Heizelementen mit geringer Wärmekapazität und damit geringer Trägheit, z. b. von keramischen Heizelementen, von Vorteil. Die geringe Trägheit ermöglicht zeitlich hoch aufgelöste Informationen, die in Kombination mit den Kraftmessungen ein gutes Bild des Siegelvorganges vermitteln.

[0037] Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann weiter eine Wegmesseinheit zum Erfassen eines Arbeitswegs des Siegelwerkzeugs und/oder des Gegenwerkzeugs und zum Ausgeben des erfassten Arbeitswegs an die Verarbeitungseinheit umfassen. Es kann vorkommen, dass ein bestimmter Siegelvorgang trotz unauffälliger Siegelkraft nicht ordnungsgemäss abläuft, z. B. wenn zwei einzelne Werkstücke gemeinsam in das Gegenwerkzeug gefördert werden, wenn ein Werkstück nicht der Sollgeometrie entspricht oder wenn eine mit dem Werkstück zusammenwirkende Komponente des Siegelwerkzeugs oder das Werkstück verschmutzt ist. Dies wird in der Regel einen Einfluss auf die Wegstrecke der Annäherung zwischen Siegelwerkzeug und Gegenwerkzeug haben.

[0038] Die Wegmesseinheit kann im Bereich des Siegelwerkzeugs und/oder im Bereich des Gegenwerkzeugs angeordnet sein. Sie kann beispielsweise einen induktiven Sensor, einen kapazitiven Sensor oder eine Einheit zur Lasertriangulation umfassen.

[0039] Mithilfe der Wegmesseinheit kann zudem die Qualität der Siegelung besser bestimmt werden: Gestützt auf den Zeitverlauf der Kompression kann erkannt werden, wann die im Siegelprozess beteiligten Materialien ihre Phase ändern und zu fliessen beginnen. Die zusätzliche Bestimmung des Wegs verbessert somit die Überwachung des Siegelprozesses weiter. Die räumliche Auflösung der Wegmesseinheit beträgt bevorzugt 2 µm oder weniger, besonders bevorzugt 1 µm oder weniger.

[0040] Die Informationen aus der Leistungs- bzw. Energiemessung und/oder der Wegmessung können gemeinsam mit den Daten aus der Kraftmessung verarbeitet werden, und zwar sowohl im Rahmen eines deterministischen Modells als auch in (supervised oder unsupervised) Machine-Learning-Verfahren.

[0041] Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0042] Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen:

Fig. 1

einen vertikalen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2

eine Detailansicht aus der Figur 1 mit einem Kraftmessring im Unterteil der Vorrichtung;

Fig. 3

einen horizontalen Querschnitt durch einen Kraftmessring;

Fig. 4

zeitliche Verläufe der Siegelkraft und von deren Lokalisierung in der Siegelebene;

Fig. 5

einen zeitlichen Verlauf der thermischen Leistung der Vorrichtung im Verlauf mehrerer Tage; und

Fig. 6

einen zeitlichen Verlauf der Auslenkung des Unterteils über mehrere Siegelzyklen.

[0043] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0044] Die Figur 1 zeigt einen vertikalen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäss einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Oberteil 10 (Siegelwerkzeug) und einen Unterteil 30 (Gegenwerkzeug). Der Oberteil 10 ist mit einer Reihe weiterer Oberteile an einem Siegelbalken 2 angeordnet. Der Siegelbalken 2 ist als Ganzes vertikal beweglich, so dass synchron mit einem einzelnen Antrieb der Arbeitshub einer Reihe von Vorrichtungen ausgelöst werden kann. Die Bewegung wird beispielsweise von einem Servomotor ausgelöst, der über einen Kniehebel auf den Siegelbalken wirkt. Der Unterteil 30 ist an einem Maschinengestell 3 befestigt, wobei jeder Unterteil wie nachfolgend beschrieben pneumatisch gelagert ist, so dass er sich während des Siegelvorgangs unter der Einwirkung der Siegelkraft des Oberteils 10 leicht, um maximal ca. 3 mm, nach unten bewegen kann. Sobald die Siegelkraft nachlässt bzw. ausbleibt wird der Unterteil 30 durch die pneumatische Federung wieder gegen einen Anschlag in eine Grundstellung bewegt. Diese ist in der Figur 1 dargestellt.

[0045] Der Oberteil 10 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Grundkörper 11 aus einem wärmeisolierenden Material, der über einen Befestigungsmechanismus 12 am Siegelbalken 2 befestigt ist. Stirnseitig am Grundkörper 11 ist der Siegelstempel 15 angeordnet. Dieser ist ringförmig und aus einem Material mit guter Wärmeleitung gefertigt. Auf der Rückseite des Siegelstempels 15 ist eine Leiterstruktur 16 angeordnet, die als Widerstandsheizung betreibbar ist und so den Siegelstempel 15 aufheizt. Ein ein Thermoelement umfassender Temperatursensor 17 ragt in ein rückseitiges Sackloch des Siegelstempels 15 und erfasst somit dessen Temperatur. In die zentrale Öffnung im Siegelstempel 15 mündet eine Vakuumleitung 21.

[0046] Der Unterteil 30 umfasst an seinem oberen, dem Oberteil 10 zugewandten Ende einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Dosenträger 31. Dessen oberes freies Ende ist zur Aufnahme eines Behälters, z. B. einer Kaffeekapsel, ausgebildet. Er weist dazu einen entsprechenden Hohlraum und einen der Geometrie eines Randes des Behälters angepassten Aufnahmerand auf. Der Dosenträger 31 ist an einem unteren Ende mittels einer Schraube 32 mit einem Kolben 51 verschraubt.

[0047] Zwischen dem Kolben 51 und dem Dosenträger 31 ist ein Kraftmessring 40 angeordnet. Er dient zur Messung der Siegelkraft und deren Verteilung auf der Siegelfläche. Der Kraftmessring 40 ist weiter unten, im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3, näher beschrieben.

[0048] Der Kolben 51 ist Teil einer pneumatischen Federung 50. Diese umfasst weiter ein Gehäuse 55, in dem der Kolben 51 vertikal beweglich gelagert ist. Der Kolben 51 weist einen stirnseitigen Hauptkörper 52 auf, mit welchem der Dosenträger 31 mittels der Schraube 32 verschraubt ist, sowie eine Stange 53, die sich hinter dem Hauptkörper 52 vom Dosenträger weg erstreckt. Der Hauptkörper 52 bewegt sich in einem Ringraum 57, der vom Gehäuse 55 ausgebildet wird und in den Druckluft von einem Einlass am unteren Ende des Gehäuses 55 geleitet werden kann. Das Gehäuse 55 ist mittels Schrauben 58 mit dem Maschinengestell 3 verschraubt.

[0049] Damit unter dem Einfluss der Siegelkraft der Unterteil 30 mit dem Dosenträger 31 nach unten bewegt werden kann, muss somit die (einstellbare) Kraft der pneumatischen Federung 50 überwunden werden. Durch eine entsprechende Einstellung der Federung 50 lässt sich somit die Siegelkraft einstellen. Die Luftzuführung für die pneumatischen Federungen 50 der Vorrichtungen kann so ausgebildet sein, dass der Druck überall gleich hoch ist, oder es sind Einrichtungen vorhanden, um die Siegelkraft in den einzelnen Werkzeugen einzeln zu justieren.

[0050] Am unteren Ende des Unterteils 30 ist eine Wegmesseinrichtung 60 angeordnet. Sie erfasst induktiv den Abstand zum hinteren Ende der Stange 53 des Kolbens 51 und damit die vertikale Position des Dosenträgers 31.

[0051] Die Figur 2 ist eine Detailansicht aus der Figur 1 mit dem Kraftmessring 40 im Unterteil 30 der Vorrichtung. Die Figur 3 zeigt einen horizontalen Querschnitt durch den Kraftmessring 40. Im Kraftmessring 40 sind in einem Winkelabstand von jeweils 120° drei Kraftsensoren 41a, 41b, 41c aufgenommen. Diese sind als Dehnmessstreifen ausgebildet und erfassen über eine geringfügige Kompression von ca. 250 µm bei üblichen Siegelkräften die auf sie beim Siegelvorgang ausgeübten Kräfte. Sie werden vom Werkstück auf den Dosenträger 31 und vom Dosenträger 31 auf den Kraftmessring 40 übertragen. Der Kraftsensor 41a misst eine erste Kraft F<1>, der Kraftsensor 41b misst eine zweite Kraft F<2>, und der Kraftsensor 41c misst eine dritte Kraft F<3>.

[0052] Aus diesen gemessenen Kräften lassen sich die aktuelle Siegelkraft und den Ort der maximalen Krafteinwirkung berechnen. Dabei wird - wie in der Figur 3 gezeigt - von einem ebenen Koordinatensystem ausgegangen, dass sich parallel zur Siegelebene, d. h. senkrecht zur Arbeitsrichtung, erstreckt. Der Nullpunkt liegt im Zentrum der Siegelfläche. Die y-Richtung erstreckt sich ausgehend vom Zentrum zur Mitte des ersten Kraftsensors 41a. Die x-Richtung senkrecht dazu. Die Positionen der drei Kraftsensoren 41a, 41b, 41c sind entsprechend wie folgt: Kraftsensor 41a: (0, a) = a (cos θ<1>, sin θ<1>). Kraftsensor 41 b: (

-0.5a) = a (cos θ<2>, sin θ<2>), Kraftsensor 41c: (

-0.5a) = a (cos θ<3>, sin θ<3>), wobei a einen werkstück- und damit werkzeugabhängigen Abstand vom Zentrum bezeichnet und mit (θ<1>, θ<2>, θ<3>) = (0°, 240°, 120°).

[0053] Die Gesamtkraft F ergibt sich als Summe der einzelnen Kraftwerte: F = F + F<2>+ F<3>

[0054] Aus dem Momentengleichgewicht um das Zentrum folgt

[0055] Daraus können dann direkt die Polarkoordinaten des Punktes maximaler Krafteinwirkung errechnet werden:

[0056] Dabei bezeichnet ρ den Abstand des Angriffspunktes vom Zentrum und ϕ den Winkel (analog zu den Winkeln der Positionen der Kraftsensoren). Daraus ergeben sich dann unmittelbar die kartesischen Koordinaten des Angriffspunktes.

[0057] Die Figur 4 zeigt zeitliche Verläufe der Siegelkraft und von deren Lokalisierung in der Siegelebene. Gezeigt ist die Siegelkraft während eines einzelnen Siegelzyklus, im Zeitintervall 1.55-1.85 s. Der oberste Graph zeigt den Verlauf 101 der gesamten Siegelkraft in N, der mittlere Graph zeigt den Verlauf 102 der Abweichung der maximalen Krafteinwirkung vom Mittelpunkt der Siegelebene in x-Richtung, der unterste Graph zeigt den Verlauf 103 der Abweichung in y-Richtung.

[0058] Der Durchmesser des Siegelwerkzeugs, d. h. der Aussendurchmesser der beheizten, ringförmigen Siegelfläche, beträgt 34 mm. Die maximale betragsmässige Abweichung in x-Richtung beträgt während des Aufbaus der Siegelkraft ca. 0.4 mm, in y-Richtung ca. 0.8 mm. Anschliessend, in der eigentlichen, stabilen Siegelphase beträgt sie weniger als 0.2 mm in x-Richtung und weniger als 0.8 mm in y-Richtung. Die Siegelkraft ist in während der Siegelphase im Wesentlichen konstant bei ca. 800 N. All dies zeigt, dass während des untersuchten Siegelzyklus stabile Verhältnisse geherrscht haben; Indizien für Störungen oder Probleme sind nicht erkennbar.

[0059] Mithilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung können die Siegelkraft und die Siegelposition in jedem Werkzeug und grundsätzlich für jeden Zyklus überwacht werden. Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel werden folgende Aspekte der Verläufe überprüft und gegebenenfalls Aktionen ausgelöst:

[0060] Dabei werden insbesondere die Messungen, Vergleichsresultate und/oder Aktionen protokolliert und statistisch überwacht. Einzelne Ereignisse deuten auf ein Problem mit einem Werkstück hin, so dass das Ausschleusen der entsprechenden Werkstücke ausreicht. Häufen sich die Probleme bei einem bestimmten Werkzeug, deutet dies auf eine Störung bzw. baldigen Wartungsbedarf hin. Es ist deshalb von Vorteil, die Fehlerrate pro Werkzeug zu überwachen und beim Überschreiten eines Maximalwerts eine Warnung auszugeben.

[0061] Jeder Parameter kann mit einem Sollbereich und/oder Minimal- und Maximalwerten verglichen werden. Gestützt auf denselben Parameter können unterschiedliche Aktionen ausgelöst werden. So können z. B. für die maximale Siegelkraft ein Sollbereich und ein Warnbereich vorgegeben werden. Liegt der Wert der maximalen Siegelkraft innerhalb des Sollbereichs, erfolgt keine Aktion. Liegt sie innerhalb des Warnbereichs aber ausserhalb des Sollbereichs erfolgt ein Wartungshinweis. Liegt sie auch ausserhalb des Warnbereichs, erfolgt eine Fehlermeldung oder gar ein Anlagestopp.

[0062] Insbesondere der Vergleich zwischen Verläufen kann mittels eines Machine-Learning-Modells erfolgen. Wie oben erwähnt, kann man dazu ein unsupervised-Machine-Learning-Modell einsetzen, das beispielsweise die Verläufe mehrerer (bzw. aller Werkzeuge) clustert und Ausreisser erkennen kann. Letztere deuten auf ein Problem mit einem Werkzeug oder einem Werkstück hin. Mithilfe eines supervised-Machine-Learning-Modells können die Verläufe gezielt mit einer Anzahl als regelkonform bzw. nicht regelkonform gelabelten Verläufen verglichen werden. Diese Verläufe bzw. Trainingsdaten können sich insbesondere aus Testläufen mit der Anlage selbst oder mit typengleichen Anlagen ergeben. Sie können auch gestützt auf vorbestehende Anlagen im ordentlichen Betrieb gewonnen werden, wenn zumindest eine Vorrichtung einer solchen Anlage mit der benötigten Sensorik ausgerüstet wird.

[0063] Generell ist zu beachten, dass die Sensorwerte und -verläufe von vielerlei Parametern abhängig sind, z. B. der Geometrie und den Dimensionen des Produkts, den verwendeten Materialien (z. B. für den Behälter und die Siegelfolie), dem Takt der Anlage und entsprechend der Siegelzeit usw.

[0064] Messergebnisse mehrerer Werkzeuge können auch auf andere Weise miteinander verglichen oder in einer kombinierten Weise ausgewertet werden. So können z. B. bestimmte Muster von Abweichungen darauf hindeuten, dass thermische Einflüsse zu einer Durchbiegung des Siegelbalkens geführt haben, die ein gewisses Mass überschreitet und damit zu Störungen führt.

[0065] Die Auswahl der (automatisch) auszulösenden Aktion kann z. B. gemäss folgendem Schema erfolgen:

Ausschleusen aktuelles Werkstück

der Fehler dürfte durch ein bestimmtes Werkstück oder einen isolierten Fehler bedingt sein

betroffenes Werkzeug weiter überwachen, bei einer Häufung eine Fehlermeldung bzw. einen Wartungshinweis ausgeben

Fehlermeldung

es liegt ein Problem vor, das eine manuelle Überprüfung erfordert

manuelle Überprüfung, Korrektur je nach Ergebnis ggf. automatische Aktionen während des Betriebs (Neujustage, Anpassung von Betriebsparametern in einem Regelkreis)

Wartungshinweis

das Werkzeug funktioniert vorerst innerhalb der Sollvorgaben, es deutet sich aber eine graduelle Verschlechterung der Qualität an oder Fehler werden wahrscheinlicher

Wartung bei nächster Gelegenheit (Reinigung, Austausch, Justage usw.)

Anlagestopp

es droht viel Ausschuss, Schäden an der Anlage möglich

umgehende (manuelle) Behebung des Problems

[0066] Die Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf 111 der thermischen Leistung der Vorrichtung im Verlauf mehrerer Tage. Sie kann anhand der Messwerte des Temperatursensors 17 gewonnen werden und/oder anhand der Werte der elektrischen Bezugsleistung der Heizeinrichtung mit der Leiterstruktur 16. Der Sollbereich 112 liegt bei 72-88%. Wie aus der Darstellung ersichtlich ist, wird dieser ab Tag 6 nicht mehr erreicht. Ein Rückgang ist aber bereits ab Tag 3, zumindest aber ab Tag 4, ersichtlich. Dies deutet auf Schmutz bzw. Oxidation auf der aktiven Fläche des Siegelstempels hin. Diese stellen einen thermischen Isolator dar und führen zu einer Verringerung der für die Siegelung verfügbaren thermischen Energie. Geht man davon aus, dass bei einem Unterschreiten des Sollbereichs Massnahmen erforderlich sind, um die Qualität der Siegelung weiter zu gewährleisten, ist es sinnvoll bereits bei der Feststellung eines substanziellen Rückgangs (also ab Tag 4) Wartungshinweise auszugeben, so dass ein Unterschreiten des Sollbereichs frühzeitig und idealerweise ohne Produktionseinbusse verhindert werden kann, hier z. B. durch (manuelle oder automatisierte) Reinigung der Siegelfläche.

[0067] Die Figur 6 zeigt einen zeitlichen Verlauf 121 der Auslenkung des Unterteils über mehrere Siegelzyklen. Der Sollbereich 122 liegt hier zwischen 0.97 und 1.07 mm. Der dargestellte Verlauf entspricht nicht einem tatsächlich gemessenen Vorgang, sondern dient zur Illustration der Auswirkungen verschiedener Einflussfaktoren und Störungen. So deutet das Überschreiten des Sollbereichs beim dritten Zyklus 123 auf eine Verschmutzung des Randes der Kapsel hin. Der sehr kurze Weg beim sechsten Zyklus 126 deutet auf eine fehlende Kapsel hin. Das weniger deutliche Unterschreiten des Sollbereichs im siebten Zyklus 127 könnte eine fehlende Siegelfolie anzeigen. Der Verlauf im neunten Zyklus 129, mit einem grossen Weg und einem weiteren Anwachsen während des ausgefahrenen Zustands des oberen Siegelwerkzeugs ist charakteristisch für den Fall von zwei Kapseln in der Kapselaufnahme.

[0068] Weitere Grössen können bestimmt und überwacht werden, beispielsweise die Siegelenergie, die im Wesentlichen dem Produkt von Siegelkraft, Siegeltemperatur und Zeit entspricht. Sie ist ein wichtiges Mass für die Qualität einer Siegelnaht: Eine zu geringe Siegelenergie führt zu schwachen oder undichten Siegelstellen, zu viel Energie kann das Material beschädigen oder zu einem Kollaps der Siegelstelle führen.

[0069] Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere sind auch Varianten möglich, bei denen keine Wegmesssensoren und/oder keine Sensoren für die Heizleistung eingesetzt werden. Die Sensoren, insbesondere Kraft- und Wegmesssensoren, können auch am Oberteil der Vorrichtung angeordnet sein, z. B. hinter dem Grundkörper.

[0070] Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Erfindung eine Vorrichtung zum Heisssiegeln von Verpackungen schafft, welche eine frühzeitige Erkennung von Störungen ermöglicht.

Bezugszeichenliste

[0071] 1 Vorrichtung 2 Siegelbalken 3 Maschinengestell 10 Oberteil 11 Grundkörper 12 Befestigungsmechanismus 15 Siegelstempel 16 Leiterstruktur 17 Temperatursensor 21 Vakuumleitung 30 Unterteil 31 Dosenträger 32 Schraube 40 Kraftmessring 41a, 41b, 41c Kraftsensor 50 Federung 51 Kolben 52 Hauptkörper 53 Stange 55 Gehäuse 57 Ringraum 58 Schraube 60 Wegmesseinrichtung 101 Verlauf 102 Verlauf 103 Verlauf 111 Verlauf 112 Sollbereich 121 Verlauf 122 Sollbereich 123 Zyklus 126 Zyklus 127 Zyklus 129 Zyklus

Claims

1. Vorrichtung zum Heisssiegeln von Verpackungen, umfassend a) ein Siegelwerkzeug mit einer Heizeinrichtung, insbesondere zum Beheizen eines am Siegelwerkzeug angeordneten Siegelstempels; b) ein Gegenwerkzeug, wobei das Siegelwerkzeug und das Gegenwerkzeug entlang einer Arbeitsrichtung relativ zueinander bewegbar sind; gekennzeichnet durch c) eine Kraftmesseinrichtung mit mindestens einem Kraftsensor zum Messen einer Siegelkraft, wobei der mindestens eine Kraftsensor am Siegelwerkzeug und/oder am Gegenwerkzeug angeordnet ist; und d) eine Verarbeitungseinheit zum Verarbeiten von Sensordaten des mindestens einen Kraftsensors.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kraftsensor einen Dehnungsmessstreifen umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung mindestens zwei Kraftsensoren umfasst, insbesondere mindestens drei Kraftsensoren.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Kraftsensoren alle am Siegelwerkzeug oder alle am Gegenwerkzeug, in verschiedenen Umfangspositionen, angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit eingerichtet ist zur Bestimmung eines Einwirkwinkels aus Sensordaten der mindestens zwar Kraftsensoren

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung am Gegenwerkzeug angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung am Siegelwerkzeug, hinter dem Siegelstempel, angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung derart elastisch ausgebildet und/oder gelagert ist, dass sie Krafteinwirkungen in einem Winkel zur Arbeitsrichtung aufnehmen kann, so dass eine Zentrierung zwischen Siegelwerkzeug, Werkstück und Gegenwerkzeug erfolgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenwerkzeug eine pneumatische Federvorrichtung umfasst, wobei ein Luftdruck der Federvorrichtung insbesondere einstellbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Sensordaten eine Aktion auszulösen, wobei die Aktion mindestens eines der folgenden umfasst: a) Ausgeben einer Mitteilung an eine Bedienperson; b) Ausschleusen mindestens eines Werkstücks; c) Veranlassen eines automatischen Reinigungs-, Justage- oder Austauschvorgangs; d) Beeinflussen einer Betriebsweise einer Anlage, die die Vorrichtung zum Heisssiegeln umfasst.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Erfassen einer von der Heizeinrichtung bezogenen Leistung und/oder Energie und zum Ausgaben der erfassten Leistung und/oder Energie an die Verarbeitungseinheit.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Wegmesseinheit zum Erfassen eines Arbeitswegs des Siegelwerkzeugs und/oder des Gegenwerkzeugs und zum Ausgeben des erfassten Arbeitswegs an die Verarbeitungseinheit.