Präzise Messtechnik für komplexe Kunststofffolien ermöglicht Ressourcenersparnis

Europaweit steigt der durchschnittliche Bedarf an Kunststoffverpackungen jährlich um 5,5 Prozent. Von dieser steigenden Nachfrage profitiert Deutschland als weltweit zweitgrößter Produzent von jährlich 7,5 Millionen Tonnen Kunststoffverpackungen. Besonders für Lebensmittel nehmen die Anforderungen der Konsumenten an die Kunststoffverpackungen zu. Endverbraucher erwarten eine längere Haltbarkeit von Frischeprodukten und eine zunehmende Funktionalisierung der Verpackung wie beispielsweise die Anzeige des Frischegrades. Die steigenden Anforderungen an Verpackungsfolien spiegeln sich technologisch in einem immer komplexeren Schichtaufbau und einer Zunahme der funktionalen Schichten von Kunststofffolien wieder.

Als Funktionsschichten werden in der Regel teure Materialien, beispielsweise der Kunststoff EVOH, eingesetzt. Durch seine Wirkung als Diffusionsbarriere für Sauerstoff und Wasserdampf gewährleistet EVOH eine längere Haltbarkeit von Lebensmitteln. Wegen des vergleichsweise hohen Materialpreises der Funktionskunststoffe sind Kunststoffverarbeiter bemüht, deren Rohstoffanteil am Produkt bei Erhaltung der Funktionalität möglichst gering zu halten. Die hierzu hergestellten Dicken der Funktionsschichten liegen meist zwischen 1 µm und 20 µm. Um eine einwandfreie Barrierewirkung garantieren zu können, müssen Vollständigkeit und Dicke der Funktionsschicht kontinuierlich überprüft werden. Bislang steht jedoch kein Folieninspektionssystem zur Verfügung, das den Schichtaufbau von Multischichtfolien bei Produktionsgeschwindigkeiten von bis zu 450 m/min vermessen kann.

Kostenvorteil durch präzise Messtechnik
»Zwar ist die Gesamtdickenmessung im Produktionsprozess bereits Stand der Technik, die Analyse des Schichtaufbaus findet heute aber immer noch im Prüflabor statt und nicht direkt an der Anlage. Diese technologische Lücke wollen wir schließen«, erklärt Janina Overbeck, Leiterin der Arbeitsgruppe Schlauchfolien-Extrusion am IKV. »Die berührungslose Messung der einzelnen Schichtdicken während der Produktion ist der wichtigste Schritt auf dem Weg zu einer automatisierten Regelung von Einzelschichtdicken auf Produktionsanlagen für mehrschichtige Kunststofffolien.«

Forscher des Fraunhofer ILT entwickeln nun gemeinsam mit dem IKV im Rahmen des Projekts IRIS ein Messsystem für Kunststofffolien. Das Messsystem basiert auf einem interferometrischen Sensor und verwendet infrarotes Licht, um Brechungsindexänderungen innerhalb des Messbereichs zu detektieren. Solche Brechungsindexvariationen treten sowohl an der Folienoberfläche als auch an den Übergängen zwischen einzelnen Folienschichten auf.

Neben einer besseren Prozesskontolle erlaubt der interferometrische Sensor die Umsetzung eines Regelungskonzepts für Einzelschichtdicken. Durch die Einsparung von Rohstoffen kann bei dieser Lösung eine erhebliche Kostenreduktion erzielt werden. Bei einer Maschine mittlerer Kapazität kann sich diese auf rund 100 Tausend Euro pro Jahr belaufen. Auf der Internationalen Messe für Kunststoff und Kautschuk (Düsseldorf, 27.10. – 03.11. 2010) präsentieren die Forschungspartner dem Fachpublikum den Prototypen des Folieninspektionssystems auf dem Messestand C16 des IKV in Halle 14.

Enge Kooperation mit Endanwendern
Stefan Hölters vom Fraunhofer ILT legt großen Wert auf den Praxisbezug der gemeinsamen Forschungsaktivitäten: »Bei der Entwicklung neuer Messsysteme für den industriellen Einsatz ist es wichtig, die Anforderungen der Anlagenbauer und der Folienproduzenten von Beginn an zu berücksichtigen.« Aus diesem Grund kooperieren die beiden Institute bei ihrem Vorhaben eng mit vier klein- und mittelständischen Unternehmen. Dabei bringen die Octagon GmbH, Würzburg, und die Elovis GmbH, Karlsruhe, ihre langjährige Erfahrung im Bereich Messtechnik in die Entwicklung mit ein. Im kommenden Jahr wird das Messsystem bei dem Anlagenbauer Kuhne GmbH in Sankt Augustin unter produktionsnahen Bedingungen getestet, bevor es bei der Firma A+C-Plastic Kunststoff GmbH in Eschweiler an einer Produktionsanlage installiert und für einige Monate in Betrieb gehen wird.
Ansprechpartner
Für Fragen stehen Ihnen unsere Experten zur Verfügung:
Dipl.-Phys. MBA Stefan Hölters
Messtechnik
Telefon +49 241 8906-436
stefan.hoelters@ilt.fraunhofer.de
Dr. Reinhard Noll
Leiter des Kompetenzfeldes Messtechnik
Telefon +49 241 8906-138
reinhard.noll@ilt.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
Steinbachstraße 15
52074 Aachen
Tel. +49 241 8906-0
Fax. +49 241 8906-121
Dipl.-Ing. Janina Overbeck
Schlauchfolienextrusion
Telefon +49 241 80-28349
overbeck@ikv.rwth-aachen.de