Verfahren und Vorrichtung zur überprüfung einer Schweißnaht einer Tube

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur überprüfung einer Schweißnaht einer Tube, insbesondere in einer Tubenfüllma- schine, wobei die Schweißnaht in einer Presseinrichtung un- ter Zuführung von Wärmeenergie ausgebildet und anschließend hinsichtlich ihrer Dichtheit überprüft wird. Desweiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur überprüfung einer Schweißnaht einer Tube insbesondere in einer Tubenfüll- maschine.

Eine Tubenfüllmaschine weist ein üblicherweise als endlos umlaufenden Förderer ausgebildetes Transportsystem auf, an dem in regelmäßigen Abständen Tubenhalter angeordnet sind. An einer Zuführstation werden die leeren Tuben der Tuben- füllmaschine zugeführt und so in jeweils einen Tubenhalter eingesteckt, dass sie mit ihrem hinteren, noch unverschlossenen Ende dem Tubenhalter abgewandt sind.

In dem Tubenhalter durchläuft jede Tube in getakteter Bewe- gung verschiedene Arbeitsstationen der Füllmaschine, bei denen es sich üblicherweise um eine Reinigungs- oder Ent-

staubungsstation, eine Füllstation, eine Schließstation und eine PrüfStation handelt.

In der Füllstation wird mittels zumindest einer Düse, die in die Tube eingeführt wird, ein Produkt in die Tube eingefüllt. Anschließend wird die Tube zu der Schließstation verfahren, in der das hintere, dem Tubenkopf abgewandte obere Ende der Tube verschlossen wird. Für das Verschließen einer aus Kunststoff bestehenden Tube sind unterschiedliche Vorgehensweisen bekannt, denen jedoch gemeinsam ist, dass das Kunststoffmaterial der Tube zumindest auf der Innenseite der Tubenwandung auf eine Temperatur nahe seiner Erweichungstemperatur erwärmt wird, woraufhin äußere Druckkräfte ausgeübt werden, mit denen das Tubenende zusammengedrückt wird, wobei das erweichte Kunststoffmaterial miteinander in Anlage gebrachter Wandungsabschnitte sich zu einer einstückigen Schweißnaht verbindet, die üblicherweise senkrecht zur Längserstreckung der Tube verläuft.

Die Erwärmung des Kunststoffmaterials der Tube kann durch äußere und/oder innere Heizbacken oder durch Einbringung heißer Luft zumindest in den oberen Bereich des Tubeninnen- raums erfolgen. Darüber hinaus ist bekannt, dass Kunst- stoffmaterial durch Einbringung hochfrequenter Schwingungen oder mit Hilfe von Laserstrahlen zu erwärmen.

Es hat sich herausgestellt, dass die Qualität der Schweißnaht und insbesondere deren Dichtheit und äußeres Erscheinungsbild von einer Vielzahl von Parametern abhängen, die beim Verschlussvorgang eingehalten werden müssen. Insbesondere Toleranzen in der Dicke der Tubenwandung, Verschmutzungen der Tubenwandung durch das eingefüllte Produkt, eine fehlerhafte Ausrichtung der Pressbacken, Toleranzen in der

Länge der Tube oder inhomogene Materialzusammensetzungen der Tubenwandung können zu einer örtlich unzureichenden Schweißverbindung in der Schweißnaht führen. Desweiteren ist zur Erzielung einer Schweißnaht ausreichender Qualität darauf zu achten, dass das Kunststoffmaterial einerseits ausreichend erwärmt, jedoch nicht überhitzt wird. Insbesondere bei Verschmutzungen der unterschiedlichen Erwärmungswerkzeuge kann es passieren, dass nicht genügend Wärmeenergie in das Kunststoffmaterial in der Tube eingebracht wird, so dass es zu einer unvollständigen Verschweißung und somit einer undichten Schweißnaht kommt.

Aufgrund der mit der Ausbildung der Schweißnaht verbundenen, bekannten Probleme ist es üblich, die Tuben in einer nachgeschalteten Prüfstation zumindest stichprobenartig hinsichtlich der Qualität und der Dichtheit der Schweißnaht zu überprüfen. Zu diesem Zweck ist es bekannt, von der Außenseite der verschlossenen Tube einen mechanischen Druck aufzubringen, d.h. die Tube zusammenzudrücken, und dabei zu beobachten, ob das Produkt aus der Tube austritt oder der Innendruck der Tube sich verringert. Alternativ ist es bekannt, die gefüllte, verschlossene Tube in eine Unterdruckkammer einzusetzen und zu beobachten, ob der Innendruck der Tube diese aufbläht oder ob die Tube ihre Form behält, wo- bei im letztgenannten Fall von einer fehlerhaften Schweißnaht auszugehen ist.

Desweiteren ist es bekannt, eine Tube zur überprüfung ihrer Dichtheit aus dem Produktionsprozess herauszunehmen, die Kappe zu öffnen und die Tube in einem speziellen Behälter mit einem hohen Innendruck zu beaufschlagen, bis sie zerplatzt. Anhand des Druckverlaufes und des Grenzdruckes lässt sich feststellen, ob die Tube dicht oder undicht war.

Alle genannten überprüfungsmethoden sind sehr aufwendig und zeitintensiv und lassen sich deshalb nur an einigen wenigen Tuben einer Produktions-Charge durchführen. Dies hat zur Folge, dass beim Feststellen einer fehlerhaften Schweißnaht die gesamte Produktions-Charge als fehlerhaft ausgesondert wird, obwohl lediglich Erkenntnisse über die Dichtheit oder Undichtheit einer einzelnen Tube vorliegen. Dies führt dazu, dass häufig Tuben als fehlerhaft klassifiziert werden, obwohl sie ordnungsgemäß verschlossen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur überprüfung der Schweißnaht einer befüllten Tube insbesondere in einer Tubenfüllmaschine zu schaffen, das sich in den Prozessablauf der Tubenfüllmaschine in einfacher Weise so integrieren lässt, dass eine Vielzahl von Tuben überprüft werden können. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung geschaffen werden, mit der sich das Verfahren in einfacher Weise ausführen lässt.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist vorgesehen, dass die Temperaturverteilung in der Schweißnaht auf deren beiden entgegengesetzten Längsseiten erfasst und mit einer SOLL- oder Referenz-Verteilung der Temperatur verglichen wird und dass die Tube als fehlerhaft ausgesondert wird, wenn die erfasste Temperaturverteilung in der Schweißnaht zumindest bereichsweise um mehr als ein vorgegebenes Maß von der SOLL-Verteilung abweicht.

Der Erfindung liegt die Grundüberlegung zugrunde, dass eine fehlerhafte Schweißnaht üblicherweise darin begründet liegt, dass entweder zuviel oder zu wenig Wärmeenergie in

die miteinander zu verbindenden Wandungsteile der Tube eingebracht wird. Wenn zu wenig Wärmeenergie in die Wandung der Tube eingebracht wird, ergibt sich keine vollständige einstückige Verbindung des Kunststoffmaterials der mitein- ander zu verbindenden Wandungsteile der Tube. Beim Einbringen übermäßiger Wärmeenergie verliert die Tubenwandung ihre Formstabilität und kann bereichsweise in sich zusammenfallen, so dass dann die miteinander zu verbindenden Wandungsteile nicht mir ihre vorgesehene Relativposition ein- nehmen. Darüber hinaus kann das Kunststoff-Material bei einer zu hohen Temperatur kaputt gehen und insbesondere sich zersetzen. Erfindungsgemäß wird somit überprüft, ob die Temperaturverteilung in der Schweißnaht kurz nach dem Schweißvorgang einer vorgegebenen SOLL- bzw. Referenz- Verteilung der Temperatur entspricht oder dieser innerhalb von vorgegebenen Grenzen zumindest so nahe kommt, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit davon auszugehen ist, dass in das Kunststoffmaterial der Tubenwandung die richtige Menge an Wärmeenergie eingebracht wurde und diese korrekt verteilt ist, so dass von einer dichten Schweißnaht auszugehen ist.

Nach dem Schweißvorgang unterliegt die Schweißnaht einer natürlichen Abkühlung, die im Extremfall auch örtlich unterschiedlich sein kann. Es ist deshalb bevorzugt, die Er- fassung der Temperaturverteilung in der Schweißnaht entweder unmittelbar nach dem Schweißvorgang, d.h. noch in der Schließstation, oder in einer unmittelbar anschließenden Station spätestens innerhalb von 5 Sekunden nach dem Schweißvorgang durchzuführen. Vorzugsweise wird die Tempe- raturverteilung in der Schweißnaht innerhalb der ersten 1 bis 2 Sekunden nach dem Schweißvorgang durchgeführt.

Um auch kleine lokale Imperfektion in der Schweißnaht zuverlässig zu erfassen, wird die Temperaturverteilung der Schweißnaht von beiden entgegengesetzten Längsseiten der Schweißnaht erfasst. Dies kann entweder gleichzeitig oder nacheinander erfolgen.

In einem Datenspeicher ist eine SOLL-Verteilung der Temperatur der Schweißnaht hinterlegt. Die erfasste Temperaturverteilung der Schweißnaht wird mit der SOLL-Verteilung verglichen und es wird überprüft, ob die erfasste Temperaturverteilung innerhalb von vorgegebenen Grenzen an der SOLL-Verteilung liegt. Wenn die erfasste Temperaturverteilung in der Schweißnaht zunmindest abschnittsweise um mehr als ein vorgegebenes Maß von der SOLL-Verteilung abweicht, bedeutet dies, dass in der Schweißnaht zumindest örtlich eine entweder zu hohe oder eine zu geringe Termperatur herrscht, was beides die Gefahr einer undichten Schweißnaht mit sich bringt. Eine entsprechende Tube wird deshalb als fehlerhaft ausgesondert.

Aufgrund des genannten Vergleichs der gemessenen Temperaturverteilung mit der gespeicherten SOLL-Verteilung lassen sich auch Informationen über die Stabilität der Betriebsweise der Verpackungsmaschine gewinnen. Wenn eine relativ große Anzahl von Tuben als fehlerhaft ausgesondert werden, deutet dies auf ein grundsätzliches Problem in der Schließstation hin, das auf diese Weise erkannt und dann behoben werden kann.

üblicherweise treten die meisten Probleme mit undichten Schweißnähten auf, wenn das Kunststoffmaterial der Tube nicht ausreichend aufgeschmolzen wurde, d.h. wenn zumindest örtlich eine zu geringe Temperatur in der Schweißnaht

herrscht. In einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung kann deshalb vorgesehen sein, dass die Tube nur dann als fehlerhaft ausgesondert wird, wenn die erfasste Temperatur in zumindest einem Bereich der Schweißnaht um mehr als ein vorgegebenes Maß unterhalb der SOLL-Temperatur in diesem Bereich liegt.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperaturverteilung der Schweißnaht mittels zu- mindest einer Temperatur-Erfassungsvorrichtung beispielsweise in Form einer Wärmebildkamera erfasst wird, die mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, in der zumindest eine SOLL-Verteilung für die Temperatur in der Schweißnaht gespeichert ist. Unter dem Begriff "Wärmebildkamera" ist auch ein Feld von Temperatursensoren zu verstehen, die ein Abbild der Temperaturverteilung in der Schweißnaht erzeugen können. Desweiteren kann die Temperaturverteilung der Schweißnaht alternativ mittels einer Infrarot-Erfassungsvorrichtung oder einer Laser-Erfassungsvorrichtung erfasst werden.

Wenn vorgesehen ist, die Temperaturverteilung der Schweißnaht von beiden entgegengesetzten Längsseiten gleichzeitig zu verfassen, kann in einer möglichen Ausgestaltung vorge- sehen sein, dass die Temperatur-Erfassungsvorrichtung die eine Längsseite der Schweißnaht direkt erfasst. Für die Erfassung der Temperaturverteilung auf der entgegengesetzten Längsseite ist ein Reflexionselement insbesondere in Form eines Spiegels vorgesehen, so dass die Temperatur-Erfas- sungsvorrichtung unter Zwischenschaltung des Reflexionselementes eine indirekte Erfassung der Temperaturverteilung auf der entgegengesetzten Längsseite der Schweißnaht durchführt. Mit diesem Vorgehen ist der Vorteil verbunden, dass

die für die gleichzeitige Erfassung der Temperaturverteilung auf den entgegengesetzten Längsseiten der Schweißnaht nur eine einzige Temperatur-Erfassungsvorrichtung notwendig ist. Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die beiden entgegengesetzten Längsseiten der Schweißnaht von separaten Temperatur-Erfassungsvorrichtung vorzugsweise gleichzeitig oder in kurzer zeitlicher Abfolge erfasst werden.

Wenn die Temperaturverteilung auf den beiden entgegengesetzten Längsseiten der Schweißnaht nacheinander erfasst wird, kann in einer möglichen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Temperatur-Erfassungvorrichtung zunächst die Temperaturverteilung in der einen Längsseite der Schweiß- naht erfasst. Dann wird die Tube vorzugsweise um ihre

Längsachse um 180° gedreht, so dass die entgegengesetzte Längsseite der Schweißnaht nun im Erfassungsbereich der Temperatur-Erfassungvorrichtung liegt, so dass dann auch die Temperaturverteilung in dieser anderen Längsseite der Schweißnaht von der Temperatur-Erfassungsvorrichtung erfasst werden kann.

In dem Datenspeicher der Auswerteeinheit können eine Vielzahl von SOLL-Verteilungen für die Temperatur in der Schweißnaht in Abhängigkeit von den Prozessparametern, beispielsweise dem Kunststoff-Material der Tuben, der Wandungsdicke der Tuben, der in der Schließstation aufgebrachten Presskraft, dem einzufüllenden Produkt etc. abgespeichert sein. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, wenn nach jedem Produktwechsel und/oder Tubenwechsel ein Einlern-Verfahren (Teach-In) durchgeführt wird. Bei dem Einlern-Verfahren werden zunächst die Temperatur-Verteilungen der Schweißnähte mehrerer Tuben, die unmittelbar zu-

vor in der Schließstation verschlossen wurden, erfasst und in einem Datenspeicher abgelegt. Anschließend erfolgt eine Beurteilung der Schweißnähte hinsichtlich Aussehen und Dichtheit. Die Temperatur-Verteilungen derjenigen Tuben, deren Schweißnaht hinsichtlich ihrer Dichtheit und/oder ihres Aussehens unzureichend ist, werden kann aus dem Datenspeicher gelöscht, so dass in diesem lediglich Temperatur- Verteilungen von Schweißnähten ausreichender Qualität enthalten sind. Aus diesen Bildern wird dann eine mittlere SOLL-Verteilung der Temperatur errechnet und die zulässigen Abweichungen von dieser festgelegt.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe durch zumindest eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung ge- löst, mittels der eine Temperaturverteilung in der Schweißnaht erfassbar ist. Zusätzlich ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, in der die erfasste Temperaturverteilung der Schweißnaht mit einer SOLL-Verteilung vergleichbar ist.

In einer möglichen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die

Temperatur-Erfassungsvorrichtung direkt auf eine Längsseite der Schweißnaht gerichtet ist und dass ein Reflexionselement insbesondere in Form eines Spiegels vorgesehen ist, mittels dessen eine entgegengesetzte Längsseite der Schweißnaht durch die Temperatur-Erfassungsvorrichtung indirekt erfassbar ist.

Alternativ können jedoch auch zumindest zwei Temperatur- Erfassungsvorrichtungen vorgesehen sein, die jeweils auf eine der Längsseiten der Schweißnaht gerichtet sind.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann eine drehbare Halterung zur Aufnahme der Tube vorgesehen sein, mittels

der die Tube um ihre Längsachse um zumindest 180° schwenkbar ist, so dass die Temperaturverteilung auf entgegengesetzten Längsseiten der Schweißnaht nacheinander mittels einer einzigen Temperatur-Erfassungsvorrichtung erfasst werden kann, indem die jeweils zu erfassende Schweißnahtseite mittels der drehbaren Halterung in den Erfassungsbereich der Temperatur-Erfassungsvorrichtung gedreht wird.

Bei der Temperatur-Erfassungsvorrichung kann es sich bei- spielsweise um zumindest eine Wärmebildkamera, zumindest eine Infrarot-Erfassungsvorrichtung oder zumindest eine Laser-Erfassungsvorrichtung handeln .

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer 1. Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer 2. Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer 3. Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt eine 1. Ausgestaltung einer Vorrichtung 10 zur überprüfung einer Schweißnaht 13 einer Tube 11, die in einer vorgeschalteten, nicht dargestellten Füllstation mit einem Produkt gefüllt und in einer anschließenden Schließstation unter Bildung der Schweißnaht 13 verschlossen wurde. Die Tube 11 ist vertikal so ausgerichtet, dass ein mit

einem Schraubverschluss 12 versehender Kopfabschnitt der Tube nach unten und die Schweißnaht nach oben weist. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Temperatur-Erfassungsvorrichtung in Form einer Wärmebildkamera 14, die direkt auf eine Längsseite 13a der Schweißnaht 13 gerichtet ist. Auf der der Wärmebildkamera 14 abgewandten Seite der Tube 11 ist ein Reflexionselement 17 in Form eines Spiegels angeordnet, unter dessen Zwischenschaltung die Wärmebildkamera 14 auch die ihr abgewandte Längsseite 13b der Schweißnaht 13 sehen und erfassen kann.

Die Wärmebildkamera 14 erfasst ein Abbild der Temperaturverteilung in der Schweißnaht 13 und gibt entsprechende Signale über eine Leitung 15 an eine Auswerteinheit 16. In der Auswerteeinheit 16 ist eine SOLL-Verteilung der Temperatur der Schweißnaht 13 zusammen mit zulässigen Abweichungen gespeichert. Die durch die Wärmebildkamera 14 erfasste Temperaturverteilung in der Schweißnaht 13 wird mit der gespeicherten SOLL-Verteilung verglichen und die Tube 11 wird als fehlerhaft ausgesondert, wenn die erfasste Temperaturverteilung in der Schweißnaht 13 zumindest bereichsweise um mehr als ein vorgegebenes Maß von der SOLL-Ver-teilung abweicht .

Figur 2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung zur überprüfung einer Schweißnaht 13 einer Tube 11, die sich von der Vorrichtung gemäß Figur 1 dadurch unterscheidet, dass die beiden Längsseiten 13a und 13b der Schweißnaht 13 nunmehr durch separate Wärmebildkameras 14 bzw. 18 erfasst werden. Die 1. Wärmebildkamera 14 ist über eine Leitung 15 mit der Auswerteeinheit 16 verbunden, während die 2. Wärmebildkamera 18 über eine weitere Leitung 19 mit der Auswerteeinheit 16 verbunden ist. Aus den beiden

Bildern der Wärmebildkameras 14 und 18 wird in der Auswerteeinheit 16 eine IST-Verteilung der Temperatur in der Schweißnaht 13 zusammengestellt und diese mit der SOLL- Verteilung in genannter Weise verglichen.

Während bei den Ausgestaltungen gemäß Figur 1 und 2 die Temperaturverteilung der Schweißnaht auf ihren beiden entgegengesetzten Längsseiten 13a und 13b jeweils gleichzeitig erfolgt, zeigt Figur 3 eine Ausgestaltung, bei der die Er- fassung der Temperaturverteilung auf den Längsseiten 13a und 13b der Schweißnaht 13 nacheinander erfolgt. Zu diesem Zweck sitzt die Tube 11 in einer drehbaren Halterung, die durch den Pfeil D angedeutet ist und mit der die Tube um ihre Längsachse L um zumindest 180° gedreht werden kann. Die Wärmebildkamera 14 erfasst zunächst die Temperaturverteilung auf der einen Längsseite 13a der Schweißnaht 13 und gibt über die Leitung 15 entsprechende Signale an die Auswerteeinheit 16. Dann wird die Tube 11 um ihre Längsachse L um 180° gedreht, so dass die andere Längsseite 13b der Schweißnaht 13 in den Erfassungsbereich der Wärmebildkamera gelangt, woraufhin die Wärmebildkamera 14 auch die Temperaturverteilung auf der ihr nun zugewandten Längsseite 13b der Schweißnaht 13 erfasst und entsprechende Signale an die Auswerteeinheit 16 gibt. Diese werden dort in genannter Weise ausgewertet.