Getränkeflaschen sind trotz des Siegeszugs von Kunststoffverpackungen in vielen Segmenten – etwa für Bier oder Wein – deutlich führend. Bei der Herstellung von Glasflaschen mit dem Press-Blas-Verfahren kommt es darauf an, dass das Gewicht möglichst exakt eingehalten wird, da es ansonsten bei der Abfüllung zu Problemen kommen kann. Der Maschinenbauer GPS Glasproduktions-Service setzt dazu in seinen IS-Maschinen auf Langwegsensoren von Micro-Epsilon.

Glas ist bereits seit der Antike als Werkstoff beliebt. Zunächst als reines Luxusprodukt hat es im Laufe der Jahrhunderte immer mehr Einzug in den Alltag gehalten. Durch die Entwicklung industrieller Herstellungsverfahren zu Beginn des 20. Jahrhunderts konnte Glas günstig produziert werden und ist heute allgegenwärtig. Glas hat aufgrund seiner Eigenschaften zahlreiche Anwendungen und zählt zu einem der wichtigsten Werkstoffe. Transparent, leicht zu reinigen, geschmacks- und geruchsneutral – dies sind die wesentlichen Eigenschaften, weswegen Glas sehr häufig als Behälterglas etwa zur Verpackung von Lebensmitteln oder Medikamenten eingesetzt wird.

Spezialist für IS-Maschinen

Behälterglas wird heute überwiegend in so genannten IS-Maschinen (Individual Section Machine) im Press-Blas-Verfahren hergestellt. In diesen Maschinen produzieren verschiedene Sektionen parallel das Behälterglas – etwa Glasflaschen. Aus der Glasschmelze wird über einen Feeder-Kopf das Glas in Form von Glastropfen entnommen. Dazu wird der Glasstrom in regelmäßigen Abständen mit einer gekühlten Schere abgeschnitten. Über ein Rinnensystem gelangen die Tropfen zu den einzelnen Stationen, wo das Glas mit einem so genannten Pegel in eine Vorform gepresst wird. Das so entstandene Külbel wird in einem zweiten Schritt durch Druckluft in die endgültige Form geblasen. Anschließend folgen noch weitere Prozessschritte bis zum fertigen Produkt. Je nach Typ der Maschine und Größe der Glasbehälter produziert eine Maschine 200 – 400 Flaschen pro Minute.
Einer der führenden Hersteller von IS-Maschinen ist GPS Glasproduktions-Service aus Essen. Das Unternehmen wurde bereits 1923 ursprünglich als Dienstleister für die ­Firma Ruhrglas gegründet. Heute beliefert der Mittelständler mit seinen rund 50 Mitarbeitern vom Standort Essen aus Kunden in aller Welt mit IS-Maschinen. Entscheidend für die Kunden von GPS ist die hohe Qualität, mit der die Maschinen Behälterglas produzieren können. „Der wichtigste Faktor, der die Qualität des Endprodukts beeinflusst, ist das Gewicht des Glastropfens“, erklärt Jürgen Berger, der bei GPS die Abteilung Elektronik leitet. Speziell bei Enghals-Behälterglas – also Flaschen – etwa für Bier oder Wein ist das der Fall. Das Gewicht der fertigen Flasche darf lediglich in einem kleinen Toleranzbereich von etwa ±1 % abweichen. „Ansonsten“, betont Berger, „kann es beim Abfüller zu Problemen kommen. Diese schicken dann im Zweifel eine komplette Lieferung wieder zurück.“

Herausforderung Messtechnik

Die Größe oder das Gewicht des Glastropfens festzustellen ist eine große Herausforderung. Flüssiges Glas sorgt für hohe Temperaturen und zusätzlich entstehen im Betrieb starke Erschütterungen. Da die Maschinen in der Regel im 24-Stunden-Betrieb rund ums Jahr laufen, muss die Messtechnik zwischen 5 und 8,5 Mio. Zyklen pro Jahr bei diesen schwierigen Bedingungen aushalten können. GPS setzt bei der Messtechnik auf einen Positionssensor, der die genaue Stellung des Pegels ermittelt. Je weiter der Pegel während des Pressens in die Vorform eintaucht, desto weniger Glas befindet sich in ihr. Um die geforderte Genauigkeit von ±1 % beim Gewicht des Glastropfens zu erreichen, muss die Position des Pegels bei einer Gesamthubhöhe von etwa 150 mm mit einer Wiederholgenauigkeit von 0,1 mm gemessen werden. Weicht die Position des Pegels ab, so kann die Tropfengröße nachgeregelt werden. Dazu wird die Fließgeschwindigkeit des Glases am Federkopf verändert, indem das so genannte Tonrohr nach oben oder unten verstellt wird.
GPS hat bereits 1997 erste Versuche unternommen, Messtechnik in den Pegelmechanismus zu integrieren, um die Qualität der Endprodukte zu optimieren. Die integrierte Steuerungs-Software, Prozesskontrolle+, regelt nicht nur das Tropfengewicht nach, sondern kann fehlerhafte Flaschen direkt aus dem Produktionsprozess ausschleusen. Das System bietet zusätzlich eine Visualisierung der Ergebnisse sowie umfangreiche Auswertungen und Statistiken etwa über die fehlerhaften Pressvorgänge der einzelnen Stationen. Die Bedienung des Systems geschieht benutzerfreundlich und intuitiv über einen Touch-Screen.

In der ursprünglichen Version des Systems war nach Angaben von Berger die Standzeit der Sensoren begrenzt: „Nach durchschnittlich nur sechs Monaten mussten wir die Sensoren austauschen.“ Im vergangenen Jahr hat GPS gemeinsam mit dem Sensorik-Spezialisten Micro-Epsilon Untersuchungen durchgeführt, um die Ursachen für die kurze Standzeit der Sensoren genauer zu ermitteln und eine verbesserte Lösung zu entwickeln. Als Hauptursache konnten die starken Erschütterungen mit Schockbelastungen bis zu 1.000 g identifiziert werden. Außerdem hat das verwendete Schmiermittel die Vergussmasse angegriffen und die Elektronik im Sensor beschädigt.

Neue robuste Sensoren

Auf Basis der Untersuchungsergebnisse hat Micro-Epsilon einen neuen kundenspezifischen Sensor für die Integration in den Pegelmechanismus entwickelt. Zum Einsatz kommt eine Sonderanfertigung des Langwegsensors Indusensor EDS, der aus einem Sensorstab mit integrierter Elektronik besteht, über den ein Rohr verschoben wird. Der Sensor bestimmt dabei die genaue Position des Rohrs. Das Messprinzip basiert auf dem Wirbelstromeffekt. Dazu sind im Sensorstab eine Messspule und eine Kompensationsspule untergebracht. Dabei induziert die Messspule durch Wirbelströme ein magnetisches Feld im Rohr, das in Abhängigkeit von der Position die Impedanz der Messspule beeinflusst. Das magnetische Feld der Kompensationsspule hat dagegen keine Kopplung mit dem Rohr, so dass dessen Impedanz unabhängig von dessen Position ist. Mit dieser Messanordnung werden Temperatureinflüsse und sogar der Einfluss eines Temperaturgradienten entlang des Messweges weitgehend eliminiert und ein lineares Ausgangssignal von 4–20 mA wird erzeugt. Für die Anwendung bei GPS wird kein separates Target-Rohr benötigt. Stattdessen taucht der Sensor direkt in den Pegel ein, der innen hohl ist.
Um die Widerstandfähigkeit gegenüber den Schmiermitteln und den Schockbelastungen zu erhöhen, ist der gesamte Sensor inklusive der Elektronik in ein dichtes Edelstahlgehäuse eingeschweißt. Über eine Bohrung im Innern des Sensors kann dieser zur Kühlung mit Luft durchspült werden. Auch bei der Anschlusstechnik des Sensors hat Micro-Epsilon in Zusammenarbeit mit GPS eine sehr robuste Lösung entwickelt: Diese beruht auf vergoldeten Kontakten, die federnd gelagert sind und damit den hohen Schockbelastungen standhalten.

Optimale Lösung durch Zusammenarbeit

Nachdem Micro-Epsilon die neuen kundenspezifischen Sensoren entwickelt hat, läuft das Prozesskontrolle±System sehr zuverlässig in den IS-Maschinen von GPS. „Die gute Zusammenarbeit mit Micro-Epsilon bei der Entwicklung des Sensors hat sich auf jeden Fall bewährt“, fasst Berger seine positiven Erfahrungen zusammen. Die Kunden von GPS profitieren nun von der neuen Prozesskontrolle+, die eine gleichbleibend hohe Qualität der Endprodukte garantiert.