Reflexlichtschranke vom Typ MLE76 mit integrierter Anzeigediode: Die hygienetechnisch kritische Dichtung zwischen Gehäuse und Kunststoffabdeckung wird durch „Bordeln“ überflüssig.

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Entsprechend der Tradition des 1888 gegründeten Unternehmens wird bei der Kellerei Schloss Wachenheim der Sekt nach der „Méthode champenoise“, der traditionellen Flaschengärung, hergestellt. Demgemäß ist das sogenannte „Degorgieren“ (Enthefen) einer der letzten Stationen im Produktionsprozess. Dabei wird der Flaschenhals der gefüllten und verschlossenen Flasche bei –26 °C vereist. Dadurch gefriert die während der Gärung im Flaschenhals angesammelte Hefe zu einem Eispfropf, der nach dem automatischen Öffnen der Flaschen aufgrund des Überdrucks aus der Flasche herausgeschleudert und über ein Leitungssystem entsorgt wird. Die im Prozess befindlichen aggressiven Substanzen wie Fruchtsäuren, schweflige Säure sowie die Reinigungslösungen, setzten den bislang eingesetzten Sensoren stark zu.

Zwischen der Reinigungsstation, die nach der Vereisung die Flaschen säubert, und der nachfolgenden „Degorgier-Sta­tion“ überwachen künftig spezielle, hygienegerecht entwickelte Reflex-Lichtschranken den Durchlauf der Flaschen. Aufgrund der Schaltfrequenz von 1 kHz sind die in diesem Bereich auftretenden Bandgeschwindigkeiten kein Problem. Die gewählte Variante (MLE76) ist besonders für die Erkennung von Glas geeignet und besitzt einen Teach-Eingang, mit dem sich die Eigenschaften unterschiedlich gefärbter Flaschen programmieren lassen. Ebenso wenig bereiten die aggressiven Substanzen im Prozess und die Reinigungsflüssigkeiten den Edelstahl-Sensoren Schwierigkeiten.

Optischer Sensor im „Hygiene-Anzug“

Hygienegerecht konzipierte Sensor-Gehäuse allein reichen nicht aus: Sechs Montage-Varianten vermeiden kritische Bohrungen und Fugen. Zudem werden die Leitungen und Steckverbinder geschützt aus dem Hygiene-Bereich geführt.

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Um die Anforderungen an Sensoren für die Lebensmittel-Industrie mit aller Konsequenz umzusetzen, wurden die Sensoren in enger Zusammenarbeit mit der EHEDG (European Hygienic En­gineering and Design Group) entwickelt.

Die Anforderungen an Material und Design sind in verschiedenen Richtlinien und Normen definiert. Hier setzen neben der EHEDG die FDA (Food and Drug Administration) sowie die DIN EN 1672-2 (Nahrungsmittelmaschinen – Allgemeine Gestaltungsleitsätze) und die DIN EN ISO 14159 (Sicherheit von Maschinen – Hygieneanforderung an die Gestaltung von Maschinen) die Maßstäbe.

Eine hohe Dichtigkeit (IP68/IP69K) und ein Gehäuse aus V4A-Edelstahl sind naheliegende Anforderungen, da die Sensoren täglich mit aggressiven Substanzen und scharfen Reinigungsmitteln in Kontakt kommen – oft in Verbindung mit einer Hochdruckreinigung. Starke Temperaturschwankungen und hohe Luftfeuchtigkeit müssen ebenfalls verkraftet werden.

Weniger offensichtlich aber genauso essentiell für ein „Hygienic-Design“ sind höchste Anforderungen an die Oberflächengüte und die mechanischen Eigenschaften des Gehäuses. Hier gilt es vor allem, die Sensoren spaltfrei zu verschließen.

Herausforderung – spaltfreies Gehäuse

Dazu war es notwendig, teilweise ein komplett neues Fertigungsverfahren einzuführen. Denn es besteht ein wesentlicher Unterschied, ob die Sensor-Elektronik in einer Rundhülse aus Edelstahl zu verschließen ist oder in einem quaderförmigen Gehäuse mit abgerundeten Kanten und Ecken. Für die kubischen Gehäuse wurde ein spezielles Gussverfahren erprobt und eingeführt, mit dem sich eine nach fünf Seiten geschlossene Form fertigen lässt. Der Deckel als letzte Seite wird wiederum per Laserschweißen hermetisch und spaltfrei verschlossen. Schließlich bleibt noch die optisch aktive Fläche, bei der ein neuer Weg beschritten wurde: Die transparente Kunststoff-Abdeckung wird in den Deckel eingebörtelt und geht somit eine absolut dichte Verbindung mit dem Edelstahlgehäuse ein. Beim „Einbörteln“ wird mit hohem Druck eine Metallkante in diesem Fall auf die Kunststoff-Fläche des Lichtaustrittsfensters des Sensors gepresst. Damit entsteht ein dicht schließender Übergang von dem Metallgehäuse zu dem Kunststoff-Fenster. Auch hier gilt der Grundsatz: Die Spaltmaße auf ein absolutes Minimum zu reduzieren.

Im Gegensatz zu den bekannten Methoden, die einen äußeren Dichtungsring zwischen Kunststoffabdeckung und Gehäuse verwenden, hat das Bördeln eine Reihe von Vorteilen. Es kommt kein weiteres Material (Dichtung) zum Einsatz, dessen Wirkung auf bestimmte Substanzen des Produktionsprozesses im Einzelfall unklar sein kann. Zudem unterliegt jede Dichtung immer einem gewissen Verschleiß. Erfüllen die Dichtungen nicht mehr ihre Funktion, muss der gesamte Sensor austauscht werden. Des Weiteren ist die Langzeitstabilität besser, da der Kunststoff mit dem Edelstahl eine stabile Verbindung eingeht. Da auch bei den Hygiene-Sensoren auf Bedienelemente verzichtet wurde, konnte ein optischer Sensor mit nur einer Dichtgeometrie konstruiert werden.

Um eine Oberflächenrauigkeit von Ra < 0,8 zu erreichen, wird der Edelstahl der Güte 1.4404 trovaliert. Bei diesem mechanischen Verfahren polieren kleine Kugeln in einer Art Mischer die Gehäuse. Deren Oberflächen sind danach so glatt, dass selbst bei einer Berührung keine mikrobiologische Verunreinigung des Produkts stattfindet. Somit erfüllen die Gehäuse die höchsten Hygiene-Anforderungen und können direkt in Produktionsprozesse integriert werden.

Ein grundsätzliches Problem stellen die mechanischen und elektrischen Schnittstellen zwischen Sensor und Maschine dar. Gerade die mechanische Konstruk­tion hat eine wesentliche Auswirkung auf die leichte Reinigungsfähigkeit einer Maschine. Allerdings gibt es bislang keine standardisierten  Lösungen. Pepperl + Fuchs hat dazu sechs Befestigungslösungen entwickelt, die den unterschiedlichsten Einbaubedingungen gerecht werden:

• starre Montageteile, die auch einen hygienischen Abschluss bei Wanddurchgängen sicherstellen;
• Kugelgelenke, die beliebige Winkel-Einstellungen erlauben
• sowie diverse Verlängerungsrohre für die applikationsgerechte Positionierung des Sensors und die Verlegung der Kabel in einem geschützten Raum.

Somit laufen nicht nur die Kabel durch Rohre, auch die elektrischen Steckverbindungen befinden sich außerhalb des hygienisch kritischen Bereichs. Bei allen Konstruktionen wurde darauf geachtet, Vertiefungen oder Bohrungen zu vermeiden, die Raum für bakterielle Ablagerungen bieten könnten.

Drei Sensor-Prinzipien auf Hygiene getrimmt

Neben Lichtschranken gibt es Ultraschall- und induktive Sensoren mit hygienegerechten Gehäuse- und Montagekonzepten.

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Mit der Markteinführung der Hygiene-Sensoren in diesem Jahr stehen zwei Ausführungen der Lichtschranken zur Verfügung, eine tastende Version mit einer Reichweite bis zu 140 mm und Hintergrundausblendung. Die Variante mit Polarisationsfilter lässt sich als Zweiweglichtschranke von 0 bis 3,5 m Reichweite gegen einen Reflektor oder zur Klarglas-Erkennung einsetzen.

Neben den Lichttastern wurden induktive und Ultraschall-Sensoren überarbeitet und sind mit dem hygienegerechneten Gehäusekonzept verfügbar. Im Bereich Ultraschall konnte der erste tastende Sensor vorgestellt werden, bei dem auch die Wandler-Fläche aus V4A besteht. Zudem gibt es neben Geräten im 30 mm Rundgehäuse auch Einwegschranken mit 18 mm Rundhülse. Die selbstreinigenden Eigenschaften der Ultraschall-Technik – die hochfrequenten Vibrationen des Schallwandlers führen zur Ablösung von Staub oder zum „Verdampfen“ von Flüssigkeiten, so dass der aktive Sensorteil sauber bleibt – prädestinieren dieses Messprinzip für den Einsatz in feuchten und staubigen Umgebungen.

Bei den induktiven Näherungsschaltern wurde genauestens darauf geachtet, dass nicht nur die Edelstahlhülse einwandfrei verarbeitet wird, sondern dass auch die Kabelausgänge und das Material den Spezifikationen entsprechen. Konsequenterweise lassen sich solche Sensoren nicht mit Anzeige- und Bedienelementen ausstatten, da ansonsten problematische Materialkombinationen beherrscht werden müssten, die zu unvertretbaren Kostensteigerungen führen würden. Die induktiven Sensoren sind zunächst in Rundhülsen mit 12 mm und 18 mm Durchmesser verfügbar.

Autor: Wolfgang Weber ist Global Industry Manager Verpackung im Geschäftsbereich Fabrikautomation der Firma Pepperl+Fuchs in Mannheim.