Bezinwazyjne badanie szczelności opakowań

19 Aug 2021 10:23

Wybór właściwej metody bezinwazyjnego badania szczelności opakowań z użyciem gazów ma istotne znaczenie dla producentów opakowań. Firma WITT oferuje rozwiązania do kontroli z wykorzystaniem kąpieli wodnej lub gazu śladowego, które pozwalają każdej firmie znaleźć optymalne z jej punktu widzenia rozwiązanie.

Próba szczelności w kąpieli wodnej

Próba szczelności w kąpieli wodnej jest metodą kontroli wzrokowej. Badany element jest całkowicie zanurzony w wodzie. W przypadku nieszczelności wznoszą się widoczne dla inspektora pęcherzyki powietrza.

Systemy do badań pęcherzykowych składają się z przezroczystego zbiornika wodnego, w którym badana próbka jest całkowicie zanurzona i może być kontrolowana przez testera ze wszystkich stron w poszukiwaniu unoszących się pęcherzyków powietrza świadczących o nieszczelności. Idealnym rozwiązaniem jest zastosowanie uchwytów umożliwiających przytrzymanie próbki pod wodą w czasie tego procesu.

Test pęcherzykowy działa tym lepiej, im wyższe jest ciśnienie w badanym obiekcie w porównaniu z ciśnieniem otoczenia. Zauważalne strumienie pęcherzyków powietrza unoszą się wtedy z punktów nieszczelności na powierzchnię wody. Przy różnicy ciśnień rzędu kilku mbar napięcie powierzchniowe wody opóźnia lub uniemożliwia tworzenie się pęcherzyków. Badane elementy lub komponenty są zatem poddawane ciśnieniu sprężonego powietrza w celu sprawdzenia wycieków wody. I odwrotnie, możliwe jest również obniżenie ciśnienia otoczenia w komorze wodnej: w uszczelnianej komorze wodnej przestrzeń powietrzna nad wodą jest w tym celu opróżniana.

Aby zapewnić kontrolę procesu testowania, należy określić i utrzymać równą wartość dla zwiększania ciśnienia lub opróżniania gazu, jak również czasu testowania pod wodą. Kontrola wzrokowa i uwaga osoby przeprowadzającej test mają kluczowe znaczenie: musi ona zauważyć unoszące się pęcherzyki powietrza i w ten sposób może określić położenie nieszczelności na badanym elemencie.

Próba szczelności z gazem śladowym

Próba szczelności z gazem śladowym jest wykonywana przy użyciu czujników gazu. Obiekt badania musi zawierać określony gaz śladowy. W przypadku nieszczelności ulatniający się gaz jest wykrywany przez czujniki.

Systemy kontroli szczelności z użyciem gazu śladowego są dostępne do wyrywkowego testowania próbek oraz jako w pełni zautomatyzowane urządzenia liniowe do kontroli całej produkcji. Jeden lub kilka obiektów badania umieszcza się w komorze, następnie wytwarza się próżnię, a gaz śladowy wydostający się z nieszczelności jest wykrywany przez czujniki.

Produkty spożywcze lub medyczne pakowane w zmodyfikowanej atmosferze są testowane głównie pod kątem ulatniającego się gazu CO2. Gaz ten jest stosowany w wielu opakowaniach jako element gotowej zmodyfikowanej atmosfery gazowej. Inaczej jest w przypadku elementów lub grup komponentów, które muszą być celowo aplikowane z gazem śladowym. W przypadku najsurowszych wymogów szczelności jako gazy śladowe służą hel lub wodór, które dzięki niewielkim rozmiarom cząsteczek są w stanie przedostać się przez nawet najmniejsze nieszczelności. W przypadku opakowań do żywności tak dokładny test jest rzadko konieczny. Ponadto dodatkowo wprowadzony wodór utrudnia analizę modyfikowanej atmosfery na obecność resztek tlenu.

Próba szczelności z użyciem gazu śladowego może być bardzo łatwo zautomatyzowana i obejmuje również cyfrową dokumentację przebiegu kontroli. Kontrola jakości jest przeprowadzana niezależnie od ludzkiego inspektora i jest całkowicie poddana standaryzacji. Czujniki dostarczają wartości pomiarowe, na podstawie których można określić dokładny stopień nieszczelności.

Klasyfikacje szczelności

Wszystkie materiały opakowaniowe i elementy łączone posiadają drobne otwory, które mogą być zdefiniowane jako nieszczelności. Technicznie rzecz ujmując nie ma czegoś takiego jak absolutna szczelność. To, czy badany element jest „szczelny”, czy „nieszczelny”, można stwierdzić jedynie w odniesieniu do wcześniej określonego wskaźnika nieszczelności. Wyznacza on granicę pomiędzy tolerowanym poziomem nieszczelności a poziomem zagrażającym funkcjonowaniu lub bezpieczeństwu produktu.

Szczelne czy nieszczelne? Jak znaleźć właściwy wskaźnik wycieku

Podobnie jak w przypadku elementów silnika spalinowego, które muszą być wodoszczelne lub olejoszczelne, od opakowań na żywność lub farmaceutyki pakowane w atmosferze modyfikowanej oczekuje się, że nie będą tracić gazu. W związku z tym, w zależności od przeznaczenia, można tolerować nieszczelności o różnej wielkości – komponent lub opakowanie uznaje się za szczelne, gdy spełnia określone i tym samym możliwe do sprawdzenia wymagania dotyczące jego szczelności.

Miarą szczelności jest wskaźnik wycieku. Jest on podawany w jednostce mbar l/s i oznaczany skrótem qL. Rzadziej do określenia wielkości wycieku stosuje się jednostkę przepływu masowego sccm (standardowy centymetr sześcienny na sekundę), która jest niezależna od ciśnienia i temperatury.

Wskaźnik wycieku 1 mbar l/s odpowiada przepływowi gazu o wielkości 1 litra na sekundę przy ciśnieniu gazu 1 mbar lub oznacza, że w zamkniętym zbiorniku o pojemności 1 litra ciśnienie wzrasta lub spada o 1 mbar w ciągu jednej sekundy. W odniesieniu do wskaźnika wycieku można ilościowo rejestrować nieszczelności i zdefiniować następującą klasyfikację szczelności:

Wskaźnik wycieku qL w mbar l/s / Klasyfikacja szczelności
10-6 / wirusoszczelne
10-5 / benzynoszczelne i olejoszczelne
10-4 / bakterioszczelne
10-3 / paroszczelne
10-2 / wodoszczelne (wielkość kropli)

Definicja dopuszczalnego wycieku zależy w dużej mierze od przeznaczenia obiektu. W którym momencie nieszczelność zakłóca funkcjonowanie lub do którego momentu jest nieistotna? Pomocne może być przyjrzenie się porównywalnym branżowym zastosowaniom i wartościom empirycznym, które dostarczają wskazówek do określenia stopnia nieszczelności. Po określeniu wartości granicznej można na tej podstawie wybrać odpowiednią metodę badania szczelności.

Ekonomicznym rozwiązaniem mogą być również wieloetapowe procedury kontroli szczelności: zgrubna próba szczelności określa, czy badany element jest w przybliżeniu szczelny. W takim przypadku przeprowadzana jest dokładna kontrola szczelności, podczas której dokładnie określana jest wielkość wycieku. Oszczędza to przeprowadzania zbędnych prób szczelności i chroni sprzęt pomiarowy.

Każda metoda badania szczelności ma wady i zalety. Wszystko zależy od tego, co chcemy testować, jak definiujemy szczelność i w jaki sposób chcemy zintegrować test z produkcją.

Próba szczelności w kąpieli wodnej

Zalety:
– precyzyjna lokalizacja nieszczelności
– analiza słabych punktów w celu optymalizacji procesu produkcyjnego (np. szwy, miejsca zgrzewania, stan materiału, błędy montażowe)
– drogie elementy mogą być selektywnie przerabiane

Wady:
– kontrola wzrokowa przez człowieka bez dokładnego określenia stopnia nieszczelności
– powrót badanego obiektu do produkcji (żywności) może okazać się niemożliwy
– wymagane regularne czyszczenie komory lub wymiana wody

Szczególnie nadaje się do: średnich i dużych elementów o małej złożoności formy, np. armatury ze stali nierdzewnej; zbiorników paliwa; części z tworzyw sztucznych itp.; opakowań z atmosferą modyfikowaną, do torebek przepływowych, tacek termoformowanych, torebek stojących, tetrapaków, blistrów, fiolek, saszetek, kapsułek, puszek, butelek oraz do badania próbek. 

Nie nadaje się do: skomplikowanych geometrycznie elementów oraz do wykrywania mikrowycieków (natężenie wycieku poniżej 10-4 mbar l/s).

Próba szczelności z użyciem gazu śladowego

Zalety:
– określenie wskaźnika wycieku
– krótki czas badania
– testy automatyczne i dokumentacja cyfrowa
– może być zintegrowany z linią produkcyjną

Wady:
– może zaistnieć konieczność dodatkowego wprowadzenia gazu śladowego do produktu
– nieproporcjonalnie duże nieszczelności, z których gaz śladowy ulatnia się zbyt szybko, mogą zafałszować badanie

Szczególnie nadaje się do: opakowań z atmosferą modyfikowaną, które zawierają już gaz śladowy CO2; do wykrywania mikrowycieków (natężenie wycieku poniżej 10-4 mbar l/s); do 100% badania produkcji. Nie nadaje się do: lokalizacji wycieku (możliwe z użyciem sondy).

Firma WITT zachęca firmy do rezygnacji z kompromisów i postawienia na oferowane przez nią certyfikowane w zakresie przemysłowej kontroli szczelności systemy wysokiej jakości. Seria modeli LEAK-MASTER zapewnia wybór: badanie szczelności w kąpieli wodnej lub z użyciem CO2 jako gazu śladowego. Prostą i skuteczną metodę sprawdzenia szczelności w kąpieli wodnej zapewnia tester szczelności LEAK-MASTER EASY. Z kolei nieniszczący test próbek i intuicyjna obsługa to zalety LEAK-MASTER PRO2, który wykrywa emitowany CO2, zapewnia kontrolę jakości dla zaawansowanych użytkowników i oferuje automatyczną dokumentację wyników. 

Do wykrywania nieszczelności na skalę przemysłową z wykorzystaniem gazu śladowego CO2 służy LEAK-MASTER MAPMAX, dzięki któremu możliwa jest kontrola całego procesu produkcji w sposób całkowicie zautomatyzowany i zintegrowany z linią do pakowania. 

Zapewnienie dłuższego okresu przydatności do spożycia i świeżości: na tym właśnie polega skuteczne pakowanie produktów spożywczych, farmaceutycznych i kosmetycznych. Firma WITT, ekspert w dziedzinie technologii pakowania z użyciem gazów modyfikowanych, oferuje mieszalniki gazów, analizatory gazów oraz wykrywacze nieszczelności specjalnie dla zastosowań MAP.

Opracowano na podstawie materiałów firmy WITT