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Bildverarbeitung in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie: Aufzeigen von werkstofftechnischen, technologischen sowie konstruktiven Anforderungen an ... in der Lebensmittelindustrie und Pharmazie
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Bachelor thesis
Mechanical Engineering

University, School

Staatliche Studienakademie Eisenach

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Der Begriff Standard wird im technischen und naturwissenschaftlichen Fachbereich vorwiegend als Überbegriff für technische Normen verwendet. In der Praxis hat sich der Begriff auf Grund einer breiten Akzeptanz, Vereinheitlichung und einer stillschweigenden Übereinkunft etabliert. In Anlage X sind allgemeine Richtlinien, Normen und Regeln für die betrachteten Industriezweige sowie deren Zertifizierungsmöglichkeiten dargestellt [eur09] [SQS09a].

5.1.1 Automotive Standards

Die gegenwärtige Lösungsvariante der Gehäusekonstruktion ist auf die Bedürfnisse der Automobilindustrie und des allgemeinen Maschinenbaus zugeschnitten. Die bestehenden Gehäusekomponenten der Machine Vision Komponente müssen den Forderungen der Automotiven Standards entsprechen. Um den anspruchsvollen Konkurrenzkampf der Automobilindustrie gerecht zu werden, müssen sich Automobilzulieferer der Herausforderung einer Zertifizierung[6] nach automobilspezifischen Standards stellen.

Hierbei werden Zulieferer mit einer Vielzahl von Normen – nationalen bzw. internationalen Ursprungs – konfrontiert. Hierbei haben sich weltweit die Normen QS-9000 auf dem amerikanischen Markt und die VDA 6.1 auf dem europäischen Markt als Standardnorm durchgesetzt. Auf Grund der Tatsache, dass weitere Normen wie die französische Norm EAQF sowie die italienische Norm AVSQ existieren, sind Harmonisier-ungsmaßnahmen und Integrationsvorgänge der verschiedenen Standards in eine weltweit einheitliche Norm unerlässlich.

Hierbei stellt sich die Erarbeitung der ISO/TS 16949:2002 als weltweit gleichartigen Standard mit einheitlichen Maßstäben für Qualitätsmanagementsysteme in der Automobilindustrie als ideale Lösung heraus. Ein Schema der Norm ist in Bild 6 dargestellt [qmt01].


Abb. 6: Vereinigung der Qualitätsmanagementsysteme einzelner Länder zur Norm ISO/TS 16949 [qmt01]

Die Norm ISO/TS 16949:2002 fordert als weltweit einheitliches und anerkanntes automobilspezifisches Regelwerk eine Integration der unternehmerischen Prozesse, den Teamgedanken in der Produktentwicklung und einen systematischen Ansatz für Zielvereinbarungen. Weitere Forderungen beziehen sich auf eine Prozesskennzahl und einen darauf basierenden kontinuierlichen Verbes-serungsprozess.

Die systematische Ermittlung der Kundenzufriedenheit sowie dem Benchmarking[7] und konsequente Verfolgung bzw. Beseitigung der Grundursachen von Fehlern in der Produktion und Abwicklung, aber auch eine stär-kere Ausrichtung auf interne sowie externe Kunden schließen die Forderungen der ISO/TS 16949:2002 ab. Abbildung 7 beschreibt das Prozessmodell der ISO/TZ 16949:2002 [TCT09].


Abb. 7: Prozessmodell der Norm .....[read full text]

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Die Global Food Standard Initiative (GFSI) ist in jüngster Vergangenheit aus einer Gruppe internationaler Handelsunternehmen entstanden. Sie besitzt die Absicht die Lebensmittelsicherheit zu erhöhen und die Kosten, welche für die zahlreichen Audits entstehen, zu senken. Weitere Ziele beinhalten die Gewährleistung des Verbraucherschutzes, die Stärkung des Verbrauchervertrauens und das Benchmarking der Anforderung für Lebensmittelsicherheitsmanagment-Programme sowie die Erhöhung der Kosteneffizienz innerhalb der gesamten Lebensmittelkette.

Für die Gewährleistung der Zielstellungen der GFSI existiert eine internationale Arbeitsgruppe, welche aus 50 Lebensmittelsicherheits-Experten besteht. Auf Grund der Tatsache, dass sich diese Experten auf keinen einheitlichen Standard einigen, existiert ein Leitfaden für die Anerkennung von Lebensmittelstandards, das „Guidance Document“. Der Leitfaden enthält Anforderungen und Schlüsselkriterien, wie ein Managementsystem für Lebensmittelsicherheit im jeweiligen Bereich sowie ein HACCP- System.

Grundlagen für die Schlüsselkriterien beinhalten die bereits bestehenden Standards wie BRC, SQF[10], Codex Alimentarius[11] und ISO-Normen. Das britische BRC Global Standard Food beinhaltet 10 grundlegende Forderungen, die sich auf ein Qualitätsmanagementsystem, Standards für die Werksumgebung sowie die Kontrolle von Produkten, Prozessen und Personal als auch auf ein HACCP-Konzept[12] beziehen.

Ein HACCP-System ist ein gegliederter, auf präventativen Anord-nungen beruhender Ansatz zur Realisierung der Produktsicherheit durch kontinuierliche Überwachung von kritischen Parametern während der Produktion von Lebensmitteln. Das System basiert auf Standards der holländischen Kommis-sion von HACCP-Experten [Sch03] [SQS09b].


Die Einführung des International Food Standard (IFS) im deutschen Handel basiert auf identischen Gründen wie die Einführung des BRCs. Hierzu gehören Audit-Reduzierung, einheitliche Bewertungsgrundlage und erhöhte Transparenz innerhalb der Lieferkette bei der Beurteilung von Lieferanten von Eigenmarken. Der Anwendungskatalog des IFS-Standards bezieht sich auf die Anforderungen des Qualitätsmanagementsystems, auf die Verantwortlichkeit des Managements, auf das Ressourcenmanagement, auf den Herstellungsprozess und auf Messungen, Analysen und Verbesserungen.

Der IFS ist seit 2003 ein von der GFSI Global Food Standard Initiative anerkannter Standard. Der jüngste, von der GFSI Global Food Standard Initiative anerkannte Standard, ist der US-amerikanische Safe Quality Food 2000 Code (SQF). Er besteht aus einem Komitee von Experten aus Qualitätsmanagement, Lebensmittelsicherheit, Lebensmittelproduktion, Landwirtschaft, Lebensmittelhandel, Logistik und HACCP.

Im Gegensatz zu den bereits vorgestellten Standards der Lebensmittelindustrie beschränkt sich der Safe Quality Food 2000 Code nicht nur auf die Lebensmittelproduktion, sondern bezieht sich ebenfalls auf den vollkommenen Lebensmittelsektor wie Primärproduktion, Logistik und Handel. Weiterhin ist zu bemerken, dass der SQF 2000 Code der meist verbreitete .....

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Aus diesem Grund ist ein GMP gerechtes Qualitätsmanagementsystem zur Gewährleistung der Produktqualität und der Erfüllung der für die Vermarktung verbind-lichen Anforderungen der Gesundheitsbehörden unerlässlich. Das Anforder-ungsprofil der GMP-Richtlinie bezieht sich hauptsächlich auf Herstellungspersonal, Produktion, Qualitätskontrolle, Dokumentation, Auftragsherstellung, Beanstandung, Selbstinspektion sowie Räumlichkeiten und Ausrüstung eines pharmazeutischen Produktes.

Bezüglich der beiden letztgenannten Qualitätsmerkmale Räumlichkeiten und Ausrüstung in der Pharmazie ist im Folgenden besonderer Aufmerksamkeit zu schenken, da hier sämtliche Forderungen an die zukünftigen Machine-Vision Komponenten niedergeschrieben sind. Sogleich werden diese Forderungen in der Norm DIN EN 60529 exakt definiert [SQS09b].



5.1.4 Marktorientierte Anforderungsanalyse

Die Norm DIN EN 60529 teilt Schutzarten nach einem international gültigen IP-Code ein. Der Abkürzung IP folgen zwei Ziffern, die den Code charakterisieren. Die erste Ziffer steht für den Schutz gegen das Eindringen fester Körper.


Tab. 2: Schutzgrade für Berührungs- und Fremdkörperschutz

Schutzgrade für Berührungs- und Fremdkörperschutz

Erste
Kennziffer

Schutzumfang

0

Kein Schutz

-

1

große Fremdkörper

Schutz gegen zufälliges groß flächiges Berühren aktiver und innerer bewegter Teile, z.B. mit der Hand, aber kein Schutz gegen absichtlichen Zugang zu diesen Teilen. Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser größer als 50 mm.

2

mittelgroße Fremdkörper

Schutz gegen Berühren mit den Fingern aktiver oder innerer bewegter Teile. Schutz gegen Ein-dringen von festen Fremdkörpern mit einem Durchmesser größer als 12 mm.

3

kleine Fremdkörper

Schutz gegen Berühren aktiver oder innerer bewegter Teile mit Werkzeugen, Drähten o.ä. mit einem Ø größer als 2,5 mm. Schutz gegen Eindringen von festen Fremdkörpern im Durchmesser größer als 2,5 mm.

4

kornförmige Fremdkörper

Schutz gegen Berühren aktiver oder innerer bewegter Teile mit Werkzeugen, Drähten o.ä. mit einem Ø größer als 1 mm.

5

Staubablagerung

Vollständiger Schutz gegen Berühren unter Spannung stehender oder innerer bewegter Teile. Schutz gegen schädliche Staubablagerungen. Das Eindringen von Staub ist nicht vollkommen verhindert, aber der Staub darf nicht in solchen Mengen eindringen, dass die Funktion beeinträchtigt wird

6

Staubeintritt

Vollständiger Schutz gegen Berühren unter Spannung stehender oder innerer bewegter Teile. Schutz gegen Eindringen von Staub.

Die zweite Ziffer formuliert den Schutzgrad gegen das Eindringen von Wasser. Die Angaben beziehen sich auf primitive Gehäuse ohne Rücksichtnahme auf Beeinflussungen wie Alterung oder Temperaturwechsel. Die Tabellen 2 und 3 auf Seite 22 beschreiben die Schutzgrade laut DIN EN 60529 [Wal08].


Die gegenwertigen Aluminiumgehäuse der Systeme und Komponenten, welche für den Maschinenbau und Automobilbau ausgelegt sind, müssen die IP-Klasse 65 garantieren. Wie aus den Tabellen zu entnehmen ist, gewährleistet diese Schutzklasse einen Staubschutz und einen Schutz gegen Strahlwasser, welches durch eine Düse geführt wird. Allerdings sind diese Schutzklassen für den Einsatz in Lebensmittelindustrie und Pharmazie nur bedingt ausreichend.

In der Lebensmittelindustrie werden hohe Ansprüche auf Sauberkeit gelegt. Aus diesem Grund müssen Gehäuse in dieser Branche neben der üblichen Schutzklasse IP65, welche in diesem Fall mit der IP-Klasse der Automobilindustrie identisch ist, die Schutzklasse IP69K garantieren. Bei dieser Schutzklasse geht es vor allem um die Standhaftigkeit von elektrischen Betriebsmitteln gegen Reinigung mi.....

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Hierbei werden nicht nur hohe Hygienestandards vorgegeben, sondern auch deutliche Fortschritte in punkto Produktivität erreicht. In Tabelle 4 ist eine Übersicht der wichtigsten Charaktere des Hygienic Designs dargestellt [TUM09] [Hau08].


Tab. 4: Konstruktionsmerkmale für ein hygienegerechtes Design [TUM09]

Charakter

Forderung

Bedeutung

Werkstoff

·    Korrosionsbeständigkeit

·    mechanische Stabilität

·    toxische Unwirksamkeit

·    Kunststoffe: PP, PVC, PC, PE

·    Elastomere: EPDM, FKM, HNBR, VMQ, FFKM, PMMA usw.

·    kein Glas

·   chemisch und mechanisch inerte Werkstoffe

·   Kein Eindringen von Mikroorganismen

·   Beständigkeit gegen Betriebsbedingungen und Anwendungen

·   Beständigkeit gegen Reinigungs- und Desinfektionsmitteln

·   gleiche Anforderungen für produktberührende und nicht-produktberührende Bereiche Hohe Dichtigkeit

Oberfläche

·    hohe Oberflächengüte

·    leichte Reinigung

·    glatt

·    Ra < 0,8

·    keine Löchern, Riefen oder Kratzer

·    keine Gefahrenquelle für Kontamination von Lebensmitteln

·    Gewährleistung einer leichten Reinigung

·    Oberfläche fehlerfrei, glatt, geschlossen

·    Oberflächen Elektropolieren (optimal)

Schrauben

·    hygienegerechte Abdichtung der metall-ischen Kontaktflächen

·    offene Gewinde abdichten

·    Sicherungselemente mit Spalten (Federring) vermeiden

·    leicht zu reinigende Schraubenköpfe

·    nur Anwenden, wenn Zerlegbarkeit notwendig

Geometrie

·    innere Ecken: mit R > 6 mm ausrunden

·    äußere Ecken mit R > 3 mm abrunden

·    Winkel > 90°

·    horizontale Flächen vermeiden

·    selbständiges Entleerung garantieren

Eine Fortführung der Profilierung von hygienegerechten Konstruktionsmerkmalen ist in Anlage X aufgezeichnet. In der Anlage werden Anforderungen für Oberflächengeometrie beschrieben. Weiterhin wird das hygienegerechte Gestalten von Schweißverbindungen, Dichtungen, Löt- und Klebverbindungen, Schraubverbindungen bildhaft dargestellt [Hau08].


5.2 Anforderungsliste

Anhand recherchierten Anforderungsprofils entsprechend der Pharmazie und Lebensmittelindustrie sind im Folgenden die erforderlichen Bedingungen in einer Anforderungsliste aufgeführt. Diese Anforderungsliste ist in Tabelle 5 einzusehen. Hierbei werden die Anforderungen beider Branchen kombiniert. Auf Fundament der durchgeführten Anforderungsrecherche ist erkennbar, dass Komponenten und Systeme der Pharmazie höhere Anforderungen besitzen, als Gehäuseelemente für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie.


Tab. 5:  Anforderungsliste zur Gehäuseoptimierung für den Einsatz der Machine-Vision Komponenten in Lebensmittelindustrie und Pharmazie

Anforderungsliste

Gehäuseoptimierung für Lebensmittelindustrie und Pharmazie

Anforderung

Forderung

Wunsch

Empfehlung

1.     Kräfte

·  hohe Drücke (8 – 10 kN/) bei Hochdruckreinigung

·  Durchflussgeschwindigkeit von 14 bis 16 l/min bei Hochdruckreinigung


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2.     Werkstoffe

·  Edelstahl, Stahl, Aluminium, Kunststoff

·  kein Glas verwenden

·  Resistenz gegen Korrosion

·  Resistenz gegen chemisch hochaktive Medien

-     Wasserstoffperoxid

-     alkalische Laugen

-     chlorhaltige Laugen

·  Resistenz gegen hohe und geringe Temperaturen (+80 °C bis -30°C)


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F

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3.     Fertigung

·  Schweißnähte schleifen und polieren

·  keine Aufkleber oder Lackierarbeiten



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E


4.     Stückzahl

·  100 Stück im Jahr


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5.     Gebrauch

·  IP 68:

-     Gehäuse muss hygienisch dicht sein (Staubdicht)

-     Gehäuse muss Wasserschutz gegen Untertauchen gewährleisten

·  IP 69 K:

-     Gehäuse muss Beständig gegen Hochdruckreinigung sein, hierbei    Bespritzungsvorgang unter Winkel 0, 30, 60 und 90° je 30 Sekunden

·  Reinraumbedingungen:

-     VDI 2082 für Lebensmittelindustrie

-     EG-GMP Annex 1 für pharmazeutische Industrie


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F


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Aus diesem Grund ist zum Zweck der Lösungsfindung der bestmöglichsten Gehäusevariante, eine Kombination aus werkstofftechnischer Analyse und Suche nach alternativen Fertigungsverfahren durchzuführen. Ein besonderes Augenmerk ist hierbei auf die technologisch sowie wirtschaftlich günstigste Alternative, zur Realisierung der Aufga.....

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Die physikalischen Parameter offenbaren durchschnittliche Werte. Hierbei bekundet die Tatsache, dass das Gehäuse elektrisch isolierend fungieren soll, die vorhandene elektrische Leitfähigkeit von 28 mS/m als bedenklich. Andererseits muss die von den LEDs erzeugte Wärme aus dem Gehäuse abgeführt werden. Mit Hilfe der hohen Wärmeleitfähigkeit von 185 W/Km des AlMgSi1 kann diese Aufgabenstellung bestens erfüllt werden.

Als Nachteil dieser guten Wärmeableitung bekennt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient. Er ist mit einem Wert von 23,4 µm/m angegeben [Wei04].


Weiterhin besteht der gegenwärtige Aluminiumwerkstoff aus einer Eloxalschicht, welche eine größere Oberflächenhärte, einen ausgezeichneten Korros-ionsschutz, eine Kratz- und Grifffestigkeit sowie ein höheres elektrisches Isolationsverhalten mit sich bringt. Hierbei bildet Aluminium, mit Hilfe eines natürlich stattfindenden Prozess, eine Oxidhaut, die den Werkstoff in der Regel von weiteren Angriffen schützt.

Aus diesem Grund ist Aluminium der einzige Werkstoff der eloxiert werden kann. Die Eloxalschicht schützt das Werkstück dauerhaft vor Umwelteinflüssen und macht es reinigungsfreundlich.


5.3.2 Ermittlung von alternativen Werkstoffen

Um eine brauchbare werkstofftechnische Alternative zu finden, ist zunächst ab­zuklären, in welchem Bereich die Recherche stattfinden soll. Hierbei ist auf die Einschränkungen für die Anwendung in der Lebensmittelindustrie und der Pharmazie hinzuweisen. Ebenfalls sollen die Festigkeitswerte der Aluminium- Knetlegierung bei der Auswahl der Werkstoffe eingehalten werden.

Anhand dieser Unabhängigkeit kann die Bevorzugung einerseits auf Metalle mit ähn-lichen Festigkeitswerten gelegt werden. Hierbei sind Aluminium-Guss-legierungen (Anlage XII), Stahllegierungen (Anlage XIII) und Edelstahllegierungen (Anlagen XIV und XV) als geeignete Alternativen zu werten. Ebenfalls kann die Suche nach einer brauchbaren Werkstoffalternative bis in die Kunststofftec.....

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Auch die Werte für Härte (90 HB), elektrische Leitfähigkeit (20…22 mS/m) und Wärmeausdehnungskoeffizient (23 µm/m) sind als gleichwertig zu bewerten [Wei04].


Zum Zweck der weiteren Betrachtung von Alternativwerkstoffen ist sich im Folgenden von Aluminium und seinen Legierungen abzuwenden. Es werden im weiteren Verlauf der werkstofftechnischen Untersuchung zwei Werkstoffe vorgestellt, die in die Kategorie der Eisenmetalle einzuteilen sind. Einen dieser Eisenwerkstoffe stellt der unlegierte Stahlbaustahl S235JR dar.

Das Eigenschaftsprofil des S235JR ist in im Vergleich zum gegenwärtigen AlMgSi1 vorgestellt (Tab. 7). Dieser, auch als allgemeiner Baustahl bezeichneter Werkstoff, besitzt eine hohe Affinität zu Wasser. Aus diesem Grund besteht eine hohe Korrosionsanfälligkeit im unbehandelten Zustand. Aus diesem Grund müssen Bauteile aus S235JR, identisch zu dem gegenwärtigen Aluminiumwerkstoff, einer Stoffeigenschaftsänderung unterzogen werden.

Einen guten Schutz vor Korrosion bietet das Oberflächenbehandeln durch Hartverchromen. Diese Technologie garantiert eine harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberfläche der Bauteile.


Tab. 7:  Eigenschaftsprofil des allgemeinen Baustahl S235JR im Vergleich zu der gegen-wärtigen Aluminium-Knetlegierung AlMgSi1 [Sch98]

Parameter

Allgemeiner Baustahl

S235JR

Aluminium-

Knetlegierung AlMgSi1

Zugfestigkeit

450 N/mm²

300 N/mm²

Rp0,2- Proportionalitätsgrenze

235 N/mm²

255 N/mm²

Bruchdehnung

26 %

6 … 9 %

Härte

130 HB

91 HB

Dichte

7,85 g/cm³

2,7 g/cm³

elektrische Leitfähigkeit

10 mS/m

28 mS/m

Wärmeleitfähigkeit

40 W/Km

185 W/Km

Wärmeausdehnungskoeffizient

12 µm/m

23,4 µm/m

Abb. 8: Passivschicht von massiven nichtrostenden Stahl [Ede08]



Die Werkstoffgruppe der hochlegierten, austenitischen[15] rost- und säurebeständige Stähle stellen eine weitere ansprechende Wahlmöglichkeit dar. Diese Stahllegierungen werden in der Lebensmittelindustrie sowie der Pharmazie auf Grund ihrer hervorragenden Hygieneeigenschaften besonders geschätzt. Der Werkstoff besitzen auf seiner Oberfläche eine transparente, chromreiche Oxidschicht, der so genannten Passivschicht.

Diese Oberflächenschicht (Abb. 8) gewährleistet eine hohe Korrosionsbeständigkeit und regener-iert sich bei Beschädigungen selbstständig. Auf Grund der guten Oberflächeneigenschaften der Edelstähle sind keinerlei Nährböden für Bakterien, Keime, Partikel, Prionen oder Pilze gegeben. Ebenfalls besitzt der Werkstoff eine Resistenz gegen toxische und geschmacksverä.....

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