Wie man Glasflaschen herstellt

Glasflaschen, eine Verpackungsform mit historischer und gleichzeitig gegenwärtiger Bedeutung, spielen aufgrund ihrer hervorragenden Inertheit, Transparenz und Recyclingfähigkeit nach wie vor eine unersetzliche Rolle in diversen Branchen, wie beispielsweise der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, der Pharmazie oder der Kosmetikbranche. Für B2B-Großhändler bietet ein tiefes Verständnis des Herstellungsprozesses von Glasflaschen nicht nur Einblicke in die Produktqualität, sondern hilft auch dabei, die Widerstandsfähigkeit und Nachhaltigkeit der Lieferkette einzuschätzen. Dieser Bericht führt Sie durch die gesamte Entstehungsgeschichte von Glasflaschen – von den Rohmaterialien bis hin zum fertigen Produkt – und enthüllt die Wissenschaft und das Handwerk, die dahinterstehen, sowie Einblicke in zukünftige Entwicklungstrends.

Herstellung Glasflaschen

Branchenvolumen und Marktkennzeichen

Weltweite glasflasche der Verpackungsmarkt zeigt eine stabile Wachstumsdynamik und soll bis 2034 ein Marktvolumen von 115,3 Milliarden US-Dollar erreichen, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von rund 4,4 %. Die „Flaschen“-Segmentierung macht über 61,1 % des Marktes aus. Die Getränkeindustrie als größter Abnehmer hält etwa 64 % des weltweiten Marktanteils. Auch der Pharmaziebereich erfährt ein kräftiges Wachstum, mit einem prognostizierten Marktvolumen von 31 Milliarden US-Dollar bis 2034.

Glasarten und Anwendungen

• Soda-Kalk-Glas: Dominiert (voraussichtlich 44,8 % im Jahr 2025), ist kosteneffizient und wird breit in Lebensmittel- und Getränkeverpackungen eingesetzt .
• Borosilikatglas: Bietet hervorragende Wärmebeständigkeit und chemische Stabilität, vorwiegend in pharmazeutischen und Laborverpackungen verwendet.
• Recyceltes Glas (Schrotglas): Macht 20–90 % der modernen Produktion aus und ist ein entscheidender Faktor für nachhaltige Entwicklung.

Zu den bedeutenden internationalen Herstellern zählen O-I Glass, Ardagh Group und Gerresheimer. Die europäischen und amerikanischen Märkte führen aufgrund strenger Umweltvorschriften, während die Region Asien-Pazifik aufgrund steigender Konsumnachfrage am schnellsten wächst.

Glaschemie und Auswahl der Rohstoffe

Kernchemische Zusammensetzung

Typische Soda-Kalk-Glasformel:

• Siliziumdioxid (SiO₂): 70–74 %, bildet das primäre Gerüst des Glases und verleiht strukturelle Festigkeit.
• Natriumcarbonat (Na₂CO₃): 12–16 %, wirkt als Flussmittel, um die Schmelztemperatur zu senken und den Energieverbrauch zu reduzieren.
• Kalkstein (CaCO₃): 10–12 %, liefert Calciumoxid, verbessert die Härte und chemische Stabilität.
• Additive: Aluminiumoxid steigert die Leistungsfähigkeit, Magnesiumoxid verbessert die chemische Stabilität, und geringe Mengen an Farbstoffen (einschließlich Eisenoxid und Chromoxid) werden verwendet, um die Färbung zu verändern.

Kriterien für die Rohstoffauswahl

• Kieselsand: Hohe Reinheit ist erforderlich; materialien mit geringem Eisengehalt sind ideal für die Herstellung von klarem Glas.
• Soda (Natriumcarbonat): Der Gehalt wirkt sich direkt auf den Schmelzpunkt und die Viskosität des Glases aus.
• Kalkstein: Liefert Calcium und verbessert die Korrosionsbeständigkeit.
• Altglas: Unverzichtbar für die aktuelle Produktion, sollte die Partikelgröße zwischen 10 und 40 mm kontrolliert werden, um Verunreinigungen wie Keramik und Metalle zu vermeiden.

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Der wesentliche Wert von recyceltem Glas

• Energieeinsparung: Jede 10 % Erhöhung des Altglases reduziert den Stromverbrauch im Ofen um 2,5–3 %. Bei 100 % Altglas kann die Schmelztemperatur um etwa 50 °C gesenkt werden.
• Umweltvorteile: Geringere CO2-Emissionen; jedes Kilogramm Altglas ersetzt 1,2 Kilogramm neue Rohstoffe.
• Produktionsoptimierung: Verlängerte Ofenlebensdauer um bis zu 30 %, dadurch Reduzierung der Produktionskosten.

Aufbereitung der Batchmischung und Schmelzen des Glases

Prozess der Batchmischungsaufbereitung

Rohmaterialien werden genau abgewogen und sorgfältig gemischt, um "Chargen" zu formen. Automatische Systeme stellen eine korrekte Mischung sicher und vermeiden Glasfehler (wie Streifen und Blasen), die durch ungleichmäßiges Mischen entstehen können. Eine hohe Homogenität ist entscheidend für den gesamten Verarbeitungsprozess, um ein hohes Maß an Gleichmäßigkeit zu gewährleisten und die Grundlage für das nachfolgende Schmelzen zu schaffen.

Kernschmelzprozess des Glases

Die Chargenmaterialien werden in einen Hochtemperaturofen eingegeben, in dem sie bei Temperaturen zwischen 1100°C und 1700°C physikalischen und chemischen Reaktionen unterzogen werden, um in flüssiges Glas überzugehen. Dieser Prozess macht 80 % des gesamten Energieverbrauchs aus. Die Qualität des Schmelzens bestimmt direkt die Reinheit und Homogenität des Glases und ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung hochwertiger Glasflaschen.

Ofentechnologie und Energieeffizienz

• Regenerativer Ofen: Eine traditionelle Bauart, bei der das Abgas zur Vorwärmung der Verbrennungsluft genutzt wird, wobei jedoch Abgastemperaturen von über 500°C erreicht werden.
• Oxyfuel-Ofen: Verbrennung mit reinem Sauerstoff, wodurch Kraftstoffeinsparungen von 15–20 %, eine Reduktion der CO2-Emissionen um 30 %, eine Reduktion der NOx-Emissionen um 70–90 % und eine Verringerung der Investitionskosten um 30–40 % erzielt werden.
• Hybridofen: Durch die Kombination von Elektrizität mit konventionellen Brennstoffen können 80 % erneuerbare Energie genutzt und Emissionen um etwa 60 % reduziert werden.
• Vollständig elektrische Schmelzung: Eine Ära niedriger Kohlenstoffemissionen, begrenzt durch die Produktionskapazität (maximal 200 Lose/Tag).

Abwärmerückgewinnungssystem

Rückgewinnung von Wärme aus hochtemperierten Abgasen für Energieerzeugung oder Prozesswärme. Luft-zu-Wasser-Systeme (ATW) können Sauerstoff auf 550 °C und Erdgas auf 450 °C vorheizen, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die Kohlenstoffemissionen zusätzlich um 10–12 % gesenkt werden. In Kombination mit Oxyfuel-Verbrennung können Emissionen um weitere 30 % reduziert werden.

Wie man Glasflaschen industriell herstellt

IS-Maschinen und Formprinzipien

Die Maschine des Individual Segment (IS) ist das Herzstück der Massenproduktion. Sie besteht aus mehreren unabhängigen Formstationen, die flüssiges Glas ("Gobs") in Flaschenkörper umwandeln. Die wichtigsten Formverfahren umfassen:

Blas-Blas-Verfahren (B&B)

Prozess: Das Material wird in die Primärform gegeben → Luft wird geblasen, um die Primärform zu erzeugen → Anschließend wird das Halbfertigerzeugnis in die Endform übertragen und ein zweites Mal geblasen
Eigenschaften: Geeignet für dickwandige, engmundige Flaschen mit minimalem Kontakt zwischen Glas und Form

Drück-Blas-Verfahren (P&B)

• Prozess: Das Material wird in die Form gegeben → Ein Stempel presst die Primärform → Anschließend wird das Halbfertigerzeugnis in die Endform übertragen und mit Luft geblasen
• Eigenschaften: Geeignet für weitmündige Behälter, wobei ausreichend Platz für die Stempelbewegung erforderlich ist

Narrow-Neck-Drück-Blas-Verfahren (NNPB)

• Prinzip: Ein dünner Stempel steuert die engmundige Primärform für eine präzise Verteilung des Glases
• Vorteile: Leichtbauweise (bis zu 33 % Gewichtsreduktion), gleichmäßige Glasverteilung und hohe Produktionsleistung
• Anwendung: Gängige Produktionsverfahren für Flaschen mit engem Hals, ca. 14% leichter als traditionelle Methoden, wobei die Festigkeitsstandards eingehalten werden

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Formen-Technologie und Qualitätskontrolle

• Material des Stößels: Wirkt sich auf die Formstabilität aus; eine falsche Auswahl kann zu Stillstandzeiten und Qualitätsproblemen führen
• Formenwartung: Erfordert geschultes Personal, um Schäden an der Formenzusammenstellung aufgrund unsachgemäßer Wartung zu vermeiden
• Prozessüberwachung: Das PPC-System von Emhart Glass visualisiert die ursprüngliche Formbildung in Echtzeit und steuert das Präzisionsgewicht des Glasklumpens genau

Trends in der Formungstechnologie

• Servoelektrische Antriebe: Automatisierung und Produktivität von IS-Maschinen verbessern
• KI- und IoT-Integration: Prädiktive Instandhaltung und Echtzeitüberwachung ermöglichen
• Maschinelles Sehen zur Inspektion: Hochpräzise Fehlererkennung mit Geschwindigkeiten von über 300 Flaschen pro Minute
• Leichtbauoptimierung: Verbesserung der Glasverteilung und Reduzierung des Materialverbrauchs durch das NNPB-System

Handgefertigte Glasflaschen-Formgebungstechniken

Traditionelle Formgebungsmethoden

• Freiesblasen: Handwerker formen das Glas manuell mit Hilfe einer Blaspfeife, wodurch jedes Stück einzigartig wird.
• Mengenblasen: Das Einblasen in vorgefertigte Formen ermöglicht eine bestimmte Formgebung und vereint dabei Kunstfertigkeit und Konsistenz.
• Lampenblasen: Einsatz einer Lampe, um Gläserne Stäbe zu erweichen und sensible Komponenten herzustellen, geeignet für kleine dekorative Flaschen.

Wichtige Werkzeuge und Ausrüstung

Dazu gehören Blaspfeifen, Glasscheren, Holzplatten, Glühöfen (Heizkammern) und Temperöfen. Der Temperofen wird verwendet, um das fertige Produkt langsam abzukühlen, um innere Spannungen zu beseitigen und Risse zu vermeiden. 5. Drei dekorative Verfahren und Marktpositionierung

• Farbtechnologie: Einsatz von Pigmenten, Farbstäben und mineralischen Zusatzstoffen, um reiche Farbergebnisse zu erzielen
• Oberflächenbehandlung: Ätzen, Bildschirmsiebdruck, Heißprägung, UV-Druck und andere Techniken verzieren die Oberflächenstruktur
• Marktausrichtung: Bedienung von Zielmärkten im Bereich hochwertiger Spirituosen und individueller Parfüms, Differenzierung durch begrenzte Variationen und Anpassungsmöglichkeiten

Glühen und Nachbearbeitung

Prinzipien des Glühverfahrens

Neu geformte Glasflaschen erzeugen aufgrund unterschiedlicher Abkühlungsraten innen und außen inneren Druck. Sie durchlaufen im Glühofen die folgenden Schritte:

• Erwärmen über den Formgebungspunkt (unterhalb des Erweichungspunkts)
• Aufrechterhaltung der Temperatur, um die Spannungen abklingen zu lassen
• Langsame, kontrollierte Abkühlung, um die Entstehung neuer Spannungen zu verhindern

Das Glühen verbessert die mechanischen Eigenschaften, die Widerstandsfähigkeit gegen Temperaturschocks und die Langlebigkeit der Glasflasche erheblich und stellt sicher, dass die Flasche bei späterer Nutzung bruchresistent ist.

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Oberflächenbeschichtungstechnologie

Heißende-Beschichtung (HEC)

• Anwendung: Nach dem Formen, bei 450–600 °C
• Inhaltsstoffe: Zinnoxid (SnO₂), abgeschieden mittels CVD
• Dicke: 10–50 nm, überlegen: 35 CTU (ca. 10 nm)
• Funktion: Versiegelt Mikrorisse, ergänzt die Festigkeit und bildet eine Grundlage für blutungsarme Abgabebeschichtungen

Kaltende-Beschichtung (CEC)

• Anwendung: Nach dem Glühen, bei 80–150 °C
• Inhaltsstoffe: Organische Polymere wie Polyethylenwachs und Polyethylenglykol
• Anwendung: Sprühapplikation, 1%ige wässrige Lösung, ca. 50 nm dick
• Funktion: Verbessert die Schmierfähigkeit und ermöglicht Produktionsliniengeschwindigkeiten von bis zu 700 Flaschen pro Minute sowie verbesserten Kratzwiderstand

Entwicklung und Standardisierung von Beschichtungstechnologien

• Neue Beschichtungen: Silan-Lösung für bessere Haftung, Kieselsäure-Beschichtung für verbesserten Widerstand gegen äußere Einflüsse und Plasma-Beschichtung für pharmazeutische Flaschen
• Regulatorische Anforderungen: Konform mit Lebensmittelkontaktvorschriften (US 21 CFR Teil 11.1), 170-199, EU REACH usw., um Sicherheit zu gewährleisten

Qualitätssicherung und Testsystem

Qualitätskontrolle über den gesamten Prozess

• Rohstoffkontrolle: Chemische Zusammensetzung und physikalische Eigenschaften werden geprüft
• Schmelzkontrolle: Echtzeitüberwachung von Temperatur, Viskosität und Homogenität
• Formkontrolle: Präzise Steuerung von Parametern wie Glasgewicht und Blasdruck
• Glühverifikation: Temperaturprofil und Abkühlgeschwindigkeit entsprechen den Anforderungen

Automatische optische Inspektion (AOI)

• Kern-Technologie: Hochauflösende Digitalkamera + KI-Algorithmus für die Echtzeit-Erkennung von Krankheiten
• Erkennungsbereich: Risse, Blasen, Maßabweichungen, Oberflächenkratzer usw.
• Leistung: Geschwindigkeit von über 300 Flaschen/Minute, Erkennung von 0,1-mm-Fehlstellen, 99,7 % Genauigkeit
• KI-Vorteile: Reduziert Fehlalarme durch Reflexionen, passt sich verschiedenen Flaschenformen und Beleuchtungssituationen an

Weitere Schlüssel-Inspektions-Technologien

• Druckprüfung: Prüft den Widerstand gegen inneren Druck (z. B. bei Kohlensäureflaschen)
• Thermoschockprüfung: Bewertet die Stabilität bei plötzlichen Temperaturschwankungen
• Prüfung der chemischen Beständigkeit: Gezielt für pharmazeutische und lebensmittelverarbeitende Anwendungen
• Online-spektroskopische Analyse: Nahinfrarot-Technologie für die Echtzeit-Überprüfung der Zusammensetzung

Systemintegration und Rückverfolgbarkeit

Eine modulare Anordnung ermöglicht die Integration in die Fertigungslinie, durch KI-gestützte vorausschauende Wartung wird die Stillstandszeit reduziert, und ein Dokumentenverwaltungsgerät erstellt für jedes Produkt einen nachvollziehbaren Bericht, der die Fehleranalyse und Qualitätsverbesserung unterstützt.

Flaschendesign und Individualisierung

Integrierte Produktentwicklung (DFM)

Durch iteratives Optimieren wird ein Gleichgewicht zwischen Konstruktion und Fertigung erreicht. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) simuliert die Spannungsverteilung und reduziert Entwicklungszyklen von Wochen auf Stunden. Damit wird der Entwicklungsprozess beschleunigt, die Kosten gesenkt und Fehler minimiert.

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Wesentliche Designelemente

• Flaschenhals-Design: Erfüllt GPI/SPI-Standards (400, 410 usw.), um die Kompatibilität mit Flaschendeckeln sicherzustellen und funktionale Anforderungen wie Dichtigkeit und Diebstahlschutz zu erfüllen.
• Flaschenform: Verbindet Ästhetik und Funktionalität unter Berücksichtigung von Griff und Gleichgewicht.
• Bodenkonstruktion: Beeinflusst die strukturelle Stabilität. Ein flaches Rückseiten-Design gewährleistet eine angemessene Stabilität. FEA optimiert die Druckbelastbarkeit.
• Leichtbauweise: Gewicht reduzieren, während die Gesamtleistung erhalten bleibt, und ein Gleichgewicht zwischen Stoffverbrauch und Produktionsausgleich schaffen.

Markenelemente und Prototypenerstellung

• Kennzeichnungsbereich: Einen flachen Boden reservieren, um mit verschiedenen Kennzeichnungstechnologien umzugehen.
• Markenlogo: Prägung/Gravur muss den Konzepten des Design for Material (DFM) entsprechen.
• Prototypentest: Schnell Prototypen mittels 3D-Druck erstellen, um dimensions-, funktionalen und ästhetischen Ergebnisse zu bestätigen.

Nachhaltigkeit und zukünftige Perspektiven

Recyclingsystem und Umweltvorteile

Glas kann unendlich oft recycelt werden, und Recycling bietet große Vorteile:

• Energieeinsparung: Die Verwendung von Altglas zur Einschmelzung benötigt 30 % weniger Energie als Neumaterial.
• Emissionsreduktionen: Jede 10-%-ige Zugabe von Altglas reduziert die CO2-Emissionen um 5 %.
• Kreislaufwirtschaft: Wiederverwendbare Glasflaschen können unbegrenzt recycelt werden. Die Gewinnschwelle liegt bereits bei 2–3 Wiederverwendungen, wodurch die Emissionen um über 35 % reduziert werden.

Technologien und Innovationsrichtungen zur Emissionsreduktion

• CO2-Abscheidung: Technologien wie C-Capture binden Kohlendioxid aus Abgasen.
• Alternative Brennstoffe: Einsatz von Wasserstoff und Biobrennstoffen wird erforscht.
• 3D-gedruckte Formen: Reduzieren Sie Lieferzeiten, ermöglichen Sie komplexe Designs und nutzen Sie temperaturbeständige Materialien (darunter PEEK und Keramik).
• KI-Anwendungen: Optimieren Sie die Prozesssteuerung und vorausschauende Wartung.
• Lokale Produktion: Reduzieren Sie Transportwege und Lieferkettenrisiken.

Durch technologische Innovationen und nachhaltige Praktiken schreitet die Glasflaschenindustrie hin zu Kohlenstoffneutralität voran und bleibt weiterhin eine umweltfreundliche und effiziente Verpackungslösung, um der globalen Marktnachfrage gerecht zu werden. Das Verständnis des gesamten Herstellungsprozesses von Glasflaschen kann B2B-Kunden dabei unterstützen, Kosten und Qualität in der Lieferkette besser einzuschätzen.