Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen

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Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen-Partikelschaum
(EPP) oder Expandiertem Polystyrol (EPS) als Mehrwegverpackung mit optimierten thermischen Isoliereigenschaften
Schlussbericht zum BMBF-Projekt mit den
Förderkennzeichen: 0330430 und 033049
vom 6. Oktober 2005
Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“
Schlussbericht zu BMBF-Projekt mit Acronym: THEKLA
Kennzeichen: 0330430
Auftragnehmer:
Fraunhofer-Institut Chemische Technologie
Pfinztal
im Unterauftrag:
Fagerdala Deutschland GmbH
Ohrdruf
Wacker & Ziegler GmbH
Weissach
Eingearbeitet die Teilberichte des Projektpartners:
Kennzeichen: 033049
Overath GmbH
Lohmar
Auftragsbezeichnung:
Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen-Partikelschaum (EPP) oder Expandiertem Polystyrol
(EPS) als Mehrwegverpackung mit optimierten thermischen Isoliereigenschaften
Projekt-Träger: Forschungszentrum Jülich PTJ, Außenstelle Berlin
Laufzeit des Auftrags: vom 1. März 2003 bis 28. Februar 2005
Berichtszeitraum: 1. März 2003 bis 28. Februar 2005 (Schlussbericht)
Datum, Unterschrift des Projektleiters
Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für
Bildung und Forschung unter den Förderkennzeichen 0330430 und 033049 gefördert.
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.
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I
I.1
Kurzdarstellungen
Aufgabenstellung
Das beantragte Vorhaben war ausgerichtet auf die gezielte Umsetzung von
Umweltinnovationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei der Konzeption, Herstellung und Anwendung von thermisch optimierten Isolierboxen.
Die Idee einer klappbaren Mehrwegverpackung aus expandiertem Polypropylen (EPP) oder expandiertem Polystyrol (EPS) für Kühl- und Wärmetransporte
von thermosensiblen Gütern (Lebensmittel, Medikamente, etc.) sollte weitgehend umgesetzt werden. Dabei waren ökologische Aspekte durch eine nachhaltige Mehrwegverpackung sowie wirtschaftliche Kriterien gleichermaßen zu
berücksichtigen. Im Einzelnen handelte es sich dabei um folgende Aufgabenstellungen:
• Entwicklung einer nachhaltigen und lebensdaueroptimierten Thermo-Klappbox mit den Teilzielen „kreislaufgerechte“ und „umweltgerechte“ Produktund Prozessmodifikation
• Gestaltung einer logistikgerechten Klappanordnung mit produktund prozessintegrierbaren Klappmechanismen
• Optimierung des derzeitigen Herstellungsverfahrens und Entwicklung
innovativer, umweltfreundlicherer Verfahrensschritte und -kombinationen
• Entwicklung eines Logistik- und Produktverfolgungssystems für mehrfach
verwendbare Thermo-Klappboxen
• Erstellen eines Qualitätssicherungskonzepts im Hinblick auf die technischen
und wirtschaftlichen Anforderungen sowie unter Berücksichtigung der
rechtlichen und hygienischen Restriktionen
• Einbettung der technischen und logistischen Entwicklungen in ein umfassendes Servicekonzept und dessen Erprobung.
I.2
Voraussetzungen zur Durchführung des FE-Vorhabens
Bei der Zusammenstellung des Projektkonsortiums wurde darauf geachtet, die
Kompetenzen aus den Bereichen Packmittelkonzeption, Partikelschaumstoffverarbeitung, Logistik, Anlagentechnik und Qualitätssicherung zu vereinen
Fraunhofer ICT
Das Fraunhofer ICT unter Leitung von Professor Peter Eyerer verfügt über erhebliche Kompetenzen auf den Gebieten Umwelttechnik, Materialforschung
(v. a. bei Polymeren), Fertigungstechnik und Kreislaufwirtschaft. So wurden
zahlreiche Projekte mit experimentellem Charakter für industrielle Auftraggeber zur umweltverträglichen Material- und Produktentwicklung sowie
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-herstellung, Produktreinigung, Verwertung von Problemstoffen, Verbundwerkstoffen und gebrauchten Produkten durchgeführt. Beispiele hierfür sind
Armaturentafeln, Leiterplatten, Verbundverpackungen, Elektrogeräte, Medizinartikel sowie Chemikalien. Darüber hinaus wurden insbesondere Projekte
zur Konstruktion und Herstellung von Polymer- und Verbund-Bauteilen durchgeführt. Zur Ausstattung des Fraunhofer ICT gehört u. a. ein Formteilautomat
(Erlenbach EHV-C PP670/570) mit frei programmierbarer Steuerung und
Messwerterfassung zur Herstellung von Produkten und Halbzeugen aus Partikelschaumstoff (EPS, EPP). Seit 1997 befindet sich am Fraunhofer ICT eine Außenstelle des FhG-Demonstrationszentrums ”Produktkreisläufe elektrischer
und elektronischer Produkte”, und seit 1999 das BMBF-Entwicklungs- und Demonstrationszentrum Kreislauffähigkeit neuer Werkstoffe ”LOOP“.
Fagerdala Deutschland GmbH
Die Firma Fagerdala Deutschland GmbH, ehemals Gefinex Polymerschäume
GmbH in Ohrdruf/Thüringen gehört zur Fagerdala World Foams AB in Schweden, eine internationale Gruppe, die sich auf die Entwicklung, Produktion und
Umformung von Polymerschaumstoffen spezialisiert hat. Der Standort Ohrdruf
wurde zum Europazentrum ausgebaut. Neben Mehrweg-Transportträgern,
nicht faltbaren Thermoboxen und Sportartikeln gehören u.a. auch Automobilformteile zum Produktespektrum von Fagerdala Deutschland. Die FagerdalaGruppe hat sich innerhalb von 5 Jahren seit Einstieg in den EPP-Sektor zum europäischen Marktführer für EPP-Produkte entwickelt und ist als Technologieführer auf dem Bereich der Polypropylenschäume zu benennen. Eine herausragende Besonderheit der Fagerdala Deutschland ist beispielsweise die Vereinigung von Rohstoffhersteller und Verarbeiter in einem Unternehmen. Fagerdala
Deutschland ist weltweit das einzige Unternehmen, das Polypropylen-Partikelschäume im Autoklav- und Extrusionsprozess herstellen kann. Mit dem Extrusionsverfahren hat sich der Geschäftsbereich Verpackung/Logistik neue Marktanteile erobert, da sich durch Mehrwegverpackungen aus EPP in unterschiedlichen Farben die logistischen Ströme der Kunden visuell gestalten lassen.
Der Umsatz mit Partikelschaumboxen ist bei der Fagerdala Deutschland in den
letzen Jahren nicht zuletzt aufgrund zahlreicher technischer Innovationen stark
angestiegen. Fagerdala Deutschland bestreitet derzeit ca. 20 % des Gesamtumsatzes mit Isolierboxen die unter dem Handelsnamen Thermoklipper und
Thermokuli in Deutschland, Spanien, Italien, Frankreich, Benelux und Skandinavien auf dem Markt sind. Die erfolgreiche Markteinführung konnte durch
neue, reinigungsfreundliche Oberflächen, und freie Farbwahl erzielt werden.
Die freie Farbwahl, ermöglicht durch den Extrusionsprozess, revolutionierte
auch unter logistischer Hinsicht den schwarz bzw. weiß geprägten FormteileMarkt.
Overath GmbH
Mitte der 80er Jahre begann die Overath GmbH die ersten Eigenentwicklungen im Bereich von Packschaumwolle und stellte die Weichen in Richtung
Schaumstoffverarbeitung. Heute prägen innovatives Potential, technische
Kompetenz und die Erfahrung aus vielfältiger Aufgabenstellung die Verpackungskonzepte der Overath GmbH. Im Jahre 1998 begann die Overath GmbH
neben ihrem klassischen Betätigungsfeld der Verarbeitung von PE-Schaum,
auch mit PP zu arbeiten. In einer Zusammenarbeit mit der heutigen Fagerdala
Deutschland GmbH wurden zwei Isolierboxen unter den Handelsnamen
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Thermo-Kuli und Thermo-Clipper entwickelt. Die Overath GmbH zeigt sich
seitdem als Vertriebspartner für die positive Umsatzentwicklung auf diesem
Gebiet verantwortlich. Aus dem Kundenkreis der Overath GmbH kommen
häufig Anregungen zu Weiterentwicklungen der Thermo-Boxen.
Wacker & Ziegler
Seit Ende 2003 entwickeln und produzieren neben den Unternehmensgründern Kai Wacker und Dr. Maik Ziegler noch 3 weitere Mitarbeiter in Weissach
hoch energieeffiziente Formteilautomaten zur nachhaltigen Herstellung von
Verpackungen, Ladungsträgern und Bauteilen aus Partikelschaumstoffen (EPP
und EPS). Das Startup-Unternehmen kam mit der Idee diverse Verpackungsteile
empfindlicher Güter auf kleinen, energieeinsparenden Formteilautomaten
ohne Transportnachteile direkt beim Anwender herzustellen bei mehreren Existenzgründerwettbewerben in die Preisränge (Startup (Aug.2003) der
Kreissparkasse Böblingen, ZDF, „Stern“ und McKinsey sowie Land Thüringen
(Dez. 2002). Ferner wurde Wacker & Ziegler vom BMB+F im Rahmen der Forschung für Nachhaltigkeit (FONA) ausgewählt, anlässlich der Hannover-Messe
2005 auf dem Gemeinschaftsstand des BMB+F auszustellen und mit einem
neuentwickelten Formteilautomaten dort live zu produzieren, Bild 1.
Bild 1:
Ministerin Bulmahn besucht den
Gemeinschaftsstand des BMB+F
und lässt sich von Dr. Ziegler die
Vorteile des Formteilautomaten
von Fa. Wacker & Ziegler erläutern
I.3
Planung und Ablauf des Vorhabens
Die im Rahmen des durchgeführten Vorhabens abgearbeiteten Haupt-Arbeitsschritte betrafen
•
die Produktentwicklung und -optimierung (Arbeitspunkt AP1)
•
die Prozessentwicklung und Produktion von seriennahen Prototypen (AP2)
•
die Kreislaufführung und Nutzung von Thermo-Klappboxen (AP 3) sowie
•
die Querschnittsaufgaben des Projektmanagements (AP 4).
Im Folgenden sind die Arbeitspunkte näher erläutert während die einzelnen
Teilschritte in Tabelle A1 im Anhang aufgelistet sind.
AP1: Packstoff- und Produktentwicklung sowie Optimierung
Bis heute werden keine thermisch isolierenden Behälter für Lebensmittel oder
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Pharmaka in der Mehrwegnutzung über Pools im Kreislauf geführt. Die Wiederverwendbarkeit spielte daher als systematisches Entwicklungsziel eine übergeordnete Rolle. Aufbauend auf den Erfahrungen aus der Partikelschaumstoffverarbeitung und der Logistik-Dienstleistung sollten Thermoboxen konstruktiv
so weiterentwickelt werden, dass sie den produktspezifischen und den für einen Mehrwegeinsatz unumgänglichen Anforderungen gerecht werden. Im 2.
Schritt sollte das erste Produktkonzept iterativ zu einer ganzheitlichen und
nachhaltigen Lösung optimiert werden.
AP 2: Prozessentwicklung und Produktion von seriennahen Prototypen
Über eine Identifikation und Verbesserung ökologischer Schwachstellen des
Fertigungsprozesses sowie der Berücksichtigung der Wiederverwertung von
regranulierten Schaumstoff-Boxen sollte ein erster Ansatz für einen verallgemeinerten Leitfaden zur nachhaltigen Herstellung von Bauteilen aus Partikelschaumstoff entstehen. Der entscheidende Fertigungsschritt bei der Herstellung von mehrwegtauglichen Thermo-Klappboxen ist die Integration von
Scharnierelementen. Zur Klärung dieser Fragestellung auch im Hinblick auf die
Reinigungs- und Kreislauffähigkeit wurden zuerst grundlegende Untersuchungen an Modellkörpern im Labormaßstab durchgeführt.
AP 3: Kreislaufführung und Nutzung von Thermo-Klappboxen
Die Nutzungsphase der Thermo-Klappbox verbindet Produktions- und Entsorgungsphase. Es wurde mit diesem Vorhaben angestrebt, über ein MehrwegSystem die klappbaren Thermobehälter möglichst lange in der Nutzungsphase
zu halten, um Ressourcen zu schonen. Hauptansatzpunkt hierfür ist die Entwicklung eines neuen Servicekonzepts. Verschiedene Maßnahmen der Integration zusätzlicher Funktionen (Informationsträger) und der Produktmodifikation
waren dazu nötig.
AP 4: Querschnittsaufgaben des Projektmanagements
Zu den Querschnittsaufgaben gehören das Projektmanagement einschließlich
Termin- und Kostenkontrolle sowie die Ergebnisdokumentation. Hinzu kommt
das Informationsmanagement während der Projektlaufzeit, um für alle Partner
den Zugang zu den für ihre Arbeitspakete relevanten Informationen zu gewährleisten. Weitere Aufgaben waren die Sicherstellung des Ergebnistransfers
zur interessierten Öffentlichkeit.
I.4
Wissenschaftlicher und technischer Stand
Produktentwicklung
Es gibt eine Vielzahl an Anbietern von „aktiven“ Kühlboxen mit integrierten
Kühlsystemen, teilweise auch mit integrierten Kühl- und Heizsystemen. Daneben gibt es ebenfalls eine Vielzahl von Anbietern „passiver“ Kühlboxen, welche je nach Anwendung mit oder ohne Kühlakkus bzw. Eis/Trockeneis betrieben werden. Dazu gehört u. a. der Thermo-Clipper, welcher von Fa. Fagerdala
hergestellt und von Fa. Overath vertrieben wird. Solche Behälter sind allerdings weder klappfähig noch zerlegbar und daher für Mehrwegtransporte
thermisch empfindlicher Güter aus logistischer Sicht wenig geeignet. Alle bislang am Markt eingeführten Mehrweg-Klappboxen zeigen dagegen auch mit
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gewellten oder blasgeformten Seitenwänden unzureichende thermische Eigenschaften (DE 29611528, Fa. Gefinex).
Anhand von aktuell durchgeführten Internet- und Patentrecherchen lässt sich
folgende Situation beim Transport temperaturempfindlicher Güter skizzieren:
Diverse Anbieter von Verpackungsmittel bieten zur Ergänzung ihres Produktspektrums eine Kombination klappbarer Behältnisse (Kunststoffklappbox, Faltkarton, etc.) mit isolierenden Einlegebehältern oder losen Schaumstoffplatten
an (z.B. Fa. Sofrigam). Aus logistischer Sicht sind solche Verpackungslösungen
unbefriedigend, was letztendlich zu einschneidenden Einschränkungen bei
Mehrweganwendungen oder letztendlich zur sofortigen Entsorgung des Verpackungsmittels führt.
Unter diversen Kombinationen der Schlagworte „klappbarer, faltbarer, oder
zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter oder Box“ sowie unter den entsprechenden Patentklassifizierschlüsseln werden ca. 60 Deutsche, ca. 15 europäische und ca. 80 amerikanische Patente gefunden. Diese beschreiben in der
Mehrzahl Behältnisse für Getränke, Fast Food, Pizzas, etc. sowie mehrteilige
(mind. 4 bis >20 Einzelteile) und unterschiedlich kombinierbare Verpackungssysteme. Der Anteil dieser beiden Produktgruppen an der Gesamttrefferzahl
ist größer 50 %. Daneben finden sich nicht raumsparend zerlegbare Kühlboxen, nur gering isolierende Klappboxen, Temperierbehälter mit Vakuumpaneelen und Kühlboxen mit Kühlaggregaten, insbesondere auch für den Einsatz
in Fahrzeugen. Insgesamt 17 Patente beschreiben klappbare, mehrwegfähige
Transportbehälter mit ausgewiesenen thermischen Isoliereigenschaften, Tabelle
1, wovon 2 Patente erloschen sind, ein durch 3 Patente beschriebenes Produkt
nicht mehr am Markt angeboten wird und zu 2 Patenten die angegebene
Firma im Internet bzw. Telefonbuch nicht mehr aufzufinden war.
Keines der gefundenen Patente beschreibt einen Behälter, dessen Wände direkt werkstoff-, gewichts- und kostensparend aus Partikelschaumstoff aufgebaut sind. Mit Schaumstoff als Isolationsmaterial sind bei den in den vorliegenden Patenten beschriebenen Produkten allenfalls die Innenwände ausgekleidet oder der Innenraum bei hohlwandigen Behältern aufgefüllt.
Prozessentwicklung
Formteilwerkzeuge werden nach Stand der Technik innerhalb einer Dampfkammer eingesetzt und mit gesättigtem Wasserdampf durch Dampfdüsen
durchdrungen. Der Dampf dient zum Verschweißen der Schaumpartikel untereinander, welche sich in der Werkzeugkavität befinden. Die Kühlung des
Formteiles erfolgt durch Aufsprühen von Kühlwasser auf die Werkzeugrückwand, Bild 2. Der Energieverbrauch zur Aufheizung der Schaumpartikeloberfläche beträgt nur einen Bruchteil dessen, was zur Aufheizung der Dampfkammer und Werkzeugmasse inklusive der Dampfzuführungsrohre benötigt
wird. Der Wirkungsgrad beträgt somit weit weniger als ein Prozent (~ 0,4 %).
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Dampfkammer (B es tandteil der Mas chine)
B edüs te
Wandung
Werkzeug Haubens eite
mit F üllerplatte
(Dampfkammerrückwand)
F üllinjektor
kerns eitige Kühlung
(B es tandteil der Mas chine)
Werkzeug Kerns eite
Abs tützung
haubens eitige Kühlung
is t B es tandteil des
Werkzeugs
Bild 2: Schematischer Aufbau eines Partikelschaumstoff-Werkzeugs
Ein 1994 veröffentlichtes Verfahren (Patentoffenlegung DE 4236081A1) beschreibt daher einen Werkzeugaufbau, der durch thermische Isolation die Aufheizung der Dampfkammer verhindert. Die sogenannten LTH (Low Temperature Horizontal)-Werkzeuge werden in Maschinen nach Stand der Technik eingesetzt, wobei die Dampfkammer ihre eigentliche Funktion nicht mehr ausübt.
Die Isolierung der Formteilwerkzeuge erfolgt mit einer polymeren Isolationsschicht, die jedoch aufgrund ihrer begrenzten Temperaturbeständigkeit lediglich zur Verarbeitung von EPS-Partikelschaum geeignet sind. Desweiteren besteht die Werkzeugkavität aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material, weshalb durch mangelnden Wärmeeintrag die Oberflächenrauhigkeit des Partikelschaumformteiles extrem negativ ausgeprägt ist. Die Schaumpartikel werden
an ihrer werkzeugseitigen Oberfläche nicht ausreichend plastisch verformt und
es entsteht der sogenannte Orangenhauteffekt. Desweiteren ist die schnelle
Abkühlung an der schlecht wärmeleitenden Oberfläche nicht gewährleistet
und längere Zykluszeiten sind die Folge. Aufgrund dieser Nachteile und der
gleichzeitig immens hohen Werkzeugkosten konnte sich das Verfahren am
Markt nicht durchsetzen.
Eine weitere Patentschrift zu Formteilwerkzeugen ist EP 0720528 zur Herstellung von Formteiloberflächen, die nicht mehr die typischen Dampfdüsenabdrücke aufweisen. Dies wird durch Einlegen eines Metallgitters erreicht. Der
Energieverbrauch wird dabei allerdings nicht verändert. DE 19744165 sowie
DE 19500601 beschreiben jeweils Verfahren zur Herstellung von Formteilwerkzeugen mittels Rapid-Prototyping-Verfahren. Sowohl die eingesetzten Stereolithographieharze als auch Silikonharze reichen weder thermisch noch mechanisch für den Einsatz der bei der Partikelschaumverarbeitung typischen
Dampftemperaturen und Dampfdrücken aus und die daraus hergestellten
Werkzeuge taugen daher allenfalls für eine Musterherstellung aber nicht für
die Serienfertigung. Ebenso sind durch die hohen Wärmeleitwiderstände keine
wirtschaftlich relevanten Zykluszeiten zu erzielen.
Daher wurde von Wacker & Ziegler ein Formteilautomaten zur Herstellung von
Partikelschaumformteilen entwickelt, der durch seine Bauweise erhebliche
Energieeinsparung gegenüber dem Stand der Technik aufweist. Kennzeichnend sind ein dampfkammerloser Aufbau und die Integration des Dampfverteilungssystems innerhalb des Werkzeuges. Durch die erhebliche Reduzierung
der Massen, welche die gesamte Temperaturdifferenz durchlaufen, wird die erforderliche Wärmemenge pro Zyklus reduziert. Weiterhin kennzeichnend für
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den erfindungsgemäßen Aufbau des Formteilautomaten ist die Kraftaufnahme
der durch den Dampfdruck entstehenden Kräfte über eine Werkzeugverriegelung, der holmlose Aufbau und die Möglichkeit einer integrierten Dampferzeugung.
Patent
Produkte
DE 4028276 A1
Anmelder
Titel
Walter Grafunder
DE 4117663 A1
DE 9410670 U1
Focke & Co.
Karl-Heinz Hayduk
DE 19527465 C2
Bayerisches Zentrum für angew.
Energieforschung
Schoeller Plast
Transportbehälter
Globus Betriebe
Heinrich Dohmann
Gefinex
Globus Betriebe
Norsk Hydro
Mehrwegversandschachtel mit Rahmen für Wechseletiketten und markier- oder codierbaren Versiegelungsetikett
Faltbehälter
Kühlbehälter zur Lagerung von Getränken und Lebensmitteln
Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter, insbesondere für einen Latentwärmespeicher oder für eine
Kühlbox
Thermobehälter
DE 19611027 A1
DE 19807170 A1
DE 200 02 541 U1
DE 29611528 U1
DE 29701203 U1
EP 0297810 B1
EP 1095586 A1
US 3987924
US 5558241 A
US 5711444 A
US 5992664 A
US 6041958 A
US 6220473 A
Prozesse
DE 4236081 A1
Tragbare Box
Kühlbehältnis
Mehrweg-Transportbehälter
Haushaltskühlbox
Improvements in and relating to boxes for the transportation of fresh fish and meat
New Interplast SpA Thermally insulated container of the portable type
Mark Uitz
Plastic container
Temp Top
Cryo transport chamber
Container Systems
Temp Top
Transport chamber
Container Systems
Globus Betriebe
Portable box
Enthalpy S.A.
Insulating foldable box for transportation and
packaging purposes
Thermo Solutions
Collapsible vacuum panel container
Kurtz-Eisenhammer Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus geschäumtem Kunststoff und Form zur Ausübung dieses
Verfahrens
Walter Notar
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von FormDE19500601 C2
teilen aus geschäumtem Kunststoff sowie deren Verwendung
Fraunhofer ICT
Werkzeug zum Herstellen eines PartikelschaumstoffDE19744165 C2
Formkörpers und Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeuges
EP0720528 B1
Dynamit Nobel
Verfahren zum Herstellen von Artikeln aus EPP-Schaum
Kunststoff GmbH
DE102004004657A1 Wacker & Ziegler
Energieeffizienter Formteilautomat mit integrierter
Dampferzeugung
Tabelle 1: Relevante Patente und und Gebrauchsmuster
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I.5
Zusammenarbeit mit anderen Stellen
Durch die Ziele des Projektes „Thermo-Klappbox“ ergab sich zwangsläufig eine
Zusammenarbeit mit Industrieorganisationen und –verbänden (Verband der
deutschen Werkzeug- und Formenbauer VDWF, Fachverband Schaumkunststoffe FKS , Industrieverband Kunststoffverpackungen IK), mit Forschungsorganisationen (Fraunhofer-Allianzen Leichtbau, Fraunhofer Demonstrationszentrum Werkzeug- und Formenbau) und anderen öffentlich geförderten Projekten
(Landesstiftung Ba-Wü gefördertes Projekt „Dämmstoffe aus nachwachsenden
Rohstoffen hergestellten Partikelschaumstoffen). Intensive Zusammenarbeit
und Kontakte wurden von den Projektpartnern im Rahmen des Projektes mit
dem IKP Universität Stuttgart (Ganzheitliche Bilanzierung) sowie weiteren assoziierten Projektpartnern, wie Fa. JSP (Partikelschaumstoffhersteller) und Fa.
Deuschle (Werkzeugbauer) gepflegt. Ferner besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem Virtual European Institut for Plastics Processing
(www.eurovipp.com), wodurch sich die Gelegenheit ergibt, mit 2 Vorträgen
über die Projektergebnisse auf der Eurovipp-Konferenz im Nov. 2005 zu berichten. Zusätzlich wurde ein weiteres EU-Netzwerk „Reducing Energy Consumption in Plastics Engineering“ genutzt, um auf Teilergebnisse aus dem vorliegenden Projekt hinzuweisen.
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II
II.1
Eingehende Darstellung
Erzieltes Ergebnis
II.1.1 Grundlegende Werkstoffuntersuchungen
II.1.1.1
Auswahl geeigneter Werkstoffe und Materialentwicklung
Als Ausgangswerkstoff werden Polypropylen-Partikelschaumstoff (EPP) und
Polystyrol-Partikelschaumstoff (EPS) der Firma Fagerdala auf ihren möglichen
Einsatz für eine Thermo-Klappbox untersucht.
EPP liegt in Form autoklavgeschäumter (Vestocell) und extrusionsgeschäumter
(Fawocel) Partikel vor. Die Materialien unterscheiden sich durch ihre Herstellung. Vestocell wird in einem Autoklaven unter Beaufschlagung von PP-Mikrogranulat mit Treibmittel und Inertgas hergestellt. Zur Herstellung von extrusionsgeschäumten Fawocel wird Polypropylen unter Zugabe von Treibmitteln in
einem Extruder plastifiziert und die an einer Lochplatte am Düsenausgang aufschäumenden Schmelzestränge über eine Schneideinrichtung zu Partikeln abgeschlagen.
Neben EPP wurden extrusionsgeschäumte EPS-Typen untersucht, welche sich
derzeit bei Fagerdala in Entwicklung befinden. In Tabelle 1 bis Tabelle 3 sind
die wesentlichen Eigenschaften von Formteilen aus Vestocell und Fawocel und
Fagerdala-EPS dargestellt.
Eigenschaft
Normen
®
VESTOCELL - Materialtyp
-
VESTOCELL®
Einheit
-
2000
2000
3000
Rohdichte
DIN 53 420
ISO 845
kg/m³
20
40
60
80
Druckspannung bei 25% Stauchung
DIN 53 421
ISO 844
kPa
100
200
350
500
DIN 53 421
ISO 844
kPa
160
330
510
780
DIN 53 421
ISO 844
kPa
370
650
950
1400
Zugfestigkeit (ohne Schäumhaut)
DIN 53 571
ISO 1798
kPa
250
530
830
1150
Bruchdehnung
DIN 53 571
ISO 1798
%
> 10
> 10
> 10
> 10
Druckverformungsrest 25%/22h/23°C/24h
DIN 53 572
ISO 1856
%
14
12
12
12
DIN 53 572
ISO 1856
%
34
33
33
32
110
Formbeständigkeit in der Wärme
°C
110
110
110
Wärmeleitfähigkeit ( ) bei 10°C
DIN 52 612
ISO 8301
W/(m K)
0,038
-
-
-
Brenngeschwindigkeit (Dicke 13mm)
DIN 75 200
FMVSS302
mm/min
< 100
< 100
< 75
< 75
Wasseraufnahme 24 h
DIN 53 428
ISO 2896
Vol-%
< 2,0
< 2,0
< 2,0
< 2,0
-
in Anlehnung an
DIN 53 424
4000
Unvernetzter, FCKW- und halogenfrei geschäumter, nach dem Autoklav-Verfahren hergestellter Polypropylen-Partikelschaumstoff (EPP)
Temperaturbeständigkeit von –40°C bis 110°C
Gute Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln, Treibstoffen und Chemikalien
100% recyclebar, physiologisch unbedenklich, Cadmium- frei
Tabelle 2: Eigenschaften von Formteilen aus Vestocell
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Eigenschaft
Normen
Einheit
FAWOCEL
Rohdichte
DIN 53 420
ISO 845
kg/m³
25
40
50
60
80
DIN 53 421
ISO 844
kPa
95
175
210
270
450
DIN 53 421
ISO 844
kPa
170
285
340
440
700
680
DIN 53 571
ISO 1798
kPa
300
430
440
450
Bruchdehnung
DIN 53 571
ISO 1798
%
10
11
10
9
8
DIN 53 572
ISO 1856
%
11
9
9
10
10
DIN 53 572
ISO 1856
Polsterfaktor Coptimum
Stoßenergieaufnahmevermögen
%
27
25
24
23
25
DIN ISO 4651
-
2,7
2,5
2,6
2,6
3,2
DIN ISO 4651
kJ/m³
130
200
270
340
470
Wärmeformstabilität 130°C / 24h
DIN 53 431
ISO 2796
%
1
1
1
1
0,2
DIN 52 612
ISO 8301
W/(m K)
0,038
-
-
-
-
mm/min
<75
<75
<75
<75
<75
Vol-%
2
1
1
1
0,5
Brenngeschwindigkeit (Dicke 13mm)
DIN 75 200
FMVSS302
Wasseraufnahme 24 h
DIN 53 428
ISO 2896
-
in Anlehnung an
Unvernetzter, FCKW- und halogenfrei expandierter Polypropylen- Partikelschaumstoff (EPP)
Temperaturbeständigkeit von –40°C bis 130°C
Gute Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln, Treibstoffen und Chemikalien
100% recyclebar, physiologisch unbedenklich, Cadmium- frei
Tabelle 3: Eigenschaften von Formteilen aus Fawocel
Eigenschaft
Normen
Einheit
EPS Partikelschaum
Rohdichte
DIN 53 420
ISO 845
kg/m³
15
20
25
30
60
DIN 53 421
ISO 844
kPa
70
120
170
220
425
Elastizitäts- Modul
DIN 53 421
ISO 844
MPa
3
4
7
9
14
DIN 53 571
ISO 1798
kPa
230
300
380
450
750
Biegefestigkeit
DIN 53 423
ISO 1209
kPa
140
240
350
420
850
DIN 52 612
ISO 8301
Spezifische Wärmekapazität
DIN 53 765
Wasseraufnahme nach 7 Tagen
DIN 53 434
Wasseraufnahme nach 28 Tagen
W / (m K)
0,037
0,034
0,033
0,032
0,033
kJ / (kg K)
1,2
1,2
1,2
1,2
1,2
ISO 2896
Vol.- %
1
1
1
1
1
DIN 53 434
ISO 2896
Vol.- %
2
2
2
2
2
Wasserdampf- Diffusionswiderstandszahl
DIN 52 615
ISO 1663
μ- Faktor
40
50
70
80
150
Polsterfaktor Coptimum
DIN 55 471
ISO 4651
-
2,5
2,5
2,5
2,5
2,5
Stoßenergieaufnahmevermögen
DIN 55 471
ISO 4651
kJ / m³
110
150
200
240
470
Baustoffklasse
mit Flammschutzausrüstung
DIN 4 102
-
B1 - schwerentflammbar
Baustoffklasse ohne Flammschutzausrüstung
DIN 4 102
-
B3 - leichtentflammbar
-
Temperaturbeständigkeit von –40°C bis 80°C (langfristig) oder bis 100°C (kurzfristig)
Hohes Stoßenergieaufnahmevermögen
Gute Beständigkeit gegenüber Laugen, verdünnten und schwachen Säuren und Alkohol
100% recyclebar, physiologisch unbedenklich
Tabelle 4: Eigenschaften von Formteilen aus EPS
Aufbauend auf den verschiedenen EPP- und EPS-Typen sollten Verbundsysteme mit verschiedenen Beschichtungssystemen untersucht und weiterentwickelt werden. Bild 2 zeigt als Beispiel den Verbundwerkstoff FawoTop auf Basis
von Fawocel.
Seite 12 von 57
Bild 2: Gängiger Aufbau eines Verbundsystems auf Basis Fawocel
Schwerpunkt wird hierbei auf einer Beschichtung beispielsweise in Form einer
Folie oder über die Verhautung der Schaumstoff-Oberfläche liegen. Zu erzielende Eigenschaften sind dabei :
-
geschlossene Oberfläche
-
leicht zu reinigen
-
Monostoffsystem
-
Zusätzliche Isolationswirkung über Reflexion der Wärmestrahlung
Aufgrund der besseren Festigkeitswerte wie vor allem Druckverformungsrest
und Abriebeigenschaften sowie der höheren Temperaturstabilität im Vergleich
zu EPS, wurde EPP zum Aufbau der Klappboxen ausgewählt. Zum Einsatz kommen die Material-Typen Vestocell und Fawocel. Die hier verwendeten Materialien werden für die Machbarkeitsuntersuchungen und Teilelemente der
Thermoklappbox mit Dichten im Bereich 40-70 g/l verarbeitet. Ferner sollten
Verbundsysteme mit EPP-Kern aufgebaut und untersucht werden
II.1.1.2
Bestimmung der Werkstoffeigenschaften
II.1.1.3
Wärmeleitfähigkeitsmessungen:
Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wurde ein Wärmestrommessgerät
vom Typ RAPID-K der Firma Holometrix, INC für Wärmeleitfähigkeitsmessungen ebener Platten mit einer Dicke bis 10 cm eingesetzt, Bild 3. Das Gerät bestimmt Wärmeleitfähigkeiten gemäß ASTM C518 „Thermal Conductivity by
means of the Heat Flow Meter“.
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Bild 3: Wärmeleitfähigkeitsmessgerät mit Kühlaggregat
Die Wärmeleitfähigkeit von plattenförmigen Proben wird hierbei durch Messen
der Wärmestromdichte mittels Wärmestrommesser und der Temperaturdifferenz im stationären Zustand sowie der Probendicke bestimmt. Die zu messende Probe wird zwischen zwei Oberflächen positioniert, die unterschiedliche,
konstante Temperatur aufweisen, und der Wärmefluss wird gemessen. Der
Messbereich liegt zwischen 0,015 und 0,43 W/mK, Bild 4.
Bild 4: Prinzipieller Aufbau des Wärmeleitfähigkeitsmessgerätes (links) und
Wärmeleitfähigkeitsmessgerät im geöffneten Zustand (rechts)
Seite 14 von 57
Jeder Proben-Messung geht ein Messung einer Kalibrierprobe bei gleichem
Temperaturbereich voraus. Nach Durchführung beider Messungen ergibt sich
die Wärmeleitfähigkeit der zu messenden Probe nach folgender Formel:
λ = λc ⋅
Q ⋅ ΔX ⋅ (ΔT )c
(Q )c ⋅ (ΔX )c ⋅ ΔT
Die Werte mit Index c gehören zur Kalibrierprobe; die anderen zu der zu messenden Probe. Entsprechend der Wandstärke der aufzubauenden Thermoklappbox wurden EPP-Platten mit einer Dicke von 25 mm untersucht. Ziel der
Untersuchungen war es den Einfluss der Formteildichte und der Probentemperatur auf die Wärmeleitfähigkeit festzustellen, Bild 5.
0,047
52 g/l
0,045
59 g/l
0,043
66 g/l
0,041
0,039
0,037
0,035
10
20
30
40
50
60
70
mittlere Probentemperatur [°C]
Bild 5: Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Probentemperatur und
Dichte bei EPP (Vestocell 3000)
Aus den Kurven wird ersichtlich, dass zumindest im untersuchten Dichtebereich die Dichte keinen signifikanten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit aufweist, Bild 5. EPP-Formteile geringerer Dichte wurden nicht untersucht, da hier
die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften einer Thermoklappbox
nicht mehr erfüllt werden.
II.1.1.4
UV-Test:
Um eine Aussage bezüglich der UV-Beständigkeit von EPP-Partikelschaumstoff
machen zu können wurden EPP-Proben im Sonnensimulationssystem „uvasol
400“ der Firma Dr. K. Hönle Gmbh getestet. Das Gerät arbeitet mit einer Beleuchtungsstärke von 120.000 lux bei einer Gesamtbestrahlungsstärke von
910 W/m², was einen Zeitraffereffekt bezüglich der natürlichen Sonnenstrahlung in 50° N-Breite von ca. 6,5 ergibt. Es wurden Proben mit verschiedenen
Formteildichten getestet. Die Bestrahlungsdauer betrug 432 h, was etwa 117
Tagen mittlerer natürlicher Sonneneinstrahlung entspricht.
Seite 15 von 57
Generell wurde mit zunehmender Formteildichte eine verbesserte UV-Beständigkeit festgestellt. Die Auswirkungen der UV-Bestrahlung wirken sich jedoch
nur auf oberflächennahe Bereiche aus wobei für die mechanischen Eigenschaften von EPP-Formteilen mit den hier relevanten Dicken keine signifikanten Änderungen zu erwarten sind. In Hinblick auf die hygienischen Ansprüche gemäß
der Lebensmittelhygiene-Verordnung (LMHV), ist jedoch festzuhalten dass eine
übermäßig lange Sonnenbestrahlung (z.B. Lagerung im Freien) ohne eine geeignete Oberflächenbeschichtung zu vermeiden ist, Tabelle 5.
Bestrahlungszeit [h] Schädigungsmerkmale
24
Keine sichtbare Veränderung
48
72
96
kleine Risse
144
Aufplatzen einzelner Partikel an der Oberfläche
168
Aufplatzen einzelner Partikel an der Oberfläche
216
Ablösung von Partikeln Versprödung des Materials
Leichte Geruchsbildung
360
Ausgeprägte Ablösung einzelner Partikeln versprödeten Materials
432
Ausgeprägte Ablösung einzelner Partikeln versprödeten Materials
Tabelle 5: Schädigungsmerkmale der bestrahlten EPP-Proben
II.1.1.5
Kreislauffähigkeit der Werkstoffe
Die Wiederverwertung der Werkstoffe Polypropylen-Partikelschaum (EPP) und
expandiertem Polystyrol (EPS) ist über verschiedene Wege gewährleistet.
1. Zerkleinerung der EPS-/EPP-Formteile in einer Schneidmühle und anschließende „Verrundung“ der Partikel unter Wirkung von Wärme und mechanischer Bearbeitung zur Wiedergewinnung von Partikeln mit einer glatten
geschlossenen Oberfläche ähnlich wie Neumaterial.
Einsatzmöglichkeiten für EPS
- Beimischung zum Neumaterial für die Formteil- oder Blockherstellung
- Zuschlagstoff bei der Herstellung von Leichtbeton, Leichtziegeln oder
Isolierputz
- Zuschlagstoff zur Bodenverbesserung als Kompostierhilfe und für
Drainagezwecke
Seite 16 von 57
Einsatzmöglichkeiten für EPP
- Beimischung zum Neumaterial für die Formteilherstellung
2. Zerkleinerung der EPS-/EPP-Formteile in einer Schneidmühle und Plastifizierung im Extrusionsprozess
Herstellung von PS-/PP-Halbzeugen im Extrusionsprozess
Herstellung von PS-/PP-Granulat und Weiterverarbeitung zu PS-/PPProdukten oder Schaumstoffpartikeln (im Autoklavprozess)
- Direkte Weiterverarbeitung zu PS-/PP-Schaumstoffpartikel im Extrusionsprozess
Bei sortenreinen Verbundwerkstoffen ist ebenfalls eine Wiederverwertung
analog zu EPS/EPP möglich.
-
3. Bei EPS ist das zum gegenwärtigen Zeitpunkt am häufigsten eingesetzte
Verwertungsverfahren die Verbrennung des EPS, Tabelle 6.
Verschwelung bei
Material
300°C
400°C
CO-Hb %
Exitus
CO-Hb %
Polystyrol-Schaum
<15
0/12
Expandierter Kork
<15
0/12
Kiefernholz
500°C
Exitus
CO-Hb %
<15
0/12
88
12/12
600°C
Exitus
CO-Hb %
Exitus
<15
0/12
29
0/12
86
12/12
83
12/12
<15
0/12
88
12/12
87
12/12
89
12/12
Sperrholz
25
0/6
90
6/6
85
6/6
87
6/6
Spanholzplatte
87
6/6
87
6/6
86
6/6
82
6/6
Preßspanplatte
83
6/6
83
6/6
87
6/6
90
6/6
Tabelle 6:
Akute Inhalationstoxizität der Verschwelungsprodukte von Natur- und Kunststoffen
für Ratten. Versuche mit volumengleichen Teilen (300 x 15 x 10 mm). Expositionszeit 1 x 30 Minuten.
(Quelle: Fachtag EPS-Partikelschaumstoff, Würzburg 03/2000)
II.1.2 Erstellung eines Design- und Fertigungskonzeptes
Für die Erstellung eines Designkonzepts wurde die Thermoklappbox in mehrere
konstruktive Teilelemente zerlegt. Besondere Aufmerksamkeit wurde hierbei
auf die Lösungsvarianten für Scharnierfunktion und Verbindung der senkrechten Kanten gerichtet. Dabei wurden vor allem folgende Anforderungen berücksichtigt:
-
Gute Wärmedämmung
-
Große Volumenreduzierung im nicht befüllten Zustand
-
Monostoffsystem
-
Kreislauffähigkeit
-
Erfüllung der hygienischen Anforderungen
Seite 17 von 57
-
Gute und sichere Stapelbarkeit (zusammen- und aufgeklappt)
-
Tragekomfort
-
Dichtheit
Die einzelnen Teillösungen wurden von mehreren Personen unabhängig bewertet. Zur Bewertung wurde für jedes der drei Teilelemente ein individueller
Bewertungsbogen entworfen, in welchem für jedes Teilelement verschiedene
Bewertungskriterien eingeführt wurden. Für jedes Bewertungskriterium wurde
ein Gewichtungsfaktor bestimmt. Bis auf die Scharnierauswahl wurden die auf
diesem Wege ermittelten Teilelemente im Prototypenentwurf umgesetzt, Bild 6
bis 8. Aus fertigungstechnischen Gründen und aus Gründen der Marktfähigkeit wurde bei den Scharnieren ein EPP-Kugelscharnier ausgewählt. Durch
konstruktive Maßnahmen konnten die Nachteile des Kugelscharniers hinsichtlich der Kraftübertragung ausgeräumt werden. Durch einen zusätzlichen Hinterschnitt an den Seitenwänden wurde neben der Kraftübertragung auch eine
gute Wärmeisolierung gewährleistet
Bild 6:
3D-Darstellung (CAD) der Thermoklappbox, aufgebaut (links) und
explodiert (rechts)
Bild 7:
Darstellung der Thermoklappbox in zusammen geklapptem Zustand
Seite 18 von 57
Bild 8:
Darstellung der Thermoklappbox im Schnitt
II.1.3 Iterative Optimierung des Design- und Fertigungskonzeptes
II.1.3.1
Identifikation und Beseitigung von Zielkonflikten
Anhand von Machbarkeitsstudien zu Produktdetails sowie der Erarbeitung und
Bewertung verschiedener Konzepte wurden mehrere Zielkonflikte identifiziert
und alternative Lösungen hierfür erarbeitet:
Im Wesentlichen zu nennen sind dabei:
Scharnier:
-
Ein Filmscharnier in Verbindung mit dem gewählten Klappmechanismus
ließ sich für eine Serienfertigung nicht umsetzen, da hier für eine äußerst
komplizierte Werkzeugtechnik erforderlich wäre
⇒ Es wurde ein Scharnier welches durch Ausformung des Schaumstoffs
gebildet werden kann gewählt. Scharnierfunktion und Kraftübertragung (Bodenplatte-Wand) wurden entkoppelt (siehe Bild 9).
Oberfläche:
-
Eine komplett verhautete Oberfläche ist im Serienprozess nicht herstellbar.
Seite 19 von 57
⇒ Zur Gewährleistung einer abriebfesten und leicht reinigungsfähigen
Oberfläche werden anstelle bedüster Werkzeugoberflächen feinporige
Werkzeug-Oberflächen eingesetzt, die eine nahezu geschlossene EPPHaut erzeugen
Dichtigkeit:
-
Aufgrund des Klappmechanismus ist keine 100%ige Dichtigkeit der Box
gegeben
⇒ Die Dichtigkeit gegen z.B. Tauwasser wird zum einen über die Ausformung einer Bodenwanne erreicht. Des weiteren wird die Box so gestaltet, dass bei Bedarf nachträglich ein separates Innenteil (Inlay) eingebracht werden kann.
II.1.3.2
Konstruktion einer nachhaltigen Thermo-Klappbox und Weiterentwicklung zu
einem ganzheitlich optimierten Produkt
Nachfolgend ist die Konstruktion der Thermo-Klappbox, wie sie letztlich als
Vorlage zur Herstellung von Serienwerkzeugen dient, beschrieben. Als Vergleich werden die erste Version der Thermo-Klappbox und die endgültige Version dargestellt sowie Modifikationen/Optimierungen erläutert, Bild 9.
II.1.3.3
Entwicklung einer umweltgerechten Fertigungsabfolge
Über die in Abschnitt II.1.4 dargestellten Konstruktionen und Werkzeuge lässt
sich eine Thermo-Klappbox die ausschließlich aus einem Monostoffsystem
(EPP) besteht, fertigen. Die mechanisch hochbelasteten Bereiche (Scharnier,
Oberflächen) werden ebenfalls ohne den Einsatz weiterer Werkstoffe ausgeführt. Aufgrund dieser Ausführung der Klappbox in Verbindung mit der in Abschnitt II.1.5 beschriebenen Werkzeug- und Anlagentechnik lässt sich eine
umweltgerechte Fertigung realisieren.
Die Herstellung von Bauteilen aus Partikelschaumstoff erfolgt im Formteilprozess über Aufschmelzen der Oberfläche der Schaumpartikel mit Heißdampf
und der Verschweißung der Partikel untereinander. Während eines Formteilzyklus (der ca. 1 – 3 Minuten dauert) wird dabei die gesamte Dampfkammermasse und Werkzeugmasse durch den einströmenden Heißdampf bis auf die
Verschweißungstemperatur des Kunststoffs aufgeheizt (bei EPP bis zu 160 °C)
und anschließend durch Wasser- und Vakuumkühlung bis unter 70 °C abgekühlt. Im herkömmlichen Prozess liegt der für das Verschweißen der Schaumpartikel benötigte Energieaufwand weit unter 1 % des tatsächlich eingesetzten
Energieaufwandes. Der Energieaufwand bei der herkömmlichen Formteilherstellung kann damit bis zu 30 % des Formteilpreises betragen 1 .
1
Studie Fa. Erlenbach
Seite 20 von 57
Konstruktion für 1. Prototyp (siehe auch
Bild 10)
Bild 9:
Optimierte Konstruktion für 2. Prototyp
und Werkzeugkonstruktion
Modifikationen/Optimierungen:
- Verbesserung des Packmaßes durch
angepasste Maße
- Änderung der Griffmulde
- Verstärkung von Ecken und Bodenbereich
- Ausformung einer Bodenwanne
- Verstärkung im Scharnierbereich
- Größere Radien
3D-Darstellung (CAD) der Thermoklappbox (links: 1. Version,
rechts: 2. optimierte Version)
Zur Fertigung der Thermoklappbox wurde von Wacker & Ziegler GmbH ein
Maschinen- und Fertigungskonzept entwickelt um den Formteilprozess wesentlich effizienter zu gestalten. Hauptvorteil ist hierbei die Energieeinsparung,
die bei etwa 50 – 60 % im Vergleich zu einem konventionellen Automaten
gleicher Baugröße liegt. Die Anlagendetails und damit verbundenen fertigungstechnischen Verbesserungen sind in Abschnitt II.1.5 beschrieben.
Seite 21 von 57
II.1.3.4
Manuelle Herstellung von Musterprodukten
In nachfolgenden Bildern 10 bis 14 ist der gefertigte Prototyp dargestellt. Die
Herstellung der Einzelteile aus EPP (Dichte 60 g/l) erfolgte anhand der erstellten CAD-Zeichnungen bei der Firma Fagerdala auf einer CNC-Fräsmaschine.
Bild 10: Einzelteile der Thermo-Klappbox
Bild 11: Thermo-Klappbox zusammengebaut
Seite 22 von 57
Bild 12: Thermo-Klappbox zusammengeklappt (mit und ohne Deckel)
Bild 13: Seitenteile der Klappbox und Verbindung der Seitenelemente
Bild 14: Scharnierbereich (Boden und Wand) und Verbindung
II.1.4 Herstellung der Werkzeuge und Vorrichtungen
II.1.4.1
Festlegung eines Pflichtenheftes für eine Produktionsanlage sowie Neukonstruktion sämtlicher Werkzeuge und Vorrichtungen
Zur Fertigung der Thermoklappbox wurde das von Wacker & Ziegler entwickelte vollkommen neue Werkzeug- und Anlagenkonzept angewandt um den
Formteilherstellungsprozess deutlich energieeffizienter zu gestalten, Bild 15.
Seite 23 von 57
Dabei werden durch das neue Konzept der Wacker & Ziegler folgende Punkte
grundlegend verbessert:
•
Verringerung der Werkzeugmasse durch eine neue Werkzeugtechnologie, bei welcher die massiven gefrästen oder gegossenen
Werkzeugwandungen ersetzt werden (künftig durch LOM 2 - und
andere Rapid Tooling-Werkzeuge).
•
Weitere Verringerung der Werkzeugmasse durch Anpassen der
Größe und Form an das Formteil statt an die Maschinenabmaße.
•
Verzicht auf die Dampfkammer und somit eine weiter deutlich
reduzierte Masse, vergleiche mit bisheriger Technologie in Bild 16.
•
Optimieren der Dampfzuführung durch geringe Querschnitte.
•
Verbesserung der Kühlung durch werkzeugspezifische Kühlung.
•
Verringerung der Wärmeverluste an Werkzeug, Dampfzuführung,
Maschinenrahmen und Umwelt durch Isolationen im Werkzeug.
•
Einsatz von porösen Werkzeugmaterialien, um den Energieeintrag
in den Partikelschaum zu optimieren und die Formteilqualität zu
verbessern.
•
Wegfall von Dampfdüsen durch feinporige Oberflächentechnologie
(z.B. FAWO®POR, gesinterte Metalle).
Neues Werkzeugkonzept:
Aufspannrahmen Fahrseite
Dampfzuführung
Aufspannrahmen Festseite
Dampfzuführung
Kühlwasserzuführung
Fülleinrichtung
Werkzeug (Al, St, ...)
Abstützungen
Isolation
Partikelschaum (EPP, EPS)
Kondensatableitung
Kondensatableitung
Bild 15: Neu entwickeltes Werkzeugkonzept der Fa. Wacker & Ziegler
Seite 24 von 57
Bisherige Werkzeugtechnik
Dampfkammer (B es tandteil der Mas chine)
B edüs te
Wandung
Werkzeug Haubens eite
mit F üllerplatte
(Dampfkammerrückwand)
F üllinjektor
kerns eitige Kühlung
(B es tandteil der Mas chine)
Werkzeug Kerns eite
Bild 16:
II.1.4.2
Abs tützung
haubens eitige Kühlung
is t B es tandteil des
Werkzeugs
Bisheriger Stand der Werkzeugtechnik in der Partikelschaumstoffverarbeitung
Konstruktion der benötigten Werkzeuge und Vorrichtungen
Zur Fertigung der Thermoklappbox waren insgesamt 4 Werkzeuge erforderlich:
-
Bodenplatte
-
Kurzen Seitenteile mit Griffmulde
-
Langen Seitenteile ohne Griffmulde
-
Deckel
Die zur Fertigung der Thermo-Klappbox erforderlichen Werkzeuge, Bilder 17
bis 23, befinden sich zur Herstellung von Prototypen-Teilen, Bild 24 und 25 bei
Fa. Wacker & Ziegler.
2
Laminated Object Manufacturing
Seite 25 von 57
Bild 17: Einsatz für Deckel (Rückansicht: Dampfkammerseite)
Bild 18: Einsatz für Deckel (Kavität)
Seite 26 von 57
Bild 19: Einsatz für Bodenplatte (Kavität)
Bild 20: Einsatz für Bodenplatte (Kernseite)
Seite 27 von 57
Bild 21: Beide Werkzeughälften für kurzes Seitenteil
Bild 22: Beide Werkzeughälften für langes Seitenteil
Seite 28 von 57
Bild 23: Formeinsatz für „Deckel“, Dampfkammerseite mit integrierter Kühlung
Bild 24: Erste Formteile „Deckel“ hergestellt aus EPP
Seite 29 von 57
Bild 25: Erste Formteile „Deckel“, „langes Seitenteil“ und „kurzes Seitenteil“ aus EPP
II.1.5 Umrüstung einer Produktionsanlage
II.1.5.1
Verfahrensentwicklung und technische Konzeption einer Produktionsanlage
Zur Fertigung der Thermoklappbox wurde von Wacker & Ziegler GmbH ein
vollkommen neues Werkzeugkonzept umgesetzt um den Formteilprozess effizienter zu gestalten. Dabei wurden durch das neue Konzept folgende Punkte
grundlegend verbessert:
3
•
Verringerung der Werkzeugmasse durch Verwendung dünnwandiger Einsätze (z.B. auch LOM 3 -Einsätze)
•
Weitere Verringerung der Werkzeugmasse durch Anpassen der
Größe und Form an das Formteil statt an die Maschinenabmaße.
•
Verzicht auf die Dampfkammer und somit eine weiter deutlich
reduzierte Masse.
•
Optimieren der Dampfzuführung durch geringe Querschnitte.
•
Verbesserung der Kühlung durch werkzeugspezifische Kühlung.
Laminated Object Manufacturing
Seite 30 von 57
•
Verringerung der Wärmeverluste an Werkzeug, Dampfzuführung,
Maschinenrahmen und Umwelt durch Isolationen im Werkzeug.
•
Einsatz von porösen Werkzeugmaterialien, um den Energieeintrag
in den Partikelschaum zu optimieren und die Formteilqualität zu
verbessern.
•
Wegfall von Dampfdüsen durch feinporige Oberflächentechnologie
(z.B. FAWO®POR, gesinterte Metalle).
Bei der Umsetzung der genannten Verbesserungspunkte ergeben sich folgende Vorteile:
Kosteneinsparung:
- geringer Invest, Bild 26
- geringer Energieverbrauch (bis zu 80% Energieeinsparung)
EPP-Teil, hergestellt auf
Wettbewerbsmaschine
EPP-Teil, hergestellt auf
W&Z-Automat
35%
35%
20%
21%
13%
25%
Abschreibungen
Personalkosten
20%
Materialkosten
Energiekosten
16%
15%
Abschreibungen Materialkosten
Energiekosten
Personalkosten
Kostenvorteil mit W&Z-Maschinen
Bild 26: Vergleich der Kostenanteile
Dezentraler Betrieb vor Ort, beim Formteilkunden
- geringe Logistikkosten
- hohe Wertschöpfung
Kurze Zykluszeiten
- hohe Produktivität
- schneller ROI
Kurze Rüstzeiten
- geringe Stillstandzeiten durch einfaches Werkzeugkonzept
- Platzsparendes Layout komplette Fertigungseinheit auf nur 50 m², Bild 27
Seite 31 von 57
5m
10m
Beispielhaftes Layout einer EPP-Fertigungseinheit
Bild 27: Layout der Fertigungseinheit
Autarker Betrieb:
- Dampfversorgung mit elektrischen, gas- oder ölbetriebenen
Schnelldampferzeugern
- dezentrale Dampfversorgung
- Druckluft-, Strom-, Wasser- und Abwasseranschluss genügen
Aufbau
- Holmloser Aufbau
- Gute Zugänglichkeit, wartungsfreundliche Modulbauweise, Tabelle 7
Steuerung
- Rezepturverwaltung auf Datenbankbasis
- Grafische Bedienoberfläche, Bild 28
- Touchscreen-Steuerung
- Fernwartung und –diagnose
Seite 32 von 57
Bild 28:
Bildschirmansicht der Kontrolleinheit
Abmessungen
WZ46
WZ68
Aufspannfläche
400x600 mm²
600x800 mm²
Hub
ca. 600 mm
ca. 800 mm
Abmasse
(LxBxH)
ca. 2300x1200x2500
mm³
ca. 2500x1400x2500
mm³
Gewicht
ca. 600 kg
ca. 700 kg
Tabelle 7: Gegenüberstellung der Abmessungen möglicher Baureihen
Ausstattung
- Antrieb mit Servomotor
- Werkzeugschutzsystem, Bild 29
- Hydraulische Zuhaltung bis 8 bar Dampfdruck
- Saug- und Druckfüllsysteme (optional)
- Vakuumkühlsystem für EPS (optional)
Anschlüsse
- Dampf: ¾“, min. 100 kg/h, min. 3 bar
- Kühlwasser: ½“, min. 3 bar, max. 60°C, min. 120l/min
- Druckluft: ¾“, min. 8 bar, min. 2,5 m³/min
- Strom: 3~16A 400VAC
Seite 33 von 57
Bild 29: Prototyp des neu entwickelten Formteilautomaten
II.1.5.2
Umrüstung einer Produktionsanlage und Optimierung des Produktionsprozesses
Bereits ein nur in ersten Ansätzen optimiertes, überwiegend konventionell
aufgebautes Werkzeug konnte das Energieeinsparungspotential der W&ZTechnologie beweisen: Die Herstellung von 4 EPS-Formteilen mit einem Bauteil-Volumen von ca. 1 Liter benötigt nur 0,5 kWh Energie sowie ca. 3 Liter
Kühlwasser. Das entspricht einer Einsparung von ca. 50-60% im Vergleich zu
einem konventionellen Automaten gleicher Baugröße. Die Taktzeit bei EPS beträgt im Moment ca. 45 s.
Nach Abschluss der Inbetriebnahme anhand von EPS-Formteilen konnte nach
den für die Verarbeitung notwendigen Umrüstungen das Energieeinsparpotential auch bei EPP-Formteilen bestätigt werden.
II.1.5.3
Erstellung eines verallgemeinerten Leitfadens zur umweltgerechten Partikelschaumstoffverarbeitung
Die allgemeinen Gestaltungsrichtlinien können unterteilt werden nach ökologischen, funktionellen, verarbeitungstechnischen und werkstofflichen Gesichtspunkten, Tabelle 8.
Seite 34 von 57
Funktion
Verarbeitung
Werkstoff
- Stoß- bzw.
Energieabsorption
- max./min. Dimensionierung
- Wandstärken
- Optik
- Geometrische Komplexität
- Schwindverhalten
- Schallabsorption
- Hinterschnitte, Hohlräume
- Hinterschnitte
- Wärmeisolation
- Dampfzuführung
(Bedüsung)
- Radien
- Logistische Funktionen
(Farbe)
- Materialzuführung
(Injektoren)
- Symmetrie
- Maßhaltigkeit
- Entformung
- allgemeine
Funktionsintegration
- Haptik
- Verbindungstechnik
Tabelle 8: Unterteilung der allgemeinen Gestaltungsrichtlinien
Bauteildimensionierung
Maximale Bauteildicken
Die maximal erzielbaren Bauteildicken sind durch den Dampfdiffusionsweg
begrenzt und liegen im Bereich von 200 mm bis 600 mm. Große Bauteildicken
können vor allem durch größere Schaumstoffpartikel und im geringeren Umfang durch kleinere Schüttdichten, Druckbeladung und entsprechende Wanddickensprünge erreicht werden. Umgekehrt bedeutet dies, daß bei der Gestaltung von Bauteilen mit einer hohen Formteildichte oder bei Verwendung von
kleinen Partikeldurchmessern (beispielsweise für filigrane Teilbereiche) die kleinere maximal mögliche Dicke des Bauteils beachtet werden muss.
Minimale Bauteildicken / Stege
Minimale Bauteildicken sind vom Durchmesser der Schaumstoffpartikel abhängig. Sie liegen zwischen 3 und 4 mm. Durch hohe Staudrücke oder Crackspaltverfahren (nachträgliches Heißpressen) kann die Bauteildicke weiter gesenkt
werden. Mechanisch beanspruchte Bereiche müssen häufig größere Durchmesser aufweisen, da die Festigkeit allein durch die Verschweißung jeweils
zweier benachbarter Partikel nicht ausreichend ist. Die Befüllung langer und
schmaler Bereiche führt zu einer inhomogenen Dichteverteilung und ist insbesondere bezüglich Symmetrie, Maßtoleranz und Optik problematisch. Steht
das entsprechende Formteil oder der Formteilabschnitt während des Gebrauches nicht unter Formzwang, ist dies bereits bei der Gestaltung zu berücksichtigen.
Seite 35 von 57
Gesamte Länge und Breite
Längen und Breiten sind abhängig von der Größe des Formteilautomaten bzw.
dessen Aufspannfläche. Formteilautomaten mit Aufspannflächen von 3m auf
1,4 m und größer werden u.a. für Großbauteile oder Blockware eingesetzt.
Blöcke werden auf Spaltmaschinen zu EPP-Plattenware weiterverarbeitet. Eine
kontinuierliche Fertigung von EPP-Bahnen, wie im Bereich des EPS, ist noch
nicht im Einsatz.
Bei der Gestaltung schmaler und besonders langer Formteile (z.B. Schiebedachleisten), die hohe Ansprüche an die Befüll- und Werkzeugtechnik stellen,
ist neben der genannten Füllproblematik auf die Zerstörbarkeit der Formteile
durch ihr Eigengewicht während der Entformung, dem Transport und beim
Einbau zu achten.
Wanddickensprünge
Die Variation der Wanddicke innerhalb eines Bauteiles ist nahezu unbegrenzt
möglich. Zu berücksichtigen sind die Gewährleistung einer ausreichenden Verschweißung in den Mittelbereichen der dickeren Bereiche, jedoch unter Beachtung der thermischen Unversehrtheit der dünneren Bereiche. Des Weiteren
können die ungleichen Schwindwerte zu unerwünschter Verzugsneigung führen. Schwankungen in der Dichteverteilung durch ungleichmäßige Befüllung
ist Hauptursache für den Verzug von Bauteilen mit extremen Wanddickenschwankungen. Durch richtige Bedüsungs- und Injektoranordnung sind diese
Inhomogenitäten jedoch auszuschließen.
Aussparungen
Aussparungen zwischen den Bauteilbereichen sind nicht beliebig schmal zu
gestalten. Zum einen muß die Werkzeugwand ausreichende Stabilität besitzen,
zum anderen sollten bei tieferen Einschnitten zwei Wandungen mit genügend
Abstand zur Gewährleistung der Kühlung eingebracht werden. Bei tieferen
Einschnitten gilt dabei dieselbe Maßregel wie bei der Distanz zwischen einzelnen Kavitäten eines Mehrkammerwerkzeuges. Bei einer Wanddicke von 10
mm, einem Kühlleitungsdurchmesser von 6 mm und einem Mindestabstand
von 2mm von Wand zu Kühlleitung errechnet sich eine Bauteilaussparung von:
2x10mm + 6mm + 2x2mm = 30 mm.
Herabsetzen lässt sich dieses Maß durch:
• Dünnere Werkzeugwandstärken und Kühlwasserleitungsdurchmesser oder
flache Kühlleiter
• Stirnseitiges Einsprühen (Kühlwasserdüse am Leitungsende)
• Bedüsen des Werkzeugsteges ohne Kühlung
• unverdüste Werkzeugstege
Während bei einem Werkzeugsteg ohne Kühlung die minimale Dicke nahezu
unbegrenzt ist und nur genügend Eigenstabilität beim Prozess aufweisen soll,
Seite 36 von 57
ist die Länge so zu beschränken, daß keine Schädigung durch Anhaften der
Partikel am ungekühlten Werkzeugsteg oder durch Biegekräfte bei der Befüllung und Entformung entstehen. Die Beachtung der Entformungsrichtung zur
Vermeidung von Hinterschnitten ist selbstredend.
Schaumstoffe besitzen eine Vielzahl an funktionellen Eigenschaften, die vielfach nur einfach verwendet werden. Durch gestalterische bzw. anwendungsorientierte Maßnahmen nach Tabelle 9 können die nachfolgenden Funktionen
gleichsam genutzt werden.
Funktion
Ausführung
Anwendung / Beispiel
Mechanische Stabilität
(Konstruktionswerkstoff)
Kasten, Rahmen oder
stabilere, selbsttragende
Auslegung des Formteils
ohne weitere Trägerwerkstoffe
Gehäuse von Klimageräten
Selbsttragendes Verkleidungsteil
Energie- bzw. Stoßabsorption
Polsterung um oder zwischen Transportgütern
Ladungsträger, Crashpad
im Stoßfänger
Isolation:
Schutz gegenüber
Wärme, Kälte und elektr.
Spannung
Boiler- und Armaturengehäuse
Getränkekühler
Logistische Funktion (Markierung durch Farbgebung,
Aufdruck oder Einprägung)
Kennzeichnung eines
Packgutes, eines Gegenstandes oder seiner selbst
Eingefärbte oder mehrfarbige Ladungsträger
Haptik
Softtouch und Wärmeanmutung (durch geringe Temperaturleitfähigkeit)
Griffschalen für Sportgeräte
Schallabsorption
von externen oder internen (Strömungs-) Geräuschen
Schallabsorber in Hohlträgern
Distanz- und Füllstücke
Montagefreundlichkeit
formschlüssiger Verbund
Klips oder Spannelemente
Gewichtsreduzierung
Schaumstoffstruktur
Träger aus Partikelschaumstoff
thermisch oder elektrisch
Tabelle 9: Strukturelle und funktionelle Eigenschaften von EPP-Formteilen
EPP-Gehäuse für Heizungsarmaturen dienen beispielsweise heute schon als
stoßabsorbierende Transportverpackung und nach dem Einbau als hochwirksame Wärmedämmung, Tabelle 9. Bild 30 zeigt ein Formteil, das multifunktionell ausgelegt ist, indem es sowohl dämpfende, schallisolierende, gewichtsspezifische als auch luftführende Funktionen ausführt. Es dient als formschlüssige
Platinen- und Komponentenaufnahme innerhalb eines Gerätegehäuses.
Seite 37 von 57
Weitere Vorteile des patentierten Innenraumkonzeptes für elektronische Bauteile in Gerätegehäusen sind:
Reduzierung der Teilevielfalt (33% Materialkosteneinsparung)
Reduzierung der Montagekosten (60% weniger Werkzeugkosten)
Einfache, intuitive Montage (entspricht dem TQM durch weniger Montagefehler)
Demontagefreundlich und einfaches Recycling
Bild 30: EPP-Geräteeinlage
Eine derartige multifunktionelle Anwendung von EPP ist beispielsweise auch
schon in Staubsaugern und Klimaanlagen verwirklicht. Eine Ausweitung dieser
Anwendung bis hin zum EPP-Cockpit ist naheliegend.
Seite 38 von 57
II.1.6 Distribution und Nutzung
II.1.6.1
Informations- und Produktlogistik
Neben Schildern, Etiketten und einer farblichen Kennzeichnung sind vor allem
der Einsatz von Barcode/Strichcode und Transponder (zukünftig auch innerhalb
RFID-Einheiten) gängige Informationsträgersysteme.
Aus fertigungstechnischer Sicht sind prinzipiell zwei Methoden zur Kennzeichnung der Transportboxen denkbar:
II.1.6.2
-
Nachträgliches Anbringen durch Aufkleben, Stecken etc.
-
An- bzw. Umschäumen des Informationsträgers im Herstellungsprozess der
Klappbox
Barcode/Strichcode
Zur Registrierung/Erfassung Auslesen von Barcode/Strichcode werden verschiedene Systeme eingesetzt:
- Lesestift
Merkmale:
•
Gutes Leseverhalten, hohe Tiefenschärfe
•
Sehr geringer Stromverbrauch
•
Hohe Abtastrate und unempfindlich gegen Umgebungslicht
•
Hoher Neigungsbereich sowie Lesemöglichkeit durch Klarsichtfolien
Anwendung:
•
Registrierkassen, Inventur
•
Einsatz in der Mobilen Datenerfassung
•
Identifizierung von Paketen, Paletten, Boxen, Briefen, Fotos, etc.
- Handleser
Merkmale:
•
Leseentfernung 0-25 mm, Kamerasystem ohne bewegliche Teile
•
Hohe Abtastrate (60 scans/sec.)
Seite 39 von 57
•
Großer zul. Neigungswinkel (+90° bis –60°)
•
Strichcode auf gekrümmter Oberfläche lesbar
•
Kompakte Bauform, hohe Lebensdauer (100000 h)
Anwendung:
•
Manuelle Ablesung in allen Bereichen des Handels und der Technik
•
Datenerfassung an Registrierkassen, Betriebs- und mobile Datenerfassung
•
Inventuraufnahme, Qualitätskontrolle
•
Identifizierung von Paketen, Paletten, Boxen, Briefen, etc.
- Industrie-Laserscanner
Merkmale:
•
Leseabstand bis 1700 mm, Lesegeschwindigkeit ca. 800 Scans/s
•
Hohe Flexibilität durch die manuelle Fokuseinstellung
•
Lichtquelle: Laserdiode rot (670 nm)
•
Eingebauter Decoder mit Anzeige (Kompaktgerät), an Computer und SPS
anschließbar,
•
Konfigurierbar über Schnittstelle oder über Tasten, 32-stellige Anzeige,
Digital-Ausgänge, je nach Applikation unterschiedlich programmierbar
•
Alle gängigen Codes lesbar, mehrere Codes in 1 Abtastlinie erfassbar
Anwendung:
•
Abtastung von Strichcodes, gedruckt auf Papier, Pappe, Folie oder Etiketten
•
Automatische Identifikation von strichcodierten Paketen, Paletten, Behältern u. ä. in Transport- und Lagersystemen
•
Automatische Identifikation von strichcodierten Apparaten, Geräten und
Leiterplatten in Fertigungslinien
•
Automatische Identifikation von mehreren Strichcodes übereinander mit
zusätzlichem Schwingspiegel
Seite 40 von 57
II.1.6.3
Transponder und Radio Frequency Identifications Device RFID
Ein Blick auf einschlägige Internetseiten zeigt, dass kommunikative Verpackungen „im Kommen“ sind. Kommunikative Verpackungen können einem Lesegerät eine Mitteilung machen oder eine von außen kommende Nachricht abspeichern. Im Gegensatz zu Barcodes können Radio Frequency Identification
(RFID-) Einheiten erstens auch ohne Sichtkontakt durch Materialien hindurch
und über deutlich größere Distanzen hinweg kommunizieren. Zum zweiten
gibt es inzwischen eine funktionierende "Anti-Kollisionstechnik", die es erlaubt eine größere Anzahl von Transpondern "auf einmal" auszulesen. Der
Reader schaltet dazu alle Transponder stumm, nachdem er sie identifiziert hat jeder Transponder, der dem ISO-Standard 15693 entspricht, hat eine individuelle und weltweit einmalige Nummer - und fragt sie dann in Bruchteilen von
Sekunden nacheinander ab. So können die Produkte in einem Einkaufswagen
praktisch "im Vorbeigehen" erfasst werden. Solche RFID-Einheiten bestehen
aus einem Transponder (ein programmierbares Modul), einem Transceiver
(schreibende/lesende Einheit), und einer Antenne, die Radiofrequenzsignale
zwischen Transponder und Transceiver übermittelt. Transponder und Antenne
sitzen stets auf oder in der Verpackung, sie werden zusammen neudeutsch als
„tag“ bezeichnet. Der Receiver ist meistens eine externe Einheit. RFID wird als
Enabler für die Realtime Supply Chain angesehen, da sie den Informationsund Warenfluss durch Kommunikation zwischen Kernsystemen und Ware synchronisieren.
Man unterscheidet aktive und passive RFID tags. Passive RFID tags haben keine
eigene Energieversorgung und eignen sich deshalb nur zum „Gelesen werden“. Ähnlich dem Barcode beträgt der lesbare Datenumfang derzeit etwa
128 bits. Der Transponder mit der größten Zukunft ist der dem ISO-Standard
15693 entsprechende Typ, Bild 31.
Für größere Speichermengen werden aktive RFID benötigt. Sie senden aktiv
und ihre Lebensdauer beträgt - je nach Batterie - bis zu fünf Jahren. Betrieben
werden sie meist über Funkverfahren mit 868 MHz oder 2,4 GHz. Sie haben
eine Reichweite von bis zu 100 Metern, sind jedoch vergleichsweise teuer und
wegen der Batterie nur in einem eingeschränkten Temperaturbereich einsetzbar. Ferner ermöglichen aktive RFID zusätzliche Funktionen wie die Temperaturüberwachung bei verpacktem Frischfleisch. Dazu wird ein getaktetes Thermoelement mit einem Transponder kombiniert, der die gesendeten Temperaturdaten mit dem eingestellten Grenzwert vergleicht und Überschreibungsbefunde wieder abrufbar abspeichert. Aufgrund des hohen Preises von mehreren
Euros kann man von aktiven RFID in absehbarer Zeit nur Anwendungen für
sekundäre Verpackungen in Form von Mehrweg-Identifikationssystemen
erwarten. Der Preis für passive RFID liegt derzeit bei ca. einem Euro, wobei
weltweit Entwicklungsanstrengungen angelaufen sind, über neue Technologien (z.B. Halbleiterpolymere) ein Preisziel von wenigen Cent zu erreichen.
Seite 41 von 57
Bild 31:
Transportbox mit Transponder (links) sowie verschiedene passive
Transponder (rechts)
Literatur
Fernengel, Uwe: Barcode-Schnellkurs. 1990 Hofacker, H.
Hansen, Hans-Günter; Lenk Bernhard: Codier-Technik – Der Schlüssel zum
Strichcode. Ident-Verlag.
Wiesner, Werner: Der Strichcode und seine Anwendung. 1990 Moderne
Industrie.
Hüser, A.: Möglichkeiten der visuellen Druckqualitätsprüfung von Barcodes.
Seminarband Identifikationssysteme 39-87-02 VDI-Bildungswerk, Düsseldorf
1988
Dönges, H.C.: Leistungsangebot auf dem Weg zum Material Internet.
Siemens Dematic, RFID-Roadmap, Material Internet, Januar 2001.
Kommunikative Verpackungen – Ein Gespräch mit Dr. Wolfgang Holley
(Fraunhofer IVV) über aktive und passive Kommunikation.
Verpackungs-Rundschau 5/2002, S.49-50.
II.1.6.4
Neues Servicekonzept
Zur Umsetzung des Logistikkonzepts ist der elektronische Austausch von Geschäftsdaten, Electronic Data Interchange (EDI) vorgesehen. EDI ist eine Form
der Kommunikation, bei der strukturierte kommerzielle und technische Daten
plattformunabhängig zwischen Computern bzw. Applikationen verschiedener
Geschäftspartner unter Anwendung offener elektronischer Kommunikationsverfahren ausgetauscht werden.
Als strukturierte Geschäftsdaten werden alle Informationen bezeichnet, die
sich in Form von Formularen abbilden lassen und zwischen Geschäftspartnern,
Seite 42 von 57
Banken und Behörden ausgetauscht werden können. Dies sind u. a. Rechnungen, Bestellungen, Lieferscheine, Zolldokumente und Zahlungsaufträge. Diese
Dokumente lassen sich bereits elektronisch austauschen und ohne menschliche
Intervention automatisch verarbeiten. Um diese Art des Datenaustausches zu
gewährleisten, werden standardisierte Datenformate genutzt, die sozusagen
das Regelwerk für die Abbildung der Informationen bilden. EDIFACT (Electronic Data Interchange For Administration, Commerce and Transport) stellt dabei
den weltweit gültigen, branchenübergreifenden Standard der Vereinten Nationen dar.
Mit einer EDI-Implementierung können sowohl strategische als auch operative
Wettbewerbsvorteile realisiert werden. Grob zusammengefasst lassen sie sich
wie folgt darstellen:
Optimierung bestehender Geschäftsprozesse
Kostenreduzierung durch Rationalisierung
Optimierung und Beschleunigung des Informationsflusses
Verringerung der Kapitalbindung durch Reduzierung der Lagerbestände
Beschleunigung des Zahlungsverkehrs
Intensivierung der Geschäftsbeziehungen
Aufbau strategischer Geschäftspartnerschaften
Verbesserung der Kundenzufriedenheit und Erhöhung der Kundenbindung
Reduzierung der Fehlerquote
Imageaufwertung durch Signalisierung von Innovationsfreudigkeit
Substituierung von Papier als Beitrag zum Umweltschutz
Vermeidung von Sprachbarrieren im internationalen Geschäftsverkehr
Bessere Erreichbarkeit durch asynchrone Kommunikation
Verbesserung des Kundenservice
Unternehmenssicherung
Diese wettbewerbswirksamen Vorteile einer Implementierung des EDI-Datenaustausches sichern und steigern die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen.
Sie ermöglichen einen langfristigen Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit. Die positiven Effekte des EDI-Einsatzes betreffen dabei sämtliche Unternehmensbereiche von der Beschaffung über die Produktion bis hin zum Marketing.
Seite 43 von 57
XML als Durchbruch für EDI
Der zwischenbetriebliche Austausch von Geschäftsdokumenten – wie Bestellungen, Rechnungen, Lieferscheinen – durch die Anwendung von EDI ist eine
Technologie, die Dank offener und branchenübergreifender Standards inzwischen von Behörden, Industrie-, Handel- und Dienstleistungsunternehmen in
der ganzen Welt eingesetzt wird. Betrachtet man jedoch die tatsächliche Anzahl existierender EDI-Verbindungen in Deutschland, erkennt man in vielen
Branchen das gleiche Dilemma. Marktstarke EDI-Anwender möchten in möglichst kurzer Zeit mit vielen Geschäftspartnern elektronischen Datenaustausch
betreiben. Im Geschäftsverkehr mit den Top 20 Prozent der Kunden und Lieferanten ist EDI für viele Unternehmen bereits heute Status Quo.
Viele dieser Unternehmen nutzen jedoch EDI primär aufgrund des Drucks ihrer
Geschäftspartner. Das Potential dieser Technologie wird heute immer noch von
viel zu wenigen Unternehmen genutzt, obwohl der Einsatz für die Unternehmen vorteilhaft wäre. XML hat den Vorteil, das es offen zu allen anderen
Standards ist. Hohe Implementierungs- und Betriebskosten sind häufig der
Grund dafür, dass von einer EDI-Einführung abgesehen wird. Tauscht ein Unternehmen nur mit einem einzigen Partner EDI-Daten aus, kann sich diese Einstiegsinvestition kaum amortisieren. Besteht keine Möglichkeit zur Integration
der Daten, kann der Lieferant keine Rationalisierung erzielen. Das EDI-System
fungiert de facto als teures Faxgerät. Fehlende organisatorische Voraussetzungen, wie korrekte Stammdaten und eindeutige Nummernsysteme für Artikel,
Kunden und Lieferanten stellen häufig ebenso eine Hürde dar.
Doch nun ist das Internet dank seiner weiten Verbreitung, einfachen Zugangsmöglichkeiten und der weltweit vorhandenen Infrastruktur in der Lage,
EDI zu neuem Schwung zu verhelfen. Die Seitenbeschreibungssprache XML
kann in diesem Zusammenhang:
als Grundlage der Beschreibung von EDI-Dokumenten dienen,
die einfache und effiziente Weiterverarbeitung der Daten gewährleisten,
die Integration in die betrieblichen Prozesse der beteiligten
Geschäftspartner unterstützen und
eine Schlüsselrolle bei der weiteren Verbreitung dieser Technologie
übernehmen.
Die Verknüpfung von XML und EDI bietet die Chance, auch den übrigen Geschäftspartnern die Vorteile des elektronischen Geschäftsverkehrs zu erschließen und die komplette Kommunikati-on des Unternehmens theoretisch über
eine einzige elektronische Schnittstelle abzuwickeln.
Seite 44 von 57
Verknüpfung von XML und EDI an einem Beispiel:
Am Beispiel der skizzierten Kommunikation der Projektpartner Fagerdala und
Overath, welche die Auftragsabwicklungsvorgänge automatisiert, kann das
Funktionsprinzip von XML-EDI sehr gut demonstriert werden: Die Kommunikation mit den Endusern der Thermoklappboxen würde in entsprechender Weise
erfolgen. Die Projektpartner würden eine bestehende oder neu einzurichtende
EDIFACT-Schnittstelle zum Austausch von Bestell-, Lieferavis- und Rechnungsdaten verwenden, Bild 32. Unter Nutzung des klassischen Kommunikationsweges X.400 werden die Daten zu einem XML/EDI-Server gesendet. Auf diesem Server erfolgt die Konvertierung der EDIFACT-Daten in das browserfähige
XML-Format, deren Routing und Weiterleitung an die betroffenen Stellen. Eine
Verschlüsselung der Daten sorgt für die Sicherheit der Daten, so dass diese
auch unter Nutzung des Kommunikationsweges Internet nur von den Empfängern gelesen und beantwortet werden können.
Die Anzeige und Bearbeitung der Daten erfolgt im Browser des Empfängers
unter Zuhilfenahme von Applets/Servlets, die es dem Lieferanten ermöglichen,
auch ohne EDI-System eine Antwortnachricht zu generieren. Da die gesamte
Bearbeitung auch im Offline-Modus erfolgen kann und lediglich für den Aufbau der Kommunikationsverbindung ein Online-Betrieb nötig ist, sind neben
den technischen Voraussetzungen auch die Kommunikationskosten gering.
KlappboxenHersteller
Logistik/
Distribution
Logistikpartnerunternehmen
Abverkaufsdaten
ERP-System:
Mikrosoft Navision XAL
Finanzen
Projektmanagement
Produktion
Lager
Handel
E-Commerce
MES-System:
MPDV Hydra
Auftragsdatenerfassung
Maschinendatenerfassung
Leitstandsplanung
Qualitätsmanagement
Werkzeugmanagement
XML
CR-Software
EDI / XML-EDI
Bestandsdaten
EDIFACT
Auftrag
Bestellung
Lieferavis
Lieferschein
Fakura
Rechnung
ERP: Enterprise Resource Planning
EDI: Electronic Data Interchange
Lieferung Ware
MES: Manufacturing Execution System
XML: Extensible Markup Language
ERP-System:
Infor: COM
Vermarkten/Betreuen
Konstruieren/Herstellen
Mat-wirtschaft/Logistik
Controlling/Verwaltung
E-Commerce
MES-System:
Infor: MES
Fertigungssteuerung
wissensbasierter Leitstand
Betriebsdatenerfassung
Qualitätsmanagement
Werkzeugverwaltung
CR: Continous Replenishment
Bild 32: Datenaustausch über XML/EDI-Server am Beispiel Fagerdala-Overath
Seite 45 von 57
Die im XML-Format generierte Antwort (z. B. ein Lieferavis als Antwortnachricht auf eine Bestellung) wird ebenfalls zum XML/EDI-Server gesendet und
dort in das EDIFACT-Format konvertiert. Semantische und syntaktische Prüfungen können ebenfalls auf dem Server erfolgen, so dass der Handelspartner auf
diesem Wege von allen Geschäftspartnern Daten statt Papier erhält, die in seinen Applikationen maschinell weiterverarbeitet werden können. Ein Anbieter
von internetbasierten B2B-Anwendungen für den elektronischen Geschäftsverkehr ist cc-top (http://www.cc-top.de), um auch kleinere und mittlere Unternehmen an EDI-Netzwerke anzubinden.
Die Vorteile von XML/EDI auf einen Blick:
Nutzung bestehender EDI-Infrastruktur und –Prozesse in Verbindung
mit weitverbreiteter Internet-Technologie
Ergänzung des klassischen EDI für Vielzahl der kleineren Geschäftspartner
100%ige Rückwärtskompatibilität für existierende EDI-Transaktionen
Jederzeit flexibel anpassbare und zukunftsfähige Lösung
Anbindung aller Geschäftspartner über eine einzige elektronische
Schnittstelle, da die Daten ins oder aus dem EDI-Format konvertiert
werden und trotzdem auch kleine Unternehmen mittels XML erreicht
werden können
Einfacher, schneller und kostengünstiger Einstieg in den elektronischen
Geschäftsverkehr für Lieferanten/Kunden
Minimale Folgekosten für Lieferanten/Kunden
Gute Argumentationsmöglichkeit zur definitiven EDI-Anbindung der
Geschäftspartner
Ausbau zu integrierter Lösung beim Geschäftspartner möglich
Literatur
Wegener, A.: Silent Commerce - Konzeption unternehmensübergreifender Geschäftsmodelle.
Diplomarbeit am Institut für Praktische Informatik und Medieninformatik
der Technischen Universität Ilmenau, 2000.
Seite 46 von 57
II.1.6.5
Untersuchungen zur Reinigungsfähigkeit
Begutachtetes Reinigungsverfahren
Die hygienischen Anforderungen im Zusammenhang mit dem Transport von
Lebensmitteln werden durch mikrobiologische Oberflächentests bestimmt. Der
Grenzwert für KBE/10cm² (KBE: Koloniebildende Einheiten) liegt bei maximal
50 KBE/10cm². Für Transportverpackungen aus EPP-Partikelschaum wurden
bereits umfangreiche Gutachten erstellt. Exemplarisch sollen hier die Versuchsergebnisse des LSG Hygiene Institute zur lebensmittelhygienischen Zertifizierung des „Thermo-Clipper 2320“ von Fa. Overath, welcher eine FawoporOberfläche (die mittels feinporöser Werkzeugoberfläche bessere Dampfverteilung versiegelt EPP-Partikel zu nahezu geschlossener Oberfläche) aufgeführt
werden.
Testobjekt: "THERMO-CLIPPER®, Material: 2320"Polypropylen,
Versuchsdurchführung:
1.
Beaufschlagung der Innenflächen mit Lebensmittelresten
2.
2.Einwirkungen der Lebensmittel auf den "THERMO-CLIPPER®":
(44 Std. bei Raumtemperatur ca.+20°C)
3.
Spülprozess (Bandspülmaschine, mit Nachspültemperatur von 82°C)
3 Versuchsreihen mit Reinigungsdauer 2,5 min, 5 min, 10 min
4.
Mikrobiologische Untersuchung
- Oberflächenabklatsch, Oberflächenabstrich, Auswertung (Zahl der aeroben koloniebildenden Einheiten pro 10 cm2)
Anschließend durchgeführte Untersuchungen des LSG Hygiene-Instituts bestätigten, dass unter den oben genannten Versuchsbedingungen der geprüfte
Transportbehälter "THERMO-CLIPPER®" für den Transport und die Aufbewahrung von folgenden Lebensmitteln geeignet ist:
1.
Verpackte Lebensmittel jeglicher Art
2.
Obst und Gemüse, unverpackt
3.
Rohe Lebensmittel, unverpackt, die einer nachfolgenden Hitzebehandlung unterzogen werden.
Der Transportbehälter lässt sich nach vorhergehender Verunreinigung mit Lebensmittelresten durch maschinelle Spülverfahren ausreichend reinigen, so
dass eine Kontamination bei erneuter Benutzung für den Transport von verpackten Lebensmitteln praktisch ausgeschlossen ist.
(LSG-Hygiene Institute GmbH, 2.12.00)
Seite 47 von 57
Mit diesem Gutachten wird die Erfüllung der Anforderungen an Gegenstände
und Ausrüstungen / Punkt 3 und 4 der Lebensmittelhygieneverordnung
(LMHV) bestätigt. Im Folgenden ist der Wortlaut wiedergegeben:
„§3. Vorrichtungen und Behälter, die der Lagerung oder Beförderung von
Lebensmitteln dienen, müssen so ausgestattet sein, dass die für die Verkehrsfähigkeit der Lebensmittel erforderliche Temperatur eingehalten
werden kann. Sie müssen so beschaffen sein, dass eine angemessene Reinigung und, falls erforderlich, eine Desinfektion möglich ist. Sofern erforderlich müssen angemessene Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung und
Überwachung der Temperatur vorhanden sein.
§4. Behälter für Lebensmittelabfälle und andere Abfälle müssen angemessen beschaffen, leicht zu reinigen und erforderlichenfalls zu desinfizieren
sein.“
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Verpackungen aus EPP-Partikelschäumen die geltenden Hygienestandards gut erfüllen. Es ist möglich über eine
entsprechende Werkzeugtechnik wie beispielsweise über das Einlegen von Gittern, der Einsatz von Sintermetallen oder teilweise unbedüste temperierbare
Werkzeugwandungen die Oberflächeneigenschaften noch zu verbessern und
Verpackungen mit porenfreier Oberfläche zu produzieren. Des weiteren ermöglicht die hohe Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit des Materials
eine Reinigung mit starken Desinfektions- und Reinigungslösungen bei hohen
Temperaturen. Verpackungen aus EPP-Partikelschäumen sind daher prinzipiell
geeignet in einem automatisierten Prozess gereinigt zu werden.
In lebensmittel- und fleischverarbeitenden Betrieben werden Eigenkontrollen
zur Überwachung des Reinigungs- und Desinfektionserfolges vom Gesetzgeber
mit der Entscheidung 2001/471/EG gefordert. Viele Kleinbetriebe führen erfahrungsgemäß keine oder nur unzureichende Untersuchungen durch. Externe
mikrobiologische Kontrollmethoden werden selten in Anspruch genommen.
Viele moderne Nachweissysteme, wie zum Beispiel das Epifluoreszenz-Verfahren, die Impedanzmethode, Biolumineszenz und andere Schnellmethoden erfordern den Einsatz von Geräten und setzen eine gewisse Laborausstattung
voraus. Schnelltests, wie NAD-Nachweis sollen für die betriebsinterne Kontrolle
innerhalb kurzer Zeit auch für mikrobiologisch ungeübtes Personal unkompliziert und ohne apparativen Aufwand durchzuführen sein und trotzdem verlässliche Ergebnisse liefern.
Das Prinzip des NAD-Tests basiert auf dem Nachweis von NAD, NADH, NADP
und NADPH. Diese Coenzyme werden von der Prüfoberfläche mittels Teststreifen abgewischt und durch eine Farbreaktion nachgewiesen. Mit dieser Methode können Produktionsrückstände, aber auch Mikroorganismen nachgewiesen werden. Als Schnellmethode zur Überprüfung des Reinigungs- und
Desinfektionserfolges stellt der NAD-Nachweis eine zuverlässige Methode dar,
die Übereinstimmung mit Untersuchungen anhand von RODAC-Platten war
zufriedenstellend. Die Handhabung des Testkits ist unkompliziert und praxisfreundlich. Innerhalb von fünf Minuten ist die Aussage, ob die Reinigung ordnungsgemäß erfolgte oder eine Nachreinigung erforderlich ist, möglich. Die
farbliche Darstellung des Ergebnisses bietet eine objektive Demonstrationsmöglichkeit gegenüber Dritten, wie zum Beispiel dem Reinigungspersonal. Sie
Seite 48 von 57
kann jedoch mikrobiologische Untersuchungen nur ergänzen, nicht ersetzen,
da diese vor allem in Grenzbereichen sensitiver sind und pathogene Keime differenziert werden können. Für Kleinbetriebe, die sich bisher ausschließlich auf
die visuelle Beurteilung der Hygiene verlassen haben, stellt der Test jedoch eine
objektive Beurteilungs- und Dokumentationshilfe dar.
Innerhalb dieses Eigenkontrollsystems soll das über das europäische Regelwerk
vorgeschriebene HACCP-Konzept zur Abwehr solcher gesundheitlicher Gefahren dienen, die spezifisch anzusprechen, d.h. zu identifizieren, zu bewerten,
kontinuierlich zu erfassen und zu beherrschen sind. Eine international verbindliche Version des HACCP-Konzepts findet sich im Regelwerk des FAO/WHO
Codex Alimentarius und ist Bestandteil der „Allgemeinen Grundsätze der Lebensmittelhygiene“. Das HACCP kann in ein Qualitätsmanagementsystem
nach der DIN EN ISO 9000-Serie integriert werden. In vielen Bereichen der Lebensmittelherstellung, -behandlung und –verarbeitung lässt sich gegebenenfalls aufgrund der Betriebsgröße oder Struktur ein vollständiger HACCP-Plan
praktisch kaum erstellen. Die Eigenkontrolle kann dann nach bestimmten
Grundsätzen des HACCP-Konzepts gemäß der Lebensmittelhygiene-Richtlinie
93/43/EWG durchgeführt werden, wobei stets zu prüfen ist, ob die vollständige Umsetzung nicht tatsächlich noch durchgeführt werden kann.
II.1.6.6
Rechtliche Rahmenbedingungen
Lebensmittel
Für die Anforderungen im Bereich Lebensmittel ist Lebensmittelhygieneverordnung LMHV maßgeblich.
Jedoch gibt es hier keine Vorgaben mit genauen Temperaturangaben, sondern
vielmehr allgemeine Aussagen.
Laut LMHV §3 Satz 2 (Anlage Kapitel 4 Anforderungen an Gegenstände und
Ausrüstungen, 3.) gilt:
„Vorrichtungen und Behälter, die der Lagerung oder Beförderung von Lebensmitteln dienen, müssen so ausgerüstet und ausgestattet sein, dass die für die
Verkehrsfähigkeit der Lebensmittel erforderliche Temperatur eingehalten werden kann. Sie müssen so beschaffen sein, dass eine angemessene Reinigung
und, falls erforderlich, eine Desinfektion möglich ist. Sofern erforderlich, müssen angemessene Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung und Überwachung der
Temperaturen vorhanden sein.“ Damit richten sich die Anforderungen an die
Temperaturbedingungen nach dem zu transportierenden Gut, welches weiter
bestimmt werden muss.
Kalte Lebensmittel
Ausgehend davon, dass auch tiefgekühlte Lebensmittel transportiert werden
sollen und dass frische Lebensmittel geringere Anforderungen hinsichtlich der
Temperatur haben, orientieren wir uns an den Anforderungen für tiefgekühltes Gut.
Seite 49 von 57
Die Lebensmittel sollten bei möglichst tiefer Temperatur (-30 bis -40° C) eingefroren, und dann bei mindestens -18°C gelagert werden. Auf dem Weg vom
Hersteller bis zum Verbraucher ist diese dauernde Lagertemperatur von mindestens -18°C einzuhalten.
Quelle: http://www.lebensmittelkunde.at/html/konserv/konphy.htm
Heiße Lebensmittel
Im Cateringbereich werden heiße Güter meist in Gastro-Normbehältern transportiert und müssen mit diesen heiß gehalten werden. Die Einfülltemperaturen
liegen meist zwischen 80°-95°C. Diese Temperaturen sollten über einen Zeitraum von 10 Stunden nicht unterhalb von 70°C fallen. Hier ziehen wir Angaben von Gastronomen heran, die zur Spezifikation des Thermo-Clipper geführt
haben und daher auch hier Verwendung finden können.
Bluttransport
Die Temperaturanforderungen im Bereich des Bluttransportes sind wesentlich
enger. Hierzu gibt die NHS folgendes vor (Quelle: „National Bloodservice
MSWZ0171“):
Temperaturen die für das jeweilige Produkt eingehalten werden müssen für einen Zeitraum von bis zu 8 Stunden bei minimaler oder maximaler Befüllung
des Containers. Die Lufttemperatur innerhalb des voll befüllten Containers
muss zwischen 18° C und 30° C liegen, gültig bei einer Außentemperatur zwischen –10° C und 37°.
Komponenten
·
Rote Blutzellen
Die Oberflächentemperatur der einzelnen Packstücke muss zwischen 2°C und
10°C liegen, gültig für eine Außentemperatur zwischen 10°C -37° C bei einem
voll befüllten Behälter.
·
Gefrorene Plasma Komponenten
Die Kerntemperatur der Packstücke im Container muss unterhalb von -30°C
liegen, gültig für eine Außentemperatur zwischen 10°C -37° C bei einem angemessen mit Trockeneis befüllten Behälter.
·
Menschliches Gewebe
Die Kerntemperatur der Packstücke im Container muss unterhalb von -20°C
liegen, gültig für eine Außentemperatur zwischen 10°C -37° C bei einem angemessen mit Trockeneis befüllten Behälter.
Wie beschrieben werden in manchen Bereichen sehr tiefe Temperaturen gefordert, die über einen längeren Zeitraum nur über die Zugabe von Trockeneis
gewährleistet werden können.
Seite 50 von 57
Aufgrund des schwierigen Handlings von Trockeneis, sollte man über die
Möglichkeit nachdenken, dass innerhalb der Box z.B. Zwischentrays eingelegt
werden können, auf die Trockeneisplatten gelegt werden können und der Deckel dennoch entsprechend schließt.
Hygiene
Die hygienischen Anforderungen im Zusammenhang dem Transport von Lebensmitteln werden durch mikrobiologische Oberflächentests bestimmt.
Der Grenzwert für KBE/10cm² (Koloniebildende Einheiten) liegt bei max. 50
KBE /10cm². Die Bedingungen der Versuchdurchführung können dem „Gutachten zur Einsatzfähigkeit des „Thermo-Clipper 2320“ beim Transport von
Lebensmitteln unter hygienischen Gesichtspunkten“ entnommen werden.
Bei Erfüllung dieser Anforderung ist eine Oberfläche geeignet für verpackte
Lebensmittel jeglicher Art, unverpacktes Obst und Gemüse und unverpackte
rohe Lebensmittel, die einer nachfolgenden Hitzebehandlung unterzogen werden. (Quelle: LSG Hygiene Institut, Gutachten)
II.2
Voraussichtlicher Nutzen und Verwertbarkeit des Ergebnisses
II.2.1 Anlagentechnik
Trotz der Allgegenwärtigkeit von Schaumstoffformteilen (Styropor) wird der
extrem schlechte Wirkungsgrad bei der Herstellung dieser Massenprodukte
mittels herkömmlicher Formteilautomaten bisher nicht ausreichend von der Öffentlichkeit wahrgenommen. Der Wirkungsgrad liegt aufgrund der Prozessführung (komplettes Werkzeug und Dampfkammer aufheizen, Partikel versintern
und anschließend abkühlen) lediglich unter einem Prozent. Die Herstellung von
Partikelschaumstoffformteilen ist somit bezüglich der Energieverschwendung
einer der am wenigsten bekanntesten, aber umweltschädlichsten Verarbeitungsprozesse in der gesamten Kunststoffverarbeitung, obwohl die Ausgangsstoffe selbst keine reaktiven Chemikalien beinhalten und somit zumindest gesundheitlich unbedenklich sind.
Im Rahmen des durchgeführten Projektes wurden Untersuchungen zum
Dampfverbrauch des Formteilautomaten WZ46 (Bild 3) der Firma Wacker &
Ziegler durchgeführt. Bereits ein nur wenig optimiertes, überwiegend konventionell aufgebautes Werkzeug konnte das Energieeinsparungspotential der
W&Z-Technologie beweisen: Für das Klappbox-Seitenteil aus EPP wurde ein
Dampfverbrauch von 0,85 kg je Bauteil mit einem Einfach-Werkzeug ermittelt.
Bei konventionellen Formteilautomaten würden solche Bauteile z.B. im 2fachWerkzeug hergestellt, wobei 3,6 kg Dampf je Bauteil verbraucht werden
würde.
Bei der Herstellung einfacher Auftriebskörper aus EPS wurden mit einem
4fach-Werkzeug auf dem Formteilautomaten WZ46, Bild 33, ein Dampfverbrauch von 0,0575kg je Bauteil und Zyklus ermittelt,. Bei konventionellen
Formteilautomaten würden solche Bauteile z.B. im 12fach-Werkzeug hergeSeite 51 von 57
stellt und ein Dampfverbrauch von 0,16 kg je Bauteil benötigt. Die im Rahmen
dieser Untersuchungen erreichten Einsparungen von bis zu 76% Heißdampf
bei der Verarbeitung von EPP und EPS werden im wesentlichen durch die
Werkzeugtechnik über eine Anpassung des Dampfverteilervolumens an die
Formteilgröße (Monoblocksystem), die Isolierung zwischen Dampfverteiler und
Werkzeugaußenwänden sowie die geringen Querschnitte der Dampfzuleitungen erreicht. Zur Ausnutzung dieses Potentials ist allerdings die Werkzeugtechnik hinsichtlich der zu temperierenden Massen zu optimieren und aus dem
derzeitigen Prototypenstand für eine robuste Massenfertigung weiter zu entwickeln.
Bild 33:
W&Z-FormteilautomatenPrototyp auf Hannover-Messe
(April 2005)
Der weltweite Energieverbrauch zur Herstellung von Formteilen aus Partikelschaum liegt bei derzeit rund 1,65 Mrd. kWh. In Vorentwicklungsprojekten
konnte der Energieverbrauch um mehr als 70% gesenkt werden. Im Wesentlichen sind hier Entwicklungen am Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie (ICT), Entwicklungen des international größten Formteilautomatenhersteller
Kurtz (LTH-Verfahren)² und Entwicklungen des europäischen Marktführers für
PP-Partikelschäume, der Fagerdala World Foams, zu benennen. Der Energiekostenanteil am Formteilpreis beträgt derzeit im Schnitt 30%. Die Steigerung
des Wirkungsgrades auf nur 3% ergibt somit schon einen Kostenvorteil beim
Endprodukt von 20%. Neben den Kostenvorteilen beim Endprodukt sind die
Anschaffungskosten der neuen Formteilautomatengeneration erheblich geringer als bei Formeilautomaten nach Stand der Technik. Außer dem erheblichen
ökonomischen Vorteil ergibt sich ein beachtenswerter ökologischer Nutzen.
Die Umstellung aller Partikelschaumverarbeiter weltweit auf die Prozesstechnik
der Wacker & Ziegler GmbH könnte eine Energieeinsparung von 1,4 Mrd. kWh
bewirken. Dies entspricht ungefähr der Leistung eines modernen Atomkraftwerkes.
II.2.2 Thermisch isolierende Klappbox
Prototypen der thermisch isolierenden Klappbox wurden bei verschiedenen
Kunden und Fachleuten präsentiert, um herauszufinden, wie das Konzept und
die aktuelle Ausführung beurteilt werden.
Seite 52 von 57
Zu den Ansprechpartnern gehörten u.a.:
- Metro Group Buying GmbH, Strategie, Herr Westerhof, Hr. Dahl
- Metro Cash& Carry Deutschland, Herr Gierling
- Pantarhei, Büro für Kommunikation, Hr. Jung
- Lindörfer + Steiner GmbH, Herr Steiner
Dabei haben sich folgende Punkte ergeben, die bei einer Optimierung der
Konstruktion noch berücksichtigt werden müssen.
•
Stabilität und Haltbarkeit
Die Lagerungen der Wände sind noch zu instabil. Sobald die Handhabung
ohne Vorsicht vorgenommen wird, kommt es leicht zum Bruch der halbkugelförmigen Scharniere. Ebenso können die Wände leicht aus der Verankerung
gelöst werden. Beim Wiedereinsetzen kommt es jedoch ebenso zum Bruch.
Auch eine unvorsichtige Handhabung darf nicht zur Zerstörung der Scharniere
führen. Das Einrasten der Wände in der aufrechten Position soll verbessert
werden. Die Einrastung ist nicht über die volle Länge der Wand ausgeprägt.
Dadurch entstehen kleine Löcher, da die Wände nicht überall miteinander abschließen. Der Belastungstest hat eine Tragkraft von 20kg bestätigt. Dies wird
als ausreichend angesehen. Jedoch rasten die Verriegelungen der Seitenwände
am Boden, die die Tragkraft unterstützen, nicht gut ein. Diese müssen gesondert in die Nut gedrückt werden, was jedoch ohne eine eindeutige Produktbeschreibung nicht erkennbar ist. Entsprechend schwierig lassen sich diese Verriegelungen beim Zusammenklappen wieder lösen. Daher sollte dieser Mechanismus überarbeitet werden, sodass er entweder automatisch einrastet oder
sich logisch erschließt, dass dieser zusätzlich angedrückt werden muss.
•
Dichtigkeit
Der Boden wurde als Wanne ausgeformt, wodurch eine begrenzte Menge an
Flüssigkeit aufgefangen werden kann, ohne die Umgebung zu verschmutzen.
Dies wird sehr positiv beurteilt. Jedoch ergeben sich in der Passung der Wände
aneinander und des Deckels noch sehr viele Lücken. Hier entstehen sehr viele
Brücken, welche die Temperaturstabilität negativ beeinflussen. Die Wände
müssen dichter miteinander abschließen, um dies zu vermeiden. Die Wände
laufen nicht auf gleicher Höhe aus, dadurch sitzt der Deckel nicht genau und
nicht fest genug. Aufgrund der großen Temperaturbrücken, Bild 34 und 35
sowie der dünneren Wandstärken wird keine zu Behältern mit feststehenden
Wänden vergleichbare Isolationswirkung erhalten.
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Bild 34: Infrarot-Aufnahme der Seitenansicht (IR-Kamera FLIR SC500)
Bild 35: Infrarot-Aufnahme der Draufsicht (IR-Kamera FLIR SC500)
•
Volumenreduzierung
Im zusammengeklappten Zustand gibt es noch viele Zwischenräume. Man
sollte versuchen diese optimaler zu nutzen, um die Volumenreduzierung zu
verbessern. Die kurzen Seitenwände, die eine Verriegelung mit dem Boden
herstellen, stehen in zusammengeklappten Zustand über die Bodenplatte über.
Dadurch wird mehr Raum benötigt, was vermieden werden sollte.
•
Optik
Die Box wird insgesamt als zu groß und unhandlich empfunden. Die ausgeklappten Seitenwände, die noch überstehen, behindern die Handhabung zusätzlich. Insgesamt wird das Design als nicht sehr gelungen beurteilt. Die Box
ist zu kantig und ohne Pfiff. Das Aussehen wurde unter werkzeugtechnischen
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Gesichtpunkten einfach gehalten, ist damit jedoch nicht sehr ansprechend. Die
Oberflächengestaltung ist durch die klassische Verdüsung optisch nicht sehr
ansprechend und hygienisch bedenklich. Gerade die Bodenplatte wirkt sehr
klobig und technisch, aber nicht anwenderfreundlich.
•
Deckel als loses Teil
Der Deckel ist ein gesondertes Teil, welches verloren gehen kann. Dies wird als
negativ empfunden. Besser wäre es, wenn auch der Deckel mit der Box verbunden ist.
•
Hygiene
Das Innere der Box ist sehr eckig ausgeprägt. Sollte sich in diesen Ecken
Schmutz festsetzen, ist dieser nur schwer zu entfernen. Es empfiehlt sich mehr
Radien einzuarbeiten. Auch sollte die Box unproblematisch auseinander zu
nehmen und wieder zusammenzusetzen sein, damit die Einzelteile auch einzeln gereinigt werden können.
•
Griffe
Die Griffe sind nur schwach ausgeprägt, wodurch das Tragen einer befüllten
Box unkomfortabel ist.
•
Fazit
Insgesamt kann dieser Prototyp als Funktionsmuster dienen. Bis daraus jedoch
ein ansprechendes, verkaufsfähiges Produkt werden kann, müssen obige
Punkte noch umkonstruiert und überarbeitet werden.
II.3
Fortschritt auf dem Gebiet des Vorhabens bei anderen Stellen
Bestrebungen zur Verbesserung der Materialien und der Herstellungsprozesse
konzentrieren sich derzeit auf folgende Schwerpunkte:
- Ausweitung der Dichte sowohl in Richtung niedrigere als auch höhere Formteilraumgewichte.
- Herstellung kleinerer Schaumpartikel zur homogeneren Befüllung auch
dünnwandiger Werkzeugbereiche.
- Spezifische Ausrüstung der Partikel z.B. mit elektrischer Leitfähigkeit, Farbe ,
Chemikalienbeständigkeit usw.
- Einführung umweltfreundlicherer Treibmittel z.B. CO2 (z.T. bereits im Einsatz) und langfristig Wasser als Ersatz für die bislang eingesetzten Alkane
- Optimierung der Produktionsanlagen und des Produktionsprozesses vor allem durch Automatisierung und bessere Prozesskontrolle
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Die Entwicklungsziele seitens der Verarbeitung von EPP konzentrieren sich neben Weiterentwicklungen in der Maschinen- und Werkzeugtechnik insbesondere auf die Prozessregelung des Formteilprozesses.
- Umstieg von der SPS- Steuerung zur Industrie- PC- Lösung und Flexibilisierung der Steuerung z.B. durch freie Programmierbarkeit
- Selbstüberwachung der Maschinen auf Fehlfunktionen und Verwaltung der
Wartungsintervalle in einem zentralen Produktionsplanungssystems
- „Intelligente“ Maschinensteuerungen, die z.B. mangelnde Mediendrücke registrieren und nachregeln sowie selbständige Anpassung und Optimierung
der Prozessparameter vornehmen
- Dokumentation und Archivierung der Prozessparameter und Integration von
Materialdatenbanken
- Automatisierung (Einbringen von Einlegern ins Werkzeug, robotergestützte
Entnahme-, Stapel-, Verpackungs- und Konfektionierung)
- Leichtere Werkzeuge mit geringerer Wärmekapazität, sowie isolierte Werkzeuge, analog dem Kurtz LTH - Verfahren
- Oberflächentechnologien wie insbesondere Werkzeuge mit bedüsungsfreien
Oberflächen
- Integrierte Prozessen zur Herstellung von Schaumstoffverbunden
- Alternative Verfahrenstechniken wie der Einsatz hochfrequenter Strahlung
zur Partikelverschweißung
Literaturstellen:
Schloms, G.: Intelligente Maschinensteuerung mit integrierter Rohstoffdatenbank am Beispiel der EPP- Verarbeitung. VDI-Kunststofftechnik,
Particle Foam 2000. VDI-Verlag. Düsseldorf, 2000
Ruthmann, H.: Automatisierungstechnik im Bereich Insert-Moulding. Particle
Foam 2003, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 2003.
Behrens, K.-H.: Energieeinsparung in der EPS-Formteilproduktion. Anwenderbericht über das LTH-Verfahren. Thermoplastische Partikelschaumstoffe:
Aktueller Stand und Perspektiven, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 1996.
Schloms, G.: Neue Maschinenentwicklung für die energiesparende Verarbeitung von EPP-Formteilen. Thermoplastische Partikelschaumstoffe: Aktueller
Stand und Perspektiven, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 1996
Kauffmann, A.: Formteil-Oberflächenqualität bei der Partkelschaumverarbeitung. Fraunhofer Demonstrationszentrum Formen für die Kunststoffverarbeitung. FoKus-Newsletter Ausgabe 01/2002.
Seite 56 von 57
Popelaars, J.: Textilhinterschäumte Innenverkleidungen aus EPP. Particle
Foam 2003, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 2003.
Kauffmann, A.; Eyerer P.: Particle Foams – Ways to Improve the Product
Quality. Polymer Processing Society PPS-21, 21st Annual Meeting Leipzig,
19.-21.Juni 2005
II.4
Geplante bzw. durchgeführte Veröffentlichungen der FE-Ergebnisse
Die im Rahmen dieses Vorhabens erarbeiteten F&E-Ergebnisse sind bereits veröffentlicht bzw. sollen wie nachfolgend aufgelistet veröffentlicht werden:
Particle Foams - Ways to improve the product quality.
Axel Kauffmann, Peter Eyerer
Fraunhofer-ICT Pfinztal (DE)
PPS-21, Leipzig, June 19-23, 2005
Newsletter des EU-Projekts RECIPE (Promoting the efficient use of energy)
http://www.eurecipe.com/RECIPENewsNo1.pdf
Verbesserung der Prozess- und Bauteilqualität - Neue Wege in der Partikelschaumverarbeitung.
Axel Kauffmann, Fraunhofer-ICT Pfinztal (DE), Kai Wacker, Wacker&Ziegler
GmbH, Mönsheim
Vortrag SKZ Würzburg, 26.Oktober 2005
Geplant zu energie-effizienter Werkzeugtechnologie im VDWF-Newsletter
3/2006.
Seite 57 von 57

Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen

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