Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen
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Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen
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. Seite 2 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 produkt- und 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 Seite 3 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ -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 Seite 4 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Seite 5 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Seite 6 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 %). Seite 7 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Seite 8 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Seite 9 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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. Seite 10 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Druckspannung bei 50% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kPa 160 330 510 780 Druckspannung bei 75% Stauchung 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 Druckverformungsrest 50%/22h/23°C/24h 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 Seite 11 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ Eigenschaft Normen Einheit FAWOCEL Rohdichte DIN 53 420 ISO 845 kg/m³ 25 40 50 60 80 Druckspannung bei 25% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kPa 95 175 210 270 450 Druckspannung bei 50% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kPa 170 285 340 440 700 680 Zugfestigkeit (ohne Schäumhaut) DIN 53 571 ISO 1798 kPa 300 430 440 450 Bruchdehnung DIN 53 571 ISO 1798 % 10 11 10 9 8 Druckverformungsrest 25%/22h/23°C/24h DIN 53 572 ISO 1856 % 11 9 9 10 10 Druckverformungsrest 50%/22h/23°C/24h 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 Wärmeleitfähigkeit ( ) bei 10°C 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 Druckspannung bei 10% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kPa 70 120 170 220 425 Elastizitäts- Modul DIN 53 421 ISO 844 MPa 3 4 7 9 14 Zugfestigkeit (ohne Schäumhaut) DIN 53 571 ISO 1798 kPa 230 300 380 450 750 Biegefestigkeit DIN 53 423 ISO 1209 kPa 140 240 350 420 850 Wärmeleitfähigkeit ( ) bei 10°C 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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“. Seite 13 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Keine sichtbare Veränderung 72 Keine sichtbare Veränderung 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 Leichte Geruchsbildung 432 Ausgeprägte Ablösung einzelner Partikeln versprödeten Materials Leichte Geruchsbildung 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ - 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ ⇒ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ Bild 17: Einsatz für Deckel (Rückansicht: Dampfkammerseite) Bild 18: Einsatz für Deckel (Kavität) Seite 26 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ Bild 19: Einsatz für Bodenplatte (Kavität) Bild 20: Einsatz für Bodenplatte (Kernseite) Seite 27 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ Bild 21: Beide Werkzeughälften für kurzes Seitenteil Bild 22: Beide Werkzeughälften für langes Seitenteil Seite 28 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ Bild 23: Formeinsatz für „Deckel“, Dampfkammerseite mit integrierter Kühlung Bild 24: Erste Formteile „Deckel“ hergestellt aus EPP Seite 29 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ • 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ • 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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. Seite 53 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Seite 54 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Seite 55 von 57 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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 Schlussbericht zu BMBF-Projekt „Thermo-Klappbox“ 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