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Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen-Partikelschaum (EPP) oder Expandiertem Polystyrol (EPS) als Mehrwegver-packung 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

Kennzeichen: 033049 Eingearbeitet die Teilberichte des Projektpartners:

Overath GmbH Lohmar

Auftragsbezeichnung:

Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen-Partikelschaum (EPP) oder Expandiertem Polystyrol (EPS) als Mehrwegverpackung mit optimierten thermischen Isoliereigenschaften

Projekt-Träger: Forschungszentrum Jülich PTJ, Außenstelle Berlin

Laufzeit des Auftrags: vom 1. März 2003 bis 28. Februar 2005

Berichtszeitraum: 1. März 2003 bis 28. Februar 2005 (Schlussbericht)

Datum, Unterschrift des Projektleiters

Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter den Förderkennzeichen 0330430 und 033049 gefördert.

Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

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I Kurzdarstellungen

I.1 Aufgabenstellung

Das beantragte Vorhaben war ausgerichtet auf die gezielte Umsetzung von Umweltinnovationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei der Kon-zeption, Herstellung und Anwendung von thermisch optimierten Isolierboxen. Die Idee einer klappbaren Mehrwegverpackung aus expandiertem Polypropy-len (EPP) oder expandiertem Polystyrol (EPS) für Kühl- und Wärmetransporte von thermosensiblen Gütern (Lebensmittel, Medikamente, etc.) sollte weitge-hend umgesetzt werden. Dabei waren ökologische Aspekte durch eine nach-haltige Mehrwegverpackung sowie wirtschaftliche Kriterien gleichermaßen zu berücksichtigen. Im Einzelnen handelte es sich dabei um folgende Aufgaben-stellungen:

• Entwicklung einer nachhaltigen und lebensdaueroptimierten Thermo-Klapp-box mit den Teilzielen „kreislaufgerechte“ und „umweltgerechte“ Produkt- und Prozessmodifikation

• Gestaltung einer logistikgerechten Klappanordnung mit produkt- und pro-zessintegrierbaren 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 umfassen-des 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, Partikelschaumstoff-verarbeitung, Logistik, Anlagentechnik und Qualitätssicherung zu vereinen

Fraunhofer ICT Das Fraunhofer ICT unter Leitung von Professor Peter Eyerer verfügt über er-hebliche Kompetenzen auf den Gebieten Umwelttechnik, Materialforschung (v. a. bei Polymeren), Fertigungstechnik und Kreislaufwirtschaft. So wurden zahlreiche Projekte mit experimentellem Charakter für industrielle Auftragge-ber zur umweltverträglichen Material- und Produktentwicklung sowie


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-herstellung, Produktreinigung, Verwertung von Problemstoffen, Verbund-werkstoffen und gebrauchten Produkten durchgeführt. Beispiele hierfür sind Armaturentafeln, Leiterplatten, Verbundverpackungen, Elektrogeräte, Medi-zinartikel sowie Chemikalien. Darüber hinaus wurden insbesondere Projekte zur Konstruktion und Herstellung von Polymer- und Verbund-Bauteilen durch-geführt. 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 Parti-kelschaumstoff (EPS, EPP). Seit 1997 befindet sich am Fraunhofer ICT eine Au-ßenstelle des FhG-Demonstrationszentrums ”Produktkreisläufe elektrischer und elektronischer Produkte”, und seit 1999 das BMBF-Entwicklungs- und De-monstrationszentrum 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 Schwe-den, 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 Automobil-formteile zum Produktespektrum von Fagerdala Deutschland. Die Fagerdala-Gruppe hat sich innerhalb von 5 Jahren seit Einstieg in den EPP-Sektor zum eu-ropäischen Marktführer für EPP-Produkte entwickelt und ist als Technologie-führer auf dem Bereich der Polypropylenschäume zu benennen. Eine herausra-gende Besonderheit der Fagerdala Deutschland ist beispielsweise die Vereini-gung von Rohstoffhersteller und Verarbeiter in einem Unternehmen. Fagerdala Deutschland ist weltweit das einzige Unternehmen, das Polypropylen-Partikel-schäume im Autoklav- und Extrusionsprozess herstellen kann. Mit dem Extrusi-onsverfahren hat sich der Geschäftsbereich Verpackung/Logistik neue Markt-anteile erobert, da sich durch Mehrwegverpackungen aus EPP in unterschiedli-chen 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 Gesamt-umsatzes mit Isolierboxen die unter dem Handelsnamen Thermoklipper und Thermokuli in Deutschland, Spanien, Italien, Frankreich, Benelux und Skandi-navien 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 Formteile-Markt.

Overath GmbH Mitte der 80er Jahre begann die Overath GmbH die ersten Eigenentwicklun-gen im Bereich von Packschaumwolle und stellte die Weichen in Richtung Schaumstoffverarbeitung. Heute prägen innovatives Potential, technische Kompetenz und die Erfahrung aus vielfältiger Aufgabenstellung die Verpa-ckungskonzepte 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


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 Unternehmensgrün-dern 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 Exis-tenzgründerwettbewerben 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 For-schung 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 erläu-tern

I.3 Planung und Ablauf des Vorhabens

Die im Rahmen des durchgeführten Vorhabens abgearbeiteten Haupt-Arbeits-schritte betrafen

• die Produktentwicklung und -optimierung (Arbeitspunkt AP1)

• die Prozessentwicklung und Produktion von seriennahen Prototypen (AP2)

• die Kreislaufführung und Nutzung von Thermo-Klappboxen (AP 3) sowie

• die Querschnittsaufgaben des Projektmanagements (AP 4).

Im Folgenden sind die Arbeitspunkte näher erläutert während die einzelnen Teilschritte in Tabelle A1 im Anhang aufgelistet sind.

AP1: Packstoff- und Produktentwicklung sowie Optimierung Bis heute werden keine thermisch isolierenden Behälter für Lebensmittel oder

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Pharmaka in der Mehrwegnutzung über Pools im Kreislauf geführt. Die Wie-derverwendbarkeit spielte daher als systematisches Entwicklungsziel eine über-geordnete Rolle. Aufbauend auf den Erfahrungen aus der Partikelschaumstoff-verarbeitung und der Logistik-Dienstleistung sollten Thermoboxen konstruktiv so weiterentwickelt werden, dass sie den produktspezifischen und den für ei-nen 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 verallge-meinerten Leitfaden zur nachhaltigen Herstellung von Bauteilen aus Partikel-schaumstoff entstehen. Der entscheidende Fertigungsschritt bei der Herstel-lung von mehrwegtauglichen Thermo-Klappboxen ist die Integration von Scharnierelementen. Zur Klärung dieser Fragestellung auch im Hinblick auf die Reinigungs- und Kreislauffähigkeit wurden zuerst grundlegende Untersuchun-gen an Modellkörpern im Labormaßstab durchgeführt.

AP 3: Kreislaufführung und Nutzung von Thermo-Klappboxen Die Nutzungsphase der Thermo-Klappbox verbindet Produktions- und Entsor-gungsphase. Es wurde mit diesem Vorhaben angestrebt, über ein Mehrweg-System die klappbaren Thermobehälter möglichst lange in der Nutzungsphase zu halten, um Ressourcen zu schonen. Hauptansatzpunkt hierfür ist die Ent-wicklung eines neuen Servicekonzepts. Verschiedene Maßnahmen der Integra-tion 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 ge-währleisten. 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. Dane-ben gibt es ebenfalls eine Vielzahl von Anbietern „passiver“ Kühlboxen, wel-che je nach Anwendung mit oder ohne Kühlakkus bzw. Eis/Trockeneis betrie-ben werden. Dazu gehört u. a. der Thermo-Clipper, welcher von Fa. Fagerdala hergestellt und von Fa. Overath vertrieben wird. Solche Behälter sind aller-dings weder klappfähig noch zerlegbar und daher für Mehrwegtransporte thermisch empfindlicher Güter aus logistischer Sicht wenig geeignet. Alle bis-lang am Markt eingeführten Mehrweg-Klappboxen zeigen dagegen auch mit


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gewellten oder blasgeformten Seitenwänden unzureichende thermische Eigen-schaften (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 Produkt-spektrums eine Kombination klappbarer Behältnisse (Kunststoffklappbox, Falt-karton, 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 Ver-packungsmittels führt.

Unter diversen Kombinationen der Schlagworte „klappbarer, faltbarer, oder zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter oder Box“ sowie unter den ent-sprechenden Patentklassifizierschlüsseln werden ca. 60 Deutsche, ca. 15 euro-päische 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 Verpackungs-systeme. Der Anteil dieser beiden Produktgruppen an der Gesamttrefferzahl ist größer 50 %. Daneben finden sich nicht raumsparend zerlegbare Kühlbo-xen, nur gering isolierende Klappboxen, Temperierbehälter mit Vakuumpa-neelen 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 di-rekt werkstoff-, gewichts- und kostensparend aus Partikelschaumstoff aufge-baut sind. Mit Schaumstoff als Isolationsmaterial sind bei den in den vorlie-genden Patenten beschriebenen Produkten allenfalls die Innenwände ausge-kleidet oder der Innenraum bei hohlwandigen Behältern aufgefüllt.

Prozessentwicklung Formteilwerkzeuge werden nach Stand der Technik innerhalb einer Dampf-kammer eingesetzt und mit gesättigtem Wasserdampf durch Dampfdüsen durchdrungen. Der Dampf dient zum Verschweißen der Schaumpartikel unter-einander, welche sich in der Werkzeugkavität befinden. Die Kühlung des Formteiles erfolgt durch Aufsprühen von Kühlwasser auf die Werkzeugrück-wand, Bild 2. Der Energieverbrauch zur Aufheizung der Schaumpartikelober-fläche beträgt nur einen Bruchteil dessen, was zur Aufheizung der Dampf-kammer und Werkzeugmasse inklusive der Dampfzuführungsrohre benötigt wird. Der Wirkungsgrad beträgt somit weit weniger als ein Prozent (~ 0,4 %).


Dampfkammer (Bes tandteil der Maschine)

Werkzeug Haubenseitemit F üllerplatte(Dampfkammerrückwand)

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F üllinjektor

BedüsteWandung

haubenseitige Kühlungis t Bes tandteil desWerkzeugsAbstützung

Werkzeug Kernseite

kernseitige Kühlung(Bes tandteil der Maschine)

Bild 2: Schematischer Aufbau eines Partikelschaumstoff-Werkzeugs

Ein 1994 veröffentlichtes Verfahren (Patentoffenlegung DE 4236081A1) be-schreibt daher einen Werkzeugaufbau, der durch thermische Isolation die Auf-heizung der Dampfkammer verhindert. Die sogenannten LTH (Low Tempera-ture Horizontal)-Werkzeuge werden in Maschinen nach Stand der Technik ein-gesetzt, wobei die Dampfkammer ihre eigentliche Funktion nicht mehr ausübt. Die Isolierung der Formteilwerkzeuge erfolgt mit einer polymeren Isolations-schicht, die jedoch aufgrund ihrer begrenzten Temperaturbeständigkeit ledig-lich zur Verarbeitung von EPS-Partikelschaum geeignet sind. Desweiteren be-steht die Werkzeugkavität aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material, wes-halb durch mangelnden Wärmeeintrag die Oberflächenrauhigkeit des Partikel-schaumformteiles 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 Herstel-lung von Formteiloberflächen, die nicht mehr die typischen Dampfdüsenab-drücke 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 Formteil-werkzeugen mittels Rapid-Prototyping-Verfahren. Sowohl die eingesetzten Ste-reolithographieharze als auch Silikonharze reichen weder thermisch noch me-chanisch 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. Kennzeich-nend sind ein dampfkammerloser Aufbau und die Integration des Dampfver-teilungssystems innerhalb des Werkzeuges. Durch die erhebliche Reduzierung der Massen, welche die gesamte Temperaturdifferenz durchlaufen, wird die er-forderliche Wärmemenge pro Zyklus reduziert. Weiterhin kennzeichnend für


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den erfindungsgemäßen Aufbau des Formteilautomaten ist die Kraftaufnahme der durch den Dampfdruck entstehenden Kräfte über eine Werkzeugverriege-lung, der holmlose Aufbau und die Möglichkeit einer integrierten Dampfer-zeugung.

Patent Anmelder Titel Produkte DE 4028276 A1 Walter Grafunder Mehrwegversandschachtel mit Rahmen für Wechseleti-

ketten und markier- oder codierbaren Versiegelungs-etikett

DE 4117663 A1 Focke & Co. Faltbehälter DE 9410670 U1 Karl-Heinz Hayduk Kühlbehälter zur Lagerung von Getränken und Lebens-

mitteln DE 19527465 C2 Bayerisches Zent-

rum für angew. Energieforschung

Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter, insbeson-dere für einen Latentwärmespeicher oder für eine Kühlbox

DE 19611027 A1 Schoeller Plast Transportbehälter

Thermobehälter

DE 19807170 A1 Globus Betriebe Tragbare Box DE 200 02 541 U1 Heinrich Dohmann Kühlbehältnis DE 29611528 U1 Gefinex Mehrweg-Transportbehälter DE 29701203 U1 Globus Betriebe Haushaltskühlbox EP 0297810 B1 Norsk Hydro Improvements in and relating to boxes for the transpor-

tation of fresh fish and meat EP 1095586 A1 New Interplast SpA Thermally insulated container of the portable type US 3987924 Mark Uitz Plastic container US 5558241 A Temp Top

Container Systems Cryo transport chamber

US 5711444 A Temp Top Container Systems

Transport chamber

US 5992664 A Globus Betriebe Portable box US 6041958 A Enthalpy S.A. Insulating foldable box for transportation and

packaging purposes US 6220473 A Thermo Solutions Collapsible vacuum panel container Prozesse DE 4236081 A1 Kurtz-Eisenhammer Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus ge-

schäumtem Kunststoff und Form zur Ausübung dieses Verfahrens

DE19500601 C2

Walter Notar Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Form-teilen aus geschäumtem Kunststoff sowie deren Ver-wendung

DE19744165 C2

Fraunhofer ICT Werkzeug zum Herstellen eines Partikelschaumstoff-Formkörpers und Verfahren zur Herstellung eines sol-chen Werkzeuges

EP0720528 B1 Dynamit Nobel Kunststoff GmbH

Verfahren zum Herstellen von Artikeln aus EPP-Schaum

DE102004004657A1 Wacker & Ziegler Energieeffizienter Formteilautomat mit integrierter Dampferzeugung

Tabelle 1: Relevante Patente und und Gebrauchsmuster


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I.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen

Durch die Ziele des Projektes „Thermo-Klappbox“ ergab sich zwangsläufig eine Zusammenarbeit mit Industrieorganisationen und –verbänden (Verband der deutschen Werkzeug- und Formenbauer VDWF, Fachverband Schaumkunst-stoffe FKS , Industrieverband Kunststoffverpackungen IK), mit Forschungsor-ganisationen (Fraunhofer-Allianzen Leichtbau, Fraunhofer Demonstrationszent-rum 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 asso-ziierten Projektpartnern, wie Fa. JSP (Partikelschaumstoffhersteller) und Fa. Deuschle (Werkzeugbauer) gepflegt. Ferner besteht eine enge Zusammenar-beit 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 be-richten. Zusätzlich wurde ein weiteres EU-Netzwerk „Reducing Energy Con-sumption in Plastics Engineering“ genutzt, um auf Teilergebnisse aus dem vor-liegenden Projekt hinzuweisen.


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II Eingehende Darstellung

II.1 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 Herstel-lung. Vestocell wird in einem Autoklaven unter Beaufschlagung von PP-Mikro-granulat mit Treibmittel und Inertgas hergestellt. Zur Herstellung von extrusi-onsgeschäumten Fawocel wird Polypropylen unter Zugabe von Treibmitteln in einem Extruder plastifiziert und die an einer Lochplatte am Düsenausgang auf-schäumenden Schmelzestränge über eine Schneideinrichtung zu Partikeln ab-geschlagen.

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 Einheit VESTOCELL®

VESTOCELL®- Materialtyp - - 2000 2000 3000 4000

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



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

Formbeständigkeit in der Wärme DIN 53 424 °C 110 110 110 110

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 in Anlehnung an DIN 53 428 ISO 2896 Vol-% < 2,0 < 2,0 < 2,0 < 2,0

- Unvernetzter, FCKW- und halogenfrei geschäumter, nach dem Autoklav-Verfahren hergestellter Polypropylen-Partikelschaumstoff (EPP)

- Temperaturbeständigkeit von –40°C bis 110°C

- Gute Beständigkeit gegenüber Lösungsmitteln, Treibstoffen und Chemikalien

- 100% recyclebar, physiologisch unbedenklich, Cadmium- frei

Tabelle 2: Eigenschaften von Formteilen aus Vestocell


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Eigenschaft Normen Einheit FAWOCEL

Rohdichte DIN 53 420 ISO 845 kg/m³ 25 40 50 60 80

Druckspannung bei 25% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kPa 95 175 210 270 450


Zugfestigkeit (ohne Schäumhaut) DIN 53 571 ISO 1798 kPa 300 430 440 450 680

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 % 27 25 24 23 25

Polsterfaktor Coptimum DIN ISO 4651 - 2,7 2,5 2,6 2,6 3,2

Stoßenergieaufnahmevermögen 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 - - - -

Brenngeschwindigkeit (Dicke 13mm) DIN 75 200 FMVSS302 mm/min <75 <75 <75 <75 <75

Wasseraufnahme 24 h in Anlehnung an DIN 53 428 ISO 2896 Vol-% 2 1 1 1 0,5

- 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


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 W / (m K) 0,037 0,034 0,033 0,032 0,033

Spezifische Wärmekapazität DIN 53 765 kJ / (kg K) 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Wasseraufnahme nach 7 Tagen DIN 53 434 ISO 2896 Vol.- % 1 1 1 1 1

Wasseraufnahme nach 28 Tagen 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 Verbundsys-teme mit verschiedenen Beschichtungssystemen untersucht und weiterentwi-ckelt werden. Bild 2 zeigt als Beispiel den Verbundwerkstoff FawoTop auf Basis von Fawocel.


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 erzie-lende 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 kom-men die Material-Typen Vestocell und Fawocel. Die hier verwendeten Materia-lien 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 Wärmeleitfähigkeitsmessun-gen ebener Platten mit einer Dicke bis 10 cm eingesetzt, Bild 3. Das Gerät bes-timmt Wärmeleitfähigkeiten gemäß ASTM C518 „Thermal Conductivity by means of the Heat Flow Meter“.

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Bild 3: Wärmeleitfähigkeitsmessgerät mit Kühlaggregat

Die Wärmeleitfähigkeit von plattenförmigen Proben wird hierbei durch Messen der Wärmestromdichte mittels Wärmestrommesser und der Temperaturdiffe-renz im stationären Zustand sowie der Probendicke bestimmt. Die zu mes-sende 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)

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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:

( )( ) ( ) TXQ

TXQ

cc

cc Δ⋅Δ⋅

Δ⋅Δ⋅⋅= λλ

Die Werte mit Index c gehören zur Kalibrierprobe; die anderen zu der zu mes-senden Probe. Entsprechend der Wandstärke der aufzubauenden Thermo-klappbox wurden EPP-Platten mit einer Dicke von 25 mm untersucht. Ziel der Untersuchungen war es den Einfluss der Formteildichte und der Probentempe-ratur auf die Wärmeleitfähigkeit festzustellen, Bild 5.

0,035

0,037

0,039

0,041

0,043

0,045

0,047

10 20 30 40 50 60 70

mittlere Probentemperatur [°C]

52 g/l

59 g/l

66 g/l

Bild 5: Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Probentemperatur und Dichte bei EPP (Vestocell 3000)

Aus den Kurven wird ersichtlich, dass zumindest im untersuchten Dichtebe-reich die Dichte keinen signifikanten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit auf-weist, 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 Be-leuchtungsstärke von 120.000 lux bei einer Gesamtbestrahlungsstärke von 910 W/m², was einen Zeitraffereffekt bezüglich der natürlichen Sonnenstrah-lung 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.

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Generell wurde mit zunehmender Formteildichte eine verbesserte UV-Bestän-digkeit festgestellt. Die Auswirkungen der UV-Bestrahlung wirken sich jedoch nur auf oberflächennahe Bereiche aus wobei für die mechanischen Eigenschaf-ten von EPP-Formteilen mit den hier relevanten Dicken keine signifikanten Än-derungen 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 ge-eignete Oberflächenbeschichtung zu vermeiden ist, Tabelle 5.

Bestrahlungszeit [h] Schädigungsmerkmale

24 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 Mate-rials

Leichte Geruchsbildung

360 Ausgeprägte Ablösung einzelner Partikeln ver-sprödeten Materials


432 Ausgeprägte Ablösung einzelner Partikeln ver-sprödeten Materials


Tabelle 5: Schädigungsmerkmale der bestrahlten EPP-Proben

II.1.1.5 Kreislauffähigkeit der Werkstoffe

Die Wiederverwertung der Werkstoffe Polypropylen-Partikelschaum (EPP) und expandiertem Polystyrol (EPS) ist über verschiedene Wege gewährleistet.

1. Zerkleinerung der EPS-/EPP-Formteile in einer Schneidmühle und anschlie-ßende „Verrundung“ der Partikel unter Wirkung von Wärme und mecha-nischer 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


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Einsatzmöglichkeiten für EPP - Beimischung zum Neumaterial für die Formteilherstellung

2. Zerkleinerung der EPS-/EPP-Formteile in einer Schneidmühle und Plastifizie-rung im Extrusionsprozess - Herstellung von PS-/PP-Halbzeugen im Extrusionsprozess - Herstellung von PS-/PP-Granulat und Weiterverarbeitung zu PS-/PP-

Produkten oder Schaumstoffpartikeln (im Autoklavprozess) - Direkte Weiterverarbeitung zu PS-/PP-Schaumstoffpartikel im Extrusi-

onsprozess 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 500°C 600°C

CO-Hb % Exitus CO-Hb % Exitus CO-Hb % Exitus CO-Hb % Exitus

Polystyrol-Schaum <15 0/12 <15 0/12 <15 0/12 29 0/12

Expandierter Kork <15 0/12 88 12/12 86 12/12 83 12/12

Kiefernholz <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). Expositions-zeit 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 senkrech-ten Kanten gerichtet. Dabei wurden vor allem folgende Anforderungen be-rücksichtigt:

- Gute Wärmedämmung

- Große Volumenreduzierung im nicht befüllten Zustand

- Monostoffsystem

- Kreislauffähigkeit

- Erfüllung der hygienischen Anforderungen


- Gute und sichere Stapelbarkeit (zusammen- und aufgeklappt)

- Tragekomfort

- Dichtheit

Die einzelnen Teillösungen wurden von mehreren Personen unabhängig be-wertet. 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 Marktfähig-keit wurde bei den Scharnieren ein EPP-Kugelscharnier ausgewählt. Durch konstruktive Maßnahmen konnten die Nachteile des Kugelscharniers hinsicht-lich der Kraftübertragung ausgeräumt werden. Durch einen zusätzlichen Hin-terschnitt 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 Zu-stand

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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 Kraftübertra-gung (Bodenplatte-Wand) wurden entkoppelt (siehe Bild 9).

Oberfläche:

- Eine komplett verhautete Oberfläche ist im Serienprozess nicht herstellbar.

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⇒ Zur Gewährleistung einer abriebfesten und leicht reinigungsfähigen Oberfläche werden anstelle bedüster Werkzeugoberflächen feinporige Werkzeug-Oberflächen eingesetzt, die eine nahezu geschlossene EPP-Haut erzeugen

Dichtigkeit:

- Aufgrund des Klappmechanismus ist keine 100%ige Dichtigkeit der Box gegeben

⇒ Die Dichtigkeit gegen z.B. Tauwasser wird zum einen über die Ausfor-mung einer Bodenwanne erreicht. Des weiteren wird die Box so gestal-tet, dass bei Bedarf nachträglich ein separates Innenteil (Inlay) einge-bracht 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 Ver-gleich werden die erste Version der Thermo-Klappbox und die endgültige Ver-sion 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 ausge-führt. Aufgrund dieser Ausführung der Klappbox in Verbindung mit der in Ab-schnitt II.1.5 beschriebenen Werkzeug- und Anlagentechnik lässt sich eine umweltgerechte Fertigung realisieren.

Die Herstellung von Bauteilen aus Partikelschaumstoff erfolgt im Formteilpro-zess über Aufschmelzen der Oberfläche der Schaumpartikel mit Heißdampf und der Verschweißung der Partikel untereinander. Während eines Formteil-zyklus (der ca. 1 – 3 Minuten dauert) wird dabei die gesamte Dampfkammer-masse 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 abge-kühlt. Im herkömmlichen Prozess liegt der für das Verschweißen der Schaum-partikel benötigte Energieaufwand weit unter 1 % des tatsächlich eingesetzten Energieaufwandes. Der Energieaufwand bei der herkömmlichen Formteilher-stellung kann damit bis zu 30 % des Formteilpreises betragen1.

1 Studie Fa. Erlenbach


Konstruktion für 1. Prototyp (siehe auch Bild 10)

Optimierte Konstruktion für 2. Prototyp und Werkzeugkonstruktion

Modifikationen/Optimierungen: - Verbesserung des Packmaßes durch

angepasste Maße

- Änderung der Griffmulde

- Verstärkung von Ecken und Boden-bereich

- Ausformung einer Bodenwanne

- Verstärkung im Scharnierbereich

- Größere Radien

Bild 9: 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 we-sentlich 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 ferti-gungstechnischen Verbesserungen sind in Abschnitt II.1.5 beschrieben.

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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 erstell-ten CAD-Zeichnungen bei der Firma Fagerdala auf einer CNC-Fräsmaschine.

Bild 10: Einzelteile der Thermo-Klappbox

Bild 11: Thermo-Klappbox zusammengebaut

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Bild 12: Thermo-Klappbox zusammengeklappt (mit und ohne Deckel)

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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 Neukon-struktion sämtlicher Werkzeuge und Vorrichtungen

Zur Fertigung der Thermoklappbox wurde das von Wacker & Ziegler entwickel-te vollkommen neue Werkzeug- und Anlagenkonzept angewandt um den Formteilherstellungsprozess deutlich energieeffizienter zu gestalten, Bild 15.


Dabei werden durch das neue Konzept der Wacker & Ziegler folgende Punkte grundlegend verbessert:

• Verringerung der Werkzeugmasse durch eine neue Werkzeugtech-nologie, bei welcher die massiven gefrästen oder gegossenen Werkzeugwandungen ersetzt werden (künftig durch LOM2- 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:

Partikelschaum (EPP, EPS)

Aufspannrahmen FestseiteAufspannrahmen Fahrseite

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Fülleinrichtung

Werkzeug (Al, St, ...)

Isolation

Dampfzuführung Dampfzuführung

KondensatableitungKondensatableitung

Abstützungen

Kühlwasserzuführung

Bild 15: Neu entwickeltes Werkzeugkonzept der Fa. Wacker & Ziegler


Bisherige Werkzeugtechnik

Dampfkammer (Bestandteil der Maschine)

Werkzeug Haubenseitemit F üllerplatte(Dampfkammerrückwand)

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F üllinjektor

BedüsteWandung

haubenseitige Kühlungis t Bes tandteil desWerkzeugsAbstützung

Werkzeug Kernseite

kernseitige Kühlung(Bestandteil der Maschine)

Bild 16: Bisheriger Stand der Werkzeugtechnik in der Partikelschaum-stoffverarbeitung

II.1.4.2 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


Bild 17: Einsatz für Deckel (Rückansicht: Dampfkammerseite)

Bild 18: Einsatz für Deckel (Kavität)

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Bild 19: Einsatz für Bodenplatte (Kavität)

Bild 20: Einsatz für Bodenplatte (Kernseite)

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Bild 21: Beide Werkzeughälften für kurzes Seitenteil

Bild 22: Beide Werkzeughälften für langes Seitenteil

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Bild 23: Formeinsatz für „Deckel“, Dampfkammerseite mit integrierter Kühlung

Bild 24: Erste Formteile „Deckel“ hergestellt aus EPP

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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 effi-zienter zu gestalten. Dabei wurden durch das neue Konzept folgende Punkte grundlegend verbessert:

• Verringerung der Werkzeugmasse durch Verwendung dünnwandi-ger Einsätze (z.B. auch LOM3-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.

3 Laminated Object Manufacturing

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• 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 fol-gende Vorteile:

Kosteneinsparung: - geringer Invest, Bild 26 - geringer Energieverbrauch (bis zu 80% Energieeinsparung)

25%

20%

35%

20%

Abschreibungen Materialkosten

Personalkosten Energiekosten

16%

13%15%

21%

35%

Abschreibungen Materialkosten Personalkosten

Energiekosten Kostenvorteil mit W&Z-Maschinen

EPP-Teil, hergestellt auf Wettbewerbsmaschine

EPP-Teil, hergestellt auf W&Z-Automat

25%

20%

35%

20%



16%

13%15%

21%

35%



25%

20%

35%

20%



16%

13%15%

21%

35%



16%

13%15%

21%

35%



EPP-Teil, hergestellt auf Wettbewerbsmaschine

EPP-Teil, hergestellt auf W&Z-Automat

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

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10m

5m

Beispielhaftes Layout einer EPP-Fertigungseinheit

10m

5m

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

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Bild 28: Bildschirmansicht der Kontrolleinheit

Abmessungen

ca. 700 kgca. 600 kgGewicht

ca. 2500x1400x2500 mm³

ca. 2300x1200x2500 mm³

Abmasse (LxBxH)

ca. 800 mmca. 600 mmHub

600x800 mm²400x600 mm²Aufspannfläche

WZ68WZ46

ca. 700 kgca. 600 kgGewicht

ca. 2500x1400x2500 mm³

ca. 2300x1200x2500 mm³

Abmasse (LxBxH)

ca. 800 mmca. 600 mmHub

600x800 mm²400x600 mm²Aufspannfläche

WZ68WZ46

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

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Bild 29: Prototyp des neu entwickelten Formteilautomaten

II.1.5.2 Umrüstung einer Produktionsanlage und Optimierung des Produktions-prozesses

Bereits ein nur in ersten Ansätzen optimiertes, überwiegend konventionell aufgebautes Werkzeug konnte das Energieeinsparungspotential der W&Z-Technologie beweisen: Die Herstellung von 4 EPS-Formteilen mit einem Bau-teil-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 be-trägt im Moment ca. 45 s.

Nach Abschluss der Inbetriebnahme anhand von EPS-Formteilen konnte nach den für die Verarbeitung notwendigen Umrüstungen das Energieeinsparpoten-tial auch bei EPP-Formteilen bestätigt werden.

II.1.5.3 Erstellung eines verallgemeinerten Leitfadens zur umweltgerechten Partikel-schaumstoffverarbeitung

Die allgemeinen Gestaltungsrichtlinien können unterteilt werden nach ökologi-schen, funktionellen, verarbeitungstechnischen und werkstofflichen Gesichts-punkten, Tabelle 8.

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Funktion Verarbeitung Werkstoff

- Stoß- bzw. Energieabsorption

- max./min. Dimensionie-rung

- Wandstärken

- Optik - Geometrische Komplexi-tät

- Schwindverhalten

- Schallabsorption - Hinterschnitte, Hohl-räume

- 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 Um-fang durch kleinere Schüttdichten, Druckbeladung und entsprechende Wand-dickensprünge erreicht werden. Umgekehrt bedeutet dies, daß bei der Gestal-tung von Bauteilen mit einer hohen Formteildichte oder bei Verwendung von kleinen Partikeldurchmessern (beispielsweise für filigrane Teilbereiche) die klei-nere maximal mögliche Dicke des Bauteils beachtet werden muss.

Minimale Bauteildicken / Stege

Minimale Bauteildicken sind vom Durchmesser der Schaumstoffpartikel abhän-gig. Sie liegen zwischen 3 und 4 mm. Durch hohe Staudrücke oder Crackspalt-verfahren (nachträgliches Heißpressen) kann die Bauteildicke weiter gesenkt werden. Mechanisch beanspruchte Bereiche müssen häufig größere Durch-messer 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 insbe-sondere bezüglich Symmetrie, Maßtoleranz und Optik problematisch. Steht das entsprechende Formteil oder der Formteilabschnitt während des Gebrau-ches nicht unter Formzwang, ist dies bereits bei der Gestaltung zu berücksich-tigen.


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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. Schiebe-dachleisten), 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 Ver-schweißung in den Mittelbereichen der dickeren Bereiche, jedoch unter Beach-tung der thermischen Unversehrtheit der dünneren Bereiche. Des Weiteren können die ungleichen Schwindwerte zu unerwünschter Verzugsneigung füh-ren. Schwankungen in der Dichteverteilung durch ungleichmäßige Befüllung ist Hauptursache für den Verzug von Bauteilen mit extremen Wanddicken-schwankungen. 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 einzel-nen 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,


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ist die Länge so zu beschränken, daß keine Schädigung durch Anhaften der Partikel am ungekühlten Werkzeugsteg oder durch Biegekräfte bei der Befül-lung und Entformung entstehen. Die Beachtung der Entformungsrichtung zur Vermeidung von Hinterschnitten ist selbstredend.

Schaumstoffe besitzen eine Vielzahl an funktionellen Eigenschaften, die viel-fach nur einfach verwendet werden. Durch gestalterische bzw. anwendungs-orientierte 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 Träger-werkstoffe

Gehäuse von Klimagerä-ten Selbsttragendes Verklei-dungsteil

Energie- bzw. Stoßabsorp-tion

Polsterung um oder zwi-schen Transportgütern

Ladungsträger, Crashpad im Stoßfänger

Isolation:

thermisch oder elektrisch

Schutz gegenüber Wärme, Kälte und elektr. Spannung

Boiler- und Armaturen-gehäuse Getränkekühler

Logistische Funktion (Mar-kierung durch Farbgebung, Aufdruck oder Einprägung)

Kennzeichnung eines Packgutes, eines Gegens-tandes oder seiner selbst

Eingefärbte oder mehr-farbige Ladungsträger

Haptik Softtouch und Wärme-anmutung (durch ge-ringe Temperaturleitfä-higkeit)

Griffschalen für Sportge-räte

Schallabsorption von externen oder inter-nen (Strömungs-) Geräu-schen

Schallabsorber in Hohl-trägern Distanz- und Füllstücke

Montagefreundlichkeit formschlüssiger Verbund Klips oder Spannele-mente

Gewichtsreduzierung Schaumstoffstruktur Träger aus Partikel-schaumstoff

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 hochwirk-same Wärmedämmung, Tabelle 9. Bild 30 zeigt ein Formteil, das multifunktio-nell ausgelegt ist, indem es sowohl dämpfende, schallisolierende, gewichtsspe-zifische als auch luftführende Funktionen ausführt. Es dient als formschlüssige Platinen- und Komponentenaufnahme innerhalb eines Gerätegehäuses.


Weitere Vorteile des patentierten Innenraumkonzeptes für elektronische Bau-teile in Gerätegehäusen sind:

Reduzierung der Teilevielfalt (33% Materialkosteneinsparung)

Reduzierung der Montagekosten (60% weniger Werkzeugkosten)

Einfache, intuitive Montage (entspricht dem TQM durch weniger Montage-fehler)

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.

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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 Kennzeich-nung der Transportboxen denkbar:

- Nachträgliches Anbringen durch Aufkleben, Stecken etc.

- An- bzw. Umschäumen des Informationsträgers im Herstellungsprozess der Klappbox

II.1.6.2 Barcode/Strichcode

Zur Registrierung/Erfassung Auslesen von Barcode/Strichcode werden verschie-dene 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.)


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• 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 Etiket-ten

• Automatische Identifikation von strichcodierten Paketen, Paletten, Behäl-tern 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


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II.1.6.3 Transponder und Radio Frequency Identifications Device RFID

Ein Blick auf einschlägige Internetseiten zeigt, dass kommunikative Verpackun-gen „im Kommen“ sind. Kommunikative Verpackungen können einem Lese-gerät eine Mitteilung machen oder eine von außen kommende Nachricht ab-speichern. 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 er-laubt 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 individu-elle 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 Informations- und Warenfluss durch Kommunikation zwischen Kernsystemen und Ware syn-chronisieren.

Man unterscheidet aktive und passive RFID tags. Passive RFID tags haben keine eigene Energieversorgung und eignen sich deshalb nur zum „Gelesen wer-den“. 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 einsetz-bar. Ferner ermöglichen aktive RFID zusätzliche Funktionen wie die Tempera-turüberwachung bei verpacktem Frischfleisch. Dazu wird ein getaktetes Ther-moelement mit einem Transponder kombiniert, der die gesendeten Tempera-turdaten mit dem eingestellten Grenzwert vergleicht und Überschreibungsbe-funde 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 Technolo-gien (z.B. Halbleiterpolymere) ein Preisziel von wenigen Cent zu erreichen.


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 Ge-schäftsdaten, 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 Kommunikations-verfahren ausgetauscht werden.

Als strukturierte Geschäftsdaten werden alle Informationen bezeichnet, die sich in Form von Formularen abbilden lassen und zwischen Geschäftspartnern,

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Banken und Behörden ausgetauscht werden können. Dies sind u. a. Rechnun-gen, 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 (Electro-nic Data Interchange For Administration, Commerce and Transport) stellt dabei den weltweit gültigen, branchenübergreifenden Standard der Vereinten Nati-onen 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 Kundenbin-dung

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-Daten-austausches sichern und steigern die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen. Sie ermöglichen einen langfristigen Erhalt der Wettbewerbsfähigkeit. Die posi-tiven Effekte des EDI-Einsatzes betreffen dabei sämtliche Unternehmensberei-che von der Beschaffung über die Produktion bis hin zum Marketing.


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XML als Durchbruch für EDI

Der zwischenbetriebliche Austausch von Geschäftsdokumenten – wie Bestel-lungen, Rechnungen, Lieferscheinen – durch die Anwendung von EDI ist eine Technologie, die Dank offener und branchenübergreifender Standards inzwi-schen von Behörden, Industrie-, Handel- und Dienstleistungsunternehmen in der ganzen Welt eingesetzt wird. Betrachtet man jedoch die tatsächliche An-zahl existierender EDI-Verbindungen in Deutschland, erkennt man in vielen Branchen das gleiche Dilemma. Marktstarke EDI-Anwender möchten in mög-lichst kurzer Zeit mit vielen Geschäftspartnern elektronischen Datenaustausch betreiben. Im Geschäftsverkehr mit den Top 20 Prozent der Kunden und Liefe-ranten 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 Unterneh-men 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 Un-ternehmen nur mit einem einzigen Partner EDI-Daten aus, kann sich diese Ein-stiegsinvestition 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 Voraussetzun-gen, 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 Zu-gangsmöglichkeiten 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 gewährleis-ten,

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 Ge-schäftspartnern die Vorteile des elektronischen Geschäftsverkehrs zu erschlie-ßen und die komplette Kommunikati-on des Unternehmens theoretisch über eine einzige elektronische Schnittstelle abzuwickeln.


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 Kommunika-tion 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 Rechnungs-daten verwenden, Bild 32. Unter Nutzung des klassischen Kommunikations-weges X.400 werden die Daten zu einem XML/EDI-Server gesendet. Auf die-sem 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 Empfän-gern 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 Auf-bau der Kommunikationsverbindung ein Online-Betrieb nötig ist, sind neben den technischen Voraussetzungen auch die Kommunikationskosten gering.

Bestandsdaten

Klappboxen-Hersteller

Logistik/Distribution

Logistikpartner-unternehmen

ERP-System:Mikrosoft Navision XALFinanzenProjektmanagementProduktionLagerHandelE-Commerce

MES-System:MPDV HydraAuftragsdatenerfassungMaschinendatenerfassungLeitstandsplanungQualitätsmanagementWerkzeugmanagement

ERP: Enterprise Resource Planning MES: Manufacturing Execution System CR: Continous ReplenishmentEDI: Electronic Data Interchange XML: Extensible Markup Language

CR-Software

EDI / XML-EDI

Abverkaufsdaten

Auftrag

Lieferavis

Fakura

Bestellung

Lieferschein

Rechnung

Lieferung Ware

ERP-System:Infor: COMVermarkten/BetreuenKonstruieren/HerstellenMat-wirtschaft/LogistikControlling/VerwaltungE-Commerce

MES-System:Infor: MESFertigungssteuerungwissensbasierter LeitstandBetriebsdatenerfassungQualitätsmanagementWerkzeugverwaltung

XML EDIFACT

Bild 32: Datenaustausch über XML/EDI-Server am Beispiel Fagerdala-Overath

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Die im XML-Format generierte Antwort (z. B. ein Lieferavis als Antwortnach-richt auf eine Bestellung) wird ebenfalls zum XML/EDI-Server gesendet und dort in das EDIFACT-Format konvertiert. Semantische und syntaktische Prüfun-gen können ebenfalls auf dem Server erfolgen, so dass der Handelspartner auf diesem Wege von allen Geschäftspartnern Daten statt Papier erhält, die in sei-nen Applikationen maschinell weiterverarbeitet werden können. Ein Anbieter von internetbasierten B2B-Anwendungen für den elektronischen Geschäftsver-kehr ist cc-top (http://www.cc-top.de), um auch kleinere und mittlere Unter-nehmen 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 Geschäftspart-ner

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 Ge-schäftsmodelle. Diplomarbeit am Institut für Praktische Informatik und Medieninformatik der Technischen Universität Ilmenau, 2000.


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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 Versuchs-ergebnisse des LSG Hygiene Institute zur lebensmittelhygienischen Zertifizie-rung des „Thermo-Clipper 2320“ von Fa. Overath, welcher eine Fawopor-Oberfläche (die mittels feinporöser Werkzeugoberfläche bessere Dampfvertei-lung 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 aero-ben koloniebildenden Einheiten pro 10 cm2)

Anschließend durchgeführte Untersuchungen des LSG Hygiene-Instituts bestä-tigten, dass unter den oben genannten Versuchsbedingungen der geprüfte Transportbehälter "THERMO-CLIPPER®" für den Transport und die Aufbewah-rung von folgenden Lebensmitteln geeignet ist:

1. Verpackte Lebensmittel jeglicher Art

2. Obst und Gemüse, unverpackt

3. Rohe Lebensmittel, unverpackt, die einer nachfolgenden Hitzebehand-lung unterzogen werden.

Der Transportbehälter lässt sich nach vorhergehender Verunreinigung mit Le-bensmittelresten durch maschinelle Spülverfahren ausreichend reinigen, so dass eine Kontamination bei erneuter Benutzung für den Transport von ver-packten Lebensmitteln praktisch ausgeschlossen ist.

(LSG-Hygiene Institute GmbH, 2.12.00)


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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 Ver-kehrsfähigkeit der Lebensmittel erforderliche Temperatur eingehalten werden kann. Sie müssen so beschaffen sein, dass eine angemessene Rei-nigung und, falls erforderlich, eine Desinfektion möglich ist. Sofern erfor-derlich müssen angemessene Vorrichtungen zur Aufrechterhaltung und Überwachung der Temperatur vorhanden sein.

§4. Behälter für Lebensmittelabfälle und andere Abfälle müssen angemes-sen beschaffen, leicht zu reinigen und erforderlichenfalls zu desinfizieren sein.“

Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Verpackungen aus EPP-Partikelschäu-men die geltenden Hygienestandards gut erfüllen. Es ist möglich über eine entsprechende Werkzeugtechnik wie beispielsweise über das Einlegen von Git-tern, der Einsatz von Sintermetallen oder teilweise unbedüste temperierbare Werkzeugwandungen die Oberflächeneigenschaften noch zu verbessern und Verpackungen mit porenfreier Oberfläche zu produzieren. Des weiteren er-möglicht 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 er-fahrungsgemäß keine oder nur unzureichende Untersuchungen durch. Externe mikrobiologische Kontrollmethoden werden selten in Anspruch genommen. Viele moderne Nachweissysteme, wie zum Beispiel das Epifluoreszenz-Verfah-ren, die Impedanzmethode, Biolumineszenz und andere Schnellmethoden er-fordern 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 unkompli-ziert und ohne apparativen Aufwand durchzuführen sein und trotzdem ver-lässliche Ergebnisse liefern.

Das Prinzip des NAD-Tests basiert auf dem Nachweis von NAD, NADH, NADP und NADPH. Diese Coenzyme werden von der Prüfoberfläche mittels Teststrei-fen abgewischt und durch eine Farbreaktion nachgewiesen. Mit dieser Me-thode können Produktionsrückstände, aber auch Mikroorganismen nachge-wiesen 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 praxis-freundlich. Innerhalb von fünf Minuten ist die Aussage, ob die Reinigung ord-nungsgemäß erfolgte oder eine Nachreinigung erforderlich ist, möglich. Die farbliche Darstellung des Ergebnisses bietet eine objektive Demonstrations-möglichkeit gegenüber Dritten, wie zum Beispiel dem Reinigungspersonal. Sie


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kann jedoch mikrobiologische Untersuchungen nur ergänzen, nicht ersetzen, da diese vor allem in Grenzbereichen sensitiver sind und pathogene Keime dif-ferenziert 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 Gefah-ren dienen, die spezifisch anzusprechen, d.h. zu identifizieren, zu bewerten, kontinuierlich zu erfassen und zu beherrschen sind. Eine international verbind-liche Version des HACCP-Konzepts findet sich im Regelwerk des FAO/WHO Codex Alimentarius und ist Bestandteil der „Allgemeinen Grundsätze der Le-bensmittelhygiene“. Das HACCP kann in ein Qualitätsmanagementsystem nach der DIN EN ISO 9000-Serie integriert werden. In vielen Bereichen der Le-bensmittelherstellung, -behandlung und –verarbeitung lässt sich gegebenen-falls 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 vollstän-dige Umsetzung nicht tatsächlich noch durchgeführt werden kann.

II.1.6.6 Rechtliche Rahmenbedingungen

Lebensmittel

Für die Anforderungen im Bereich Lebensmittel ist Lebensmittelhygieneverord-nung 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 Lebens-mitteln dienen, müssen so ausgerüstet und ausgestattet sein, dass die für die Verkehrsfähigkeit der Lebensmittel erforderliche Temperatur eingehalten wer-den kann. Sie müssen so beschaffen sein, dass eine angemessene Reinigung und, falls erforderlich, eine Desinfektion möglich ist. Sofern erforderlich, müs-sen 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 tiefgekühl-tes Gut.


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Die Lebensmittel sollten bei möglichst tiefer Temperatur (-30 bis -40° C) einge-froren, und dann bei mindestens -18°C gelagert werden. Auf dem Weg vom Hersteller bis zum Verbraucher ist diese dauernde Lagertemperatur von min-destens -18°C einzuhalten.

Quelle: http://www.lebensmittelkunde.at/html/konserv/konphy.htm

Heiße Lebensmittel

Im Cateringbereich werden heiße Güter meist in Gastro-Normbehältern trans-portiert und müssen mit diesen heiß gehalten werden. Die Einfülltemperaturen liegen meist zwischen 80°-95°C. Diese Temperaturen sollten über einen Zeit-raum von 10 Stunden nicht unterhalb von 70°C fallen. Hier ziehen wir Anga-ben 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 ei-nen 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 zwi-schen –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 an-gemessen 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 an-gemessen mit Trockeneis befüllten Behälter.

Wie beschrieben werden in manchen Bereichen sehr tiefe Temperaturen ge-fordert, die über einen längeren Zeitraum nur über die Zugabe von Trockeneis gewährleistet werden können.


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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 De-ckel dennoch entsprechend schließt.

Hygiene

Die hygienischen Anforderungen im Zusammenhang dem Transport von Le-bensmitteln werden durch mikrobiologische Oberflächentests bestimmt.

Der Grenzwert für KBE/10cm² (Koloniebildende Einheiten) liegt bei max. 50 KBE /10cm². Die Bedingungen der Versuchdurchführung können dem „Gut-achten 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 wer-den. (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 Öf-fentlichkeit wahrgenommen. Der Wirkungsgrad liegt aufgrund der Prozessfüh-rung (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 Verarbei-tungsprozesse in der gesamten Kunststoffverarbeitung, obwohl die Ausgangs-stoffe selbst keine reaktiven Chemikalien beinhalten und somit zumindest ge-sundheitlich 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 konven-tionell 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 2fach-Werkzeug 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 Dampf-verbrauch von 0,0575kg je Bauteil und Zyklus ermittelt,. Bei konventionellen Formteilautomaten würden solche Bauteile z.B. im 12fach-Werkzeug herge-


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 Dampfzuleitun-gen erreicht. Zur Ausnutzung dieses Potentials ist allerdings die Werkzeug-technik hinsichtlich der zu temperierenden Massen zu optimieren und aus dem derzeitigen Prototypenstand für eine robuste Massenfertigung weiter zu ent-wickeln.

Bild 33: W&Z-Formteilautomaten-Prototyp auf Hannover-Messe (April 2005)

Der weltweite Energieverbrauch zur Herstellung von Formteilen aus Partikel-schaum liegt bei derzeit rund 1,65 Mrd. kWh. In Vorentwicklungsprojekten konnte der Energieverbrauch um mehr als 70% gesenkt werden. Im Wesentli-chen sind hier Entwicklungen am Fraunhofer-Institut für Chemische Technolo-gie (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 Energie-kostenanteil 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 gerin-ger 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 Atomkraft-werkes.

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.

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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 halbkugel-förmigen 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 ab-schließen. 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 geson-dert in die Nut gedrückt werden, was jedoch ohne eine eindeutige Produktbe-schreibung nicht erkennbar ist. Entsprechend schwierig lassen sich diese Ver-riegelungen beim Zusammenklappen wieder lösen. Daher sollte dieser Mecha-nismus 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.


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 ausge-klappten Seitenwände, die noch überstehen, behindern die Handhabung zu-sätzlich. Insgesamt wird das Design als nicht sehr gelungen beurteilt. Die Box ist zu kantig und ohne Pfiff. Das Aussehen wurde unter werkzeugtechnischen

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Gesichtpunkten einfach gehalten, ist damit jedoch nicht sehr ansprechend. Die Oberflächengestaltung ist durch die klassische Verdüsung optisch nicht sehr ansprechend und hygienisch bedenklich. Gerade die Bodenplatte wirkt sehr klobig und technisch, aber nicht anwenderfreundlich.

• Deckel als loses Teil

Der Deckel ist ein gesondertes Teil, welches verloren gehen kann. Dies wird als negativ empfunden. Besser wäre es, wenn auch der Deckel mit der Box ver-bunden 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 ein-zeln 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 Form-teilraumgewichte.

- 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 Ein-satz) und langfristig Wasser als Ersatz für die bislang eingesetzten Alkane

- Optimierung der Produktionsanlagen und des Produktionsprozesses vor al-lem durch Automatisierung und bessere Prozesskontrolle


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Die Entwicklungsziele seitens der Verarbeitung von EPP konzentrieren sich ne-ben Weiterentwicklungen in der Maschinen- und Werkzeugtechnik insbeson-dere auf die Prozessregelung des Formteilprozesses.

- Umstieg von der SPS- Steuerung zur Industrie- PC- Lösung und Flexibilisie-rung 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 re-gistrieren 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 Werk-zeuge, 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 Rohstoff-datenbank 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. Anwen-derbericht über das LTH-Verfahren. Thermoplastische Partikelschaumstoffe: Aktueller Stand und Perspektiven, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 1996.

Schloms, G.: Neue Maschinenentwicklung für die energiesparende Verarbei-tung von EPP-Formteilen. Thermoplastische Partikelschaumstoffe: Aktueller Stand und Perspektiven, VDI Verlag GmbH, Düsseldorf 1996

Kauffmann, A.: Formteil-Oberflächenqualität bei der Partkelschaumverarbei-tung. Fraunhofer Demonstrationszentrum Formen für die Kunststoffverar-beitung. FoKus-Newsletter Ausgabe 01/2002.


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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 ver-öffentlicht 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 Partikel-schaumverarbeitung. 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.

Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen-Partikelschaum ... · len (EPP) oder expandiertem...

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