Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen-Partikelschaum (EPP) oder Expandiertem Polystyrol (EPS) als Mehrwegverpackung mit optimierten thermischen Isoliereigenschaften Schlussbericht zum BMBF-Projekt mit den Förderkennzeichen: 0330430 und 033049 vom 6. Oktober 2005
Schlussbericht zu BMBF-Projekt mit Acronym: THEKLA Auftragnehmer: Fraunhofer-Institut Chemische Technologie Pfinztal Kennzeichen: 0330430 im Unterauftrag: Fagerdala Deutschland GmbH Ohrdruf Wacker & Ziegler GmbH Weissach Eingearbeitet die Teilberichte des Projektpartners: Kennzeichen: 033049 Overath GmbH Lohmar Auftragsbezeichnung: Entwicklung einer Klappbox aus Polypropylen-Partikelschaum (EPP) oder Expandiertem Polystyrol (EPS) als Mehrwegverpackung mit optimierten thermischen Isoliereigenschaften Projekt-Träger: Forschungszentrum Jülich PTJ, Außenstelle Berlin Laufzeit des Auftrags: vom 1. März 2003 bis 28. Februar 2005 Berichtszeitraum: 1. März 2003 bis 28. Februar 2005 (Schlussbericht) Datum, Unterschrift des Projektleiters Das diesem Bericht zugrundeliegende Vorhaben wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter den Förderkennzeichen 0330430 und 033049 gefördert. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren. Seite 2 von 57
I Kurzdarstellungen I.1 Aufgabenstellung Das beantragte Vorhaben war ausgerichtet auf die gezielte Umsetzung von Umweltinnovationen entlang der gesamten Wertschöpfungskette bei der Konzeption, Herstellung und Anwendung von thermisch optimierten Isolierboxen. Die Idee einer klappbaren Mehrwegverpackung aus expandiertem Polypropylen (EPP) oder expandiertem Polystyrol (EPS) für Kühl- und Wärmetransporte von thermosensiblen Gütern (Lebensmittel, Medikamente, etc.) sollte weitgehend umgesetzt werden. Dabei waren ökologische Aspekte durch eine nachhaltige Mehrwegverpackung sowie wirtschaftliche Kriterien gleichermaßen zu berücksichtigen. Im Einzelnen handelte es sich dabei um folgende Aufgabenstellungen: Entwicklung einer nachhaltigen und lebensdaueroptimierten Thermo-Klappbox mit den Teilzielen kreislaufgerechte und umweltgerechte Produktund Prozessmodifikation Gestaltung einer logistikgerechten Klappanordnung mit produkt- und prozessintegrierbaren Klappmechanismen Optimierung des derzeitigen Herstellungsverfahrens und Entwicklung innovativer, umweltfreundlicherer Verfahrensschritte und -kombinationen Entwicklung eines Logistik- und Produktverfolgungssystems für mehrfach verwendbare Thermo-Klappboxen Erstellen eines Qualitätssicherungskonzepts im Hinblick auf die technischen und wirtschaftlichen Anforderungen sowie unter Berücksichtigung der rechtlichen und hygienischen Restriktionen Einbettung der technischen und logistischen Entwicklungen in ein umfassendes Servicekonzept und dessen Erprobung. I.2 Voraussetzungen zur Durchführung des FE-Vorhabens Bei der Zusammenstellung des Projektkonsortiums wurde darauf geachtet, die Kompetenzen aus den Bereichen Packmittelkonzeption, Partikelschaumstoffverarbeitung, Logistik, Anlagentechnik und Qualitätssicherung zu vereinen Fraunhofer ICT Das Fraunhofer ICT unter Leitung von Professor Peter Eyerer verfügt über erhebliche Kompetenzen auf den Gebieten Umwelttechnik, Materialforschung (v. a. bei Polymeren), Fertigungstechnik und Kreislaufwirtschaft. So wurden zahlreiche Projekte mit experimentellem Charakter für industrielle Auftraggeber zur umweltverträglichen Material- und Produktentwicklung sowie Seite 3 von 57
-herstellung, Produktreinigung, Verwertung von Problemstoffen, Verbundwerkstoffen und gebrauchten Produkten durchgeführt. Beispiele hierfür sind Armaturentafeln, Leiterplatten, Verbundverpackungen, Elektrogeräte, Medizinartikel sowie Chemikalien. Darüber hinaus wurden insbesondere Projekte zur Konstruktion und Herstellung von Polymer- und Verbund-Bauteilen durchgeführt. Zur Ausstattung des Fraunhofer ICT gehört u. a. ein Formteilautomat (Erlenbach EHV-C PP670/570) mit frei programmierbarer Steuerung und Messwerterfassung zur Herstellung von Produkten und Halbzeugen aus Partikelschaumstoff (EPS, EPP). Seit 1997 befindet sich am Fraunhofer ICT eine Außenstelle des FhG-Demonstrationszentrums Produktkreisläufe elektrischer und elektronischer Produkte, und seit 1999 das BMBF-Entwicklungs- und Demonstrationszentrum Kreislauffähigkeit neuer Werkstoffe LOOP. Fagerdala Deutschland GmbH Die Firma Fagerdala Deutschland GmbH, ehemals Gefinex Polymerschäume GmbH in Ohrdruf/Thüringen gehört zur Fagerdala World Foams AB in Schweden, eine internationale Gruppe, die sich auf die Entwicklung, Produktion und Umformung von Polymerschaumstoffen spezialisiert hat. Der Standort Ohrdruf wurde zum Europazentrum ausgebaut. Neben Mehrweg-Transportträgern, nicht faltbaren Thermoboxen und Sportartikeln gehören u.a. auch Automobilformteile zum Produktespektrum von Fagerdala Deutschland. Die Fagerdala- Gruppe hat sich innerhalb von 5 Jahren seit Einstieg in den EPP-Sektor zum europäischen Marktführer für EPP-Produkte entwickelt und ist als Technologieführer auf dem Bereich der Polypropylenschäume zu benennen. Eine herausragende Besonderheit der Fagerdala Deutschland ist beispielsweise die Vereinigung von Rohstoffhersteller und Verarbeiter in einem Unternehmen. Fagerdala Deutschland ist weltweit das einzige Unternehmen, das Polypropylen-Partikelschäume im Autoklav- und Extrusionsprozess herstellen kann. Mit dem Extrusionsverfahren hat sich der Geschäftsbereich Verpackung/Logistik neue Marktanteile erobert, da sich durch Mehrwegverpackungen aus EPP in unterschiedlichen Farben die logistischen Ströme der Kunden visuell gestalten lassen. Der Umsatz mit Partikelschaumboxen ist bei der Fagerdala Deutschland in den letzen Jahren nicht zuletzt aufgrund zahlreicher technischer Innovationen stark angestiegen. Fagerdala Deutschland bestreitet derzeit ca. 20 % des Gesamtumsatzes mit Isolierboxen die unter dem Handelsnamen Thermoklipper und Thermokuli in Deutschland, Spanien, Italien, Frankreich, Benelux und Skandinavien auf dem Markt sind. Die erfolgreiche Markteinführung konnte durch neue, reinigungsfreundliche Oberflächen, und freie Farbwahl erzielt werden. Die freie Farbwahl, ermöglicht durch den Extrusionsprozess, revolutionierte auch unter logistischer Hinsicht den schwarz bzw. weiß geprägten Formteile- Markt. Overath GmbH Mitte der 80er Jahre begann die Overath GmbH die ersten Eigenentwicklungen im Bereich von Packschaumwolle und stellte die Weichen in Richtung Schaumstoffverarbeitung. Heute prägen innovatives Potential, technische Kompetenz und die Erfahrung aus vielfältiger Aufgabenstellung die Verpackungskonzepte der Overath GmbH. Im Jahre 1998 begann die Overath GmbH neben ihrem klassischen Betätigungsfeld der Verarbeitung von PE-Schaum, auch mit PP zu arbeiten. In einer Zusammenarbeit mit der heutigen Fagerdala Deutschland GmbH wurden zwei Isolierboxen unter den Handelsnamen Seite 4 von 57
Thermo-Kuli und Thermo-Clipper entwickelt. Die Overath GmbH zeigt sich seitdem als Vertriebspartner für die positive Umsatzentwicklung auf diesem Gebiet verantwortlich. Aus dem Kundenkreis der Overath GmbH kommen häufig Anregungen zu Weiterentwicklungen der Thermo-Boxen. Wacker & Ziegler Seit Ende 2003 entwickeln und produzieren neben den Unternehmensgründern Kai Wacker und Dr. Maik Ziegler noch 3 weitere Mitarbeiter in Weissach hoch energieeffiziente Formteilautomaten zur nachhaltigen Herstellung von Verpackungen, Ladungsträgern und Bauteilen aus Partikelschaumstoffen (EPP und EPS). Das Startup-Unternehmen kam mit der Idee diverse Verpackungsteile empfindlicher Güter auf kleinen, energieeinsparenden Formteilautomaten ohne Transportnachteile direkt beim Anwender herzustellen bei mehreren Existenzgründerwettbewerben in die Preisränge (Startup (Aug.2003) der Kreissparkasse Böblingen, ZDF, Stern und McKinsey sowie Land Thüringen (Dez. 2002). Ferner wurde Wacker & Ziegler vom BMB+F im Rahmen der Forschung für Nachhaltigkeit (FONA) ausgewählt, anlässlich der Hannover-Messe 2005 auf dem Gemeinschaftsstand des BMB+F auszustellen und mit einem neuentwickelten Formteilautomaten dort live zu produzieren, Bild 1. Bild 1: Ministerin Bulmahn besucht den Gemeinschaftsstand des BMB+F und lässt sich von Dr. Ziegler die Vorteile des Formteilautomaten von Fa. Wacker & Ziegler erläutern I.3 Planung und Ablauf des Vorhabens Die im Rahmen des durchgeführten Vorhabens abgearbeiteten Haupt-Arbeitsschritte betrafen die Produktentwicklung und -optimierung (Arbeitspunkt AP1) die Prozessentwicklung und Produktion von seriennahen Prototypen (AP2) die Kreislaufführung und Nutzung von Thermo-Klappboxen (AP 3) sowie die Querschnittsaufgaben des Projektmanagements (AP 4). Im Folgenden sind die Arbeitspunkte näher erläutert während die einzelnen Teilschritte in Tabelle A1 im Anhang aufgelistet sind. AP1: Packstoff- und Produktentwicklung sowie Optimierung Bis heute werden keine thermisch isolierenden Behälter für Lebensmittel oder Seite 5 von 57
Pharmaka in der Mehrwegnutzung über Pools im Kreislauf geführt. Die Wiederverwendbarkeit spielte daher als systematisches Entwicklungsziel eine übergeordnete Rolle. Aufbauend auf den Erfahrungen aus der Partikelschaumstoffverarbeitung und der Logistik-Dienstleistung sollten Thermoboxen konstruktiv so weiterentwickelt werden, dass sie den produktspezifischen und den für einen Mehrwegeinsatz unumgänglichen Anforderungen gerecht werden. Im 2. Schritt sollte das erste Produktkonzept iterativ zu einer ganzheitlichen und nachhaltigen Lösung optimiert werden. AP 2: Prozessentwicklung und Produktion von seriennahen Prototypen Über eine Identifikation und Verbesserung ökologischer Schwachstellen des Fertigungsprozesses sowie der Berücksichtigung der Wiederverwertung von regranulierten Schaumstoff-Boxen sollte ein erster Ansatz für einen verallgemeinerten Leitfaden zur nachhaltigen Herstellung von Bauteilen aus Partikelschaumstoff entstehen. Der entscheidende Fertigungsschritt bei der Herstellung von mehrwegtauglichen Thermo-Klappboxen ist die Integration von Scharnierelementen. Zur Klärung dieser Fragestellung auch im Hinblick auf die Reinigungs- und Kreislauffähigkeit wurden zuerst grundlegende Untersuchungen an Modellkörpern im Labormaßstab durchgeführt. AP 3: Kreislaufführung und Nutzung von Thermo-Klappboxen Die Nutzungsphase der Thermo-Klappbox verbindet Produktions- und Entsorgungsphase. Es wurde mit diesem Vorhaben angestrebt, über ein Mehrweg- System die klappbaren Thermobehälter möglichst lange in der Nutzungsphase zu halten, um Ressourcen zu schonen. Hauptansatzpunkt hierfür ist die Entwicklung eines neuen Servicekonzepts. Verschiedene Maßnahmen der Integration zusätzlicher Funktionen (Informationsträger) und der Produktmodifikation waren dazu nötig. AP 4: Querschnittsaufgaben des Projektmanagements Zu den Querschnittsaufgaben gehören das Projektmanagement einschließlich Termin- und Kostenkontrolle sowie die Ergebnisdokumentation. Hinzu kommt das Informationsmanagement während der Projektlaufzeit, um für alle Partner den Zugang zu den für ihre Arbeitspakete relevanten Informationen zu gewährleisten. Weitere Aufgaben waren die Sicherstellung des Ergebnistransfers zur interessierten Öffentlichkeit. I.4 Wissenschaftlicher und technischer Stand Produktentwicklung Es gibt eine Vielzahl an Anbietern von aktiven Kühlboxen mit integrierten Kühlsystemen, teilweise auch mit integrierten Kühl- und Heizsystemen. Daneben gibt es ebenfalls eine Vielzahl von Anbietern passiver Kühlboxen, welche je nach Anwendung mit oder ohne Kühlakkus bzw. Eis/Trockeneis betrieben werden. Dazu gehört u. a. der Thermo-Clipper, welcher von Fa. Fagerdala hergestellt und von Fa. Overath vertrieben wird. Solche Behälter sind allerdings weder klappfähig noch zerlegbar und daher für Mehrwegtransporte thermisch empfindlicher Güter aus logistischer Sicht wenig geeignet. Alle bislang am Markt eingeführten Mehrweg-Klappboxen zeigen dagegen auch mit Seite 6 von 57
gewellten oder blasgeformten Seitenwänden unzureichende thermische Eigenschaften (DE 29611528, Fa. Gefinex). Anhand von aktuell durchgeführten Internet- und Patentrecherchen lässt sich folgende Situation beim Transport temperaturempfindlicher Güter skizzieren: Diverse Anbieter von Verpackungsmittel bieten zur Ergänzung ihres Produktspektrums eine Kombination klappbarer Behältnisse (Kunststoffklappbox, Faltkarton, etc.) mit isolierenden Einlegebehältern oder losen Schaumstoffplatten an (z.b. Fa. Sofrigam). Aus logistischer Sicht sind solche Verpackungslösungen unbefriedigend, was letztendlich zu einschneidenden Einschränkungen bei Mehrweganwendungen oder letztendlich zur sofortigen Entsorgung des Verpackungsmittels führt. Unter diversen Kombinationen der Schlagworte klappbarer, faltbarer, oder zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter oder Box sowie unter den entsprechenden Patentklassifizierschlüsseln werden ca. 60 Deutsche, ca. 15 europäische und ca. 80 amerikanische Patente gefunden. Diese beschreiben in der Mehrzahl Behältnisse für Getränke, Fast Food, Pizzas, etc. sowie mehrteilige (mind. 4 bis >20 Einzelteile) und unterschiedlich kombinierbare Verpackungssysteme. Der Anteil dieser beiden Produktgruppen an der Gesamttrefferzahl ist größer 50 %. Daneben finden sich nicht raumsparend zerlegbare Kühlboxen, nur gering isolierende Klappboxen, Temperierbehälter mit Vakuumpaneelen und Kühlboxen mit Kühlaggregaten, insbesondere auch für den Einsatz in Fahrzeugen. Insgesamt 17 Patente beschreiben klappbare, mehrwegfähige Transportbehälter mit ausgewiesenen thermischen Isoliereigenschaften, Tabelle 1, wovon 2 Patente erloschen sind, ein durch 3 Patente beschriebenes Produkt nicht mehr am Markt angeboten wird und zu 2 Patenten die angegebene Firma im Internet bzw. Telefonbuch nicht mehr aufzufinden war. Keines der gefundenen Patente beschreibt einen Behälter, dessen Wände direkt werkstoff-, gewichts- und kostensparend aus Partikelschaumstoff aufgebaut sind. Mit Schaumstoff als Isolationsmaterial sind bei den in den vorliegenden Patenten beschriebenen Produkten allenfalls die Innenwände ausgekleidet oder der Innenraum bei hohlwandigen Behältern aufgefüllt. Prozessentwicklung Formteilwerkzeuge werden nach Stand der Technik innerhalb einer Dampfkammer eingesetzt und mit gesättigtem Wasserdampf durch Dampfdüsen durchdrungen. Der Dampf dient zum Verschweißen der Schaumpartikel untereinander, welche sich in der Werkzeugkavität befinden. Die Kühlung des Formteiles erfolgt durch Aufsprühen von Kühlwasser auf die Werkzeugrückwand, Bild 2. Der Energieverbrauch zur Aufheizung der Schaumpartikeloberfläche beträgt nur einen Bruchteil dessen, was zur Aufheizung der Dampfkammer und Werkzeugmasse inklusive der Dampfzuführungsrohre benötigt wird. Der Wirkungsgrad beträgt somit weit weniger als ein Prozent (~ 0,4 %). Seite 7 von 57
Dampfkammer (Bestandteil der Maschine) Bedüste Wandung Werkzeug Haubenseite mit F üllerplatte (Dampfkammerrückwand) F üllinjektor kernseitige Kühlung (Bestandteil der Maschine) Werkzeug Kernseite Abstützung haubenseitige Kühlung ist Bestandteil des Werkzeugs Bild 2: Schematischer Aufbau eines Partikelschaumstoff-Werkzeugs Ein 1994 veröffentlichtes Verfahren (Patentoffenlegung DE 4236081A1) beschreibt daher einen Werkzeugaufbau, der durch thermische Isolation die Aufheizung der Dampfkammer verhindert. Die sogenannten LTH (Low Temperature Horizontal)-Werkzeuge werden in Maschinen nach Stand der Technik eingesetzt, wobei die Dampfkammer ihre eigentliche Funktion nicht mehr ausübt. Die Isolierung der Formteilwerkzeuge erfolgt mit einer polymeren Isolationsschicht, die jedoch aufgrund ihrer begrenzten Temperaturbeständigkeit lediglich zur Verarbeitung von EPS-Partikelschaum geeignet sind. Desweiteren besteht die Werkzeugkavität aus einem schlecht wärmeleitfähigen Material, weshalb durch mangelnden Wärmeeintrag die Oberflächenrauhigkeit des Partikelschaumformteiles extrem negativ ausgeprägt ist. Die Schaumpartikel werden an ihrer werkzeugseitigen Oberfläche nicht ausreichend plastisch verformt und es entsteht der sogenannte Orangenhauteffekt. Desweiteren ist die schnelle Abkühlung an der schlecht wärmeleitenden Oberfläche nicht gewährleistet und längere Zykluszeiten sind die Folge. Aufgrund dieser Nachteile und der gleichzeitig immens hohen Werkzeugkosten konnte sich das Verfahren am Markt nicht durchsetzen. Eine weitere Patentschrift zu Formteilwerkzeugen ist EP 0720528 zur Herstellung von Formteiloberflächen, die nicht mehr die typischen Dampfdüsenabdrücke aufweisen. Dies wird durch Einlegen eines Metallgitters erreicht. Der Energieverbrauch wird dabei allerdings nicht verändert. DE 19744165 sowie DE 19500601 beschreiben jeweils Verfahren zur Herstellung von Formteilwerkzeugen mittels Rapid-Prototyping-Verfahren. Sowohl die eingesetzten Stereolithographieharze als auch Silikonharze reichen weder thermisch noch mechanisch für den Einsatz der bei der Partikelschaumverarbeitung typischen Dampftemperaturen und Dampfdrücken aus und die daraus hergestellten Werkzeuge taugen daher allenfalls für eine Musterherstellung aber nicht für die Serienfertigung. Ebenso sind durch die hohen Wärmeleitwiderstände keine wirtschaftlich relevanten Zykluszeiten zu erzielen. Daher wurde von Wacker & Ziegler ein Formteilautomaten zur Herstellung von Partikelschaumformteilen entwickelt, der durch seine Bauweise erhebliche Energieeinsparung gegenüber dem Stand der Technik aufweist. Kennzeichnend sind ein dampfkammerloser Aufbau und die Integration des Dampfverteilungssystems innerhalb des Werkzeuges. Durch die erhebliche Reduzierung der Massen, welche die gesamte Temperaturdifferenz durchlaufen, wird die erforderliche Wärmemenge pro Zyklus reduziert. Weiterhin kennzeichnend für Seite 8 von 57
den erfindungsgemäßen Aufbau des Formteilautomaten ist die Kraftaufnahme der durch den Dampfdruck entstehenden Kräfte über eine Werkzeugverriegelung, der holmlose Aufbau und die Möglichkeit einer integrierten Dampferzeugung. Patent Anmelder Titel Produkte DE 4028276 A1 Walter Grafunder Mehrwegversandschachtel mit Rahmen für Wechseletiketten und markier- oder codierbaren Versiegelungsetikett DE 4117663 A1 Focke & Co. Faltbehälter DE 9410670 U1 Karl-Heinz Hayduk Kühlbehälter zur Lagerung von Getränken und Lebensmitteln DE 19527465 C2 Bayerisches Zentrum für angew. Energieforschung Zerlegbarer, thermisch isolierender Behälter, insbesondere für einen Latentwärmespeicher oder für eine Kühlbox DE 19611027 A1 Schoeller Plast Thermobehälter Transportbehälter 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 transportation 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 Cryo transport chamber Container Systems US 5711444 A Temp Top Transport chamber Container Systems 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 DE19500601 C2 DE19744165 C2 EP0720528 B1 Kunststoff GmbH DE102004004657A1 Wacker & Ziegler Kurtz-Eisenhammer Verfahren zum Herstellen von Formkörpern aus geschäumtem Kunststoff und Form zur Ausübung dieses Verfahrens Walter Notar Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Formteilen aus geschäumtem Kunststoff sowie deren Verwendung Fraunhofer ICT Werkzeug zum Herstellen eines Partikelschaumstoff- Formkörpers und Verfahren zur Herstellung eines solchen Werkzeuges Dynamit Nobel Verfahren zum Herstellen von Artikeln aus EPP-Schaum Tabelle 1: Relevante Patente und und Gebrauchsmuster Energieeffizienter Formteilautomat mit integrierter Dampferzeugung Seite 9 von 57
I.5 Zusammenarbeit mit anderen Stellen Durch die Ziele des Projektes Thermo-Klappbox ergab sich zwangsläufig eine Zusammenarbeit mit Industrieorganisationen und verbänden (Verband der deutschen Werkzeug- und Formenbauer VDWF, Fachverband Schaumkunststoffe FKS, Industrieverband Kunststoffverpackungen IK), mit Forschungsorganisationen (Fraunhofer-Allianzen Leichtbau, Fraunhofer Demonstrationszentrum Werkzeug- und Formenbau) und anderen öffentlich geförderten Projekten (Landesstiftung Ba-Wü gefördertes Projekt Dämmstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellten Partikelschaumstoffen). Intensive Zusammenarbeit und Kontakte wurden von den Projektpartnern im Rahmen des Projektes mit dem IKP Universität Stuttgart (Ganzheitliche Bilanzierung) sowie weiteren assoziierten Projektpartnern, wie Fa. JSP (Partikelschaumstoffhersteller) und Fa. Deuschle (Werkzeugbauer) gepflegt. Ferner besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem Virtual European Institut for Plastics Processing (www.eurovipp.com), wodurch sich die Gelegenheit ergibt, mit 2 Vorträgen über die Projektergebnisse auf der Eurovipp-Konferenz im Nov. 2005 zu berichten. Zusätzlich wurde ein weiteres EU-Netzwerk Reducing Energy Consumption in Plastics Engineering genutzt, um auf Teilergebnisse aus dem vorliegenden Projekt hinzuweisen. Seite 10 von 57
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 Herstellung. Vestocell wird in einem Autoklaven unter Beaufschlagung von PP-Mikrogranulat mit Treibmittel und Inertgas hergestellt. Zur Herstellung von extrusionsgeschäumten Fawocel wird Polypropylen unter Zugabe von Treibmitteln in einem Extruder plastifiziert und die an einer Lochplatte am Düsenausgang aufschäumenden Schmelzestränge über eine Schneideinrichtung zu Partikeln abgeschlagen. Neben EPP wurden extrusionsgeschäumte EPS-Typen untersucht, welche sich derzeit bei Fagerdala in Entwicklung befinden. In Tabelle 1 bis Tabelle 3 sind die wesentlichen Eigenschaften von Formteilen aus Vestocell und Fawocel und Fagerdala-EPS dargestellt. Eigenschaft Normen 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 Druckspannung bei 50% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kpa 160 330 510 780 Druckspannung bei 75% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kpa 370 650 950 1400 Zugfestigkeit (ohne Schäumhaut) DIN 53 571 ISO 1798 kpa 250 530 830 1150 Bruchdehnung DIN 53 571 ISO 1798 % > 10 > 10 > 10 > 10 Druckverformungsrest 25%/22h/23 C/24h DIN 53 572 ISO 1856 % 14 12 12 12 Druckverformungsrest 50%/22h/23 C/24h DIN 53 572 ISO 1856 % 34 33 33 32 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 Seite 11 von 57
Eigenschaft Normen Einheit FAWOCEL Rohdichte DIN 53 420 ISO 845 kg/m³ 25 40 50 60 80 Druckspannung bei 25% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kpa 95 175 210 270 450 Druckspannung bei 50% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kpa 170 285 340 440 700 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 C optimum 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 Druckspannung bei 10% Stauchung DIN 53 421 ISO 844 kpa 70 120 170 220 425 Elastizitäts- Modul DIN 53 421 ISO 844 MPa 3 4 7 9 14 Zugfestigkeit (ohne Schäumhaut) DIN 53 571 ISO 1798 kpa 230 300 380 450 750 Biegefestigkeit DIN 53 423 ISO 1209 kpa 140 240 350 420 850 Wärmeleitfähigkeit () bei 10 C DIN 52 612 ISO 8301 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 C optimum DIN 55 471 ISO 4651-2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 Stoßenergieaufnahmevermögen DIN 55 471 ISO 4651 kj / m³ 110 150 200 240 470 Baustoffklasse mit Flammschutzausrüstung DIN 4 102 - B1 - schwerentflammbar Baustoffklasse ohne Flammschutzausrüstung DIN 4 102 - B3 - leichtentflammbar - Temperaturbeständigkeit von 40 C bis 80 C (langfristig) oder bis 100 C (kurzfristig) - Hohes Stoßenergieaufnahmevermögen - Gute Beständigkeit gegenüber Laugen, verdünnten und schwachen Säuren und Alkohol - 100% recyclebar, physiologisch unbedenklich Tabelle 4: Eigenschaften von Formteilen aus EPS Aufbauend auf den verschiedenen EPP- und EPS-Typen sollten Verbundsysteme mit verschiedenen Beschichtungssystemen untersucht und weiterentwickelt werden. Bild 2 zeigt als Beispiel den Verbundwerkstoff FawoTop auf Basis von Fawocel. Seite 12 von 57
Bild 2: Gängiger Aufbau eines Verbundsystems auf Basis Fawocel Schwerpunkt wird hierbei auf einer Beschichtung beispielsweise in Form einer Folie oder über die Verhautung der Schaumstoff-Oberfläche liegen. Zu erzielende Eigenschaften sind dabei : - geschlossene Oberfläche - leicht zu reinigen - Monostoffsystem - Zusätzliche Isolationswirkung über Reflexion der Wärmestrahlung Aufgrund der besseren Festigkeitswerte wie vor allem Druckverformungsrest und Abriebeigenschaften sowie der höheren Temperaturstabilität im Vergleich zu EPS, wurde EPP zum Aufbau der Klappboxen ausgewählt. Zum Einsatz kommen die Material-Typen Vestocell und Fawocel. Die hier verwendeten Materialien werden für die Machbarkeitsuntersuchungen und Teilelemente der Thermoklappbox mit Dichten im Bereich 40-70 g/l verarbeitet. Ferner sollten Verbundsysteme mit EPP-Kern aufgebaut und untersucht werden II.1.1.2 II.1.1.3 Bestimmung der Werkstoffeigenschaften Wärmeleitfähigkeitsmessungen: Zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit wurde ein Wärmestrommessgerät vom Typ RAPID-K der Firma Holometrix, INC für Wärmeleitfähigkeitsmessungen ebener Platten mit einer Dicke bis 10 cm eingesetzt, Bild 3. Das Gerät bestimmt Wärmeleitfähigkeiten gemäß ASTM C518 Thermal Conductivity by means of the Heat Flow Meter. Seite 13 von 57
Bild 3: Wärmeleitfähigkeitsmessgerät mit Kühlaggregat Die Wärmeleitfähigkeit von plattenförmigen Proben wird hierbei durch Messen der Wärmestromdichte mittels Wärmestrommesser und der Temperaturdifferenz im stationären Zustand sowie der Probendicke bestimmt. Die zu messende Probe wird zwischen zwei Oberflächen positioniert, die unterschiedliche, konstante Temperatur aufweisen, und der Wärmefluss wird gemessen. Der Messbereich liegt zwischen 0,015 und 0,43 W/mK, Bild 4. Bild 4: Prinzipieller Aufbau des Wärmeleitfähigkeitsmessgerätes (links) und Wärmeleitfähigkeitsmessgerät im geöffneten Zustand (rechts) Seite 14 von 57
Jeder Proben-Messung geht ein Messung einer Kalibrierprobe bei gleichem Temperaturbereich voraus. Nach Durchführung beider Messungen ergibt sich die Wärmeleitfähigkeit der zu messenden Probe nach folgender Formel: λ = λ c Q ΔX ( ΔT ) c ( Q) ( ΔX ) ΔT c c Die Werte mit Index c gehören zur Kalibrierprobe; die anderen zu der zu messenden Probe. Entsprechend der Wandstärke der aufzubauenden Thermoklappbox wurden EPP-Platten mit einer Dicke von 25 mm untersucht. Ziel der Untersuchungen war es den Einfluss der Formteildichte und der Probentemperatur auf die Wärmeleitfähigkeit festzustellen, Bild 5. 0,047 0,045 0,043 0,041 52 g/l 59 g/l 66 g/l 0,039 0,037 0,035 10 20 30 40 50 60 70 mittlere Probentemperatur [ C] Bild 5: Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Probentemperatur und Dichte bei EPP (Vestocell 3000) Aus den Kurven wird ersichtlich, dass zumindest im untersuchten Dichtebereich die Dichte keinen signifikanten Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit aufweist, Bild 5. EPP-Formteile geringerer Dichte wurden nicht untersucht, da hier die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften einer Thermoklappbox nicht mehr erfüllt werden. II.1.1.4 UV-Test: Um eine Aussage bezüglich der UV-Beständigkeit von EPP-Partikelschaumstoff machen zu können wurden EPP-Proben im Sonnensimulationssystem uvasol 400 der Firma Dr. K. Hönle Gmbh getestet. Das Gerät arbeitet mit einer Beleuchtungsstärke von 120.000 lux bei einer Gesamtbestrahlungsstärke von 910 W/m², was einen Zeitraffereffekt bezüglich der natürlichen Sonnenstrahlung in 50 N-Breite von ca. 6,5 ergibt. Es wurden Proben mit verschiedenen Formteildichten getestet. Die Bestrahlungsdauer betrug 432 h, was etwa 117 Tagen mittlerer natürlicher Sonneneinstrahlung entspricht. Seite 15 von 57
Generell wurde mit zunehmender Formteildichte eine verbesserte UV-Beständigkeit festgestellt. Die Auswirkungen der UV-Bestrahlung wirken sich jedoch nur auf oberflächennahe Bereiche aus wobei für die mechanischen Eigenschaften von EPP-Formteilen mit den hier relevanten Dicken keine signifikanten Änderungen zu erwarten sind. In Hinblick auf die hygienischen Ansprüche gemäß der Lebensmittelhygiene-Verordnung (LMHV), ist jedoch festzuhalten dass eine übermäßig lange Sonnenbestrahlung (z.b. Lagerung im Freien) ohne eine geeignete Oberflächenbeschichtung zu vermeiden ist, Tabelle 5. Bestrahlungszeit [h] Schädigungsmerkmale 24 Keine sichtbare Veränderung 48 Keine sichtbare Veränderung 72 Keine sichtbare Veränderung 96 kleine Risse 144 Aufplatzen einzelner Partikel an der Oberfläche 168 Aufplatzen einzelner Partikel an der Oberfläche 216 Ablösung von Partikeln Versprödung des Materials Leichte Geruchsbildung 360 Ausgeprägte Ablösung einzelner Partikeln versprödeten Materials Leichte Geruchsbildung 432 Ausgeprägte Ablösung einzelner Partikeln versprödeten Materials Leichte Geruchsbildung Tabelle 5: Schädigungsmerkmale der bestrahlten EPP-Proben II.1.1.5 Kreislauffähigkeit der Werkstoffe Die Wiederverwertung der Werkstoffe Polypropylen-Partikelschaum (EPP) und expandiertem Polystyrol (EPS) ist über verschiedene Wege gewährleistet. 1. Zerkleinerung der EPS-/EPP-Formteile in einer Schneidmühle und anschließende Verrundung der Partikel unter Wirkung von Wärme und mechanischer Bearbeitung zur Wiedergewinnung von Partikeln mit einer glatten geschlossenen Oberfläche ähnlich wie Neumaterial. Einsatzmöglichkeiten für EPS - Beimischung zum Neumaterial für die Formteil- oder Blockherstellung - Zuschlagstoff bei der Herstellung von Leichtbeton, Leichtziegeln oder Isolierputz - Zuschlagstoff zur Bodenverbesserung als Kompostierhilfe und für Drainagezwecke Seite 16 von 57
Einsatzmöglichkeiten für EPP - Beimischung zum Neumaterial für die Formteilherstellung 2. Zerkleinerung der EPS-/EPP-Formteile in einer Schneidmühle und Plastifizierung im Extrusionsprozess - Herstellung von PS-/PP-Halbzeugen im Extrusionsprozess - Herstellung von PS-/PP-Granulat und Weiterverarbeitung zu PS-/PP- Produkten oder Schaumstoffpartikeln (im Autoklavprozess) - Direkte Weiterverarbeitung zu PS-/PP-Schaumstoffpartikel im Extrusionsprozess Bei sortenreinen Verbundwerkstoffen ist ebenfalls eine Wiederverwertung analog zu EPS/EPP möglich. 3. Bei EPS ist das zum gegenwärtigen Zeitpunkt am häufigsten eingesetzte Verwertungsverfahren die Verbrennung des EPS, Tabelle 6. Verschwelung bei Material 300 C 400 C 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). Expositionszeit 1 x 30 Minuten. (Quelle: Fachtag EPS-Partikelschaumstoff, Würzburg 03/2000) II.1.2 Erstellung eines Design- und Fertigungskonzeptes Für die Erstellung eines Designkonzepts wurde die Thermoklappbox in mehrere konstruktive Teilelemente zerlegt. Besondere Aufmerksamkeit wurde hierbei auf die Lösungsvarianten für Scharnierfunktion und Verbindung der senkrechten Kanten gerichtet. Dabei wurden vor allem folgende Anforderungen berücksichtigt: - Gute Wärmedämmung - Große Volumenreduzierung im nicht befüllten Zustand - Monostoffsystem - Kreislauffähigkeit - Erfüllung der hygienischen Anforderungen Seite 17 von 57
- Gute und sichere Stapelbarkeit (zusammen- und aufgeklappt) - Tragekomfort - Dichtheit Die einzelnen Teillösungen wurden von mehreren Personen unabhängig bewertet. Zur Bewertung wurde für jedes der drei Teilelemente ein individueller Bewertungsbogen entworfen, in welchem für jedes Teilelement verschiedene Bewertungskriterien eingeführt wurden. Für jedes Bewertungskriterium wurde ein Gewichtungsfaktor bestimmt. Bis auf die Scharnierauswahl wurden die auf diesem Wege ermittelten Teilelemente im Prototypenentwurf umgesetzt, Bild 6 bis 8. Aus fertigungstechnischen Gründen und aus Gründen der Marktfähigkeit wurde bei den Scharnieren ein EPP-Kugelscharnier ausgewählt. Durch konstruktive Maßnahmen konnten die Nachteile des Kugelscharniers hinsichtlich der Kraftübertragung ausgeräumt werden. Durch einen zusätzlichen Hinterschnitt an den Seitenwänden wurde neben der Kraftübertragung auch eine gute Wärmeisolierung gewährleistet Bild 6: 3D-Darstellung (CAD) der Thermoklappbox, aufgebaut (links) und explodiert (rechts) Bild 7: Darstellung der Thermoklappbox in zusammen geklapptem Zustand Seite 18 von 57
Bild 8: Darstellung der Thermoklappbox im Schnitt II.1.3 Iterative Optimierung des Design- und Fertigungskonzeptes II.1.3.1 Identifikation und Beseitigung von Zielkonflikten Anhand von Machbarkeitsstudien zu Produktdetails sowie der Erarbeitung und Bewertung verschiedener Konzepte wurden mehrere Zielkonflikte identifiziert und alternative Lösungen hierfür erarbeitet: Im Wesentlichen zu nennen sind dabei: Scharnier: - Ein Filmscharnier in Verbindung mit dem gewählten Klappmechanismus ließ sich für eine Serienfertigung nicht umsetzen, da hier für eine äußerst komplizierte Werkzeugtechnik erforderlich wäre Es wurde ein Scharnier welches durch Ausformung des Schaumstoffs gebildet werden kann gewählt. Scharnierfunktion und Kraftübertragung (Bodenplatte-Wand) wurden entkoppelt (siehe Bild 9). Oberfläche: - Eine komplett verhautete Oberfläche ist im Serienprozess nicht herstellbar. Seite 19 von 57
Zur Gewährleistung einer abriebfesten und leicht reinigungsfähigen Oberfläche werden anstelle bedüster Werkzeugoberflächen feinporige Werkzeug-Oberflächen eingesetzt, die eine nahezu geschlossene 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 Ausformung einer Bodenwanne erreicht. Des weiteren wird die Box so gestaltet, dass bei Bedarf nachträglich ein separates Innenteil (Inlay) eingebracht werden kann. II.1.3.2 Konstruktion einer nachhaltigen Thermo-Klappbox und Weiterentwicklung zu einem ganzheitlich optimierten Produkt Nachfolgend ist die Konstruktion der Thermo-Klappbox, wie sie letztlich als Vorlage zur Herstellung von Serienwerkzeugen dient, beschrieben. Als Vergleich werden die erste Version der Thermo-Klappbox und die endgültige Version dargestellt sowie Modifikationen/Optimierungen erläutert, Bild 9. II.1.3.3 Entwicklung einer umweltgerechten Fertigungsabfolge Über die in Abschnitt II.1.4 dargestellten Konstruktionen und Werkzeuge lässt sich eine Thermo-Klappbox die ausschließlich aus einem Monostoffsystem (EPP) besteht, fertigen. Die mechanisch hochbelasteten Bereiche (Scharnier, Oberflächen) werden ebenfalls ohne den Einsatz weiterer Werkstoffe ausgeführt. Aufgrund dieser Ausführung der Klappbox in Verbindung mit der in Abschnitt II.1.5 beschriebenen Werkzeug- und Anlagentechnik lässt sich eine umweltgerechte Fertigung realisieren. Die Herstellung von Bauteilen aus Partikelschaumstoff erfolgt im Formteilprozess über Aufschmelzen der Oberfläche der Schaumpartikel mit Heißdampf und der Verschweißung der Partikel untereinander. Während eines Formteilzyklus (der ca. 1 3 Minuten dauert) wird dabei die gesamte Dampfkammermasse und Werkzeugmasse durch den einströmenden Heißdampf bis auf die Verschweißungstemperatur des Kunststoffs aufgeheizt (bei EPP bis zu 160 C) und anschließend durch Wasser- und Vakuumkühlung bis unter 70 C abgekühlt. Im herkömmlichen Prozess liegt der für das Verschweißen der Schaumpartikel benötigte Energieaufwand weit unter 1 % des tatsächlich eingesetzten Energieaufwandes. Der Energieaufwand bei der herkömmlichen Formteilherstellung kann damit bis zu 30 % des Formteilpreises betragen 1. 1 Studie Fa. Erlenbach Seite 20 von 57
Konstruktion für 1. Prototyp (siehe auch Bild 10) Optimierte Konstruktion für 2. Prototyp und Werkzeugkonstruktion Bild 9: Modifikationen/Optimierungen: - Verbesserung des Packmaßes durch angepasste Maße - Änderung der Griffmulde - Verstärkung von Ecken und Bodenbereich - Ausformung einer Bodenwanne - Verstärkung im Scharnierbereich - Größere Radien 3D-Darstellung (CAD) der Thermoklappbox (links: 1. Version, rechts: 2. optimierte Version) Zur Fertigung der Thermoklappbox wurde von Wacker & Ziegler GmbH ein Maschinen- und Fertigungskonzept entwickelt um den Formteilprozess wesentlich effizienter zu gestalten. Hauptvorteil ist hierbei die Energieeinsparung, die bei etwa 50 60 % im Vergleich zu einem konventionellen Automaten gleicher Baugröße liegt. Die Anlagendetails und damit verbundenen fertigungstechnischen Verbesserungen sind in Abschnitt II.1.5 beschrieben. Seite 21 von 57
II.1.3.4 Manuelle Herstellung von Musterprodukten In nachfolgenden Bildern 10 bis 14 ist der gefertigte Prototyp dargestellt. Die Herstellung der Einzelteile aus EPP (Dichte 60 g/l) erfolgte anhand der erstellten CAD-Zeichnungen bei der Firma Fagerdala auf einer CNC-Fräsmaschine. Bild 10: Einzelteile der Thermo-Klappbox Bild 11: Thermo-Klappbox zusammengebaut Seite 22 von 57
Bild 12: Thermo-Klappbox zusammengeklappt (mit und ohne Deckel) Bild 13: Seitenteile der Klappbox und Verbindung der Seitenelemente Bild 14: Scharnierbereich (Boden und Wand) und Verbindung II.1.4 Herstellung der Werkzeuge und Vorrichtungen II.1.4.1 Festlegung eines Pflichtenheftes für eine Produktionsanlage sowie Neukonstruktion sämtlicher Werkzeuge und Vorrichtungen Zur Fertigung der Thermoklappbox wurde das von Wacker & Ziegler entwickelte vollkommen neue Werkzeug- und Anlagenkonzept angewandt um den Formteilherstellungsprozess deutlich energieeffizienter zu gestalten, Bild 15. Seite 23 von 57
Dabei werden durch das neue Konzept der Wacker & Ziegler folgende Punkte grundlegend verbessert: Verringerung der Werkzeugmasse durch eine neue Werkzeugtechnologie, bei welcher die massiven gefrästen oder gegossenen Werkzeugwandungen ersetzt werden (künftig durch LOM 2 - und andere Rapid Tooling-Werkzeuge). Weitere Verringerung der Werkzeugmasse durch Anpassen der Größe und Form an das Formteil statt an die Maschinenabmaße. Verzicht auf die Dampfkammer und somit eine weiter deutlich reduzierte Masse, vergleiche mit bisheriger Technologie in Bild 16. Optimieren der Dampfzuführung durch geringe Querschnitte. Verbesserung der Kühlung durch werkzeugspezifische Kühlung. Verringerung der Wärmeverluste an Werkzeug, Dampfzuführung, Maschinenrahmen und Umwelt durch Isolationen im Werkzeug. Einsatz von porösen Werkzeugmaterialien, um den Energieeintrag in den Partikelschaum zu optimieren und die Formteilqualität zu verbessern. Wegfall von Dampfdüsen durch feinporige Oberflächentechnologie (z.b. FAWO POR, gesinterte Metalle). Neues Werkzeugkonzept: Aufspannrahmen Fahrseite Aufspannrahmen Festseite Dampfzuführung Dampfzuführung Kühlwasserzuführung Fülleinrichtung Abstützungen Werkzeug (Al, St,...) Isolation Partikelschaum (EPP, EPS) Kondensatableitung Kondensatableitung Bild 15: Neu entwickeltes Werkzeugkonzept der Fa. Wacker & Ziegler Seite 24 von 57
Bisherige Werkzeugtechnik Dampfkammer (Bestandteil der Maschine) Bedüste Wandung Werkzeug Haubenseite mit F üllerplatte (Dampfkammerrückwand) F üllinjektor kernseitige Kühlung (Bestandteil der Maschine) Werkzeug Kernseite Abstützung haubenseitige Kühlung ist Bestandteil des Werkzeugs Bild 16: Bisheriger Stand der Werkzeugtechnik in der Partikelschaumstoffverarbeitung 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 Seite 25 von 57
Bild 17: Einsatz für Deckel (Rückansicht: Dampfkammerseite) Bild 18: Einsatz für Deckel (Kavität) Seite 26 von 57
Bild 19: Einsatz für Bodenplatte (Kavität) Bild 20: Einsatz für Bodenplatte (Kernseite) Seite 27 von 57
Bild 21: Beide Werkzeughälften für kurzes Seitenteil Bild 22: Beide Werkzeughälften für langes Seitenteil Seite 28 von 57
Bild 23: Formeinsatz für Deckel, Dampfkammerseite mit integrierter Kühlung Bild 24: Erste Formteile Deckel hergestellt aus EPP Seite 29 von 57
Bild 25: Erste Formteile Deckel, langes Seitenteil und kurzes Seitenteil aus EPP II.1.5 Umrüstung einer Produktionsanlage II.1.5.1 Verfahrensentwicklung und technische Konzeption einer Produktionsanlage Zur Fertigung der Thermoklappbox wurde von Wacker & Ziegler GmbH ein vollkommen neues Werkzeugkonzept umgesetzt um den Formteilprozess effizienter zu gestalten. Dabei wurden durch das neue Konzept folgende Punkte grundlegend verbessert: Verringerung der Werkzeugmasse durch Verwendung dünnwandiger Einsätze (z.b. auch LOM 3 -Einsätze) Weitere Verringerung der Werkzeugmasse durch Anpassen der Größe und Form an das Formteil statt an die Maschinenabmaße. Verzicht auf die Dampfkammer und somit eine weiter deutlich reduzierte Masse. Optimieren der Dampfzuführung durch geringe Querschnitte. Verbesserung der Kühlung durch werkzeugspezifische Kühlung. 3 Laminated Object Manufacturing Seite 30 von 57
Verringerung der Wärmeverluste an Werkzeug, Dampfzuführung, Maschinenrahmen und Umwelt durch Isolationen im Werkzeug. Einsatz von porösen Werkzeugmaterialien, um den Energieeintrag in den Partikelschaum zu optimieren und die Formteilqualität zu verbessern. Wegfall von Dampfdüsen durch feinporige Oberflächentechnologie (z.b. FAWO POR, gesinterte Metalle). Bei der Umsetzung der genannten Verbesserungspunkte ergeben sich folgende Vorteile: Kosteneinsparung: - geringer Invest, Bild 26 - geringer Energieverbrauch (bis zu 80% Energieeinsparung) EPP-Teil, hergestellt auf Wettbewerbsmaschine EPP-Teil, hergestellt auf W&Z-Automat 35% 35% 20% 25% 20% 13% 16% 15% 21% Abschreibungen Personalkosten Materialkosten Energiekosten Abschreibungen Materialkosten Personalkosten Energiekosten Kostenvorteil mit W&Z-Maschinen Bild 26: Vergleich der Kostenanteile Dezentraler Betrieb vor Ort, beim Formteilkunden - geringe Logistikkosten - hohe Wertschöpfung Kurze Zykluszeiten - hohe Produktivität - schneller ROI Kurze Rüstzeiten - geringe Stillstandzeiten durch einfaches Werkzeugkonzept - Platzsparendes Layout komplette Fertigungseinheit auf nur 50 m², Bild 27 Seite 31 von 57
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 Seite 32 von 57
Bild 28: Bildschirmansicht der Kontrolleinheit Abmessungen Aufspannfläche Hub Abmasse (LxBxH) Gewicht WZ46 400x600 mm² ca. 600 mm ca. 2300x1200x2500 mm³ ca. 600 kg WZ68 600x800 mm² ca. 800 mm ca. 2500x1400x2500 mm³ ca. 700 kg Tabelle 7: Gegenüberstellung der Abmessungen möglicher Baureihen Ausstattung - Antrieb mit Servomotor - Werkzeugschutzsystem, Bild 29 - Hydraulische Zuhaltung bis 8 bar Dampfdruck - Saug- und Druckfüllsysteme (optional) - Vakuumkühlsystem für EPS (optional) Anschlüsse - Dampf: ¾, min. 100 kg/h, min. 3 bar - Kühlwasser: ½, min. 3 bar, max. 60 C, min. 120l/min - Druckluft: ¾, min. 8 bar, min. 2,5 m³/min - Strom: 3~16A 400VAC Seite 33 von 57
Bild 29: Prototyp des neu entwickelten Formteilautomaten II.1.5.2 Umrüstung einer Produktionsanlage und Optimierung des Produktionsprozesses Bereits ein nur in ersten Ansätzen optimiertes, überwiegend konventionell aufgebautes Werkzeug konnte das Energieeinsparungspotential der W&Z- Technologie beweisen: Die Herstellung von 4 EPS-Formteilen mit einem Bauteil-Volumen von ca. 1 Liter benötigt nur 0,5 kwh Energie sowie ca. 3 Liter Kühlwasser. Das entspricht einer Einsparung von ca. 50-60% im Vergleich zu einem konventionellen Automaten gleicher Baugröße. Die Taktzeit bei EPS beträgt im Moment ca. 45 s. Nach Abschluss der Inbetriebnahme anhand von EPS-Formteilen konnte nach den für die Verarbeitung notwendigen Umrüstungen das Energieeinsparpotential auch bei EPP-Formteilen bestätigt werden. II.1.5.3 Erstellung eines verallgemeinerten Leitfadens zur umweltgerechten Partikelschaumstoffverarbeitung Die allgemeinen Gestaltungsrichtlinien können unterteilt werden nach ökologischen, funktionellen, verarbeitungstechnischen und werkstofflichen Gesichtspunkten, Tabelle 8. Seite 34 von 57
Funktion Verarbeitung Werkstoff - Stoß- bzw. Energieabsorption - max./min. Dimensionierung - Optik - Geometrische Komplexität - Schallabsorption - Hinterschnitte, Hohlräume - Wärmeisolation - Dampfzuführung (Bedüsung) - Logistische Funktionen (Farbe) - Materialzuführung (Injektoren) - Maßhaltigkeit - Entformung - allgemeine Funktionsintegration - Haptik - Verbindungstechnik - Wandstärken - Schwindverhalten - Hinterschnitte - Radien Tabelle 8: Unterteilung der allgemeinen Gestaltungsrichtlinien - Symmetrie Bauteildimensionierung Maximale Bauteildicken Die maximal erzielbaren Bauteildicken sind durch den Dampfdiffusionsweg begrenzt und liegen im Bereich von 200 mm bis 600 mm. Große Bauteildicken können vor allem durch größere Schaumstoffpartikel und im geringeren Umfang durch kleinere Schüttdichten, Druckbeladung und entsprechende Wanddickensprünge erreicht werden. Umgekehrt bedeutet dies, daß bei der Gestaltung von Bauteilen mit einer hohen Formteildichte oder bei Verwendung von kleinen Partikeldurchmessern (beispielsweise für filigrane Teilbereiche) die kleinere maximal mögliche Dicke des Bauteils beachtet werden muss. Minimale Bauteildicken / Stege Minimale Bauteildicken sind vom Durchmesser der Schaumstoffpartikel abhängig. Sie liegen zwischen 3 und 4 mm. Durch hohe Staudrücke oder Crackspaltverfahren (nachträgliches Heißpressen) kann die Bauteildicke weiter gesenkt werden. Mechanisch beanspruchte Bereiche müssen häufig größere Durchmesser aufweisen, da die Festigkeit allein durch die Verschweißung jeweils zweier benachbarter Partikel nicht ausreichend ist. Die Befüllung langer und schmaler Bereiche führt zu einer inhomogenen Dichteverteilung und ist insbesondere bezüglich Symmetrie, Maßtoleranz und Optik problematisch. Steht das entsprechende Formteil oder der Formteilabschnitt während des Gebrauches nicht unter Formzwang, ist dies bereits bei der Gestaltung zu berücksichtigen. Seite 35 von 57
Gesamte Länge und Breite Längen und Breiten sind abhängig von der Größe des Formteilautomaten bzw. dessen Aufspannfläche. Formteilautomaten mit Aufspannflächen von 3m auf 1,4 m und größer werden u.a. für Großbauteile oder Blockware eingesetzt. Blöcke werden auf Spaltmaschinen zu EPP-Plattenware weiterverarbeitet. Eine kontinuierliche Fertigung von EPP-Bahnen, wie im Bereich des EPS, ist noch nicht im Einsatz. Bei der Gestaltung schmaler und besonders langer Formteile (z.b. Schiebedachleisten), die hohe Ansprüche an die Befüll- und Werkzeugtechnik stellen, ist neben der genannten Füllproblematik auf die Zerstörbarkeit der Formteile durch ihr Eigengewicht während der Entformung, dem Transport und beim Einbau zu achten. Wanddickensprünge Die Variation der Wanddicke innerhalb eines Bauteiles ist nahezu unbegrenzt möglich. Zu berücksichtigen sind die Gewährleistung einer ausreichenden Verschweißung in den Mittelbereichen der dickeren Bereiche, jedoch unter Beachtung der thermischen Unversehrtheit der dünneren Bereiche. Des Weiteren können die ungleichen Schwindwerte zu unerwünschter Verzugsneigung führen. Schwankungen in der Dichteverteilung durch ungleichmäßige Befüllung ist Hauptursache für den Verzug von Bauteilen mit extremen Wanddickenschwankungen. Durch richtige Bedüsungs- und Injektoranordnung sind diese Inhomogenitäten jedoch auszuschließen. Aussparungen Aussparungen zwischen den Bauteilbereichen sind nicht beliebig schmal zu gestalten. Zum einen muß die Werkzeugwand ausreichende Stabilität besitzen, zum anderen sollten bei tieferen Einschnitten zwei Wandungen mit genügend Abstand zur Gewährleistung der Kühlung eingebracht werden. Bei tieferen Einschnitten gilt dabei dieselbe Maßregel wie bei der Distanz zwischen einzelnen Kavitäten eines Mehrkammerwerkzeuges. Bei einer Wanddicke von 10 mm, einem Kühlleitungsdurchmesser von 6 mm und einem Mindestabstand von 2mm von Wand zu Kühlleitung errechnet sich eine Bauteilaussparung von: 2x10mm + 6mm + 2x2mm = 30 mm. Herabsetzen lässt sich dieses Maß durch: Dünnere Werkzeugwandstärken und Kühlwasserleitungsdurchmesser oder flache Kühlleiter Stirnseitiges Einsprühen (Kühlwasserdüse am Leitungsende) Bedüsen des Werkzeugsteges ohne Kühlung unverdüste Werkzeugstege Während bei einem Werkzeugsteg ohne Kühlung die minimale Dicke nahezu unbegrenzt ist und nur genügend Eigenstabilität beim Prozess aufweisen soll, Seite 36 von 57