03.08.2021
Case Study
120 FFP2-Masken je Minute mit Ultraschall vollautomatisiert schweißen
Von der Idee bis zur Inbetriebnahme eines hochmodernen Produktionssystems für FFP2-Schutzmasken vergingen gerade einmal zehn Monate. Die Anlage für das kontinuierliche und getaktete Ultraschallschweißen der Weber Ultrasonics AG aus Karlsbad ermöglicht, 120 Masken je Minute vollautomatisch zu fertigen und zu verpacken.
Es war am Ostersonntag 2020 und die erste Corona-Welle hatte die Welt im Griff, als Stephan Schneider einen Bericht zum Masken-Chaos las: Atemschutz- und FFP2-Masken waren in Europa praktisch nicht verfügbar und wenn es welche gab, nur zu überhöhten Preisen aus Asien sowie in teils fragwürdiger Qualität. Der Beitrag brachte den Diplom-Ingenieur und passionierten Maschinenbauer auf die Idee, selbst eine FFP2-Maske sowie die dafür erforderliche Produktionstechnik zu entwickeln und damit langfristig eine sichere und wettbewerbsfähige Maskenproduktion „Made in Germany“ aufzubauen. Die 1998 gegründete Schneider Technologies GmbH + Co. KG ist auf die Entwicklung, Konstruktion und den Bau von Sondermaschinen und Fertigungslinien für ein breites Kundenspektrum – etwa aus der Automobil-, Elektro-, Sanitär- und chemischen Industrie – spezialisiert.
Maske und Anlagentechnik parallel entwickelt
Mit der Herstellung persönlicher Schutzausrüstung und dem Ultraschallschweißen, das bei der Produktion der Masken ein entscheidender Fertigungsschritt ist, hat das Unternehmen Neuland betreten. Um überhaupt ein Gefühl für das thermoplastische Material zu bekommen, aus dem die Masken bestehen –so genannte Nonwovens –, haben alle Projektbeteiligten eine Schulung durch das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen erhalten. Gemeinsam mit dem ITA wurde auch das Maskendesign entwickelt, das an europäische Köpfe angepasst ist.
Ebenso pragmatisch ging Geschäftsführer Stephan Schneider die Planung der Fertigungslinie an. Detaillierte Recherchen über die am Markt angebotenen Maschinen lieferten Anhaltspunkte, wo man ansetzen musste, um in punkto Qualität, Leistung und Verfügbarkeit eine deutlich bessere Lösung zu erhalten.
Entsprechend sollte die Produktionstechnik automatisiert und nahezu mannlos laufen. Ziel war, anstelle der bisher maximal möglichen Produktionsmenge von 60 Masken je Minute 120 Stück zu fertigen. Eine hohe Anlagenverfügbarkeit, stabile Konstruktion und integrierte Verpackung hatten ebenfalls höchste Priorität. Diese Anforderungen und die Expertise aus über 400 realisierten Sonderanlagen flossen in die Konzeption der Produktionstechnik ein. „Da die Schweißvorgänge und insbesondere das Anschweißen der Ohrbänder qualitätsrelevante Prozesse sind, suchten wir für diese Schlüsselkomponenten einen Partner mit Erfahrung im Maskenschweißen“, erklärt der Geschäftsführer.
Technische Lösung, Beratung und Unterstützung entscheidend
Entschieden hat sich Stephan Schneider für Ultraschall-Equipment der Weber Ultrasonics AG, einem internationalen Hersteller von Ultraschallkomponenten für das Schweißen, Schneiden und Reinigen sowie von modularen Lösungen für das Anschweißen von Ohrbändern. Ausschlaggebend waren das technologische Konzept der Schweißlösungen wie auch die umfangreiche Erfahrung des Unternehmens bei der Verarbeitung von Nonwovens.
„Weber bietet Generatoren, Konverter und Booster für Maskenschweißprozesse als Standardkomponenten, nur die Sonotroden werden kundenspezifisch angepasst. Das ermöglichte uns, in diesem Bereich ohne kosten- und zeitaufwendige Entwicklungsarbeit schnell voranzukommen“, so Stephan Schneider. Umfassende Unterstützung bot der Komponentenhersteller auch, als es um die Verifizierung der Prozessparameter ging. Sie erfolgte durch Schweißversuche im Technikum bei Weber mit dem Original-Maskenmaterial von Schneider. Es besteht aus drei unterschiedlichen Vliesen, wobei die mittlere Lage ein bereits verbundenes Kombinationsmaterial ist.
Kontinuierliches und getaktetes Schweißen
Ausgestattet ist die Fertigungslinie mit insgesamt sieben Ultraschallschweißsystemen. Die Industrie 4.0-fähigen Schweißgeneratoren „Sonic Digital HS3“ mit jeweils 2.000 W Leistung verfügen über fünf Schweißmodi, so dass sowohl kontinuierliches als auch getaktetes Schweißen gewährleistet ist. Darüber hinaus sorgen innovative Funktionen für Prozesssicherheit: Dazu zählt beispielsweise das Teach-In, das die optimale Startfrequenz und Regelparameter der angeschlossenen Schwingsysteme automatisch ermittelt und die richtige Arbeitsfrequenz durch die „Sonoscan“-Funktion identifiziert. Die Temperaturnachführung berechnet Frequenzverschiebungen durch Temperaturveränderungen und gleicht diese ebenfalls automatisch aus.
Nach dem Auflegen der Vliesstoffrollen auf die Coiler startet der automatische Prozess mit dem Einlegen der Nasenbügel. Anschließend werden die Konturen der Maske in einem kontinuierlichen Prozess geschweißt. Der hier eingesetzte, aus Titan gefertigte Schweißkonverter wurde speziell für unterbrechungsfreie Anwendungen entwickelt. Für reibungslosen Wechsel von Durchlauf- zu getakteten Prozessen ist ein Zwischenspeicher integriert, von dem aus die Masken zunächst in einer Druckeinheit mit den jeweiligen Herstellerangaben, CE-Zeichen und Prüfnummer bedruckt werden.
Danach erfolgt in zwei Stationen das Anschweißen der Ohrbänder. Dabei sorgen die spezielle Konstruktion der Ohrbandschweißstationen und die Auslegung der Schwingsysteme und Sonotroden aus Titan für die korrekte Ausführung jedes einzelnen Schweißpunkts. Hier folgt ein weiterer Zwischenspeicher, da die anschließende Formgebung der Masken und die Schweißung der L-Naht wieder in kontinuierlichen Prozessen erfolgen.
Im nächsten Schritt werden die Masken ausgeschnitten, automatisch an eine Schlauchbeutel-Verpackungsanlage übergeben und einzeln verpackt. Abschließend erfolgt eine automatische Kommissionierung von zehn oder zwanzig Masken mit nachfolgender Verpackung in Verkaufskartons, die dann per Roboter in Transportkartons gesetzt werden. Die Vorgabe an die Konstruktion „Vom Vlies bis in die Verpackung“ wurde damit vollständig erfüllt.
Überwachung mit Sensoren und Kamerasystemen
Sämtliche Prozessschritte werden über Sensoren und Kamerasysteme überwacht und die ermittelten Ergebnisse laufend mit definierten, in der Steuerung hinterlegten Sollwerten abgeglichen. Dies ermöglicht, dass nicht einwandfrei produzierte bzw. verpackte Masken in Sortierstationen vor und nach dem Verpacken automatisch ausgeschleust werden.
Die innovative Fertigungslinie ermöglicht, in den Hochlohnländern Europas bis zu 100 Millionen qualitativ hochwertige FFP2-Masken im Jahr hygienisch und zu Preisen zu produzieren, die auch gegenüber dem Wettbewerb aus Asien wettbewerbsfähig sind. „Wir sind überzeugt, dass uns die führende Technologie für das Maskenschweißen und die kompromisslose Unterstützung von Weber Ultrasonics dabei geholfen hat, dieses Projekt in hoher Qualität und in weniger als einem Jahr umzusetzen“, merkt Stephan Schneider abschließend an.
(Quelle: Presseinformation der Weber Ultrasonics AG, Autorin: Doris Schulz)
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