Abschlussbericht - Cleaner Production Germany

Transcription

Abschlussbericht
Umweltschonende Rekonditionierung von starren
Verpackungen unter Berücksichtigung der Transport-,
Umschlag- und Lagerbelastungen im Rahmen des
Responsible-Care-Gedankens
Projektpartner:
Universität Dortmund, Fachgebiet Logistik
Universität Dortmund, Lehrstuhl für Mechanik
Blagden Packaging Mendig GmbH & Co.
gefördert mit Mitteln des
unter den
Förderkennzeichen (FKZ)
0330345
0330346
Dortmund/Mendig, 2006
I
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ................................................................................................. I
Abbildungsverzeichnis ....................................................................................... VI
Tabellenverzeichnis ...........................................................................................XV
Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................XVIII
1
2
3
Einleitung und Zielstellung ........................................................................... 1
1.1
Ausgangssituation und Handlungsbedarf ................................................ 1
1.2
Zielsetzung der Arbeit.............................................................................. 5
1.3
Aufbau des Untersuchung ....................................................................... 6
Rekonditionierung von starren Verpackungen ........................................... 8
2.1
Begriffe und Definitionen ......................................................................... 8
2.2
Verpackungen für Gefahrgüter .............................................................. 10
2.2.1
Stahlverpackungen.......................................................................... 11
2.2.2
Kunststoffverpackungen.................................................................. 15
2.2.3
Großpackmittel (Intermediate Bulk Container) ................................ 16
2.3
Einordnung der Rekonditionierung in den Packmittelkreislauf............... 17
2.4
Strukturen und Prozesse der Rekonditionierung ................................... 22
2.4.1
Die Rekonditionierungsbranche ...................................................... 22
2.4.2
Prozesse der Rekonditionierung starrer Verpackungen .................. 28
Planung einer Pilotanlage zur umweltschonenden
Rekonditionierung von starren Verpackungen ......................................... 34
3.1
Methodik zur Entwicklung einer Pilot-Rekonditionieranlage .................. 34
3.2
Entwicklung einer Pilotanlage zur umweltschonenden
Rekonditionierung von starren Verpackungen....................................... 36
3.2.1
Zielplanung und -definition .............................................................. 36
3.2.2
Analyse der Ist-Situation und Erstellung eines
Anforderungsprofils ......................................................................... 36
3.2.2.1
3.2.2.2
Logistisch-technische Ausgangssituation...............................................36
Rechtliche Rahmenbedingungen ...........................................................40
3.2.3
Entwicklung von Soll-Prozessen ..................................................... 45
3.2.4
Erarbeitung eines Block-Layout ...................................................... 49
3.3
Entwicklung und Integration innovativer Anlagenkomponenten............. 53
3.3.1
Neutralisationsanlage zur Behandlung reaktiver Restinhalte .......... 53
I
Inhaltsverzeichnis
3.3.1.1
3.3.1.2
3.3.1.3
3.3.1.4
3.3.1.5
3.3.1.6
3.3.2
3.3.2.1
3.3.2.2
3.3.2.3
3.3.2.4
3.3.2.5
3.3.2.6
3.3.3
3.3.3.1
3.3.3.2
3.3.3.3
3.3.3.4
3.3.3.5
3.3.3.6
3.3.3.7
3.3.4
3.3.4.1
3.3.4.2
3.3.4.3
3.3.4.4
3.3.4.5
3.3.4.6
3.4
Verfahren zur Aufbereitung von Öl-Wasser-Gemischen.................. 77
Beschreibung der Aufgabenstellung und Zielsetzung............................ 77
Anforderungen an die zu realisierende Anlage...................................... 78
Bewertung technischer Alternativen ...................................................... 79
Konzipierung eines geeigneten Verfahrens ........................................... 92
Planung, Aufbau und Erprobung der Versuchsanlage........................... 94
Bewertung der Ergebnisse................................................................... 100
Etikettenentfernung von Spundfässern aus Stahl.......................... 104
Ausgangssituation und Zielsetzung ..................................................... 104
Erstellung eines Anforderungskatalogs ............................................... 105
Stand der Technik................................................................................ 108
Entwicklung einer Versuchsanlage ...................................................... 113
Durchführung von Versuchsreihen und Bewertung der Ergebnisse .... 115
Untersuchung und Erprobung weiterer Verfahren ............................... 122
Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse............................. 127
Anlage zur Behandlung nicht rekonditionierfähiger
Verpackungen aus Kunststoff........................................................ 128
Motivation und Anforderungen des Marktes ........................................ 128
Anforderungen an den Aufbereitungsprozess ..................................... 132
Entwicklung eines Verfahrensschemas ............................................... 135
Bewertung technischer Alternativen .................................................... 136
Aufbau und Erprobung der Pilotanlage................................................ 146
Abschließende Bewertung der Versuchsergebnisse ........................... 152
Optimierung der innerbetrieblichen Logistik und Neugestaltung des
Entladebereichs ................................................................................... 155
3.4.1
Darstellung der Ausgangssituation und der Schwachstellen ......... 155
3.4.2
Entwurf eines optimierten Entlade- und Sortierbereichs................ 159
3.4.3
Neugestaltung der Arbeitsorganisation.......................................... 160
3.4.4
Logistikkonzept.............................................................................. 162
3.4.5
Baumaßnahmen ............................................................................ 163
3.4.5.1
3.4.5.2
II
Ausgangssituation und Anforderungen an die
Neutralisationsanlage ............................................................................ 53
Ermittlung der Rahmenparameter und Bewertung von technischen
Alternativen............................................................................................ 57
Aufbau eines Versuchsstandes ............................................................. 66
Durchführung von Versuchen ................................................................ 69
Versuchsergebnisse und -auswertung................................................... 71
Bewertung der Forschungsarbeiten und Ableitung von
Erkenntnissen für die Umsetzung in der Praxis..................................... 73
Entladung und Sortierung im Spundfass-Bereich ................................ 163
Infrastruktur, Betriebshof und IBC-Bereich .......................................... 164
Inhaltsverzeichnis
3.5
4
Konzeption des Musterprozesses einer Rekonditionieranlage für
Spundfässer aus Stahl ........................................................................ 166
Entwicklung eines Konzeptes für die innerbetriebliche
Kennzeichnung der Verpackungen .......................................................... 168
4.1
Zielsetzung und Aufgabenstellung....................................................... 168
4.2
Internationaler Stand von Wissenschaft und Technik.......................... 170
4.2.1
Automatische Identifikationssysteme ............................................ 170
4.2.2
Merkmale der Barcode-Technologie ............................................. 177
4.2.2.1
4.2.2.2
4.2.2.3
4.2.3
4.2.3.1
4.2.3.2
4.2.3.3
4.2.3.4
4.2.4
4.2.4.1
4.2.4.2
4.3
Systemaufbau und technische Grundlagen .........................................177
Standards und Codearten ....................................................................179
Materialien für Barcodeetiketten ..........................................................184
Eigenschaften und Leistungsmerkmale von RFID-Systemen ....... 187
Physikalisch-technische Grundlagen ...................................................187
Frequenzbereiche und Leistungsmerkmale .........................................193
Bauformen von Transpondern .............................................................197
Standardisierung ..................................................................................199
Einsatzszenarien automatischer Identifikationssysteme ............... 201
Beschreibung relevanter Anwendungsbeispiele und -standards .........201
Zusammenfassende Bewertung...........................................................209
Erstellung eines Anforderungskatalogs ............................................... 212
4.3.1
Anforderungen an das Identifikationsmedium ............................... 212
4.3.2
Anforderungen an Lesegeräte und Systemperipherie ................... 213
4.3.3
Prozessbezogene Anforderungen ................................................. 214
4.3.4
Zusammenfassung........................................................................ 215
4.4
Entwicklung eines Systemkonzeptes................................................... 216
4.4.1
Eingrenzung und Bewertung technischer Alternativen .................. 216
4.4.2
Entwicklung einer Applikationslösung für Stahl-Spundfässer
und Kombinations-IBC .................................................................. 223
4.4.2.1
4.4.2.2
4.4.3
4.4.3.1
4.4.3.2
4.4.3.3
4.4.3.4
4.4.3.5
4.4.4
Entwicklung einer Halterung für den Transponder (Spundfass)...........223
Entwicklung einer Kennzeichnungslösung für Kombinations-IBC........228
Auswahl geeigneter RFID-Systemkomponenten........................... 230
Bewertung der Leistungseigenschaften verschiedener RFIDSysteme ...............................................................................................230
Wahl des Erfassungsprinzips ...............................................................235
Eingrenzung geeigneter Transponder und Reader ..............................237
Gestaltung der Antennen für die Spundfass-Kennzeichnung ..............243
Auswahl von Systemkomponenten durch praktische Versuche...........247
Auswahl geeigneter Werkstoffe für die
Kennzeichnungselemente ............................................................. 255
III
Inhaltsverzeichnis
4.4.4.1
4.4.4.2
4.4.4.3
4.5
Entwicklung eines Soll-Konzepts für die Implementierung der
Kennzeichnungslösungen in den Rekonditionierprozess..................... 266
4.5.1
Definition der Identifikationspunkte................................................ 266
4.5.2
Entwicklung eines Prozessmodells für die Nutzung RFIDbasierter Identifikationssysteme in der Rekonditionierung............. 270
4.5.2.1
4.5.2.2
4.6
5
Vorauswahl geeigneter Kunststoffe und Vergussmassen ................... 255
Durchführung von Laborversuchen...................................................... 260
Zusammenfassung der Versuchsergebnisse....................................... 265
Identifikation und Kennzeichnung von Stahl-Spundfässern................. 270
Identifikation und Kennzeichnung von Kombinations-IBC ................... 275
Softwareseitige Integration der RFID-Technologie .............................. 280
4.6.1
Voraussetzungen sowie Entwicklungs- und Testumgebung.......... 280
4.6.2
Entwicklung von Benutzeroberflächen........................................... 281
4.6.3
Datenmodell und Datenbankentwicklung ...................................... 285
4.6.4
Datentechnische Schnittstellen ..................................................... 288
4.7
Durchführung und Auswertung der Pilotanwendung............................ 289
4.8
Zusammenfassung und Bewertung der Erkenntnisse ......................... 292
Entwicklung von Instrumenten zur Bewertung der
Rekonditionierfähigkeit starrer Verpackungen ....................................... 294
5.1
Berührungsloses Erkennungssystems zur Ermittlung des
Verformungs- und Verbeulungszustandes von Stahlfässern ............... 294
5.1.1
Beschreibung der Zielsetzung und Aufgabenstellung.................... 294
5.1.2
Anforderungen an das System ...................................................... 297
5.1.3
Stand der Technik ......................................................................... 299
5.1.3.1 Magnetisch / Induktive Systeme .......................................................... 299
5.1.3.2 Ultraschall-Sensoren............................................................................ 301
5.1.3.3 Optische Systeme................................................................................ 304
5.1.3.3.1 Laserscanner ................................................................................. 304
5.1.3.3.2 Bildverarbeitung............................................................................. 306
5.1.3.4 Zusammenfassende Wertung.............................................................. 309
5.1.4
5.1.4.1
5.1.4.2
5.1.4.3
5.1.5
5.2
Bewertung von Verformungszuständen mit Vorversuchen.................. 310
Bildverarbeitungssysteme.................................................................... 314
Laserscanner ....................................................................................... 322
Zusammenfassung und Ableitung von Erkenntnissen für die
Umsetzung in der betrieblichen Praxis .......................................... 336
Stoffdatenbank zur Bewertung der Rekonditionierfähigkeit auf Basis
von Herkunft und Restinhalten............................................................. 337
5.2.1
IV
Konzeption und Erprobung von Versuchsanlagen ........................ 310
Beschreibung der Zielsetzung und Aufgabenstellung.................... 337
Inhaltsverzeichnis
5.2.2
5.2.2.1
5.2.2.2
5.2.2.3
5.2.3
5.2.3.1
5.2.3.2
5.2.3.3
5.2.3.4
5.2.4
5.2.4.1
5.2.4.2
5.2.4.3
5.2.4.4
5.2.4.5
6
Anforderungen der Warenannahme / Entladung..................................339
Anforderungen des Vertriebs ...............................................................341
Anforderungen des Qualitätsmanagement ..........................................344
Konzeptionelle Gestaltung der Stoffdatenbank ............................. 344
Datenmodell .........................................................................................344
Zugriffskontrollen und Zugriffsrechte....................................................350
Bildschirmmasken ................................................................................351
Berichtswesen ......................................................................................359
Realisierung und Erprobung der Stoffdatenbank .......................... 360
Technische Richtlinien .........................................................................360
Implementierung ..................................................................................361
Netzwerkstruktur ..................................................................................364
Erstellung eines Handbuchs für die Nutzung der Stoffdatenbank........364
Erprobung der Stoffdatenbank und Zusammenfassung der
Erkenntnisse ........................................................................................364
Untersuchungen zur Schwingfestigkeit von Stahlverpackungen.......... 366
6.1
Problemstellung und Zielsetzung......................................................... 366
6.2
Transport-, Umschlag- und Lagerbelastungen .................................... 367
6.3
Grundlagen der Zeit- und Dauerfestigkeitsproblematik ....................... 370
6.4
Ermittlung der Schwachstellen an Stahlfässern mit Hilfe von
Schwingversuchen .............................................................................. 375
6.4.1
Versuchsaufbau ............................................................................ 375
6.4.2
Versuchsdurchführung .................................................................. 377
6.4.2.1
6.4.2.2
6.4.3
7
Anforderungen an das System...................................................... 338
Schwingfestigkeit bei Resonanz...........................................................377
Schwingfestigkeit bei variablem Schwingungsprofil .............................377
Ergebnisauswertung...................................................................... 381
6.5
Entwicklung von Gegenmaßnahmen und Überprüfung der
Wirksamkeit mit Hilfe von Schwingversuchen ..................................... 384
6.6
Zusammenfassung und Ableitung von Empfehlungen ........................ 386
Fazit und Ausblick ..................................................................................... 388
7.1
Zusammenfassung der Erkenntnisse .................................................. 388
7.2
Ausblick ............................................................................................... 390
8
Literatur ...................................................................................................... 392
9
Anhang........................................................................................................ 411
V
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1:
Auswahl rekonditionierbarer Verpackungen /BPM 2003/
/SCHU 2003/ ............................................................................. 1
Abbildung 2-1:
Kategorisierung von Gefahrgutumschließungen (nach
/OHL 2000/, verändert) ........................................................... 11
Abbildung 2-2:
Spundfässer aus Stahl /GKP 2006/ ........................................ 13
Abbildung 2-3:
Deckelfässer aus Stahl /GKP 2006/ ....................................... 14
Abbildung 2-4:
Kunststoff-Spundfässer und Kunststoff-Deckelfässer in
verschiedenen Größen /MAU 2006/ ........................................ 15
Abbildung 2-5:
Kombinations-IBC mit Holz- und Kunststoffpalette /MAU
2006/ ....................................................................................... 17
Abbildung 2-6:
Schematische Darstellung des Packmittel-Kreislaufs ............. 18
Abbildung 2-7:
Vergleich des Energieverbrauchs von verschiedenen
Verpackungsarten /nach ICCR 1999/...................................... 20
Abbildung 2-8:
Vergleich des prozessbezogenen Aufkommens an festen
Abfällen (pro 1000 Umläufe) /nach ICCR 1999/...................... 21
Abbildung 2-9:
Anteil ehemaliger Füllgüter bei den zu rekonditionierenden
Verpackungen /BPM 2003/ ..................................................... 26
Abbildung 2-10:
Entwicklung des Marktes für Kombinations-IBC /nach
SCHU 2006/ ............................................................................ 27
Abbildung 2-11:
Auszug aus einem Rekonditionierungsprozess für
Spundfässer aus Stahl /BPM 2003/ ........................................ 28
Abbildung 2-12:
Der Recontainer®-Kreislauf /VIV 2006/ ................................... 32
Abbildung 2-13:
Beispiel einer UN-Kennzeichnung für rekonditionierte
Verpackungen (Stahl-Spundfass) ........................................... 33
Abbildung 3-1:
Checklisten zur Erfassung der Ausgangssituation .................. 35
Abbildung 3-2:
Schematische Darstellung der Genehmigungsbedürftigkeit
von Anlagen nach BImSchG i. V. m. 4. BImSchV .................. 42
Abbildung 3-3:
Übersicht relevanter nationaler Rechtsvorschriften................. 44
Abbildung 3-4:
Auszug aus dem Soll-Prozess (Teilprozess Nassreinigung)... 46
Abbildung 3-5:
Rekonditionierungsprozess von Spundfässern aus Stahl
(nach erfolgter Nassreinigung)................................................ 48
Abbildung 3-6:
Abgrenzung von Funktionseinheiten bei der SpundfassRekonditionierung ................................................................... 50
VI
Abbildung 3-7:
Von-Nach-Matrix der stündlichen Transporte
[Transporteinheiten/h] ..............................................................51
Abbildung 3-8:
Block-Layout eines Rekonditionierbetriebs (Spundfässer
aus Stahl) mit Darstellung der Materialbewegungen ...............52
Abbildung 3-9:
Schema eines Oberflächenabsorbers / UNI 2006a /................59
Abbildung 3-10:
Bodenkolonne und Strahldüsenwäscher /UNI 2006b/ .............60
Abbildung 3-11:
Füllkörperkolonne und Fallfilmabsorber /UNI 2006a/ ...............61
Abbildung 3-12:
Sprühwäscher und Venturiwäscher /UNL 2006/ ......................62
Abbildung 3-13:
Prinzip eines automatischen Behandlungsstands....................65
Abbildung 3-14:
Versuchstand zur Behandlung von Verpackungen mit
reaktiven Inhaltstoffen.............................................................67
Abbildung 3-15:
Kompaktwäscher /VUM 2006/ .................................................68
Abbildung 3-16:
Verwendete Restentleerungspumpe........................................68
Abbildung 3-17:
Absaughaube für Gaserfassung (links) und Einfüllstutzen
(rechts).....................................................................................69
Abbildung 3-18:
Schwarz/Weiß-Container (Beispiel) /MVS 2006/ .....................75
Abbildung 3-19:
Einteilung der Membranverfahren /LEG 2006/.........................80
Abbildung 3-20:
Verfahrensschema der Vakuumdestillation /H2O 2005/ ..........85
Abbildung 3-21:
Funktionsweise eines Kantenspaltfilters /BLA 2005/ ...............88
Abbildung 3-22:
Siebrechen /OSW2006a/ .........................................................89
Abbildung 3-23:
Koaleszenzabscheider /MAL 2006/ .........................................90
Abbildung 3-24:
Bandskimmer /UNT 2006/........................................................91
Abbildung 3-25:
Auswahl eines Skimmverfahrens (nach /GEW 2006,
erweitert/).................................................................................92
Abbildung 3-26:
Schematische Darstellung des Plattenkondensators /VEG
2005/........................................................................................93
Abbildung 3-27:
Kapazitätsmesssonde im Betrieb /BLA 2004/ ..........................93
Abbildung 3-28:
Verfahrensschema der Prozesswasserkreislaufführung
/BPM 2005/ ..............................................................................95
Abbildung 3-29:
Schlauchskimmer in Betrieb (links), Abstreifersystem
(rechts) /FRI 2006/ ..................................................................97
Abbildung 3-30:
Vakuumdestillationsanlage vor Inbetriebnahme /BLA 2005/....98
Abbildung 3-31:
Entwicklung des durchschnittlichen
Frischwasserverbrauchs je Fass ...........................................101
VII
Abbildung 3-32:
Entwicklung des durchschnittlichen
Frischwasserverbrauchs je IBC ............................................ 102
Abbildung 3-33:
Entwicklung der Entsorgungsmengen je Produktionseinheit. 103
Abbildung 3-34:
Manuelle Entfernung von Etiketten im
Rekonditionierungsprozess am Beispiel von StahlSpundfässern........................................................................ 104
Abbildung 3-35:
Beispiel einer Kennzeichnung nach GefStoffV...................... 106
Abbildung 3-36:
Etiketten an Stahl-Spundfässern........................................... 107
Abbildung 3-37:
Folienradierer /FOE 2006a/................................................... 109
Abbildung 3-38:
Bürstenschleifer /FOE 2006b/ ............................................... 109
Abbildung 3-39:
Blowjet 2000 zur Reinigung innerbetrieblich vewendeter
Transportbehältnisse /JOH 2006b/ ....................................... 110
Abbildung 3-40:
Strahlen mit Trockeneis /TER 2006/ ..................................... 112
Abbildung 3-41:
Verwendete Bürsten.............................................................. 113
Abbildung 3-42:
Verwendete Versuchsanlage ................................................ 115
Abbildung 3-43:
Etikettenreste nach der Bearbeitung in der Versuchsanlage 118
Abbildung 3-44:
Stahlborsten mit Orientierung ............................................... 119
Abbildung 3-45:
Gestrahlte Fässer ................................................................. 120
Abbildung 3-46:
Fass nach Vorbehandlung mit Erhitzen und
anschließendem Bürsten in der Versuchsanlage.................. 121
Abbildung 3-47:
Blick auf den Versuchsstand................................................. 122
Abbildung 3-48:
Verwendeter Höchstdruckreiniger ......................................... 123
Abbildung 3-49:
Fass mit Etikettenresten am Oberboden............................... 126
Abbildung 3-50:
Etiketten an Kombinations-IBC ............................................. 127
Abbildung 3-51:
Verpackungskategorien (Beispiel) ........................................ 129
Abbildung 3-52:
Marktpreisentwicklung für HDPE-Mahlgut im Jahr 2004
/BPM 2005/ ........................................................................... 131
Abbildung 3-53:
Kategorisierung von nicht rekonditionierfähigen
Verpackungen /CAR 2006/ /OBA 2006/ /COR 2006/ ........... 133
Abbildung 3-54:
Materialfluss-Schema............................................................ 135
Abbildung 3-55:
Gefahrguteigenschaften für die Aussortierung von
Verpackungen /BPM 2005/ ................................................... 136
Abbildung 3-56:
Vertikalförderer /WIN 2006/ /THY 2006/................................ 137
Abbildung 3-57:
Stetigförderer /FOE 2006, MEB 2006, ADI 2006, PRE 2006/ 138
VIII
Abbildung 3-58:
Zerkleinerungsverfahren /UNA 2006/ ....................................140
Abbildung 3-59:
Durchlaufsysteme /IBO 2006/ /BRE 2006/.............................142
Abbildung 3-60:
Batchsysteme /MEA 2006a/ /MEA 2006b/ /MEA2006/ ..........143
Abbildung 3-61:
Ausführungsformen von Big Bags .........................................145
Abbildung 3-62:
Big Bag - Abfüllanlagen (aus /LIB 2006a/ /DER 2006/ /DER
2006/ /LIB 2006b/) .................................................................146
Abbildung 3-63:
Layout - Plan der Pilotanlage.................................................146
Abbildung 3-64:
Palettenheber für die Zuführung der Verpackungen ..............147
Abbildung 3-65:
Bild des Zerkleinerers RS 50-4-S im praktischen Einsatz......149
Abbildung 3-66:
Reinigungsschnecke und Nachzerkleinerer...........................150
Abbildung 3-67:
Nachzerkleinerer Previero 40/50 ...........................................151
Abbildung 3-68:
Abfüllung der Big Bags ..........................................................151
Abbildung 3-69:
Beladen eines Lkw mit Big Bags............................................152
Abbildung 3-70:
Kunststoffgranulat aus der entwickelten Anlage und
Recyclingprodukt ...................................................................153
Abbildung 3-71:
Entwicklung des Discounted Cash Flow (DCF) .....................154
Abbildung 3-72:
Lastzug (links) und Wechselbrücken (rechts) ........................155
Abbildung 3-73:
Ist-Situation des Materialflusses an der Entladung ................156
Abbildung 3-74:
Entscheidungsprozess der Entlademitarbeiter.......................157
Abbildung 3-75:
Darstellung des optimierten Materialflusses an der
Entladung...............................................................................160
Abbildung 3-76:
Layout des neuen Entlade- und Sortierbereichs ....................164
Abbildung 3-77:
Neue Rampe für die Sortierung der Verpackungen ...............164
Abbildung 3-78:
Gestaltung der IBC-Reinigung und -Zerlegung......................165
Abbildung 3-79:
Layout eines Muster-Rekonditionierprozesses für
Spundfässer aus Stahl...........................................................167
Abbildung 4-1:
Übersicht über die wichtigsten Auto-ID-Verfahren /FIN
2002/......................................................................................171
Abbildung 4-2:
Normschriften OCR-A und OCR-B /nach VIR 1992,
S. 86 ff./ .................................................................................172
Abbildung 4-3:
Beispiele für eindimensionale (lineare) Codes.......................180
Abbildung 4-4:
Beispiele für zweidimensionale Codes ..................................182
Abbildung 4-5:
Aufbau eines Barcode-Etiketts /Quelle angeben/ ..................184
IX
Abbildung 4-6:
Funktionsprinzip der induktiven Kopplung (nach /FIN 2002/) 189
Abbildung 4-7:
Funktionsprinzip der Backscatter-Kopplung (nach /FIN
2002/ S. 50, vereinfacht) ....................................................... 191
Abbildung 4-8:
Für RFID eingesetzte Frequenzbereiche mit zulässigen
magnetischen Feldstärken bzw. zulässiger
Abstrahlungsleistung............................................................. 193
Abbildung 4-9:
Bestandteile eines RFID-Smart-Labels ................................. 198
Abbildung 4-10:
Glasröhrchen- und Cointransponder (links),
Hartschalengehäuse, Karten-, Label-, Cointransponder mit
Befestigungsbohrung (rechts) ............................................... 198
Abbildung 4-11:
Transpondereinsatz bei der Gasflaschen-Kennzeichnung
/SCE 2005/............................................................................ 202
Abbildung 4-12:
Mulde mit Transponder (in verschiedenen Positionen) /NN
2002/ ..................................................................................... 204
Abbildung 4-13:
Lager für Wertstoffballen (Mischkunststoffe)......................... 205
Abbildung 4-14:
Beispiel zur Kennzeichnung einer Holzpalette mit RFID
/CHE 2006a/ ......................................................................... 208
Abbildung 4-15:
Vorrichtung zur Anbringung von Transpondern an
Kunststoffpaletten /PAT 2004/ .............................................. 209
Abbildung 4-16:
Barcodeetiketten auf dem Fass-Oberboden ......................... 218
Abbildung 4-17:
Magnetfolien nach der Nassreinigung................................... 219
Abbildung 4-18:
Anbringung von Transponder mit Magneten ......................... 220
Abbildung 4-19:
IBC-Zwischenlager in einem Rekonditionierbetrieb /NN
2003/ ..................................................................................... 222
Abbildung 4-20:
Erster Prototyp für die Spundfass-Kennzeichnung ............... 224
Abbildung 4-21:
Vermessung des Spundes (3/4“-Spund) ............................... 225
Abbildung 4-22:
Neu entwickelter Prototyp ..................................................... 226
Abbildung 4-23:
Beispiele für Bauformen von Kombinations-IBC /SSCHU
2006/ /BLA 2006/ .................................................................. 228
Abbildung 4-24:
Prototyp zur Kennzeichnung von Kombinations-IBC ............ 229
Abbildung 4-25:
Ermittelte Lesereichweiten für verschiedene Systeme.......... 232
Abbildung 4-26:
Lesereichweiten für unterschiedliche Transponder bei
optimalen Bedingungen ....................................................... 234
Abbildung 4-27:
Ergebnisse bei Befeuchtung der Transponder...................... 235
X
Abbildung 4-28:
Versuchsstand für die Identifizierung von StahlSpundfässern.........................................................................236
Abbildung 4-29:
Stationäres Industrielesegerät EUR 4100 /EUR 2006/ ..........239
Abbildung 4-30:
Reader SIL 1001 mit Antenne................................................240
Abbildung 4-31:
Aufbau Antenne 1 für die Spundfass-Identifizerung...............244
Abbildung 4-32:
Ansprechbereich eines Lesegerätes bei unterschiedlicher
Ausrichtung der Antennenspule (aus /FIN 2002/, S. 89)........245
Abbildung 4-33:
Aufbau der Antenne 2 für die Spundfass-Identifizierung........246
Abbildung 4-34:
Lageabhängige Lesereichweite unterschiedlicher
Tranponder bei vR = 0,05 m/s................................................249
Abbildung 4-35:
Lageabhängige Lesereichweite unterschiedlicher
Tranponder bei vR = 0,30 m/s................................................249
Abbildung 4-36:
Prototyp für die IBC-Kennzeichnung......................................252
Abbildung 4-37:
Leseversuche an einem Kombinations-IBCs .........................252
Abbildung 4-38:
Messpositionen für den Transponder ....................................253
Abbildung 4-39:
Versuchsergebnisse bei paralleler Ausrichtung des
Transponders zum Lesegerät (Antenne) ..............................254
Abbildung 4-40:
Versuchsergebnisse bei Verdrehung des Transponders um
90° horizontal........................................................................254
Abbildung 4-41:
Glasbehälter mit Kunststoffproben, z. T. temperiert...............262
Abbildung 4-42:
FR4-Probe vor und nach Versuchsdurchführung im
Vorreinigungsmedium ............................................................263
Abbildung 4-43:
Versuchsaufbau.....................................................................265
Abbildung 4-44:
Materialfluss und I-Punkte IBC-Reinigung .............................270
Abbildung 4-45:
Übersicht über die Prozesse der Entladung und
Nassreinigung........................................................................271
Abbildung 4-46:
Gestaltung des Entladebereichs ............................................272
Abbildung 4-47:
Prozesskette der Reinigung und Aufarbeitung von
Kombinations-IBC..................................................................276
Abbildung 4-48:
Terminal für den Staplerfahrer /ASS 2006/ ............................277
Abbildung 4-49:
Anzeige der Bestelldaten nach Eingabe und Bestätigung
der WB-Nummer ...................................................................282
Abbildung 4-50:
Zuordnung der Verpackungen während der Entladung .........283
Abbildung 4-51:
Erfassung ID und Anzeige der Bestelldaten am Monitor .......284
XI
Abbildung 4-52:
Anzeige der eingegebenen Qualitätsinformation (Sorte) am
Monitor .................................................................................. 285
Abbildung 4-53:
Darstellung der Datenstrukturen (SERM).............................. 286
Abbildung 4-54:
Tastatur für den Bereich Entladung Spundfass..................... 290
Abbildung 4-55:
Auslesen von Fass-Transpondern ........................................ 291
Abbildung 4-56:
Beispiel einer lieferantenspezifischen Auswertung ............... 292
Abbildung 5-1:
Beispiele für TUL-Belastungen ............................................. 294
Abbildung 5-2:
Aufgrund von Stauchung bzw. Knick ausgesonderte
Verpackungen....................................................................... 295
Abbildung 5-3:
Drosselspule mit Tauchanker................................................ 301
Abbildung 5-4:
Prinzip der Ultraschall-Laufzeitmessung (nach /SCHN
1998/).................................................................................... 301
Abbildung 5-5:
Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit zu Druck und
Temperatur (aus /SCHN 1998/) ............................................ 303
Abbildung 5-6:
Position Sensitive Detector (PSD); (oben: Ansicht, unten:
Ersatzschaltbild).................................................................... 304
Abbildung 5-7:
Funktionsweise eines CCD-Arrays (charged-coupleddevices)................................................................................. 305
Abbildung 5-8:
Prinzip eines Vollbildes; gestrichelte Linie: 1.Halbbild,
durchgezogene Linie: 2.Halbbild /GLO 2004/ ....................... 308
Abbildung 5-9:
Versuchsstand zur Erzeugung gezielter Verbeulungen an
den Verpackungen ............................................................... 311
Abbildung 5-10:
Versuchsfässer mit gezielt aufgebrachten Verbeulungen ..... 312
Abbildung 5-11:
Restbeulen nach dem Ausbeulen (links), irreparable
Verformungen (rechts) .......................................................... 313
Abbildung 5-12:
Integration des Bewertungsverfahrens in den
Rekonditionierungs-prozess von Stahl-Spundfässern .......... 314
Abbildung 5-13:
Bildliche Darstellung des Verbeulungsgrads /
Verbeulungsintensität............................................................ 315
Abbildung 5-14:
Alternativen zur Erfassung des Fassmantels ........................ 315
Abbildung 5-15:
Darstellung der Verformungen in Abhängigkeit vom
Kontrast (links Originalaufnahme, rechts mit stärkerem
Kontrast) ............................................................................... 316
Abbildung 5-16:
Bildverarbeitung - Verschieben der Häufigkeitsverteilung
am Beispiel Lena /LEN 2006/................................................ 317
XII
Abbildung 5-17:
Veränderung von Bildern durch unterschiedliche
Bearbeitungsfunktionen (links: Relief, rechts: Solarisation) ...317
Abbildung 5-18:
Aufbau des ausgewählten Bildverarbeitungssystems............318
Abbildung 5-19:
Systemintegration des ausgewählten Systems /INB 2006/....319
Abbildung 5-20:
Kalibrierung der Messeinrichtung mit Messtafeln ..................320
Abbildung 5-21:
Darstellung der Verformungen (links: Beamerprojektion,
rechts: Grafik in der Software) ...............................................321
Abbildung 5-22:
Versuchsstand zur Erfassung der Verformungen mit Laser
(links: Lasersensoren, rechts: Detail).....................................323
Abbildung 5-23:
Prinzip der Vermessungsanlage ............................................325
Abbildung 5-24:
Gesamtansicht des Prüfstands zur lasergestützten
Erfassung von Verformungen ................................................325
Abbildung 5-25:
Schaltschrank des Prüfstands ...............................................326
Abbildung 5-26:
Platine mit Analog und Digitalen Aus- und Eingängen und
USB-Interface für Computer ..................................................327
Abbildung 5-27:
Prinzip des Auswertesystems ................................................328
Abbildung 5-28:
Struktur der Datenbank (Datentabellen) ................................329
Abbildung 5-29:
Screenshot der Benutzeroberfläche „Datenbank“..................330
Abbildung 5-30:
Screenshot der Benutzeroberfläche für die Steuerung der
Anlage, Kalibrierung und für Statusanzeigen.........................331
Abbildung 5-31:
Screenshot mit grafischer Darstellung der Messwerte...........332
Abbildung 5-32:
Screenshot mit Darstellung des gesamten Programms auf
dem Bildschirm .....................................................................333
Abbildung 5-33:
Messergebnisse eines Probefasses ......................................334
Abbildung 5-34:
Versuchsfass mit Deformationen (rote Kreise) ......................335
Abbildung 5-35:
EPK zur Verpackungskategorisierung an der Entladung .......340
Abbildung 5-36:
EPK der Angebotserstellung..................................................342
Abbildung 5-37:
EPK zur Ermittlung des Füllgutes ..........................................343
Abbildung 5-38:
Datenmodell der Stoffdatenbank ...........................................345
Abbildung 5-39:
Struktur der Bildschirmmasken ..............................................351
Abbildung 5-40:
Beispiel für die Navigationsstruktur im Informationssystem ...352
Abbildung 5-41:
Beispiel für Filtermöglichkeiten ..............................................353
Abbildung 5-42:
Bildschirmmaske für die Produktsuche über den Lieferanten 354
Abbildung 5-43:
Bildschirmmaske für die Suche über das Produkt .................355
XIII
Abbildung 5-44:
Bildschirmmaske der Stammdatenpflege.............................. 356
Abbildung 5-45:
Bildschirmmaske "Wer liefert was"........................................ 357
Abbildung 5-46:
Bildschirmmaske „In welcher Verpackung“ ........................... 358
Abbildung 5-47:
Bildschirmmaske "Kosten" .................................................... 359
Abbildung 5-48:
Beispiel des Berichts „Details zum gewählten Produkt“ ........ 360
Abbildung 5-49:
EPK zur Startroutine ............................................................. 363
Abbildung 6-1:
Typische Schäden an Fässern und Kombinations-IBC ......... 366
Abbildung 6-2:
Übersicht über TUL-Belastungen /VDI 3968/ /SOW 1998/.... 368
Abbildung 6-3:
Mechanische TUL-Belastungen und deren Ursachen /SOW
1998/ ..................................................................................... 369
Abbildung 6-4:
Beschleunigungen auf das Transportgut /VDI 3968/ /SOW
1998/ ..................................................................................... 369
Abbildung 6-5:
Dauerbruchfläche.................................................................. 371
Abbildung 6-6:
Versuchsaufbau eines Stahlfasses auf dem
Schwingungsprüfstand.......................................................... 377
Abbildung 6-7:
Typischer Rissschaden am Fass-Unterboden ...................... 378
Abbildung 6-8:
Ergebnisse der Schwingversuche (Rekofässer) ................... 379
Abbildung 6-9:
Ergebnisse der Schwingversuche (Neufässer) ..................... 380
Abbildung 6-10:
Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse (Neufass
1,0 / 0,8 / 1,0 mm) ................................................................. 382
Abbildung 6-11:
Linearisierte Ausgleichsgerade der Weibull-Analyse
(Neufass 1,0 / 0,8 / 1,0 mm).................................................. 382
Abbildung 6-12:
Einfluss der Materialstärke auf die Versuchsdauer bis zum
Materialversagen (Weibull-Analysen).................................... 383
Abbildung 6-13:
Verwendete Gummiunterlage ............................................... 384
Abbildung 6-14:
Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse nach
Weibull .................................................................................. 386
XIV
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1:
Kostenbetrachtung verschiedener Verpackungssysteme (in
US$).........................................................................................22
Tabelle 2-2:
Übersicht über die von der BAM zertifizierten
Rekonditionierer /KLE 2004/ ....................................................24
Tabelle 2-3:
Verpackungsartspezifische Systematisierung der Prozesse
(Hauptprozesse) ......................................................................31
Tabelle 3-1:
Übersicht über Schwachstellen und Anforderungen ................39
Tabelle 3-2:
Zu behandelnde Stoffe bzw. Produkte .....................................55
Tabelle 3-3:
Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren (nach
/TBU 2006/ /VTI 2006/ /DOR 2006/) ........................................63
Tabelle 3-4:
Vergleich zwischen manuellem und automatischem
Behandlungsstand ...................................................................66
Tabelle 3-5:
Versuchsreihe mit Kalkmilch....................................................71
Tabelle 3-6:
Versuchsreihe mit Natronlauge................................................72
Tabelle 3-7:
Physikalische Verfahren der Abwassertechnik ........................83
Tabelle 3-8:
Bewertete Gegenüberstellung der möglichen
Aufbereitungsverfahren............................................................87
Tabelle 3-9:
Vergleich verschiedener Verfahren der Etikettenentfernung..112
Tabelle 3-10:
Zusammenfassung der Versuchsergebnisse.........................114
Tabelle 3-11:
Übersicht der Testergebnisse (Bürstenmaschine) .................117
Tabelle 3-12:
Prüfplan mit den Testergebnissen (Wasserstrahl) .................124
Tabelle 3-13:
Bewertung von Kunststoff-Recyclaten zur Eingrenzung von
Varianten der Projektrealisierung...........................................132
Tabelle 3-14:
Anforderungen an den Aufbereitungsprozess........................134
Tabelle 3-15:
Bewertung der Vertikalförderer ..............................................138
Tabelle 3-16:
Bewertung Fördersysteme.....................................................139
Tabelle 3-17:
Vergleich von 1- und 2-Wellenzerkleinerer /VEC 2006/ .........141
Tabelle 3-18:
Vergleich unterschiedlicher Reinigungsverfahren..................144
Tabelle 3-19:
Bewertung des Automatisierungsgrades von Abfüllstationen
vor dem Hintergrund der Anforderungen ...............................145
Tabelle 3-20:
Technische Parameter des Palettenhebers PH 1 - 1500 ......147
Tabelle 3-21:
Technische Parameter RS 50-4-S (Untha) ............................148
XV
Tabellenverzeichnis
Tabelle 3-22:
Technische Parameter des Extruders ................................... 149
Tabelle 3-23:
Technische Parameter des Nachzerkleinerers Previero
40/50 ..................................................................................... 150
Tabelle 3-24:
Mengenentwicklung bei Kunststoffverpackungen (inkl. IBC). 154
Tabelle 3-25:
Anforderungen an das Logistikkonzept ................................. 158
Tabelle 4-1:
Merkmale verschiedener Auto-ID-Verfahren (nach /FIN
2002)..................................................................................... 176
Tabelle 4-2:
Eigenschaften verschiedener Etikettenmaterialien ............... 185
Tabelle 4-3:
Typische Klebstoffe für Barcodeetiketten (nach /DIN
30646/).................................................................................. 186
Tabelle 4-4:
Klebstoffarten nach /DIN 30646/ ........................................... 187
Tabelle 4-5:
Derzeitige Funkzulassungsvorschriften /FIN 2002/ ............... 194
Tabelle 4-6:
Überblick über RFID-Frequenzbereiche (z. T. verifiziert
durch LogIDLab®)................................................................. 195
Tabelle 4-7:
Übersicht über aktuelle Technologie-Standards ................... 199
Tabelle 4-8:
Übersicht EPC-Varianten ...................................................... 200
Tabelle 4-9:
Einsatzbereiche unterschiedlicher Identifikationstechniken .. 210
Tabelle 4-10:
Bewertung der Lösungen im Hinblick auf die
Aufgabenstellung .................................................................. 211
Tabelle 4-11:
Anforderungen an die zu realisierenden
Kennzeichnungssysteme ...................................................... 215
Tabelle 4-12:
Bewertung der Lösungsansätze zur Kennzeichnung von
Kombinations-IBC ................................................................. 223
Tabelle 4-13:
Ergebnisse der Spundvermessung (Stichprobe)................... 226
Tabelle 4-14:
Beispiele für Massetemperaturen beim Spritzgießen............ 227
Tabelle 4-15:
Bewertung verschiedener RFID-Systeme ............................. 230
Tabelle 4-16:
Darstellung der Versuchsobjekte .......................................... 232
Tabelle 4-17:
Im Rahmen der Voruntersuchungen getestete Hardware ..... 234
Tabelle 4-18:
Eigenschaften von Handlesegeräten im Frequenzbereich <
135 kHz................................................................................. 242
Tabelle 4-19:
Technische Daten der entwickelten Antennen ...................... 246
Tabelle 4-20:
Technischen Daten der getesteten Transponder .................. 248
Tabelle 4-21:
In der Nassreinigung verwendete Medien............................. 256
Tabelle 4-22:
Eigenschaften von ausgewählten technischen Kunststoffen. 258
XVI
Tabellenverzeichnis
Tabelle 4-23:
Bestandteile und Mischungsverhältnis der eingesetzten
Reinigungsmedien .................................................................261
Tabelle 4-24:
Gesamtwertung der Ergebnisse ............................................266
Tabelle 4-25:
Übersicht zwecksmäßiger Identifikationspunkte ....................268
Tabelle 4-26:
Tastenbelegung für den Entladebereich (Spundfass)............273
Tabelle 4-27:
Tastenbelegung für die Qualitätszuordnung (Spundfass) ......274
Tabelle 4-28:
Tastenbelegung für die IBC-Bewertung nach der
Nassreinigung........................................................................278
Tabelle 4-29:
Tastenbelegung für den Bereich Zerlegung / Rebotteling......279
Tabelle 5-1:
Vergleich der vorgestellten Systemalternativen .....................309
Tabelle 5-2:
Ergebnisse der Rekonditionierung von Musterfässern ..........312
Tabelle 5-3:
Kostenkalkulation für den Laserscanner ................................336
Tabelle 5-4:
Vergleich der untersuchten Systeme .....................................337
Tabelle 6-1:
Testprozedur nach ASTM 4169 /ASTM 4169/ .......................372
Tabelle 6-2:
Beispiel für die Ausfallhäufigkeit nach Weibull (Neufass
1.0/0.8/1.0).............................................................................381
Tabelle 6-3:
Ausfallhäufigkeit nach Weibull mit Unterlage .........................385
XVII
Abkürzungsverzeichnis
ADR
Accord Européen Relatif au Transport International des
Marchandises Dangereuses par Route (franz.)
(Europäisches Übereinkommen über die internationale
Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße)
ArbSchG
Arbeitsschutzgesetz
ArbStättRL
Arbeitsstättenrichtlinie
ArbStättV
Arbeitsstättenverordnung
ARIS
Architektur integrierter Informationssysteme
ASK
Amplitude Shift Keying (Amplitutenmodulation)
BAM
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
BauGB
Baugesetzbuch
BauO
Bauordnung
BetriebSichV
Betriebssicherheitsverordnung
BlmSchG
Bundes - Immissionsschutzgesetz
BlmSchV
Verordnung zur Durchführung des BlmSchG
BPM
Blagden Packaging Mendig GmbH & Co.
BPG
Blagden Packaging Group
CEA
Europäischer Versicherungsverband
CCD
Charge Coupled Device
ChemG
Chemikaliengesetz
DCF
Discounted Cash Flow
DF
Deckelfass
DFÜ
Datenfernübertragung
DIBt
Deutsches Institut für Bautechnik
DIN
Deutsches Institut für Normung e.V.
DV
Datenverarbeitung
DVGW
Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches
EEPROM
Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
ElexV
Verordnung über elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten
Bereichen
EN
Europäische Norm
EPC
Electronic Product Code
EPCo
European Packaging Cooperation
EPK
Ereignisgesteuerte Prozesskette
XVIII
ERM
Entity Relationship Model
ERP
Enterprise Ressource Planning
EU
Europäische Union
EX-RL
Explosionsschutz - Richtlinien
FDX
Full-Duplex
FSK
Frequency Shift Keying (Frequenzmodulation)
GefStoffV
Gefahrstoffverordnung
GG
Gefahrgut
GGBefG
Gesetz über die Beförderung gefährlicher Güter
GGR
Gefahrgutregel
GGVSE
Gefahrgutverordnung Straße und Eisenbahn
GPRS
General Packet Radio Service
GSG
Gerätesicherheitsgesetz
GSM
Global System for mobile Communication
HDX
Halb-Duplex
HF
High Frequency
IBC
Intermediate Bulk Container
ICCR
International Confederation of Container Reconditioners
IEC
Internationale elektrotechnische Kommission
IMDG-Code
International Maritime Dagerous Goods Code (engl.)
(Internationaler Code für die Beförderung gefährlicher
Stoffe mit Seeschiffen)
IndBauR
Richtlinie über den baulichen Brandschutz im Industriebau
ISO
Internationale Organisation für Normung
IT
Informationstechnologie
IuK
Information und Kommunikation
IVA
Industrieverband Agrar
JDBC
Java Data Base Connectivity
kHz
Kilohertz
KrW-/AbfG
Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz
LAN
Local Area Network
LF
Low Frequency
LöRüRL
Löschwasser - Rückhalte - Richtlinie
LWG
Landeswassergesetz
mHz
Millihertz
XIX
MHz
Megahertz
NPV
Net Present Value
OCR
Optical Character Recognition
ODBC
Open DataBase Connectivity
PCB
Poly-Chlorierte Biphenyle
PEEK
Polyetheretherketon
PE-HD
Polyethylen hoher Dichte
PP
Polypropylen
POM
Polyoxymethylen
POT
Pay Out Time
PrüfzVO
Prüfzeichenverordnung
PSK
Phase Shift Keying (Phasenmodulation)
QM
Qualitätsmanagement
QÜM
Qualitätssicherung und -überwachung
QSM
Qualitätssicherungsmaßnahmen
RAM
Random Access Memory
RFID
Radio Frequency Identification
RID
Réglement International Concernant le Transport des
Marchandises Dangereuses par Chemins de Fer (franz.)
(Internationale Ordnung für die Beförderung gefährlicher
Güter mit der Eisenbahn)
RL
Richtlinie
RO
Read-Only
ROM
Read-Only-Memory
RW
Read/Write
SERM
Structured Entity Relationship Model
SF
Spundfass
SHF
Super High Frequency
SLG
Schreib-/Lesegerät
SprengG
Sprengstoffgesetz
Spreng-RL
Sprengstofflager - Richtlinie
SprengV
Verordnung zum Sprengstoffgesetz
SprengVwV
Verwaltungsvorschriften zum Sprengstoffgesetz
SQL
Structured Query Language
SRAM
Static Random Access Memory
XX
StörfallVwV
Verwaltungsvorschrift zur Störfallverordnung
TA Abfall
Zweite allgemeine Verwaltungsvorschrift zum Abfallgesetz
TRAC
Technische Regeln für Acetylenanlagen
TRbF
Technische Regeln für brennbare Flüssigkeiten
TRG
Technische Regeln für Druckgase
TRGS
Technische Regeln für Gefahrstoffe
TRwS
Technische Regeln für wassergefährdende Stoffe
TUL
Transport, Umschlag, Lagerung
UHF
Ultra High Frequency
UN
United Nations
URL
Uniform Ressource Location (engl.)
UVPG
Umweltverträglichkeitsprüfungs-Gesetz
VAwS
(Landes-)Verordnung über Anlagen zum Umgang mit
wassergefährdenden Stoffen und über Fachbetriebe
VbF
Verordnung über brennbare Flüssigkeiten
VBG
Verband der gewerblichen Berufsgenossenschaften
VCI
Verband der Chemischen Industrie
VDE
Verband Deutscher Elektrotechniker
VDI
Verein Deutscher Ingenieure e.V.
VDF
Verband der Deutschen Fassverwertungsbetriebe e.V.
VdS
Verband der Schadensversicherer
VerpackV
Verpackungsverordnung
VIV
Verwertungsgemeinschaft Industrieverpackungen e.V.
VMS
Verpackungsrücknahme mit System e.V.
VO
Verordnung
VwV
Verwaltungsvorschrift
WA
Warenausgang
WE
Wareneingang
WHG
Wasserhaushaltsgesetz
WLAN
Wireless Local Area Network
XML
extensible markup language
XXI
Einleitung und Zielstellung
1 Einleitung und Zielstellung
1.1
Ausgangssituation und Handlungsbedarf
In vielen Bereichen der abfüllenden Industrie werden starre Metall- und Kunststoffverpackungen sowie Großpackmittel (Intermediate Bulk Container (IBC)) für
den Massentransport und die Lagerung von flüssigen, schüttfähigen oder pastösen (Gefahr-)Stoffen eingesetzt. Aufgrund des zunehmenden Wettbewerbs und
des damit verbundenen Kostendrucks greifen viele Abfüller bzw. Vertreiber derartiger Packmittel in verstärktem Maße auf rekonditionierte Verpackungen zurück,
die bei gleicher Funktionalität deutlich kostengünstiger sind als entsprechende
Neuverpackungen1. Im Zuge dieser Tendenzen konnte sich die Rekonditionierbranche in den letzten Jahrzehnten zu einem wichtigen Wirtschaftszweig entwickeln2. Allein in der Bundesrepublik Deutschland werden pro Jahr etwa 4 bis 6
Millionen Verpackungen rekonditioniert, wobei Spundfässer aus Stahl mit einem
Mengenanteil von über 80 % den Markt dominieren /BPM 2003/ /VOL 2004/. Allerdings gewinnt der Anteil an IBC aufgrund der logistischen Vorteile seit Jahren zunehmend an Bedeutung /PÖT 2000/.
Stahl-Deckelfässer
Abbildung 1-1:
Spundfass
Intermediate Bulk Container (IBC)
Auswahl rekonditionierbarer Verpackungen
/BPM 2003/ /SCHU 2003/
Im Rekonditionierungsprozess werden die Verpackungen in verschiedenen Reinigungs- und Aufarbeitungsstufen in einen gebrauchsfähigen Zustand zurückgeführt
und so behandelt, dass sie wieder ihr ursprüngliches Aussehen erhalten und alle
Reste des früheren Inhalts sowie innere und äußere Korrosion, Beschichtungen,
Bezettelungen etc. entfernt werden. Die Rekonditionierung ist in diesem Zusammenhang rechtlich nicht als Abfallbehandlung zu verstehen, sondern als Instrument zur Abfallvermeidung bzw. -verminderung und unterliegt damit nicht dem
1
Der ökonomische Vorteil (Kostenersparnis) gegenüber Neuverpackungen beträgt in Abhängigkeit vom Verpackungstyp bis zu 35 %. Im Durchschnitt liegt die Einsparung bei etwa 15-20 % /BRU 1997/.
2
Begünstigt wird dies auch durch die Umsetzung des Responsible-Care-Gedankens in der chemischen Industrie, bei dem die Nutzung wieder verwendeter bzw. wieder verwendbarer Verpackungen einen zentralen
Baustein bildet.
1
Geltungsbereich des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes. Dennoch bestehen
hohe umweltrechtliche Anforderungen an die Rekonditionierungsanlagen, die insbesondere mit der im letzten Jahr erfolgten Novellierung der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) deutlich verschärft wurden. Dadurch ergeben sich eine Vielzahl an neuen rechtlichen Anforderungen, die mit dem heutigen
Rekonditionierungsstandard nur schwer zu erfüllen sind. Daher sind in der Rekonditionierungsbranche erhebliche Investitionen in neue Anlagen bzw. Anlagenkomponenten erforderlich. Des Weiteren machen die Veränderung der Marktstrukturen
(z. B. durch Outsourcing der Behälterreinigung in der Chemieindustrie) sowie die
steigenden Entsorgungskosten eine Erweiterung der technischen Einrichtungen,
z. B. um Anlagen zur Behandlung reaktiver Inhaltstoffe oder zur Aufbereitung des
Prozesswassers aus den Reinigungsanlagen, langfristig unabdingbar.
Schon heute muss ein modernes Rekonditionierunternehmen gewährleisten, dass
die Rekonditionierung von gebrauchten Verpackungen unter ökonomischen wie
ökologischen Aspekten durchgeführt wird. Ein entscheidender Aspekt besteht in
diesem Zusammenhang in der Beurteilung der Rekonditionierungsfähigkeit der
Verpackungen im Vorfeld des Prozesses, die im Wesentlichen durch den mechanischen Zustand der Verpackung (z. B. Deformationen durch TUL3-Belastungen),
das letzte Füllgut sowie die Art der Verpackung bestimmt wird. Dabei muss sich
ein Rekonditionierunternehmen immer aufs Neue die gleichen Fragen stellen,
z. B.:
•
Bei welchen Gebinden lohnt sich die Rekonditionierung?
•
Welche Beschädigungen sind ohne Qualitätseinbußen zu tolerieren?
•
Welche Inhaltstoffe befinden bzw. befanden sich in dem Gebinde?
•
Welchem Lieferanten sind Restmengen und Restinhalte zuzuordnen?
Noch immer werden diese elementaren Entscheidungen oftmals subjektiv „aus
dem Bauch heraus“ getroffen, da keine praktikablen Lösungen für eine objektive
Beurteilung der Rekonditionierfähigkeit existieren. Durch ein sicheres Entscheidungsinstrument könnten jedoch ca. 15 % der Gebinde bereits vor der Rekonditionierung aussortiert und einer werkstofflichen Verwertung bzw. Entsorgung zugeführt werden, wobei dies einerseits auf nicht zu reinigende Füllgüter, andererseits
auf im Rekonditionierungsprozess nicht zu behandelnde Beschädigungen und Deformationen zurückzuführen ist. Durch die resultierende Einsparung von Aufwand
und Prozessenergie könnten sowohl ökonomische als auch ökologische Potenziale erschlossen werden.
Im Rahmen des Rekonditionierungsprozesses werden die angelieferten Verpackungen am Wareneingang zunächst einer optischen Kontrolle unterzogen, bei
3
2
Transport, Umschlag, Lagerung
der aufgrund der subjektiven Einschätzung des ausführenden Mitarbeiters nicht
rekonditonierfähige Gebinde direkt ausgesondert und einer stofflichen Verwertung
bzw. sonstigen Entsorgung zugeführt werden. Die Beurteilung des mechanischen
Zustandes erfolgt dabei lediglich aufgrund der durch TUL-Belastungen verursachten, sichtbaren Deformationen und der Erfahrung der Mitarbeiter an der Eingangskontrolle. Eine Ermittlung der Wand- bzw. Materialstärke der Verpackungen, die
ebenfalls Auswirkungen auf die Rekonditionierungsfähigkeit hat, fehlt weitgehend.
Aus diesen Gründen kann es zum Materialversagen in nachgeschalteten Prozessstufen kommen. In der Praxis fehlt es daher an objektiven Bewertungsregeln zur
Zu- oder Abweisung von Verpackungen, die ein großes Hilfsmittel bei der Auswahl
rekonditionierfähiger und wieder vermarktbarer Gebinde darstellen würden. Dabei
spielen auch die Bestrebungen der Packmittelhersteller zur Material- und Kostenreduktion, die einen negativen Einfluss auf die Rekonditonierungsfähigkeit der
Gebinde haben, eine wichtige Rolle. Es werden bei Fässern aus Stahl bereits Materialstärken (Mantelstärke) von unter 0,8 mm verwendet, deren Verbreitung die
ganze Rekonditionierungsbranche vor erhebliche Probleme stellt. Bereits heute
sind vermehrt Materialschäden im Rekonditionierungsprozess oder Ermüdungsbrüche während des Transportes feststellbar. In der Folge werden diese Fässer sollte die dargestellte Tendenz zur stetigen Materialreduzierung sich fortsetzen auf dem Rekonditionierungsmarkt nicht mehr nachgefragt, so dass der seitens der
Verpackungshersteller kalkulierte Kostenvorteil für den Verpackungsabnehmer
direkt wieder zu nichte gemacht würde.
Hinzu kommt noch die Tatsache, dass Fässer mit so geringen Wandstärken auch
unter Umwelt- und Sicherheitsaspekten bedenklich sind, da die Funktionssicherheit im Hinblick auf den unkontrollierten Austritt von Füllgütern, insbesondere bei
rekonditionierten Fässern, nicht gewährleistet werden kann. Diese Tatsache stellt
für die Rekonditionierer auch unter vermarktungsspezifischen Aspekten ein Risiko
dar. Daher sind Untersuchungen notwendig, mit denen die Grenzen des erforderlichen Materialeinsatzes für die Rekonditionierung genauer definiert werden können. Mit den Ergebnissen können davon abweichende Verpackungen mit geringeren Materialstärken (oder großen Deformationen) unmittelbar vom Rekonditionierprozess ausgeschlossen und gleichzeitig Impulse gesetzt werden, die den Bestrebungen der Packmittelhersteller auf Grundlage abgesicherter wissenschaftlicher Erkenntnisse entgegenwirken und so gegebenenfalls zum Überdenken dieser
Strategie beitragen.
Entscheidend für die Beurteilung der Rekonditionierfähigkeit ist jedoch nicht nur
der mechanische Zustand bzw. die mechanische Stabilität der Verpackungen,
sondern genauso die Art des Füllgutes. Die rechtzeitige Erkennung von problematischen Inhaltstoffen am Wareneingang, also im Vorfeld des Reinigungsprozesses,
stellt derzeit ein großes Problem dar, da sie unmittelbar mit der Deklaration auf
3
den Verpackungen durch den Letztbesitzer zusammenhängt. Es ist zwar gesetzlich vorgeschrieben, dass die Verpackungen mit einer entsprechenden Kennzeichnung versehen und ehemalige Inhaltstoffe angegeben werden müssen. Dennoch kommt es immer wieder vor, dass sich in gebrauchten Verpackungen noch
erhebliche Mengen an Restinhalten befinden, die z. T. nicht den auf der Deklaration angegebenen Substanzen entsprechen. Diese „Fremdstoffe“ führen zu großen
Problemen im Prozess bzw. bei der Entsorgung und verursachen hohe Kostenbelastungen für den Rekonditionierer. Eine direkte Zuordnung zum Verursacher und
damit eine Kostenübertragung ist aufgrund der fehlenden bzw. mit Unsicherheiten
behafteten Auswertemöglichkeiten derzeit nicht möglich. Diese Lücken im Herkunftsnachweisverfahren können nur durch den Einsatz von automatischen Identifikationssystemen wirksam gelöst werden. Durch eine entsprechende Verpackungskennzeichnung in Verbindung mit einer Eingangsanalyse bzw. einer eindeutigen Klassifizierung der Inhaltstoffe können erhebliche Kosteneinsparungen
realisiert werden. Über die Zuordnung von Restinhaltstoffen zu einer bestimmten
Charge bzw. einem bestimmten Lieferanten hinaus lassen sich durch Einsatz eines entsprechenden Kennzeichnungssystems auch Informationen über die Aufteilung einer Charge in die verschiedenen Qualitäten, die Anzahl nicht rekonditionierfähiger Verpackungen etc. erhalten, so dass eine chargengenaue Prozessbewertung ermöglicht wird. Damit ergeben sich für die Rekonditionierungsunternehmen
völlig neue Möglichkeiten der Datenauswertung, mit denen eine effiziente Prozesssteuerung und -bewertung realisiert werden kann.
Die genannten Aspekte sind nur einige der vielfältigen Herausforderungen, denen
sich die Rekonditionierbetriebe heute und in Zukunft stellen müssen. Angesichts
des aktuellen Standes der Technik und der betrieblichen Praxis stellt sich der
Handlungsbedarf wie folgt dar:
•
Zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit der Rekonditionierbetriebe sind im
Bereich der Anlagentechnik neue Komponenten erforderlich, mit denen z. B.
Reinigungswässer aufbereitet und damit Abfallmengen reduziert, Restfüllmengen neutralisiert oder nicht rekonditionierbare Verpackungen gereinigt werden
können. Nur so lassen sich die dynamischen Anforderungen des Marktes abdecken und gleichzeitig ökologische wie ökonomische Optimierungspotenziale
realisieren. Zusätzlich erfordern neue umweltrechtliche Anforderungen technische Anpassungen und Konzepte, z. B. im Bereich der Lackierung und Abluftbehandlung.
•
Die Prozesse in Rekonditionierbetrieben sind vielfach manuell geprägt und in
arbeitschutzrechtlicher Hinsicht optimierungsbedürftig. Dies betrifft beispielsweise die Entfernung der auf den zu rekonditionierenden Verpackungen angebrachten Etiketten und Kennzeichnungen. Daher ist ein neues Verfahren zur
Etikettenentfernung erforderlich, mit dem eine Verbesserung der Arbeitsbedin-
4
gungen und des Ressourceneinsatzes erreicht werden kann (z. B. durch Automatisierungskonzepte).
•
Es wird eine Methode zur Beurteilung der Rekonditionierungsfähigkeit von
Stahlverpackungen im Vorfeld des Prozesses benötigt, die eine objektive Bewertung auf Basis des Verformungs- und Verunreinigungszustands erlaubt.
Dazu ist ein chemisch-mechanisches Instrument erforderlich, das in den Ablauf
eines Rekonditionierbetriebs integriert werden muss. Die im Rahmen der mechanischen Untersuchungen durchgeführten Tests können auch dazu verwendet werden, die Schwingfestigkeit starrer Stahlverpackungen zu optimieren und
damit die Verpackungsqualität zu verbessern.
•
Zur Realisierung eines eindeutigen Herkunftsnachweises für die Verpackungen
ist die Entwicklung eines prozessinternen Behälterverfolgungssystems auf Basis automatischer Identifikationssysteme erforderlich.
•
Die entwickelten Instrumente und Methoden müssen in ein logistisches Gesamtkonzept für Rekonditionierbetriebe integriert und erprobt werden, um eine
spätere Anwendbarkeit in der betrieblichen Praxis zu gewährleisten.
1.2
Zielsetzung der Arbeit
Vor dem Hintergrund der beschriebenen Probleme und Herausforderungen besteht das Hauptziel der Untersuchungen4 in der Entwicklung und prototypischen
Realisierung eines innovativen Musterprozesses für die Rekonditionierung von
starren Industrieverpackungen (z. B. Spundfässer aus Stahl, Intermediate Bulk
Container), mit dem durch Einsparung von Prozessenergie, Reduzierung von Abfallmengen etc. gleichzeitig eine ökologische und ökonomische Optimierung des
Rekonditionierungsprozesses erreicht werden kann. Dazu sind unter anderem
neue, innovative Anlagenkomponenten zu konzipieren und materialflusstechnisch
in den betrieblichen Ablauf eines Rekonditionierbetriebs zu integrieren. Die im
Rahmen des Projektes durchgeführten Pilotversuche dienen der Überprüfung der
Praxistauglichkeit der entwickelten Komponenten. Im Einzelnen werden folgende
Ergebnisse angestrebt:
•
Optimierung der Durchführung und Überwachung des Rekonditionierungsprozesses durch Automatisierung bestimmter Verfahrensschritte (z. B. Etikettenentfernung);
•
Erschließung von ökonomischen und ökologischen Potenzialen durch Integration neuer, innovativer Anlagenkomponenten (z. B. Neutralisationsanlage für
reaktive Inhaltstoffe, Verfahren zur Aufbereitung von Reinigungsrückständen,
4
Forschungsprojekt „Umweltschonende Rekonditionierung von starren Verpackungen unter Berücksichtigung
der Transport-, Umschlag- und Lagerbelastungen im Rahmen des Responsible-Care-Gedankens“, gefördert
durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung unter den FKZ 0330343/5/6
5
Anlage zur Zerkleinerung nicht rekonditionierfähiger Verpackungen aus Kunststoff);
•
Realisierung einer innerbetrieblichen Behälterverfolgung, z. B. zur Erfolgskontrolle im Rekonditionierungsprozess und zum Herkunftsnachweis für die zu rekonditionierenden Verpackungen;
•
Entwicklung eines Instruments zur Beurteilung der Rekonditionierfähigkeit starrer Verpackungen im Vorfeld des Prozesses;
•
Gewinnung von Erkenntnissen zur Verbesserung der Schwingfestigkeit starrer
Verpackungen aus Stahl.
Die Ausführungen sind als Einbettung in den logistischen Gesamtzusammenhang
bei der Realisierung von Mehrwegkreisläufen im Bereich der Gefahrgut- bzw. Industrieverpackungen (z. B. Stahlfässer, IBC) zu verstehen und leisten damit auch
einen Beitrag zur weiteren Umsetzung des Responsible-Care-Gedankens in der
chemischen Industrie. Somit sind als weitere Ziele die Analyse, Bewertung und
Optimierung der Material- und Informationsflüsse zu nennen. Aufgrund der Komplexität der Thematik bleiben die Ausführungen allerdings auf den innerbetrieblichen Bereich der Rekonditionierbetriebe beschränkt. Außerbetriebliche Prozesse,
die beispielsweise die Auftragsabwicklung beim Kunden betreffen, werden explizit
nicht in die Betrachtungen einbezogen.
1.3
Aufbau des Untersuchung
Nach einer kurzen Einführung in Kapitel 1 werden in Kapitel 2 zunächst die Grundlagen sowie die aktuelle Situation bei der Rekonditionierung starrer Verpackungen
erläutert. In diesem Zusammenhang werden die zu betrachtenden Verpackungstypen, rechtliche Rahmenbedingungen, Prozesse und Strukturen der Rekonditionierung ausführlich dargestellt.
Kapitel 3 bildet dann den ersten Schwerpunkt der Ausführungen und befasst sich
mit der Planung und Gestaltung der zu entwickelnden Pilotanlage und einzelner
Anlagenkomponenten. Neben der grundsätzlichen Gestaltung vom Materialfluss
und Anlagenlayout werden im Speziellen die Themen
•
Neutralisationsanlage für reaktive Inhaltstoffe,
•
Verfahren zur Aufbereitung von Öl-Wasser-Gemischen,
•
Kunststoffschredder zur Vorbehandlung von nicht rekonditionierbaren Verpackungen aus Kunststoff,
•
Verfahren zur Etikettenentfernung von Spundfässern aus Stahl
im Detail behandelt sowie die materialflusstechnische Integration der Anlagen in
den Ablauf des Rekonditionierungsprozesses im Einzelnen erläutert. Darüber hin6
aus wurde ein optimiertes Logistikkonzept entwickelt, das ebenfalls detailliert dargestellt wird.
Die Kapitel 4 und 5 beschreiben spezielle Verfahren und Instrumente zur Verbesserung der Ausführung und Steuerung des Rekonditionierungsprozesses. Während sich das Kapitel 4 mit der Realisierung der innerbetrieblichen Kennzeichnung
von Stahl-Spundfässern und IBC beschäftigt, werden in Kapitel 5 Instrumente und
Verfahren zur Beurteilung der Rekonditionierfähigkeit von Stahlverpackungen im
Vorfeld des Prozesses sowie ein Hilfsmittel zur Bewertung der weiteren Behandlungsmöglichkeiten der Verpackungen auf Basis der Restinhalte (Stoffdatenbank)
dargestellt.
In Kapitel 6 werden schließlich die Untersuchungen und Erkenntnisse im Hinblick
auf die Schwingfestigkeit von Stahlverpackungen ausführlich vorgestellt. Schwerpunkt bildet die Darstellung von Laborversuchen, die im Rahmen des Vorhabens
durchgeführt wurden. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden dann Ansätze zur konstruktiven Gestaltung bzw. Optimierung der Verpackungen erläutert.
Mit einer Zusammenfassung und einem Ausblick auf weitere Forschungsarbeiten
schließen die Ausführungen. Ergänzt wird der Bericht durch einen umfangreichen
Anhang mit zusätzlichen Darstellungen, die zum besseren Verständnis der Ausführungen beitragen.
7
Rekonditionierung von starren Verpackungen
2 Rekonditionierung von starren Verpackungen
2.1
Begriffe und Definitionen
Um eine fundierte Grundlage für die nachfolgenden Darstellungen zu schaffen,
erscheint es notwendig, vorab einige zentrale Begriffe genauer zu erläutern. In
diesem Zusammenhang werden insbesondere der Begriff der Rekonditionierung
sowie damit zusammen hängende Definitionen vorgestellt.
Rekonditionierung
Der Begriff der Rekonditionierung ist aus dem Englischen („reconditioning“) abgleitet und bezeichnet allgemein die Wiederinstandsetzung bzw. Wiederherstellung
bestimmter Eigenschaften, wie beispielsweise Form und Oberflächen. Im Zusammenhang mit der in dieser Arbeit betrachteten Thematik ist Rekonditionierung die
„Zurückführung einer […] Verpackung in einen nutzungs- bzw. gebrauchsfähigen
Zustand“ /OHL 2001/. Eine rekonditionierte Verpackung bezeichnet demnach eine
Verpackung „[…] die so gereinigt wurde, dass die Konstruktionswerkstoffe wieder
ihr ursprüngliches Aussehen erhalten und dabei alle Reste des früheren Inhalts,
ebenso wie innere und äußere Korrosion sowie äußere Beschichtungen und Bezettelungen entfernt wurden“ oder „die wieder in ihre ursprüngliche Form und ihr
ursprüngliches Profil gebracht wurden, wobei die Falze (soweit vorhanden) gerichtet und abgedichtet und alle Dichtungen, die nicht integrierter Bestandteil der Verpackung sind, ausgetauscht wurden und die nach der Reinigung, aber vor erneutem Anstrich, untersucht wurden“ /ADR 2001/. Verpackungen, die kleinere Löcher,
eine wesentliche Verminderung der Materialstärke, eine Ermüdung des Materials,
beschädigte Gewinde oder Verschlüsse oder andere bedeutende Mängel aufweisen, müssen zurückgewiesen werden /HEI 19985/:
Rekonditionierte Verpackung
Die dargestellten Definitionen machen deutlich, dass es sich bei der Rekonditionierung nicht nur um eine einzelne Maßnahme bzw. einen einzelnen Prozess
handelt, sondern um eine Vielzahl aufeinander folgender und abgestimmter Verfahrens- und Prozessschritte mit dem Ziel, eine wieder verwendbare Verpackung
zu gewinnen. Eine rekonditionierte Verpackung - im ADR werden hier insbesondere Metallfässer sowie Fässer und Kanister aus Kunststoff angesprochen - liegt
gemäß der Definition vor, wenn diese so gereinigt wurde, dass die Konstruktionswerkstoffe wieder ihr ursprüngliches Aussehen erhalten und dabei alle Reste bzw.
schädlichen Anhaftungen des früheren Inhalts, innere und äußere Korrosion sowie
äußere Beschichtungen und Bezettelungen entfernt wurden. Eine rekonditionierte
Verpackung liegt aber auch vor, wenn die betreffende Verpackung wieder in ihre
5
8
vgl. auch Rn 3510 I ADR, Rn 1510 I RID, Anhang IIMDG-Code AE
ursprüngliche Form bzw. ihr ursprüngliches Profil gebracht wurde. Die dazu erforderlichen Maßnahmen beziehen sich beispielsweise auf das Richten und Abdichten der Falze (soweit vorhanden) sowie den Austausch aller Dichtungen, die nicht
integrierter Bestandteil der Verpackung sind.
Wieder aufgearbeitete Verpackung
Eine rekonditionierte Verpackung wird dann als wieder aufgearbeitete Verpackung
bezeichnet, wenn sie aus einer grundlegenden Überarbeitung eines Verpackungstyps (z. B. durch Umwandlung eines UN-Verpackungstyps in einen anderen, also
beispielsweise eines Spundfasses in ein Deckelfass) entstanden ist. Hierzu sind
im Einzelfall entsprechende Genehmigungen der Aufsichtsbehörde erforderlich. Im
Falle von Gefahrgutverpackungen ist dies die Bundesanstalt für Materialforschung
und -prüfung (BAM) in Berlin. Für wieder aufgearbeitete Verpackungen gelten die
Vorschriften, die im Anhang des ADR/RID angegeben sind, wie für Neuverpackungen des gleichen Verpackungstyps.
Wieder verwendete Verpackungen
Die einfachste Form der rekonditionierten Verpackung liegt vor, wenn nach eingehender Prüfung keine Schäden (z. B. Beulen, Korrosion) an der Verpackung feststellbar sind. Die betreffenden Verpackungen werden als wieder verwendete Verpackungen bezeichnet und eignen sich insbesondere zur wiederholten Befüllung
mit gleichen oder ähnlichen Gütern.
Bei Großpackmitteln (Intermediate Bulk Containern) wird der Begriff der Rekonditionierung nicht mehr verwendet. Das ADR spricht in diesem Zusammenhang von
wiederaufgearbeiteten Großpackmitteln, reparierten Großpackmitteln und regelmäßiger Wartung eines Großpackmittels.
Wieder aufgearbeitetes Großpackmittel
Nach den Definitionen des ADR/RID bezeichnet der Begriff wieder aufgearbeitetes
Großpackmittel (IBC) einen „metallenen IBC, starren Kunststoff-IBC oder Kombinations-IBC, der sich, ausgehend von einem den Vorschriften nicht entsprechenden Typ, aus der Fertigung eines den Vorschriften entsprechenden UN-Typs ergibt“ oder „der sich bei der Umwandlung eines den Vorschriften entsprechenden
UN-Typs in einen anderen, den Vorschriften entsprechenden UN-Typ ergibt“. Eine
Wiederaufarbeitung liegt also entsprechend der Definition dann vor, wenn eine
UN-Bauart in eine andere überführt wird. Der Ersatz einer Original-Innenblase
durch die eines anderen Herstellers erzeugt gemäß der neuen Definitionen einen
neuen UN-Verpackungstyp, der einer Bauartprüfung und -zulassung durch die
BAM und einer Kennzeichnung mittels UN-Nummer bedarf /DUJ 2003/.
9
Repariertes Großpackmittel
Ein repariertes Großpackmittel ist ein „[…] IBC, der wegen eines Stoßes oder eines anderen Grundes [...] so wiederhergestellt wurde, dass er wieder der geprüften Bauart entspricht und in der Lage ist, den Bauartprüfungen standzuhalten. Für
Zwecke des ADR gilt das Ersetzen des starren Innenbehälters eines Kombinations-IBC durch einen den ursprünglichen Spezifikationen des Herstellers entsprechenden Behälter als Reparatur. Dieser Begriff schließt jedoch nicht die regelmäßige Wartung eines IBC ein“ /ADR 2001/. Wichtig ist, dass an der Kunststoffblase
selbst keine Reparaturen vorgenommen werden dürfen. Reparierte IBC müssen
grundsätzlich einer Dichtigkeitsprüfung und einer Inspektion unterzogen werden
/QSM 29, Kapitel 2.1/.
Regelmäßige Wartung eines Großpackmittels
Die regelmäßige Wartung eines Großpackmittels bezeichnet nach Kapitel 1.2
ADR/RID „die Ausführung regelmäßiger Arbeiten an metallenen IBC, starren
Kunststoff-IBC oder Kombinations-IBC wie Reinigung, Entfernen und Wiederanbringen oder Ersetzen der Verschlüsse des Packmittelkörpers (einschließlich der
damit verbundenen Dichtungen) oder der Bedienungsausrüstung entsprechend
den ursprünglichen Spezifikationen des Herstellers […]“ oder das „Wiederherstellen der baulichen Ausrüstung, die nicht direkt die Funktion hat, ein gefährliches
Gut einzuschließen oder einen Entleerungsdruck aufrechtzuerhalten, um eine
Übereinstimmung mit der geprüften Bauart herzustellen (z. B. Richten der Stützfüße oder der Hebeeinrichtungen), vorausgesetzt, die Behältnisfunktion des IBC
wird nicht beeinträchtigt“. Zu den routinemäßigen Wartungen zählen also drei Kategorien von Operationen, die nicht unter die anderen beschriebenen Begriffe fallen. Die klassische Reinigung der IBC, der Austausch von Verschlüssen, Ventilen
und Bedienausrüstungen (mit originaler Herstellerspezifikation) sowie das Wiederinstandsetzen von baulichen Ausrüstungen, die nicht in direktem Kontakt mit dem
Füllgut stehen (z. B. Austausch von Paletten) /ADR 2001/.
2.2
Verpackungen für Gefahrgüter
Während Verpackungen in der Vergangenheit lediglich den Schutz des Packgutes
vor Schäden sicherstellen mussten, müssen sie heutzutage auch andere, gleichermaßen wichtige Aufgaben erfüllen. Hier sind vor allem Lager-, Informations-,
Verkaufs-, Portionierungs-, Transport-, Umwelt- und Schutzfunktionen zu nennen.
Insbesondere die drei letztgenannten Anforderungen an die Verpackungen treten
in den Vordergrund, wenn es sich um Waren handelt, die dem Bereich der Gefahrgüter zuzuordnen sind. In diesem Falle dient die Verpackung neben dem
Schutz des verpackten Gutes insbesondere dem Schutz des Menschen sowie
10
dessen Umwelt vor den von Inhaltstoffen ausgehenden Gefahren (z. B. Vermeidung gefährlicher chemischer Reaktionen) /OHL 2001/.
Für den Bereich der Gefahrgüter können mehrere Gruppen von Verpackungen
unterschieden werden. Wichtige Verpackungsgruppen sind im ADR definiert. Dabei wird unterschieden zwischen Verpackungen wie Fässer, Kanister usw., Großpackmittel (IBC), Tankcontainern, Tanks sowie Klein- und Großcontainer /WAN
2001/. Die nachfolgende Abbildung stellt eine mögliche Kategorisierung der Verpackungen nach dem Fassungsvermögen (Innenvolumen) dar und ist angelehnt
an die heute nicht mehr geltende GGVS6-Systematik.
Verpackungsart
Klein- und
Großcontainer
Tanks
Tankcontainer
Großpackmittel
Verpackungen wie
Kanister und Fässer
450 Liter
oder
0,45 m3
Abbildung 2-1:
1000 Liter
oder
1,00 m3
3000 Liter
oder
3,00 m3
Kategorisierung von Gefahrgutumschließungen
(nach /OHL 2000/, verändert)
Grundsätzlich interessant für den Bereich der Rekonditionierung sind nur Verpackungen, die aufgrund ihrer Bauart, Stabilität und Robustheit die Möglichkeit mehrfacher Verwendung bieten. Dies betrifft im Wesentlichen Verpackungen wie Kanister und Fässer sowie Großpackmittel, die nachfolgend kurz vorgestellt werden.
2.2.1
Stahlverpackungen
Das klassische, heute weltweit verbreitete, Standard-Stahlfass hat seinen Ursprung in den Vereinigten Staaten und wurde während des zweiten Weltkriegs
vom American Petroleum Institute standardisiert /SIZ 2004/. Eingesetzt wird dieser
Verpackungstyp jedoch bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts infolge des rasanten Wachstums der Mineralölwirtschaft und der chemischen Industrie. Mit zunehmender Verbreitung wurden Stahlfässer immer Material sparender gefertigt, das
6
Gefahrgutverordnung Straße; ersetzt durch die Gefahrgutverordnung Straße und Eisenbahn (GGVSE)
11
Gewicht reduzierte sich durch neue Gestaltung der Sicken und dünnere Wandstärken von ca. 60 kg pro Fass in den Anfangsjahren auf mittlerweile in Europa
durchschnittlich ca. 17 kg /OHL 2000/.
Aufgrund seiner hohen Transportsicherheit und durch Qualitätssicherungssysteme
der Hersteller zur Erfüllung der international standardisierten UN-Zulassungsbedingungen wird das Fass heute bevorzugt dort eingesetzt, wo flüssige, viskose
oder feste Stoffe sicher zu transportieren und zu lagern sind.
Aufgrund der glatten Stahloberflächen lassen sich die Verpackungen einfach und
gründlich reinigen und eignen sich daher sehr gut für die Rekonditionierung, was
auch den großen Anteil der Stahlfässer an den Gesamtmarkt für rekonditionierte
Verpackungen begründet. Anhaftungen können leicht entfernt werden, ohne die
Verpackung zu beschädigen. Aufgrund der guten Stapelbarkeit, der einfachen
Umschlagmöglichkeit per Fassgreifer (z. B. mittels Gabelstapler oder Kran) und
der Tatsache, dass vier Fässer auf eine handelsübliche Transportpalette passen,
hat sich das Stahlfass auch im weltweiten Containerverkehr durchgesetzt.
Metallische Spund- und Deckelfässer mit Wandstärken von 1,0 mm oder mehr
sind aufgrund ihrer hohen Stabilität und der uneingeschränkten Gefahrgutzulassung – auch nach einer eventuell durchgeführten Rekonditionierung – die am weitesten verbreiteten Typen /BPM 2005/.
Das Standardstahlfass kann im Allgemeinen bis zu fünfmal rekonditioniert werden,
bevor der Stahl der stofflichen Verwertung (Verschrottung) zugeführt wird. Weit
verbreitet sind heute Fässer mit einer Wandstärke von 0,9 oder 1 mm bei einer
Stärke des Ober- und Unterbodens von 1,2 mm /BPM 2005/.
Die Fasshersteller fertigen jedoch zunehmend - zwecks Material-, Gewichts- und
Kostenreduzierung - Fässer mit geringeren Wandstärken. Vereinzelt werden bereits Fässer mit 0,8 mm Wandstärke angeboten, was dem Hersteller bei Neufässern einen Kosten- und damit Wettbewerbsvorteil gegenüber seinen Mitbewerbern
verschafft, den er an seine Kunden weitergeben kann. Fässer mit Wandstärken
kleiner 0,8 mm sind jedoch kaum noch zu rekonditionieren, da bei der Durchführung der Rekonditionierungsprozesse der Stahlmantel stark belastet wird. Dünne
Materialstärken halten dieser Belastung nicht Stand, Stabilität und Dichtigkeit sind
nicht zu garantieren, es treten Ermüdungsbrüche auf. Fässer mit Wandstärken
kleiner 0,8 mm können daher meist nur noch der stofflichen Verwertung zugeführt
werden. Dadurch ist die durchschnittliche Anzahl der Umläufe je Fass in den letzten Jahren immer weiter zurückgegangen. Der Kostenvorteil, der durch die Rekonditionierung erreicht wird, geht damit bei dünnwandigen Fässern wieder verloren.
12
Das klassische Standardfass gibt es als Sicken-Spundfass und als SickenDeckelfass. Diese beiden Verpackungstypen werden nachfolgend genauer beschrieben.
Sicken-Spundfass
Ein Spundfass bezeichnet nach DIN EN 210 eine „zylindrische Verpackung aus
Stahl, deren Ober- und Unterböden fest am Mantel angebracht sind, mit Öffnungen zum Füllen, Entleeren und Entlüften im Oberboden“ /DIN EN 210/. Diese Einschränkung auf Stahlgebinde ist jedoch unvollständig, da ebenso Spundfässer aus
Kunststoff existieren. Daher ist die Definition in DIN EN 12707 treffender. Danach
wird ein Spundfass allgemein bezeichnet als eine „Verpackung mit kreisförmigem
Querschnitt, mit flachen oder konvexen Enden und mit Öffnungen zum Füllen oder
Entleeren im Oberboden nicht über 70 mm Durchmesser“ (vgl. Abbildung 2-2)
/DIN EN 12707/.
Abbildung 2-2:
Spundfässer aus Stahl /GKP 2006/
Das Sicken-Spundfass aus Stahl ist mit einem Volumen von 216,5 l, einer Höhe
von 880 mm und einem Durchmesser von 570 mm das das gebräuchlichste und
am weitesten verbreitete Fass. Mit zwei Ein- bzw. Auslassöffnungen von 2" und
3/4" Durchmesser eignet es sich zum Lagern und Transportieren von Flüssigkeiten aller Art. Typische Inhalte sind Mineralöle, chemische Produkte, Desinfektionsund Reinigungsmittel. Das Fass ist besonders in der Mineralölindustrie weit verbreitet /BPM 2005/.
Es sind verschiedene Ausführungen bezüglich der Verschlussart, der Blechstärken, der Innenoberfläche (z. B. roh, verzinkt, lackiert) und der Außenlackierung im
Einsatz. Für besonders aggressive Stoffe existieren Sonderausführen aus Edelstahl oder mit speziellen Innenbeschichtungen. Das Sicken-Spundfass gibt es mit
und ohne Gefahrgutzulassung. Die für die Bauart-Zulassung durchzuführenden
13
Prüfungen, die von den akkreditierten Prüfstellen der BAM durchgeführt werden
können, sind in den zugehörigen Regelwerken genau beschrieben (z. B. ADR).
Für Stahlfässer sind beispielsweise eine Fall-, eine Dichtigkeits-, eine Innendruckund eine Stapeldruckprüfung vorgesehen /ADR 2001/.
Sicken-Deckelfass
Ein Deckelfass wird nach DIN EN 209 definiert als „zylindrische Verpackung aus
Stahl, deren Unterboden fest am Mantel angebracht ist und deren Oberboden als
Deckel abgehoben werden kann und mit Hilfe eines Spannrings verschlossen
wird“ /DIN EN 209/. Die nachfolgende Abbildung zeigt klassische StahlDeckelfässer.
Abbildung 2-3:
Deckelfässer aus Stahl /GKP 2006/
Sicken-Deckelfässer haben bei gleichem Durchmesser (570 mm) wie Spundfässer
ein geringfügig geringeres Volumen von 213 l und mit 860 mm eine etwas niedrigere Bauhöhe als Sicken-Spundfässer /DIN EN 209/. Entsprechend dem Spundfass gibt es verschiedene Ausführungen. Innenoberfläche, Außenlackierung sowie
Deckel- und Spannringform sind jeweils abhängig vom Einsatzzweck und der erforderlichen Gefahrgutzulassung. Hauptfüllgüter sind feste, pastöse, pulverige Güter, z. B. Fette, Schmierstoffe, Lacke, Klebstoffe, Abfälle. Durch die große Öffnung
lassen sich auch feste Schüttgüter oder unförmige Produkte in das Fass abfüllen.
Sonderbauformen mit Innenbehältern aus Kunststoff werden für spezielle Produkte eingesetzt /BPM 2005/.
Durch die im Vergleich zum Spundfass geringere Bauhöhe besteht die Möglichkeit, beschädigte oder schwer zu reinigende Spundfässer durch Abschneiden des
Oberbodens zu Deckelfässern umzuarbeiten. Dies bietet die Möglichkeit weiterer
Rekonditionierungsumläufe bis zur endgültigen Verschrottung.
14
2.2.2
Kunststoffverpackungen
Entsprechend den Stahlfässern werden auch Kunststofffässer als Spund- und Deckelfässer angeboten. Standard-Kunststoff-Deckelfässer existieren mit einem Volumen zwischen 25 und 220 Litern. Die gebräuchlichste Größe mit einem Volumen
von 120 Litern ist sowohl in runder als auch in palettierfreundlicher eckiger Bauform erhältlich. Kunststoff-Spundfässer sind entsprechend den Deckelfässern in
verschiedenen Ausführungen lieferbar. Am Gebräuchlichsten sind Volumina von
120 und 200 Litern.
Für die Herstellung der Verpackungen werden verschiedene Kunststoffarten verwendet. In den meisten Fällen kommt HDPE7 zum Einsatz, wodurch die Fässer
auch für den Einsatz aggressiver Stoffe, z. B. Säuren und Laugen, geeignet sind.
Abbildung 2-4:
Kunststoff-Spundfässer und Kunststoff-Deckelfässer in verschiedenen Größen /MAU 2006/
Die Vorteile von Kunststofffässern gegenüber Stahlfässern liegen im Bereich der
Handhabung, da sie bei gleichem Volumen wesentlich leichter sind. Der Nachteil
liegt darin, dass der Kunststoff nicht so widerstandsfähig gegen mechanische
Einwirkungen ist. Zudem ist sein Einsatz eingeschränkt, da die absolute Restentleerbarkeit aufgrund der Materialeigeschaften von Kunststoffen nicht garantiert
werden kann. Kunststofffässer eignen sich z. B. nicht für lösemittelhaltige Produkte, da diese in den Kunststoff hinein diffundieren /HEI 2000/. Aufgrund der genannten Nachteile werden Kunststofffässer seltener rekonditioniert als Stahlfässer.
Der größte Anteil der Kunststoffverpackungen wird der stofflichen oder energetischen Verwertung zugeführt.
7
High Density Polyethylen
15
2.2.3
Großpackmittel (Intermediate Bulk Container)
Intermediate Bulk Container (IBC) werden in der Industrie zur Aufbewahrung, Bereitstellung und Transport von Flüssigkeiten und pastösen Gütern eingesetzt. Der
Begriff Intermediate Bulk Container (IBC), auch Großpackmittel, bezeichnet eine
„starre oder flexible transportable Einheit, die nicht in Nr. 6.1 ADR aufgeführt ist
und einen Fassungsraum
•
von höchstens 3 m3 für feste und flüssige Stoffe der Verpackungsgruppe II
und III,
•
von höchstens 1,5 m3 für feste Stoffe der Verpackungsgruppe I, soweit diese in flexiblen IBC, Kunststoff-IBC, Kombinations-IBC, IBC aus Pappe oder
Holz verpackt sind,
•
höchstens 3m3 für feste Stoffe der Verpackungsgruppe I, soweit diese in
metallenen IBC verpackt sind,
•
höchstens 3 m3 für radioaktive Stoffe der Klasse 7 […]“
enthält und „die für die mechanische Handhabung ausgelegt ist und den Beanspruchungen bei der Handhabung und Beförderung standhalten kann, was durch
die im ADR festgelegten Prüfungen nachgewiesen wird“ /NN 2005/. Üblicherweise
besitzen IBC ein Fassungsvermögen zwischen 600 und 1200 l. Die Haupteinsatzbereiche liegen im Transport flüssiger Chemikalien wie Lösemittel, Säuren, Laugen, chemische Zwischenprodukte, Farben sowie Pflanzenschutzmitteln /BRU
2004/. In den meisten Fällen bestehen starre IBC aus Stahl.
Eine spezielle Form von Großpackmitteln stellen so genannte Kombinations-IBC
dar, die mit Kunststoff-Innenbehältern ausgestattet sind. Ein Kombinations-IBC ist
demnach ein „IBC, der aus einem Rahmen in Form einer starren äußeren Umhüllung um einen Kunststoff8-Innenbehälter mit den Bedienungs- oder anderen baulichen Ausrüstungen besteht“ /ADR 2001/. Entscheidendes Merkmal in der Begriffsbestimmung des ADR ist die Tatsache, dass „Innenbehälter und äußere Umhüllung nach der Zusammensetzung eine untrennbare Einheit bilden, die als solche befüllt, gelagert, befördert oder entleert wird“. Die den Innenbehälter aus
Kunststoff umschließende äußere Umhüllung hat dabei im Wesentlichen die Aufgabe, den Innenbehälter vor Beschädigung zu schützen. Sie besteht in der Regel
aus einem metallischen Material und ist in Form eines Gitterkorbes ausgebildet.
Innenbehälter und äußere Umhüllung sind zusätzlich fest auf einem Ladungsträger montiert (z. B. Palette), der aus Metall, Holz oder Kunststoff bestehen kann
/BPM 2005/.
8
Mit dem Begriff sind explizit auch polymere Werkstoffe wie z. B. Gummi eingeschlossen (vgl. ADR)
16
Abbildung 2-5:
Kombinations-IBC mit Holz- und Kunststoffpalette /MAU 2006/
Unterschiede gibt es in der Ausführung hinsichtlich der Stärke der Ummantelung,
der Gefahrgutzulassung, sowie der Art des Werkstoffes (Holz, Kunststoff, Stahl)
und der Größe der Palette (z. B. Europalette, Chemiepalette). Zur Realisierung
von Chemikalien-, Spannungsriss- und UV-Beständigkeit wird für den Innenbehälter (Kunststofftank) zumeist HDPE verwendet.
Aufgrund ihres im Vergleich zum Fass großen Volumens und des einfachen
Transportes durch Flurförderzeuge (z. B. Gabelstapler, Hubwagen) nimmt die Verwendung von Großpackmitteln, insbesondere von Kombinations-IBC, in der Industrie stetig zu. Dies liegt auch darin begründet, dass diese Bauart einen Austausch des Innenbehälters ermöglicht. Dies wird als Rebotteling bezeichnet /BPM
2005/.
Der Vollständigkeit halber wird noch auf sog. flexible IBC verwiesen. Diese Einwegverpackungen bestehen aus einem flexiblen, ein- oder mehrlagigen Schlauch,
der auf einem Bodenteil montiert ist. Sie sind von oben durch eine Einfüllöffnung
zu befüllen und meist durch eine Auslauföffnung zu entleeren /HEI 2000/. Die wesentlichen Anforderungen und Ausführungen sind in der DIN EN 1898 festgelegt
/DIN EN 1898/.
2.3
Einordnung der Rekonditionierung in den Packmittelkreislauf
Die Rekonditionierung spielt eine bedeutende Rolle für die Realisierung qualitativ
hochwertiger Mehrwegkreisläufe im Bereich der Industrieverpackungen. Am Beispiel des in der nachfolgenden Abbildung dargestellten Packmittelkreislaufes soll
die Bedeutung der Rekonditionierung und die Einordnung in den Packmittelkreislauf erläutert werden (vgl. Abbildung 2-6).
17
neue
Packmittel
Hersteller
Neuverpackung
Abfüller und
Vertreiber
rekonditionierte
Packmittel
befüllte
Packmittel
entleerte
Packmittel
Kunde /
Entleerer
Rekonditionierer /
Entsorger
Verwertung
entleerte
Packmittel
Entsorgung
Abbildung 2-6:
Schematische Darstellung des Packmittel-Kreislaufs
Wie in der Abbildung dargestellt, trägt die Rekonditionierung zur Schließung des
Verpackungskreislaufes zwischen Nutzer und Abfüller einer Verpackung bei. Die
auf die Rekonditionierung spezialisierten Unternehmen nehmen die Verpackungen
von den Nutzern mit dem Ziel der Aufarbeitung an. Anschließend werden diese
wieder an Unternehmen der abfüllenden Industrie verkauft, die sie wieder für die
Abfüllung ihrer Produkte verwenden.
Die Verpackungen können aber auch direkt von den Herstellern bzw. Abfüllern
kommen. Grund dafür ist die Ausweitung der Rücknahmeverpflichtungen der Verpackungsverordnung auf Verpackungen für schadstoffhaltige Füllgüter. Durch die
Verpackungsverordnung und deren Novelle sind Hersteller und Verteiler der genannten Verpackungen seit dem 01. Januar 2000 verpflichtet, diese kostenlos zurückzunehmen und einer ordnungsgemäßen Verwertung bzw. Entsorgung zuzuführen /VerpV 2000/.
Die für rekonditionierfähige Verpackungen bewährten und seit Jahren bestehenden firmen- und branchenspezifischen Systeme sollten dabei ausdrücklich erhalten bleiben, so dass lediglich eine Rücknahmepflicht des Lieferanten bzw. Abfüllers besteht, nicht aber eine Rückgabepflicht des Verbrauchers /VMS 2006/. Da
rekonditionierfähige Verpackungen für den Besitzer stets einen wirtschaftlichen
Wert haben, ist der Rücknahmeweg über den Abfüller eher die Ausnahme. Der
größte Teil der zur Rekonditionierung vorgesehenen Verpackungen kommt von
den Kunden bzw. Entleerern der Verpackungen zurück.
Zum Zweck der Behandlung werden die gebrauchten Verpackungen in der Regel
durch die Rekonditionierer erworben und nach der Behandlung wieder verkauft, so
dass ein ständiger Wechsel des Eigentümers stattfindet /MAN 2001/. Darüber hin18
aus bieten viele Rekonditionierer die so genannte „Lohn-Rekonditionierung“ an,
bei der die Verpackungen abgeholt, behandelt und anschließend wieder an den
Verpackungslieferanten zurückgegeben werden. Der Verpackungslieferant erhält
die von ihm bereitgestellte Anzahl an Gebinden des gleichen Verpackungstyps
zurück und zahlt lediglich für die Behandlung. Gerade im Bereich der hochwertigen Verpackungen (z. B. IBC) ist der Anteil der Lohnreinigung relativ groß. In diesem Zusammenhang bieten die größeren Unternehmen der Rekonditionierbranche zum Teil auch eigene Kreislaufsysteme an (z. B. Closed Loop®-System für
IBC der Blagden Packaging Mendig GmbH), die eine schnelle Abholung, Reinigung und Rücklieferung der Gebinde garantieren /BPG 2006/.
Die Rekonditionierung dient, wie beschrieben, der Wiederverwendung der Verpackungen und ist rechtlich nicht als Abfallbehandlung zu verstehen. Daher unterliegt sie nicht den Vorschriften des Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetzes
/SCHM 2004/. Nachdem es in der Vergangenheit immer wieder Unklarheiten bezüglich der Einstufung zur Rekonditionierung vorgesehener Verpackungen, insbesondere solchen mit Resten chemischer Füllgüter, gab, wurde mit einem Erlass
des Ministeriums für Umwelt und Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen im Jahre 2003 Rechtssicherheit geschaffen. Demnach sind rekonditionierte Verpackungen als Produkte einzustufen und
nicht als Abfall im Sinne des KrW-/AbfG. Dies gilt auch dann, wenn es notwendig
ist, die Verpackungen zu reinigen oder zu reparieren, sofern sie nach dem Stand
der Technik restentleert sind und den Rücknahmebedingungen der Rekonditionierer entsprechen /SCHM 2004/. Grundlage für den Erlass des Ministeriums bildet
eine Rücknahmezusage, den die Verbände von Rekonditionierbetrieben (VIV,
RRD, VMS) gegenüber dem Verband der chemischen Industrie e.V. (VCI) in
Frankfurt a. M. abgegeben haben. Für Verpackungen mit ungefährlichen Restinhalten ist die Einstufung unproblematisch.
Die Einstufung einer zu rekonditionierenden Verpackung als Produkt ist jedoch an
bestimmte formale Voraussetzungen geknüpft. So muss der Endverbraucher - das
ist im Regelfall der Entleerer der Verpackung - eine verbindliche Erklärung über
die Einhaltung der Rücknahmebedingungen der Rekonditionierbetriebe/-verbände
abgeben. Darüber hinaus muss auf jedem Transport, der die Verpackungen einem
Rekonditionierer zuführt, eine verbindliche Erklärung des Abgebenden und des
Annehmenden beigefügt werden, die eine Aussage enthält, dass die transportierten Verpackungen zur Rekonditionierung bestimmt und restentleert sind
/SCHM 2004/. Nur unter diesen Voraussetzungen unterliegen die zur Rekonditionierung und anschließenden Wiederverwendung vorgesehenen Industrieverpackungen nicht dem Abfallrecht, was erhebliche Auswirkungen auf die erforderlichen Nachweis- und Dokumentationspflichten hat.
19
Durch die mit der Rekonditionierung erzielbare Wiederverwendung der Verpackungen können sowohl ökologische als auch ökonomische Vorteile realisiert
werden. Eine im Jahre 1999 durchgeführte Studie im Auftrag des weltweiten Verbandes der Verpackungsrekonditionierer (International Confederation of Container
Reconditioners ICCR9) bestätigt diese Aussage und bescheinigt der industriellen
Mehrwegverpackung sowohl in ökologischer wie in ökonomischer Hinsicht deutliche Vorteile gegenüber der Einwegverpackung /ICCR 1999/. So ist beispielsweise
der Energiebedarf bei Mehrwegverpackungen aus Stahl deutlich geringer als bei
der Verwendung von Einwegsystemen (vgl. Abbildung 2-7). Untersucht wurden in
diesem Zusammenhang folgende Verpackungstypen:
•
1,2 mm Spund- und Deckelfässer (Mehrweg),
•
1,0 mm Spund- und Deckelfässer (Mehrweg),
•
1,2 / 0,9 / 1,2 mm Spund- und Deckelfässer (Mehrweg) und
•
0,8 mm Spund- und Deckelfässer (Einweg).
Die in Abbildung 2-7 dargestellten Werte beziehen sich dabei auf 1000 Umläufe,
wobei im Bereich der Mehrwegsysteme durchschnittlichen Umlaufzahlen berücksichtigt wurden. Die zugrunde gelegten Umlaufzahlen schwankten dabei zwischen
2,3 bei Spundfässern aus Stahl mit Wandstärken von 1,0 mm Dicke in Japan und
8,7 bei Deckelfässern aus Stahl mit 1,2 mm Wandstärke in Europa. Bei den Einwegverpackungen hingegen entspricht die Anzahl der Umläufe der Anzahl der
Verpackungen.
600.000
[MJ pro 1.000 Umläufe]
500.000
400.000
Verwertung/Beseitigung
Rekonditionierung
300.000
Herstellung Neuverpackung
200.000
100.000
0
1.0 SF/MW
Abbildung 2-7:
9
0.8 SF/EW
1.0 DF/ MW
0.8 DF/EW
SF:
Spundfass
DF:
Deckelfass
MW:
Mehrweg
EW:
Einweg
Vergleich des Energieverbrauchs von verschiedenen
Verpackungsarten /nach ICCR 1999/
Der ICCR ist in drei Kontinentalverbänden organisiert. In Europa werden die Aufgaben und Interessen von
der European Reconditioners of Industrial Packaging SERRED, in Nordamerika durch die Reusable Industrial
Packaging Association sowie in Japan durch die JDRA - Japan Drum Reconditioners´ Association vertreten.
Diese Netzwerke ermöglichen den Mitgliedern einen stetigen fachlichen Austausch in den Bereichen neue
Technologien und Umweltschutz.
20
Ein ähnliches Bild ergibt sich bei einer Bilanzierung der Abfallmengen. Auch hier
trägt die Mehrwegverwendung der Verpackungen, die durch die Rekonditionierung
ermöglicht wird, erheblich zur Umweltentlastung bei (vgl. Abbildung 2-8).
[kg pro 1.000 Umläufe]
25.000
20.000
Verwertung/Beseitigung
15.000
Rekonditionierung
Herstellung Neuverpackung
10.000
5.000
SF:
0
1.0 SF/MW
Abbildung 2-8:
0.8 SF/EW
1.0 DF/ MW
0.8 DF/EW
Spundfass
DF:
Deckelfass
MW:
Mehrweg
EW:
Einweg
Vergleich des prozessbezogenen Aufkommens an festen Abfällen
(pro 1000 Umläufe) /nach ICCR 1999/
Wie zu erkennen, ist der Abfallanfall bei Einwegverpackungen etwa viermal so
groß wie bei der Verwendung von Mehrwegverpackungen (bezogen auf 1000 Umläufe).
Schließlich sind auch die Emissionen in Wasser und Luft bei der Verwendung von
Mehrwegverpackungen deutlich geringer als bei Einwegverpackungen. Die Rekonditionierung trägt somit durch Realisierung von Mehrwegkreisläufen bei Industrieverpackungen erheblich zur Umweltentlastung und Ressourcenschonung bei.
Wie bereits angesprochen, ergeben sich aber nicht nur ökologische Potenziale. Es
können auch ganz konkrete Kosteneinsparungen realisiert werden. In der nachfolgenden Tabelle sind die Kosten für die verschiedenen Verpackungssysteme gegenübergestellt /ICCR 1999/. In den Kosten sind unter anderem die Material- und
Energiekosten für die Herstellung der Verpackungen, die Kosten für Treibstoffverbrauch zu Zwecken des Transports zu und vom Rekonditionierer bzw. die Kosten für die Lieferung der Neuverpackungen, Kosten für Chemikalien und Betriebsmittel im Rekonditionierprozess sowie die Verwertungserlöse berücksichtigt.
Es ergibt sich ein deutlicher Vorteil der Mehrwegverpackungen gegenüber der
Einweglösung. Während die Kosten für 1000 Umläufe bei einem Spundfass mit
1,0 mm Wandstärke, das durch die Möglichkeit der Rekonditionierung mehrfach
verwendet werden kann, insgesamt 2.021 US$ betragen, liegen diese bei einem
im Einwegverfahren verwendeten 0,8 mm Spundfass bei fast 9000 US$ und sind
damit mehr als vier mal so hoch. Daher ist die Rekonditionierung von Industrieverpackungen auch in wirtschaftlicher Hinsicht eine interessante Alternative.
21
Tabelle 2-1:
Kostenbetrachtung verschiedener Verpackungssysteme (in US$)
Verpackungstyp Herstellkosten Transportkosten
Rekonditionierkosten
Erlöse
Nettokosten
Spundfass
> 1 mm (MW)
1.831
205
220
236
2.021
1.0 mm Deckelfass (MW)
2.937
297
508
379
3.362
0.8 mm Spundfass (EW)
9.598
266
220
1.232
8.852
0.8 mm Deckelfass (EW)
10.631
328
508
1.364
10.084
EW … Einweg, MW … Mehrweg
Allerdings zeigen die Darstellungen auch, dass nicht alle Verpackungen gleichermaßen für die Rekonditionierung geeignet sind. Insbesondere dünnwandige Verpackungen mit Wandstärken von 0,8 mm und weniger eignen sich nur sehr bedingt für die Aufarbeitung, da sie unter Umwelt- und Sicherheitsaspekten bedenklich sind. Die Funktionssicherheit im Hinblick auf den unkontrollierten Austritt von
Füllgütern kann insbesondere bei rekonditionierten Fässern nicht gewährleistet
werden, so dass die Nachfrage nach entsprechenden Fässern gering ist.
2.4
2.4.1
Strukturen und Prozesse der Rekonditionierung
Die Rekonditionierungsbranche
Die Rekonditionierbranche ist ein von kleinen und mittleren Unternehmen geprägter Wirtschaftszweig mit sehr speziellen Strukturen und Prozessen. Alle Unternehmen der Branche haben sich auf die Rücknahme und Wiederaufarbeitung bestimmter Verpackungstypen aus Kunststoff und / oder Stahl spezialisiert. In den
meisten Fällen handelt es sich dabei um klassische Spund- und Deckelfässer mit
einem Füllvolumen von etwas mehr als 200 Litern sowie Intermediate Bulk Containern in verschiedenen Ausführungen (z. B. Stahl-IBC, Kombinations-IBC). Darüber hinaus sind einige Rekonditionierbetriebe zusätzlich als Entsorgungsfachbetrieb zertifiziert und garantieren damit ihren Kunden bzw. Lieferanten auch die
Rücknahme und umweltschonende Entsorgung nicht rekonditionierfähiger Verpackungen. So ist beispielsweise die Blagden Packaging Mendig GmbH & Co., eines
der größten Rekonditionierungsunternehmen in Deutschland und Mitglied der
Blagden Packaging Group N.V., zertifizierter Entsorgungsfachbetrieb für die „Einsammlung, Beförderung und Behandlung von Verpackungen aus Kunststoff (AVV
150102), Verpackungen aus Metall (AVV 150104) und Verpackungen, die Rückstände gefährlicher Stoffe enthalten oder durch gefährliche Stoffe verunreinigt sind
(AVV 150110)“ /BPM 2003/. Ähnlich ist dies bei den anderen Unternehmen der
22
Branche, die damit auf die Veränderungen des Marktes reagiert und damit begonnen haben, neue Geschäftsfelder zu erschließen.
Aktuell gibt es in der Bundesrepublik Deutschland etwa 22 von der Bundesanstalt
für Materialforschung und -prüfung (BAM) anerkannte und registrierte Betriebe10,
die in Tabelle 2-2 mit ihren jeweiligen Tätigkeitsschwerpunkten dargestellt sind.
10
Grundsätzlich sind alle Rekonditionierer in Deutschland verpflichtet, sich von der BAM registrieren zu lassen und ein Qualitätssicherungsprogramm (QSP) gem. GGR 001 zu implementieren.
23
Tabelle 2-2:
Übersicht über die von der BAM zertifizierten Rekonditionierer /KLE
2004/
Firmensitz
System1)
Zusatzleistung2)
Stahl
Kunststoff
Fässer
IBC
Fässer
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
IBC
Erwin Rausch
Faßgroßhandel
Lehrter Str. 23-24,
10557 Berlin
VMS
Entsorgungsfachbetrieb, Sammelboxsystem
Arthur Wulf
Faßgroßhandlung
Dratelnstr. 29,
21109 Hamburg
VMS
Sammelboxsystem
B. & F. Tammling
Moorfleeter Deich 7-9,
22113 Hamburg
VMS
A. Witt & Co.
Berzeliusstr. 40-41,
22113 Hamburg
VIV
H. M.
Buchtenkirchen
Fladengrund 13,
27572 Bremerhaven
VMS
Carl Meyer
Buchholzer Str. 15-17,
30629 Hannover
VDF
Schulze-Delitzsch-Str.
5, 32839 Steinheim
VMS
Otto-Bögeholz-Str. 1a,
38112 Braunschweig
VMS
Wolfsittard 124a,
41179 Mönchengladbach
VMS
Wiesenstr. 150,
41460 Neuss
VMS
X
X
X
X
Siemensstr. 9
41542 Dormagen
VDF
X
X
X
X
Ulrich Hessling
Industriestr.,
46499 Hammwinkeln
VMS
X
X
X
X
Gerhard van Well
Mayweg/ Industriestr.,
47918 Tönisvorst
VMS
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Reko-Verpackungen & Service
Gerhard Kein
Verpackungen
Josef Kuhlen
Faßgroßhandlung
Hans Friedsam
Faßverwertung
Friedsam
Faßgroßhandlung
Fass-Tamm
Fass-Lötschert
Donatusstraße 161,
50259 Pulheim
Wiesenstr. 4-14,
56203 HöhrGrenzhausen
VMS
Sammelboxsystem
Sammelboxsystem
Sammelboxsystem
VMS
Blagden Packaging Mendig
Ernst-Abbe-Str. 5,
56734 Mendig
VIV
Entsorgungsfachbetrieb
X
X
X
X
Fass-Braun
Sedanstr. 15-19,
58089 Hagen
VIV
Entsorgungsfachbetrieb
X
X
X
X
Faß-Unfricht
Großpartstr. 2a,
67071 Ludwigshafen
VDF
X
X
X
Landry
Faßverwertung
Salinenstr. 29, 74177
Bad Freidrichshall
VMS
X
X
X
Bayern-Fass
Hans-Böckler-Str. 2,
86551 Aichach
VIV
X
X
X
Farbenstr. 5,
06803 Greppin
VDF
X
X
X
Schneeberger Str. 3,
09125 Chemnitz
VMS
X
X
X
Hemeyer
Verpackungen
Richter & Hess
Verpackungsservice
Entsorgungsfachbetrieb,
Ersatzteillieferung
Sammelboxsystem
1) VDF = Verband der deutschen Fassverwertungsbetriebe, VIV = Verwertungsgemeinschaft Industrieverpackungen,
VMS = Verpackungsrücknahme mit System
2) Standardleistungen umfassen Rückholung, Reinigung, Reparatur und Entsorgung
24
X
Der starke Wettbewerb innerhalb der Branche zwingt die Unternehmen zur Zusammenarbeit und Kooperation mit Konkurrenten. So sind die in Deutschland zertifizierten Rekonditionierer in drei verschiedenen Rücknahmesystemen organisiert
/KLE 2004/. Die größten vier Unternehmen, die Blagden Packaging Mendig GmbH
& Co, die Witt & Co. GmbH, die Fass-Braun GmbH sowie die Bayern-Fass GmbH,
haben sich in der Verwertungsgemeinschaft Industrieverpackungen (VIV) zusammen geschlossen. In diesem Verbund haben die Unternehmen das Bundesgebiet
in vier Regionen aufgeteilt, in denen jeweils die Verantwortlichkeiten für die Rücknahme und Rekonditionierung eindeutig festgelegt sind /VIV 2003/.
Die kleineren Unternehmen sind im Verbund der Verpackungsrücknahme mit System (VMS) vereinigt. Aktuell hat der VMS 14 Mitgliedsbetriebe, um durch die Zusammenarbeit eine kurzfristige und flächendeckende Abholung der gebrauchten
Industrieverpackungen garantieren zu können /VMS 2006/. Schließlich existiert
auch noch der Verband der Deutschen Fassverwertungsbetriebe (VDF), der als
Ursprungsverband aktuell neun Mitglieder hat /KLE 2004/. Die im VDF organisierten Unternehmen haben ein bundesweit operierendes Rücknahmesystem gegründet, welches unter dem Namen „Rücknahmesystem Rekonditionierverpackung
Deutschland GmbH“ die Rücknahme von gebrauchten, restentleerten Industrieverpackungen anbietet /VDF 2006/.
Durch die Zusammenarbeit der Unternehmen in diesen drei in Deutschland etablierten Branchenverbänden kann eine weitgehende Abdeckung des Bundesgebietes realisiert werden und die meisten Kunden bzw. Verpackungslieferanten können schnell und wirtschaftlich (mit geringem Transportaufwand11) erreicht werden.
Zur Realisierung eines europaweiten Service wurde von führenden europäischen
Unternehmen der Branche im Jahre 1999 zusätzlich die European Packaging
Cooperation (EPC) gegründet, der, mit Ausnahme der Blagden Packging Mendig
GmbH & Co., die über ein eigenes firmeninternes Netzwerk verfügt, alle anderen
Unternehmen der VIV e.V. angehören /EPC 2006/ /KLE 2004/.
Der größte Teil der Kunden bzw. Lieferanten kommt aus der Mineralöl- und Chemieindustrie (vgl. Abbildung 2-9). Während in der Mineralölindustrie seit Jahrzehnten traditionell rekonditionierte Verpackungen eingesetzt werden, ist in den letzten
Jahren jedoch auch eine verstärkte Nachfrage nach rekonditionierten Gebinden in
der Chemieindustrie zu verzeichnen, was - neben den ökonomischen Vorteilen der
Nutzung - auch mit der Etablierung und Umsetzung von Umweltschutzaktivitäten
im Rahmen des Responsible-Care-Initiative12 einhergeht. Der verstärkte Einsatz
von wieder verwendeten und wieder verwendbaren Verpackungen bildet dabei
11
Nach Aussagen der Rekonditionierer wird die Aufarbeitung ab einem Transportaufwand von mehr als 300
km unwirtschaftlich, so dass sich die Rekonditionierung nicht mehr lohnt /KLE 2004/.
12
Mit der weltweiten Responsible-Care Initiative verpflichten sich die Unternehmen der chemischen Industrie
unabhängig von gesetzlichen Forderungen, ihre Leistungen für Sicherheit, Gesundheit und Umweltschutz
stetig zu verbessern.
25
einen wichtigen Baustein der Umsetzung dieser freiwilligen Selbstverpflichtung, so
dass der Rekonditionierung eine Schlüsselrolle zukommt, da diese die Realisierung hochwertiger Packmittelkreisläufe überhaupt erst ermöglicht /WAC 2003/
/NN 2001/.
Sonstiges (Säuren
etc.)
Lösungsmittel
5%
15%
Reinigungsmittel /
Tenside
20%
Abbildung 2-9:
Mineralölprodukte
60%
Anteil ehemaliger Füllgüter bei den zu rekonditionierenden
Verpackungen /BPM 2003/
Der Rekonditionerungsmarkt wird auch heute noch durch das Standard-Stahlfass
(216,5 Liter) dominiert, das im Allgemeinen bis zu fünfmal rekonditioniert werden
kann, bevor der Stahl der stofflichen Verwertung (Verschrottung) zugeführt wird
/BPM 2005/. Weit verbreitet sind Fässer mit einer Wandstärke von 1,0 mm. Die
Fasshersteller fertigen, wie bereits beschrieben, jedoch zunehmend - zwecks Material- und Gewichts und Kostenreduzierung - Fässer mit geringeren Wandstärken,
die nur schwer oder nicht zu rekonditionieren sind (vgl. S. 12). Die durchschnittliche Anzahl der Umläufe je Fass und dadurch auch der Kostenvorteil für den Verpackungsnutzer sind dadurch in den letzten Jahren immer weiter zurückgegangen.
Die Tendenz zur Reduzierung der Materialstärken hat auch direkte Auswirkungen
auf die Rekonditionierbetriebe. Aufgrund des damit verbundenen Anstiegs der
Menge an nicht rekonditionierfähigen Verpackungen (dünnwandige Fässer, Importfässer ohne UN-Zulassung) ergeben sich völlig neue Anforderungen an die
Rekonditionierer. Die meisten Unternehmen haben bereits damit begonnen, die
Sortier- und Verwertungskapazitäten entsprechend auszubauen und neue Geschäftsfelder zu erschließen (z. B. durch Zertifizierung als Entsorgungsfachbetriebe). Darüber hinaus gibt es auch Verschiebungen bei den für die Rekonditionierung genutzten Verpackungsarten. So gewinnen Kombinations-IBC aufgrund der
logistischen Vorteile in der Industrie und folglich auch in der Rekonditionierung
zunehmend an Bedeutung. Im Vergleich zu den runden Fässern lassen sich die
IBC besser mit Gabelstaplern transportieren und bieten durch ihre Geometrie bei
26
gleichem Raumbedarf wesentlich höhere Lager- und Transportkapazitäten /KLE
2003/. Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht die Entwicklung des Marktes für
Kombinations-IBC im Zeitraum zwischen 1990 und 2000.
4
Stückzahlen in Mio.
3,5
3
2,5
2
Europa
Weltweit
1,5
1
0,5
19
90
19
91
19
92
19
93
19
94
19
95
19
96
19
97
19
98
19
99
20
00
0
Abbildung 2-10:
Entwicklung des Marktes für Kombinations-IBC /nach SCHU 2006/
Wie in der Abbildung zu erkennen, haben sich die Stückzahlen innerhalb von zehn
Jahren nahezu verachtfacht, was sich auch bei den Zahlen für rekonditionierte IBC
widerspiegelt. Aufgrund dieser Entwicklungen haben viele Rekonditionierbetriebe
mit dem Aufbau entsprechender IBC-Behandlungskapazitäten begonnen, da in
den nächsten Jahren der Anteil der IBC am Gesamtverpackungsmarkt weiter steigen wird. Allerdings werden auch die klassischen Stahl- und Kunststofffässer weiterhin eingesetzt, insbesondere im Export.
Wie alle anderen Branchen auch, sind auch die Rekonditionierer von globalen
Entwicklungen betroffen. So führte der durch die große Nachfrage aus Asien verursachte starke Anstieg der Stahlpreise, die zunehmenden Exportmengen und die
Abwanderung von Grundchemie-Herstellern und Raffinerien (und damit auch
Mengen an Fässern, die den Rekonditionierern nicht mehr zur Verfügung stehen)
zu Problemen auf der Beschaffungsseite. Die Preise für Neufässer aus Stahl und
damit auch die Preise für Stahlschrott stiegen zum Teil erheblich an, was viele
Rekonditionierer, insbesondere diejenigen, die sich allein auf die Aufbereitung von
Stahlgebinden konzentriert haben, in wirtschaftliche Schwierigkeiten brachte, da
sie für die gebrauchten Fässer folglich hohe Vergütungen entrichten mussten. Die
damit verbundene Preiserhöhung bei rekonditionierten Fässern erfolgte aufgrund
des großen Wettbewerbs erst zeitversetzt, da kein Unternehmen die „Preisschraube“ zuerst anziehen wollte /KLE 2004/.
27
Gleichzeitig fielen in der Vergangenheit die Marktpreise für Kombinations-IBC
(Neuware). Innerhalb von zwei Jahren fielen die Preise um bis zu 25% /KLE 2004/.
Die Rekonditionierer mussten angesichts dieser Entwicklungen natürlich auch die
Preise für rekonditionierte IBC deutlich senken. Angesichts der gestiegenen Stahlpreise wurden die Marktpreise für neue wie rekonditionierte IBC mittlerweile aber
wieder angehoben.
2.4.2
Prozesse der Rekonditionierung starrer Verpackungen
Bei der Rekonditionierung handelt es sich nicht um einen einzelnen Prozess, sondern um eine Vielzahl von aufeinander abgestimmten Prozess- und Verfahrensschritten. Dabei werden die gebrauchten Industrieverpackungen in verschiedenen
Reinigungs- und Ausarbeitungsstufen so behandelt, dass sie weitgehend wieder
ihr ursprüngliches Aussehen erhalten und alle Reste des früheren Inhaltes sowie
innere und äußere Korrosion, Beschichtungen, Etikettierungen etc. entfernt werden. Der Rekonditionierungsprozess soll im Folgenden am Beispiel von Sickenspundfässern aus Stahl verdeutlicht werden. Er kann grundsätzlich in vier
Prozessschritte unterteilt werden, die jeweils mehrere Teilprozesse umfassen (vgl.
Abbildung 2-11).
• Strahlung
• Leak-Test
• Lackierung
• Nachbehandlung (Spunde, Dichtungen
• tauschen, Kennzeichnung, etc.)
• WA-Kontrolle
Entladung
Nassreinigung
Produktion
Verladung
• WE-Kontrolle
• Restentleerung
• Zargenrichtung
• Ausbeulung
• Vor- und Hauptreinigung
• Passivierung
• Trocknung
• Entfernung Etiketten
• Qualitätsbewertung und Sortierung
Abbildung 2-11:
28
Auszug aus einem Rekonditionierungsprozess für Spundfässer aus
Stahl /BPM 2003/
Zunächst werden die Verpackungen am Wareneingang einer visuellen Prüfung
hinsichtlich des äußeren Zustands und früherer Inhaltstoffe13 unterzogen. Dabei
werden schwer zu reinigende und sichtbar beschädigte Gebinde direkt vom Rekonditionierungsprozess ausgeschlossen und, soweit möglich, einer stofflichen
Verwertung zugeführt. Zu diesem Zweck verfügen die meisten Rekonditionierer
über ein Zerkleinerungsaggregat (z. B. Schredderanlage), in dem die Verpackungen aus Stahl und/oder Kunststoff zerkleinert und mit Wasser und speziellen
Chemikalien vorgereinigt werden. Das Schreddergut wird dann in der Regel an
einen Stahl- oder Kunststoffverwerter abgeben. Die nicht verwertbaren Verpackungen werden an externe Unternehmen zur Entsorgung abgegeben.
Aufgrund der beschriebenen Vorgehensweise ist die Bewertung der Rekonditionierfähigkeit der Verpackungen durch die Mitarbeiter sehr subjektiv geprägt und
beruht allein auf deren Erfahrung. Es mangelt insbesondere an Hilfsmitteln und
Instrumenten zur objektiven Bewertung des mechanischen Zustands der Verpackungen. Aus diesem Grund muss ein großer Anteil der Verpackungen in späteren
Prozessstufen ausgeschleust werden, was unnötigen Aufwand zur Folge hat.
Die als rekonditionierfähig eingestuften Gebinde werden in verschiedenen Prozessstufen mechanisch bearbeitet (z. B. Zargenrichtung, Ausbeulung), restentleert, von innen gereinigt, getrocknet und von den Etiketten befreit, bevor sie an
einer ersten Kontrolle (nach dem beschriebenen Innenreinigungsprozess) in verschiedene Qualitäten bzw. Sorten eingeteilt werden. Diese Einstufung ist maßgeblich für die weitere Behandlung und den Wert der Verpackung für den Rekonditionierer, so dass ihr eine sehr große Bedeutung zukommt. In diesem Zusammenhang werden bei den Rekonditionierern eine Vielzahl an Qualitäten unterschieden
(vgl. Anhang). So sind beispielsweise bei Spundfässern aus Stahl Gebinde der
„1. Sorte“ uneingeschränkt wieder als Gefahrgutverpackung einsetzbar, während
Fässer der „2. Sorte“ lediglich für Nicht-Gefahrgüter, also nur mit Einschränkung,
geeignet sind. An diesem Beispiel wird bereits deutlich, dass die Klassifizierung
erheblichen Einfluss auf den mit der Verpackung zu erzielenden Erlös hat. Daher
kommt ihr eine besondere Bedeutung zu und muss für den Rekonditionierer chargengenau nachvollziehbar sein.
Die ohne bzw. mit Einschränkung für die Rekonditionierung nutzbaren Verpackungen der Sorten 1 und 2 mit entsprechender UN-Nummer14 werden anschließend in
weiteren Prozessstufen auf Dichtigkeit geprüft, gestrahlt und mit einer kundenspezifischen Lackierung versehen, bevor sie an der Endkontrolle zur Verladung bereitgestellt werden.
13
Die Identifikation und Deklarierung früherer Inhaltstoffe erfolgt durch den Mitarbeiter am Wareneingang auf
Basis der Etikettierung, die aufgrund gefahrgutrechtlicher Vorschriften vom Abfüller auf der Verpackung anzubringen ist.
14
Die UN-Nummer ist eine vierstellige Ziffer zur Kennzeichnung eines gefährlichen Stoffes, einer Stoffgruppe
oder eines Gegenstandes
29
Spundfässer mit Beschädigungen am Oberboden, starker Verbeulung oder festen
Rückständen im Inneren werden bei den meisten Rekonditionierern in einer weitgehend automatischen Produktionslinie zu Deckelfässern (3. Sorte) umgearbeitet
und vermarktet. Die restlichen Verpackungen, die nicht unmittelbar (ohne Vorbehandlung) einer der in Anhang II aufgeführten Sorten zugeordnet werden können,
werden im Verlauf des Prozesses in speziellen Verfahrensschritten einer gesonderten Behandlung unterzogen (z. B. chemische oder mechanische Entrostung)
und anschließend in eine der im Anhang aufgeführten Sorten eingeordnet oder,
falls sie auch nach weiteren Behandlungen nicht wieder vermarktbar sind, als
„Schrottfass“ deklariert.
Der dargestellte Prozess der Rekonditionierung von Stahl-Spundfässern läuft bei
den meisten anderen Rekonditionierbetrieben, die in diesem Bereich tätig sind,
wie beschrieben ab. Unterschiede existieren lediglich hinsichtlich der für die
Durchführung der Prozessschritte verwendeten technischen Hilfsmittel, z. B. für
die Etikettenentfernung. Während bei der Blagden Packaging Mendig GmbH &
Co. die Etiketten zunächst erwärmt und abgespachtelt werden, verwendet die Firma B. & F. Tammling Schleifmaschinen, mit denen die Mitarbeiter in einem manuellen Prozess die Etiketten entfernen /TAM 2005/. Kritisch ist dabei, dass durch
Metallabrieb behandlungsbedürftige Abluft anfällt, was Kosten verursacht. Bei der
anderen Verfahrensweise entstehen gesundheitsschädliche Dämpfe, so dass das
Arbeiten nur unter einem Abzug durchgeführt werden kann. Aufgrund dieser Probleme und des hohen Personalaufwands wurden in der Vergangenheit erste Ansätze zur Automatisierung bzw. Teilautomatisierung dieses Prozessschrittes entwickelt, so z.B. die Firma Bayern-Fass, die mit mäßigem Erfolg auf die Verwendung
von Bürstenmaschinen setzt /BAY 2006/. Weitere Unterschiede zwischen den Rekondionierungsunternehmen bestehen beispielsweise im verwendeten Lackierverfahren, in der Durchführung der Dichtigkeitsprüfung oder der Art der Entrostung
(z. B. chemisch, mechanisch). Der prinzipielle Ablauf der Spundfass-Rekonditionierung stellt sich jedoch weitgehend immer gleich dar.
Der beschriebene Auszug aus dem Rekonditionierungsprozess für StahlSpundfässer macht auch die Komplexität der für die Aufarbeitung notwendigen
Prozessschritte deutlich. Auch bei den anderen rekonditionierbaren Verpackungsgruppen sind verschiedene Reinigungs- und Aufarbeitungsstufen sowie diverse
Qualitätsprüfungen erforderlich. Der Unterschied in der Rekonditionierung von
Kunststofffässern wie auch Intermediate Bulk Containern im Vergleich zu Stahlgebinden besteht jedoch darin, dass materialbedingt in der Regel die mechanischen
Bearbeitungsstufen fehlen (dies gilt insbesondere für Kunststoffverpackungen).
Dem zu Folge steht bei der Rekonditionierung dieser Verpackungstypen die Innen- und Außenreinigung sowie die Entfernung der Restinhalte im Vordergrund
(vgl. Tabelle 2-3).
30
Tabelle 2-3:
Verpackungsartspezifische Systematisierung der Prozesse (Hauptprozesse)
Starre IBC
Kombinations-IBC
Mechanische
Bearbeitung
Restentleerung
Innenreinigung
Etikettenentfernung
Leak-Test
z
z
z
z
z
z
z
z
StahlSpundfass
StahlDeckelfass
z
z
z
z
z
z
z
z
Strahlung
Lackierung
z
z
z
z
z
Ausbrennen
Außenreinigung
(Abspülen)
Rebotteling
(alternativ)
Kunststofffässer
z
z
z
z
z
z
z
z
Kombinations-IBC können prinzipiell in zwei Baugruppen unterteilt werden. Dies
ist einerseits die Kunststoffblase (Innenbehälter), die in direktem Kontakt mit dem
Füllgut steht, und andererseits der Gitterkorb mit dem Ladungsträger (Palette aus
Holz, Kunststoff oder Metall) /HEI 2000/. Die zu unterscheidenden Behandlungswege für IBC können ebenfalls in zwei Gruppen eingeteilt werden: Aufbereitung
unter Wiederverwendung der Blase und Aufbereitung unter Einsatz einer neuen
Blase. Während die erste Verfahrengruppe die klassische Wiederverwendung bezeichnet, werden die Verfahren unter Austausch der Blase als Rebotteling bezeichnet (vgl. Tabelle 2-3). Dabei wird die Blase aus dem Gitterkorb genommen
und gesondert behandelt. Die Gitterkörbe werden gesammelt, gereinigt, ggf. repariert und mit einer neuen zugelassenen Blase sowie einem neuen Typenschild
versehen. Dieses Verfahren wird insbesondere angewendet bei IBC, deren Kunststoff-Innenbehälter beschädigt bzw. undicht sind oder aufgrund der ehemaligen
Füllgüter nicht mehr zu verwenden sind. Der Vorteil liegt in der Vermeidung einer
unbeabsichtigten Verunreinigung des abzufüllenden Produktes durch nicht ordnungsgemäß durchgeführte oder technisch nicht machbare vollständige Reinigung
der Kunststoffblase /HEI 2000/. Aufgrund materialbedingter Einflüsse wird ein großer Anteil an Kombinations-IBC dem Rebotteling zugeführt.
Bei der Aufbereitung der IBC unter Wiederverwendung der Blase erfolgt zunächst
eine Innen- und Außenreinigung der Verpackungen, bevor ggf. ein Austausch von
Verschleißteilen durch entsprechende Original-Ersatzteile erfolgt. Die prinzipielle
31
Vorgehensweise ist anhand des so genannten Recontainer®-Systems auf der
nachfolgenden Abbildung dargestellt, mit dem die Unternehmen des VIV e.V. den
Abnehmern die Einhaltung definierter Qualitätskriterien garantieren /VIV 2006/.
Abbildung 2-12:
Der Recontainer®-Kreislauf /VIV 2006/
Bei dieser Vorgehensweise besteht prinzipiell immer die Gefahr, dass neue Füllgüter aufgrund der materialbedingten Eigenschaften des Kunststoffs durch Produktrückstände verunreinigt werden. Daher sind aufwendige Reinigungsverfahren
mit hohem Verbrauch an Reinigungsmitteln erforderlich, die entsprechend aufbereitet und entsorgt werden müssen /BPM 2005/. Dies verursacht hohe Kosten für
den Rekonditionierer.
Grundsätzlich müssen rekonditionierte Verpackungen als solche gekennzeichnet
werden. In der Regel erfolgt dies am Ende des Rekonditionierungsprozesses entsprechend der rechtlichen Vorgaben des ADR/RID durch Aufbringen eines neuen
Code durch den Rekonditionier. Die ersten Ziffern der UN-Kennzeichnung bleiben
dabei unverändert und entsprechen der ursprünglichen UN-Kennzeichnung. Durch
den Rekonditionierer muss dann jedoch zusätzlich angegeben sein, in welchem
Staat bzw. Land die Rekonditionierung stattgefunden hat. Es folgen Name oder
genehmigtes Symbol des Rekonditionierers, das Jahr der Rekonditionierung und
der Buchstaben „R“. Falls eine Dichtheitsprüfung stattgefunden hat, muss die
Kennzeichnung mit einem „L“ enden. Der beispielhafte Aufbau eines entsprechenden Codes ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
32
Land der
Rekonditionierung
Jahr der
Rekonditionierung R = rekonditioniert
NL= Niederlande
1A2/Y150/S/83/NL/BP/86 RL
Kürzel des
Rekonditionierers
Abbildung 2-13:
L = Dichtheitsprüfung
Beispiel einer UN-Kennzeichnung für rekonditionierte Verpackungen
(Stahl-Spundfass)
Während die beschriebenen Kennzeichnungsvorschriften für rekonditionierte
Stahl- oder Kunststofffässer bereits seit Ende der neunziger Jahre gelten, wurden
im Bereich der Rekonditionierung von IBC erst vor wenigen Jahren entsprechende
Regelungen rechtsverbindlich definiert. So gibt es erst seit dem 01. Juli 2003 klare
Kennzeichnungsvorschriften und Definitionen für die Umarbeitung, Rekonditionierung und Wiederverwendung von IBC /BFA 2005/.
33
Planung einer Pilotanlage zur umweltschonenden Rekonditionierung von starren Verpackungen
3 Planung einer Pilotanlage zur umweltschonenden Rekonditionierung von starren Verpackungen
3.1
Methodik zur Entwicklung einer Pilot-Rekonditionieranlage
Die zielgerichtete und effiziente Durchführung der Forschungsarbeiten erforderte
eine systematische und nachvollziehbare Vorgehensweise. Zu diesem Zweck
wurde eine Methodik entwickelt, an der sich alle weiteren Planungsarbeiten orientierten. Der grundlegende Ablauf der Planungsarbeiten kann in folgende Schritte
unterteilt werden, die nachfolgend kurz beschrieben werden.
•
Zieldefinition,
•
Analyse und Bewertung der Ausgangssituation,
•
Erstellung eines Anforderungsprofils,
•
Grobplanung,
•
Feinplanung und
•
Ausführungsplanung.
Ausgehend von den definierten Zielsetzungen wurde damit begonnen, die logistische, technische und rechtliche Ausgangssituation bei der Rekonditionierung im
Detail zu erfassen. In diesem Zusammenhang wurden z. B. die inner- und außerbetrieblichen Prozesse und Strukturen sowie die derzeit eingesetzten technischen
Hilfsmittel bei der Rekonditionierung analysiert und bewertet. Dazu wurden Checklisten erarbeitet, um eine systematische und vollständige Datenaufnahme durchführen zu können. Die Datenerfassung erfolgte im Wesentlichen durch Auswertung und Aufbereitung vorhandener Informationen sowie durch Datenaufnahmen
in Interviews, Prozessanalysen etc. Im Einzelnen wurden detaillierte Checklisten
für die Abbildung 3-1 auf der linken Seite dargestellten Bereiche entwickelt.
Mit Hilfe der gewonnenen Informationen konnten eine logistisch-technische
Schwachstellenanalyse durchgeführt und erste Anforderungen für den zu konzipierenden Rekonditionierungsprozess definiert werden. Außerdem erfolgte eine
Validierung und Konkretisierung der Planungsdaten durch Aufbereitung von geeigneten Kennzahlen.
Anschließend wurde dann mit den Planungen für die zu konzipierende Pilotanlage
begonnen. In diesem Zusammenhang wurde zunächst eine Idealplanung erstellt,
die später im Rahmen der Realplanung auf die konkreten Rahmenbedingungen
(z. B. Platzbedarf und -angebot der Anlagenkomponenten, Ver- und Entsorgungsleitungen) angepasst worden ist.
34
1. Allgemeine Unternehmensdaten
(Beschäftigte, Organisation etc.)
2. Betriebsanlagen / -einrichtungen
3. Produktionsorganisation / -prozesse
4. Kostenrechnung
5. Qualitäts- / Umweltmanagement
6. Materialfluss und Logistik
7. Informationsfluss
8. Sonstiges
Abbildung 3-1:
Checklisten zur Erfassung der Ausgangssituation
Zunächst wurden die Soll-Prozesse der zu konzipierenden Pilotanlage definiert
und anschließend sinnvolle Funktionseinheiten abgegrenzt, um so ein erstes Layout entwickeln zu können. Ausgehend von diesem wurde dann im Rahmen der
Realplanung ein flächenmaßstäbliches Funktionsschema entwickelt. Dies konnte
dann in ein Block-Layout und schließlich in ein Real-Layout der Pilotanlage übertragen werden.
Parallel zu den beschriebenen Arbeiten wurden für einzelne Anlagenkomponenten
(z. B. Neutralisationsanlage) detaillierte Analysen und Vorarbeiten durchgeführt
und die materialflussseitige Integration in das Gesamtlayout der Pilotanlage genauer untersucht.
Im Rahmen der Feinplanung wurden die zuvor entwickelten Lösungen und Konzepte weiter konkretisiert. In diesem Zusammenhang wurde beispielsweise Verund Entsorgungsleitungen geplant sowie Detailpläne und Zeichnungen konzipiert.
Die Ergebnisse der Feinplanung wurden in detaillierten Fein-Layouts der relevanten Anlagen und Bereiche dargestellt. Das Feinlayout umfasst dabei alle wichtigen
Informationen bezüglich der Grundrisse und -schnitte einschließlich Anordnung
der Türen, Tore etc. sowie Lage und Anordnung der Maschinen und Anlagen.
Mit Hilfe der entwickelten Pläne wurde für die zu realisierenden Anlagen eine Ausführungsplanung erstellt, in der beispielsweise Genehmigungspflichten, Terminplanung, Verantwortlichkeiten etc. detailliert festgelegt wurden.
35
3.2
Entwicklung einer Pilotanlage zur umweltschonenden Rekonditionierung von starren Verpackungen
3.2.1
Zielplanung und -definition
Ziel des Forschungsprogramms war die Realisierung von Umweltinnovationen
entlang der Wertschöpfungskette, insbesondere im Bereich der Verpackungsindustrie sowie angrenzenden Bereichen. Umweltschädliche Einsatzstoffe sollten
ersetzt, Kreisläufe geschlossen und Nutzungszyklen verlängert werden. Zusätzlich
sollten auch Emissionen sowie Energie- und Ressourcenverbrauch gesenkt werden.
Basierend auf diesen Grundsätzen bestand das Hauptziel der Forschungsarbeiten
darin, eine neu strukturierte Rekonditioniertechnologie zu entwickeln und in Form
einer Pilotanlage umzusetzen, die es den Unternehmen der Branche ermöglicht,
Umweltbelastungen nachhaltig zu reduzieren und gleichzeitig ökonomische Vorteile zu erzielen. Dadurch soll die umweltschonende Schließung hochwertiger Materialkreisläufe ermöglicht werden. Die Erfüllung bestehender und zukünftiger Umweltauflagen stand ebenso im Fokus der Untersuchungen.
Weitere Ziele lagen in der Verbesserung der Ausnutzung von Produktionskapazitäten und der weitgehenden Automatisierung der Prozesse, um Ressourcen einzusparen und die Arbeitsbedingungen zu verbessern. Zusätzlich sollten aber auch
Möglichkeiten zur Erschließung neuer Märkte und Kunden (z. B. aus der Chemieindustrie), zur Realisierung von Umsatzsteigerungen sowie Kostenreduzierungen
im Prozess erreicht werden. Dabei hatte insbesondere die Umsetzung eines Herkunftsnachweises für die zur Rekonditionierung vorgesehenen Verpackungen eine
besondere Bedeutung, da diese eine deutliche Reduzierung der Entsorgungsbzw. Beschaffungskosten durch verursachungsgerechte Zuordnung von minderwertigen Qualitäten oder Restmengen zu bestimmten Lieferanten ermöglicht.
Ausgehend von diesen Zielen wurden - basierend auf einer Analyse der Optimierungsansätze - konkrete Ziele für einzelne Teilbereiche der zu konzipierenden Pilotanlage erarbeitet, die in den nachfolgenden Kapiteln detailliert erläutert werden.
3.2.2
3.2.2.1
Analyse der Ist-Situation und Erstellung eines Anforderungsprofils
Logistisch-technische Ausgangssituation
Zunächst wurde die Ausgangssituation bei der Rekonditionierung starrer Verpackungen im Detail analysiert und aufbereitet. Der Fokus der Untersuchungen lag
dabei auf der Ermittlung von Schwachstellen im Prozess, um daraus entsprechende Optimierungsmaßnahmen ableiten zu können. Die bei der Schwachstellenanalyse gewonnenen Erkenntnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
36
•
Im Rekonditionierprozess sind eine Vielzahl an Optimierungs- und Kosteneinsparungspotenzialen vorhanden, die beispielsweise durch Automatisierung bestimmter, weitgehend manuell ausgeführter, Arbeitsschritte erschlossen werden können. In einigen Bereichen, z. B. bei der Etikettenentfernung, ist dies
auch unter Arbeitsschutzaspekten anzustreben, da die Werker dort erheblichen
gesundheitlichen Gefährdungen ausgesetzt sind. Aktuell erfolgt die Entfernung
der Etiketten durch Erwärmung mittels Brenner und anschließendem Abschaben des Etiketts. Zu diesem Zweck ist zur Behandlung von etwa 4000 Verpackungen pro Tag ein Personalaufwand von 4 bis 5 Mitarbeitern erforderlich
(Vollzeit). Die bei der Etikettenentfernung freiwerdenden Dämpfe werden mittels Abzug erfasst und der Nachverbrennung zugeführt. Aufgrund diffuser Ausbreitungen sind die Werker dennoch gesundheitlichen Belastungen ausgesetzt,
die eine (Teil)Automatisierung dieses Arbeitsschrittes wünschenswert machen.
•
In den Anlagen kommt es während des Betriebs immer wieder zu Störungen
und Stillständen (z. B. in der Zargenrichtung und Ausbeulung durch Verkanten
von Fässern als Folge einer falschen Beurteilung der Rekonditionierfähigkeit).
Im Fassbereich beträgt die durchschnittliche Störungsdauer etwa 30 Stunden
pro Monat, was erhebliche Kosten verursacht. Die Störungen müssen in den
meisten Fällen manuell behoben werden, was zusätzliche Kosten verursacht.
Außerdem sind die Werker großen Verletzungsgefahren ausgesetzt und können mit Restinhalten in Kontakt kommen.
•
Auch im Bereich der Neben- und Hilfsprozesse existieren Optimierungspotenziale, die es im Zuge des sich verschärfenden internationalen Wettbewerbs
auszuschöpfen gilt. So sind beispielsweise bei der Behandlung und Entsorgung der aus den Reinigungsanlagen stammenden Prozesswässer erhebliche
ökonomische und ökologische Potenziale realisierbar, da diese bisher ungereinigt entsorgt werden müssen. Die Mengen an flüssigen Abfällen betrugen zu
Projektbeginn ca. 6000 Tonnen pro Jahr. Auch der Frischwasserverbrauch war
extrem hoch. Durch prozesstechnische Integration eines Aufbereitungsverfahrens für Prozesswässer können die Entsorgungs- und Transportkosten bei
gleichzeitiger Reduzierung des Frischwasserbedarfs deutlich gesenkt werden.
•
Gleiches gilt für die Vorbehandlung von nicht rekonditionierfähigen Verpackungen aus Kunststoff, die bisher unzerkleinert an Dritte abgegeben werden mussten. Dies verursachte neben hohen Entsorgungskosten auch hohe Transportaufwendungen. Zur Reduzierung der Entsorgungs- und Transportkosten und
zur Partizipierung an neuen Umsatzmöglichkeiten (z. B. durch Vermarktung
der Schredderprodukte) ist daher die prozesstechnische Integration einer Anlage zur marktgerechten Behandlung und Aufbereitung nicht rekonditionierfähiger Kunststoffverpackungen erforderlich.
37
•
Eine detaillierte Auswertung und Dokumentation des Prozesserfolges kann nur
mit sehr großem Aufwand und erheblichen Unsicherheiten durchgeführt werden. Eine verursachungsgerechte Zuordnung von Verpackungen oder Restinhalten ist ebenfalls nur sehr begrenzt möglich Allein für die Auswertung der
Aufzeichungen aus der Nassreinigung (Chargenauswertung) ist ein durchschnittlicher Personalaufwand von vier Stunden pro Tag erforderlich. Für die
gesamten betrieblichen Aufzeichnungen (z. B. Lagerbestände) sind zwei bis
drei Mitarbeiter in Vollzeit gebunden. Durch Einführung einer betriebsinternen
Kennzeichnung für die zu rekonditionierenden Verpackungen und die damit
verbundenen Verfolgungs- und Auswertungsmöglichkeiten kann eine deutliche
Verbesserung der Datengrundlage bei gleichzeitiger Reduzierung des Aufwands für die Auswertungsprozesse erreicht werden. Zusätzlich kann der Rekonditionierprozess gezielt qualitäts- und kostenorientiert beeinflusst werden.
•
Die Entwicklungen des Marktes sowie der Kunden- und Lieferantenstrukturen
erfordern eine Anpassung der eingesetzten Rekonditionierungstechniken. So
ist beispielsweise eine Erweiterung um eine Anlage zur Neutralisation reaktiver
Inhaltstoffe aufgrund steigender Verpackungszahlen aus der Chemieindustrie
unter ökonomischen wie ökologischen Gesichtspunkten dringend erforderlich.
Dadurch lassen sich Transport- und Entsorgungskosten deutlich reduzieren.
Die zu behandelnden Stückzahlen lagen zu Projektbeginn bei 30.000 Stück pro
Jahr.
•
Auch im Bereich des Wareneingangs, der innerbetrieblichen Logistik sowie der
Verpackungssortierung sind Optimierungspotenziale vorhanden. Beispielsweise erfolgen die Sortierung und Entladung von Kleingebinden und Fässern an
unterschiedlichen Orten auf dem Betriebsgelände. Dadurch ergeben sich logistische Probleme, die aus zu häufigem Umschlag der Wechselbrücken und zu
langen Zeiten bis zur vollständigen Entladung der Wechselbrücken resultieren.
Durch Neugestaltung der Ladezone und die Integration der Sortierung in den
Entladebereich können die erforderlichen Umschlagvorgänge deutlich reduziert
werden, was insgesamt zu einer Erhöhung der Effizienz beiträgt. Die Problematik der innerbetrieblichen Logistik wird in Kapitel 3.4.1 ausführlich beschrieben.
•
Die Bewertung des mechanischen Zustands der Verpackungen erfolgt subjektiv durch den Entlademitarbeiter. Eine objektive Beurteilung des mechanischen
Zustands und damit der Rekonditionierfähigkeit der Verpackungen ist somit
nicht möglich. Zusätzlich ist die visuelle Beurteilung der Verpackungen durch
die Mitarbeiter fehleranfällig mit der Folge, dass ein größerer Anteil der Verpackungen in nachträglichen Prozessstufen ausgesondert werden muss. Analysen ergaben, dass der Anteil bis zu 15 % beträgt. Dies ist mit logistischem Aufwand und unnötigem Energieverbrauch verbunden.
38
•
Auch für die Beurteilung der Restinhalte im Hinblick auf die weitere Behandlung der Verpackungen existieren keine Hilfsmittel. Auch hier bedarf es der
Entwicklung von Instrumenten zur Unterstützung der Mitarbeiter an Entladung
und Sortierung (z. B. geeignete Informationssysteme zur Erleichterung der Verpackungszuordnung).
•
Die Zerlegung und das Rebotteling nicht reinigungsfähiger Kombinations-IBC
werden direkt neben den zugehörigen Reinigungsanlagen durchgeführt. Dies
führt zu einen ineffizienten Abläufen und unkoordinierten Materialflüssen.
•
Zur Einhaltung der Umweltauflagen ist eine Neugestaltung der Lackieranlage
mit Einbrennofen nach neustem VOC-Standard (Richtlinie 1999/13/EG über
die Begrenzung von Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen) geplant.
Wie die Ausführungen zeigen, gab es viele Ansatzpunkte für Optimierungen in den
Bereichen Technik, Logistik und Prozesse. Die nachfolgende Tabelle gibt einen
ersten Überblick über die an den Soll-Zustand zu stellenden Anforderungen.
Tabelle 3-1:
Übersicht über Schwachstellen und Anforderungen
Prozesseinheit
Ist-Zustand
Soll-Zustand
Visuelle, subjektive Beurteilung
Automatische Erkennung und
Ausschleusung
Beurteilung der Restmengen
Schätzung (Mengen) durch
Mitarbeiter,
Kosten können nicht an Verursacher weitergegeben werden
Automatische Verwiegung und
Erfassung der Restinhalte,
Hilfsmittel für Entlademitarbeiter
Sortierung Chargen
Entladung und Sortierung der
Verpackungen an verschiedenen
Stellen,
hoher logischer Aufwand
Zusammenlegung von Entladung
und Sortierung
Manuelle Aufzeichnung und
nachträgliche Auswertung,
fehleranfällig
Automatische Datenerfassung mittels Verpackungskennzeichnung,
automatische Auswertung
Beurteilung des
mechanischen Zustands
Auswertung Chargen
Restentleerung
Automatische Restentleerung,
Automatische Vakuumabsaugung,
keine Trennung nach Stoffgruppen Trennung nach Stoffgruppen
Lackierung und Trocknung
1 vollautomatische 2-spurige
2 vollautomatische Lackieranlagen
Lackieranlage mit integrierter TNV
ohne Abluftbehandlung
und Wärmerückgewinnung
Behandlung reaktiver
Inhaltstoffe
Nicht möglich, Abgabe an
Entsorger mit erheblichen Kosten
Behandlung reaktiver Inhaltstoffe
in spezieller Anlage;
Behandlung der Abluft mit einem
Gaswäscher
39
Prozesseinheit
Prozesswasseraufbereitung
Entfernung Etiketten
Vorbehandlung
Kunststoffverpackungen
Zerlegung, Rebotteling IBC
Ist-Zustand
Kaskadensystem, Abgabe an
Entsorger mit hohen Kosten
Erhitzung und manuelle
Entfernung der Etiketten,
hoher Personalaufwand,
Emissionen
Vorzerkleinerung nur begrenzt
möglich, schlechte Vermarktungsmöglichkeit,
hohe Transportkosten
Zerlegung und Rebotteling werden
in unmittelbarer Nähe der
Reinigungsanlagen ausgeführt,
enge Platzverhältnisse
Soll-Zustand
Automatische Prozesswasseraufbereitung;
Nutzung des regenerierten
Reinigungsmediums
(Teil)automatisiertes,
emissionsarmes Verfahren
Installation einer mehrstufigen
Zerkleinerungsanlage mit
Vorreinigung des Produktes
Räumliche Trennung von
Reinigung und Zerlegung,
Vorsehen von Lagerungsmöglichkeiten
TNV … Thermische Nachverbrennung
Für die genannten Teilbereiche wurden sehr konkrete Anforderungen definiert, die
in den zugehörigen Kapiteln des Berichts detailliert beschrieben sind.
3.2.2.2
Rechtliche Rahmenbedingungen
Zusätzlich zur Erfassung der technisch-logistischen Ist-Situation wurden auch die
rechtlichen Rahmenbedingungen der Rekonditionierung im Detail analysiert. Die
Errichtung und der Betrieb von Rekonditionierungsanlagen unterliegen grundsätzlich den Vorschriften des Bundes-Immissionsschutzgesetzes (BImSchG) und sind
genehmigungspflichtig. Im Sinne des Vorsorgeprinzips verpflichtet das BImSchG
die Betreiber genehmigungsbedürftiger Anlagen, diese so zu errichten und zu
betreiben, dass ein hohes Schutzniveau für Mensch und Umwelt sichergestellt
wird. Dies unterliegt der staatlichen Überwachung.
Der Umfang und Ablauf eines Genehmigungsverfahrens hängen im Wesentlichen
von der Art der Anlage ab. Hier ist je nach Art und Ausmaß der zu erwartenden
Umweltwirkung zu unterscheiden, ob ein förmliches oder vereinfachtes Genehmigungsverfahren (§§ 10, 19 BImSchG) erforderlich ist. Der Anhang der 4. BundesImmissionsschutzverordnung enthält eine Übersicht aller genehmigungsbedürftigen Anlagen. Anlagen zur Rekonditionierung von Fässern unter Nummer 10.21,
Spalte 2 aufgeführt sind. Die Verordnung spricht von „… Anlagen zur Innenreinigung von Eisenbahnkesselwagen, Straßentankfahrzeugen, Tankschiffen oder
Tankcontainern sowie Anlagen zur automatischen Reinigung von Fässern, einschließlich zugehöriger Aufarbeitungsanlagen, soweit die Behälter von organischen Stoffen gereinigt werden, ausgenommen Anlagen, in denen Behälter ausschließlich von Nahrungs-, Genuss- oder Futtermitteln gereinigt werden …“. Da
Rekonditionierungsanlagen in Spalte 2 der 4. BImschV aufgeführt und in der Anla-
40
ge des Umweltverträglichkeitsprüfungsgesetzes (UVPG) nicht aufgelistet sind, ist
für die Genehmigung eine Umweltverträglichkeitsprüfung nicht erforderlich. Die
Genehmigung von Anlagen für die Fassrekonditionierung erfolgt somit nach dem
vereinfachten Genehmigungsverfahren gemäß § 19 BImSchG. Hierbei entfällt
auch die Öffentlichkeitsbeteiligung, was zu einer erheblichen Verkürzung der Genehmigungsfristen führt. Im Durchschnitt verkürzt sich die Genehmigungsdauer
von über 7 Monaten auf ca. 3 Monate.
Ebenso wie die Gesamtanlage sind auch einzelne Anlagenteile genehmigungsbedürftig. Dies betrifft beispielsweise die Lackieranlagen. Dies ergibt sich aus der 4.
BImSchV, Anhang 1, Nummer 5.1, Spalte 1 und Spalte 2, in der „Anlagen zur Behandlung von Oberflächen, Stoffen, Gegenständen oder Erzeugnissen einschließlich der dazugehörigen Trocknungsanlagen unter Verwendung von organischen
Lösungsmitteln, insbesondere zum Appretieren, Bedrucken, Beschichten, Entfetten, Imprägnieren, Kaschieren, Kleben, Lackieren, Reinigen oder Tränken mit einem Verbrauch an organischen Lösungsmitteln…..“ aufgeführt sind. Je nach Lösungsmitteleinsatz und -mengen erfolgt eine Zuordnung zur Spalte 1 oder Spalte 2
der Verordnung, woraus sich die Notwendigkeit eines förmlichen oder vereinfachten Genehmigungsverfahrens ergibt. Bei Verwendung umweltfreundlicher, weitgehend lösungsmittelfreier Lacke auf Wasserbasis entfällt die förmliche Genehmigungsbedürfigkeit, so dass das vereinfachte Genehmigungsverfahren nach § 19
BImSchG anzuwenden ist (vgl. Abbildung 3-2).
Gehören zu einer Anlage Teile oder Nebenanlagen, die gesondert genehmigungsbedürftig sind, ist dieses im Genehmigungsantrag für die Gesamtanlage zu
berücksichtigen. Anders ist dies bei neu zu integrierenden Anlagenkomponenten
oder wesentlichen Änderungen. Hier ist jeweils ein neues Genehmigungsverfahren erforderlich /BImSvchG/.
41
Abbildung 3-2:
Schematische Darstellung der Genehmigungsbedürftigkeit von
Anlagen nach BImSchG i. V. m. 4. BImSchV
Genehmigungsverfahren nach BImSchG haben „versammelnde Wirkung“, d. h.
von der zuständigen Behörde, in der Regel dem zuständigen Staatlichem Umweltamt bzw. dem jeweiligen Regierungspräsidium, werden alle anderen zu beteiligenden Behörden automatisch in das Verfahren involviert. Die einzelnen Behörden und ihre Zuständigkeiten sind fest in den Genehmigungsprozess integriert,
d. h. die unterschiedlichen Rechtsbereiche werden jeweils separat berücksichtigt.
Im Falle von Rekonditionierungsanlagen sind dies z. B. die Bereiche Gewässerschutz, Immissionsschutz, Gefahrstoffrecht, Arbeitsschutz, Abfallrecht, Bodenschutzrecht, Baurecht sowie Brandschutzrecht /BPM 2003/.
Im Gegensatz zu Anlagen, die zur Erfüllung des Unternehmenszwecks täglich genutzt werden, sieht das Bundes-Immissionsschutzgesetz für die Genehmigung
42
von Pilotanlagen gesonderte Regelungen vor. In diesen Fällen ist grundsätzlich
das vereinfachte Genehmigungsverfahren nach § 19 BImSchG anzuwenden. Dies
gilt jedoch unter der Auflage, dass die Genehmigung für einen Zeitraum von
höchstens 3 Jahren nach Inbetriebnahme der Anlage erteilt werden soll. Auf Antrag kann dieser Zeitraum um ein weiteres Jahr verlängert werden. Das entbindet
jedoch den Antragsteller nicht von der Verpflichtung zur Durchführung einer Umweltverträglichkeitsprüfung, soweit diese für Anlagen dieser Art im UVPG vorgeschrieben ist /BImSchG/.
Gehören zu einer Anlage Teile oder Nebenanlagen, die gesondert genehmigungsbedürftig sind, ist dieses im Genehmigungsantrag für die Gesamtanlage zu
berücksichtigen. Anders ist dies bei neu zu integrierenden Anlagenkomponenten
oder wesentlichen Änderungen. Hier ist jeweils ein neues Genehmigungsverfahren erforderlich /BImSchG/.
Ebenso wie bei der Genehmigung ist auch für die Errichtung und den Betrieb von
Rekonditionierungsanlagen eine Vielzahl verschiedenster Rechtsvorschriften zu
beachten. In diesem Zusammenhang sind insbesondere die Vorgaben der Technischen Anleitung zur Reinhaltung der Luft (TA Luft) relevant, nach der die Reinigungsstationen eingehaust und die Emissionen, die z. B. beim Öffnen, bei der
Restentleerung der Behälter, beim pneumatischen Ausbeulen, beim Verschrotten
(z. B. Pressen) nicht recyclingfähiger Gebinde oder beim Transport der geöffneten, ungereinigten Verpackungen entstehen, erfasst und behandelt werden müssen. Lagerbehälter für Restinhaltsstoffe aus der Entleerung, die Waschwasseraufbereitung und Abwasserbehandlung sowie die zugehörigen Sammel- und Lagerbehälter sind soweit wie möglich als geschlossenes System auszulegen und zu
betreiben /BPM 2003/.
Besondere Anforderungen werden an Anlagen gestellt, in denen Behälter mit organischen Stoffen sowie krebserregenden, erbgutverändernden oder reproduktionstoxischen Stoffen behandelt werden. Bei diesen Anlagen dürfen die Emissionen an organischen Stoffen im Abgas, angegeben als Gesamtkohlenstoff, den
Massenstrom von 0,10 kg/h bzw. die Massenkonzentration von 20 mg/m3 nicht
überschreiten. Dieses kann letztlich nur durch eine abschließende Abluftbehandlung erreicht werden, z. B. mit thermischer Nachverbrennung. Zusätzliche Anforderungen ergeben sich aus einer Vielzahl weiterer Rechtsvorschriften, die in
Abbildung 3-3 dargestellt sind.
Im Zusammenhang mit dem Betrieb von Rekonditionierungsanlagen sind auch die
Vorgaben der Betriebssicherheitsverordnung von besonderer Bedeutung, in denen
Vorschriften zu Arbeitsschutz und Umgang mit überwachungsbedürftigen Anlagen
im Sinne des Gerätesicherheitsgesetzes definiert sind.
43
Darüber hinaus existieren auch in anderen Bereichen eine Vielzahl an Rechtsvorschriften, die im Einzelnen zu beachten sind (vgl. Abbildung 3-3). Aufgrund der
Komplexität der Thematik ist es daher unerlässlich, ein Rechtskataster zu erstellen, in dem alle relevanten Vorschriften und die daraus resultierenden Anforderungen aufgelistet sind. Eine detaillierte Aufstellung der relevanten Rechtsvorschriften
befindet sich im Anhang. Allerdings erhebt auch diese aufgrund der Komplexität
der Thematik keinen Anspruch auf Vollständigkeit (vgl. Anhang III).
Rechtsbereich
Gesetz
BauGB
Bau
Gefahrgut
Verordnung
VwV
DIBt-RL
DIN 4102
VDSRichtlinie
LöRüRL
IndBauR
CEARichtlinie
DIN
18230
VCIKonzepte
......
GGVSE
ArbStättRL
ArbSchG
RL
BauO der
Länder
PrüfZ-VO
......
GefBefG
Techn. Regel
VDIRichtlinien
ArbStättV
TRAC
Arbeitsschutz
GSG
TRbF
DIN
12925
EX-RL
(ZH 1/10)
VDE-RL
BetrSichV
VwV zur VbF
DVGWRegelwerk
VwV zur
ElexV
IVA-Leitlinie
TRG
WHG
Wasser
VBG
LWG
VAwS
TRwS
SprengRL
TRGS
VwV-VAwS
ZH 1/xxx
Sprengstoff
SprengG
2.
SprengV
Chemikalien
ChemG
GefStoffV
Immissionsschutz
BImSchG
Abfall
KrW-/
AbfG
Abbildung 3-3:
44
1. StörfallVwV
2. StörfallVwV
3. StörfallVwV
......
EfbV
TA Abfall
Übersicht relevanter nationaler Rechtsvorschriften
3.2.3
Entwicklung von Soll-Prozessen
Grundlage für die Planung einer Pilotanlage bildete die Erarbeitung der SollProzesse bei der Rekonditionierung starrer Verpackungen. In diesem Zusammenhang wurden die Spundfass-Rekonditionierung und die IBC-Reinigung separat
betrachtet, da die Prozesse und Abläufe sich zum Teil erheblich unterscheiden.
Für die Rekonditonierung von Spundfässern aus Stahl wird der Soll-Prozess nachfolgend beschrieben. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Prozessschritte
findet sich im Anhang (vgl. Anhang IV).
Bei der Entladung der Verpackungen muss bereits eine erste Einstufung in rekonditonierfähige und nicht rekonditionierfähige Verpackungen durch den Entlademitarbeiter erfolgen. Während die nicht rekonditionierfähigen Verpackungen keine
Kennzeichnung erhalten, werden an den rekonditionierbaren Stahlfässern Kennzeichnungselemente angebracht, die im Folgenden der eindeutigen, betriebsinternen Identifikation der Verpackungen dienen und so später eine Auswertung der
Chargen ermöglichen. Wichtig ist es an dieser Stelle, Eingabe- und Abfragemöglichkeiten für die Werker vorzusehen, die eine vollständige Erfassung und korrekte
Zuordnung der Verpackungen zu den Lieferanten ermöglichen. Zusätzlich kann
durch Integration einer Verwiegung in den Entladebereich eine Ermittlung der
Restmengen in den Verpackungen erfolgen.
Der Entladebereich muss so gestaltet werden, dass eine vollständige Entladung
der Wechselbrücken und eine Aufteilung auf verschiedene Mengenströme ermöglicht wird. Die entladenen Verpackungen werden dabei auf die Reinigungsanlagen,
Schredderanlagen und Neutralisation sowie zur Abgabe an Dritte (externe
Dienstleister) aufgeteilt, so dass insgesamt vier Mengenströme zu unterscheiden
sind.
Die Zuordnung zu einem Behandlungsweg ist dabei im Wesentlichen abhängig
von der Art der Verpackung, dem mechanischen Zustand und den ehemaligen
Füllgütern (Restinhalten). Gerade im Zusammenhang mit der Einordnung der Verpackungen zu den einzelnen Behandlungswegen bedarf es der Nutzung geeigneter Hilfsmittel, da die Entscheidungen stets subjektiv geprägt sind. Daher ist es
erforderlich, vor dem Zulauf zu den Reinigungsanlagen eine mechanische Bewertung vorzunehmen, die eine Abschätzung des mechanischen Zustand auf Basis
objektiver Bewertungskriterien ermöglicht (vgl. Abbildung 3-4). Dies kann beispielsweise durch hard- und softwaretechnische Integration eines Laserscanners
bzw. eines Bildverarbeitungssystems erfolgen.
45
Entladung
1
Vorsortierung
(Bewertung)
Verwiegung
Schredder
Entsorgung
4
Restentleerung
2
Identifizierung der
Kennzeichnung
27
Behandlung durch
Schreddern
3
Mechanische
Prüfung
(Laserscanner)
27
Reinigung
Schreddergut
4
Restentleerung
27
PE-/Fe- Trennung
5
Zargenrichter
Ausbeuler
Neutralisation
Abgabe an Dritte
26
Neutralisation
(reaktiver
Inhaltsstoffe)
6-9
Reinigung
Verwerter
Identifizierung der
Kannzeichnung
10
Qualitätskontrolle
mit Kamerasystem
Identifizierung der
Kennzeichnung
12
Sortierung
11
Kettenreinigung,
Entrostung
13
Zwischenlagerug
14
Entfernung der
Kennzeichnung
Ende Reinigung
Abbildung 3-4:
46
Auszug aus dem Soll-Prozess (Teilprozess Nassreinigung)
Die rekonditionierfähigen Verpackungen werden nach Inhaltstoffen kategorisiert
und nach der Restentleerung den entsprechenden Reinigungslinien zugeführt.
Hierzu ist es erforderlich, weitere Instrumente und Hilfsmittel zur Verfügung zu
stellen, um Fehlzuordnungen zu vermeiden, beispielsweise durch Integration einer
Stoffdatenbank. Die Abluft aus der Nassreinigung wird erfasst und der thermischen Behandlung (TNV) zugeführt. Die Reinigungsmedien werden gesammelt
und in einer geeigneten Prozesswasseraufbereitung gereinigt.
Nach der Nassreinigung erfolgt eine Qualitätseinstufung der Verpackungen durch
erfahrene Mitarbeiter. Um dabei eine eindeutige Zuordnung der Verpackungen zu
einem Lieferanten realisieren und später eine chargengenaue Auswertung vornehmen zu können, muss zuvor die Identifikationsnummer der Verpackung mit
einer stationär installierten Leseantenne, die an einen Reader angeschlossen ist,
identifiziert werden. Anschließend erfolgen die Einstufung der Verpackungen
durch den Mitarbeiter und die Eingabe der zugehörigen Qualitätsinformationen. Zu
diesem Zweck müssen an den Arbeitsstationen entsprechende Eingabemöglichkeiten für die Werker vorhanden sein, z. B. durch Anordnung einer Tastatur. Die
Erfassung der Qualitätsinformationen und die Verknüpfung mit der Identifikationsnummer über das Kennzeichnungssystem ermöglichen eine direkte Auswertung
der Informationen in der zentralen EDV. Dadurch kann der Aufwand bei gleichzeitiger Verbesserung der Datenqualität deutlich vermindert werden.
Nach der Qualitätsbewertung werden die Verpackungen nach Qualitäten sortiert.
Die Sortierung der Verpackungen kann ebenfalls durch Identifikation der IDNummer (z. B. mittels Barcode, RFID) sowie Abfrage der zugehörigen Informationen in der Datenbank erfolgen. Die in der der Datenbank gespeicherten Qualitätsinformationen können zur Steuerung von entsprechenden Sortiereinrichtungen
verwendet werden. Die Verpackungen können so nach Qualitäten bzw. Sorten
unterteilt im Zwischenlager gepuffert und nach Bedarf aus diesem entnommen
werden. Vor Zuführung zu den weiteren Behandlungsschritten ist gegebenenfalls
eine Entfernung der Kennzeichnungselemente erforderlich, sofern diese wieder
verwendet werden sollen (vgl. Abbildung 3-5).
Die Kennzeichnung kann auch dazu verwendet werden, Fässer der Qualitäten
„Schrott“ und „Kettenfass“ aus dem Materialstrom auszusondern und einer separaten Behandlung zuzuführen. Während die nicht mehr verwendbaren Fässer der
Schredderanlage zugeführt werden, werden die Kettenfässer nach erfolgter Kettereinigung zu Zwecken der Entrostung erneut der Reinigung zugeführt, in deren
Anschluss eine erneute Qualitätsbewertung stattfindet (vgl. Abbildung 3-4). Bei der
Zuführung der nicht mehr verwendbaren Fässer ist gegebenenfalls eine vorherige
Entfernung der Kennzeichnungselemente erforderlich. Dies ist insbesondere der
Fall, wenn es sich um wieder verwendbare Kennzeichnungselemente handelt, die
einer erneuten Verwendung zugeführt werden sollen.
47
Reinigung
15
Etiketten
entfernen
16
Oberboden
entfernen
17
Strahlung Verpackungen
19
18
Bearbeitung
Deckelfass
Leak-Test
Differenzdruck
20
Leak-Test
Differenzdruck
21 - 22
Lackierung mit Trockentunnel
23
Endbearbeitung
Deckelfass
24 - 26
Kundenspez. Signierung
Endkontrolle
ggf. Palettierung
Versand
Abbildung 3-5:
Rekonditionierungsprozess von Spundfässern aus Stahl
(nach erfolgter Nassreinigung)
Im Anschluss an die erfolgte Nassreinigung werden die Verpackungen auftragsspezifisch entnommen und den weiteren Behandlungsschritten zugeführt. Zunächst wird mittels geeigneter Techniken eine Etikettenentfernung durchgeführt.
48
Dies kann beispielsweise durch Nutzung von Bürstenmaschinen oder durch Wasserstrahl-Technologie erfolgen. Anschließend werden die Verpackungen in Spundfässer und Deckelfässer aufgeteilt. Bei den Deckelfässern wird in einer automatischen Anlage der Oberboden entfernt, bevor sie in dem Strahler zur Entfernung
des Lackes zugeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Fässer auch von innen gestrahlt werden und somit etwaige Roststellen, Innenlackierungen etc. entfernt werden.
Im Anschluss an die Entfernung des Lacks erfolgt eine Dichtigkeitsprüfung der
Verpackungen, bevor diese entsprechend der Kundenvorgaben neu lackiert werden. Deckelfässer werden zuvor noch weiteren Bearbeitungsschritten wie Bordieren, Expandieren zum Entfernen verbliebener Beulen etc. unterzogen.
Schließlich werden die Verpackungen noch mit einer kundenspezifischen Lackierung versehen, bevor sie nach einer umfassenden Endbearbeitung, die unter anderem einen Luftaustausch, ein Verschrauben der Spunde, Luftaustausch etc. zur
Verladung bereitgestellt werden. Bei Deckelfässern werden zusätzlich im Rahmen
der Endbearbeitung Spannringe und Deckel aufgesetzt. Je nach Kundenwunsch
erfolgt die Verladung der Verpackungen lose oder palettiert.
Basierend auf dem beschriebenen Prozessablauf konnten Konzepte für die Umsetzung einer Pilotanlage entwickelt werden. In analoger Weise wurde dies auch
für den Bereich der Kombinations-IBC aufbereitet.
3.2.4
Erarbeitung eines Block-Layout
Ausgangsbasis für die weiteren Planungsarbeiten bildete das dargestellte Arbeitsablaufschema (Soll-Prozesse) der Rekonditionierung starrer Verpackungen. Es
stellt alle wesentlichen Schritte zur Erfüllung des Anlagenzwecks in ihrer funktionellen und zeitlichen Verknüpfung dar. Durch Zusammenfassung von Prozessschritten im Zuge der Abgrenzung sinnvoller Funktions- bzw. Prozesseinheiten
kann aus dem Prozessschema ein ideales Funktionsschema erstellt werden. In
den meisten Fällen enthält dieses neben den Hauptfunktionen des Ablaufes auch
die betrieblichen Nebenfunktionen wie beispielsweise Lager, Ver- und Entsorgung
etc. Die durch die Pfeile symbolisierten Beziehungen stellen in der Regel Materialflussbeziehungen dar. Die Darstellungen können jedoch auch auf die Bereiche
Informationen, Energie oder Personal übertragen werden.
Die nachfolgende Abbildung zeigt einen Auszug aus dem idealen Funktionsschema für die Rekonditionierung von Stahl-Spundfässern, in dem auf eine Darstellung
der Nebenfunktionen verzichtet wurde. Das dargestellte Funktionsschema enthält
daher nur die für die Reinigung und Behandlung der Verpackungen wichtigen
Hauptfunktionen.
49
Entladen + Sortieren
(A)
Kettenreinigung
(M)
Ausbeuler + Zargenrichter
(B1, B2, B3)
Verladung an Entsorger
(P)
Restentleerung und
Fassreinigung
(C1, C2, C3)
Behandlung reaktiver
Restinhalte
(N)
Qualitätskontrolle + Sortierung
(D)
PE- + Fe-Schredder
(O)
Bürstenmaschinen
(F1, F2, F3)
Strahler
(G)
Produktionslinie Deckelfass
(H)
Leak-Test Spundfass
(I)
Leak-Test Deckelfass
(J)
Lackieren + Trocknen
(K)
Endbearbeitung + Verladung
(L)
Abbildung 3-6:
Abgrenzung von Funktionseinheiten bei der SpundfassRekonditionierung
Für die Optimierung des Materialflusses und die spätere Dimensionierung der einzelnen Anlagenteile war es erforderlich, die zwischen den dargestellten Einheiten
auftretenden Beziehungen zu quantifizieren. In diesem Zusammenhang wurden
die Transporte bzw. Materialflüsse je Zeiteinheit durch Auswertung vorhandener
Informationen bei der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. genauer untersucht und ausgewertet. Abbildung 3-7 stellt die im Rahmen der Planungen zwischen den dargestellten Funktionseinheiten zu berücksichtigenden Materialflüsse
in Form einer Von-Nach-Matrix dar.
50
A
A
B1
B2
B3
B1 B2 B3 C1 C2 C3
D
E
F1 F2 F3
G
H
I
J
K
L
M
250 250 250
N
O
P
Q
40 160 12
250
250
250
C1
250
C2
250
C3
250
D
704
E
34
12
233 233 233
F1
233
F2
233
F3
233
G
100 600
H
20 75
5
I
59
2
J
19
K
1
692
L
3
M
34
N
2
38
O
P
Q
Abbildung 3-7:
Von-Nach-Matrix der stündlichen Transporte [Transporteinheiten/h]
Ausgehend von den ermittelten Materialflüssen konnte eine entsprechende Dimensionierung der einzelnen Anlagenteile durchgeführt werden, um so einen ersten Entwurf einer Realplanung durchführen zu können. Zu diesem Zweck wurde
für die im idealen Funktionsschema dargestellten Einheiten der Flächenbedarf
ermittelt und in ein flächenmaßstäbliches Funktionsschema übertragen. Durch
Zusammenführung der einzelnen (maßstäblichen) Bereiche in ein Gebäuderaster
unter weitgehender Einhaltung der idealen Beziehungen konnte schließlich ein
Block-Layout (Ideal-Layout) einer Rekonditionierungsanlage für Spundfässer aus
Stahl entwickelt werden, das in Abbildung 3-8 dargestellt ist. In dieses BlockLayout sind neben den betrieblichen Hauptfunktionen auch die wesentlichen Nebenfunktionen wie beispielsweise Lagerflächen, thermische Abluftbehandlung etc.
vorgesehen. Zusätzlich sind in dem dargestellten Block-Layout auch noch die materialflussseitigen Beziehungen dargestellt, um das Verständnis zu erleichtern.
Das in der Abbildung dargestellt Block- bzw. Ideal-Layout wurde anschließend
unter Berücksichtigung der Standortbedingungen und der vorhandenen betrieblichen Anlagen auf die reale Situation bei der Blagden Packaging Mendig GmbH
übertragen. Daraus konnte ein Layout für einen Muster-Rekonditionierprozess
entwickelt werden, das in Kapitel 3.5 dargestellt wird.
51
Entladung
Sortierung
Restentleerung
Versand an
Entsorger /
Verwerter
Mechanische Prüfung
Restentleerung
Ausbeuler + Zargenrichter
BehandlungsAnlage
reaktive Stoffe
PE + Fe Schredderanlage
Lagerung
PE + Fe
Shreddergut
Fassreinigung
Kettenreinigung
TNV
+
Abluftwäscher
+
Wasseraufbereitung
Qualitätskontrolle + Sortierung
Stauraum / Puffer
Produktionslinie Deckelfass +
Leak-Test Deckelfass
Lackieren + Trocknen
Etikettenentfernung
Strahler
Leak-Test
Spundfass
Endbearbeitung + Verladung
Abbildung 3-8:
Block-Layout eines Rekonditionierbetriebs (Spundfässer aus Stahl)
mit Darstellung der Materialbewegungen
Zunächst sollen in den folgenden Ausführungen allerdings die Projektarbeiten zur
Entwicklung von einzelnen Anlagenkomponenten genauer beschrieben werden.
Im Einzelnen werden die Umsetzung der Prozesswasseraufbereitung, die Planung
eines Verfahrens zur Behandlung nicht rekonditionierfähiger Verpackungen aus
Kunststoff, die Durchführung von Untersuchungen zur Entwicklung einer Neutralisationsanlage sowie die Optimierung und Automatisierung der Etikettenentfernung
genauer beschrieben.
52
3.3
Entwicklung und Integration innovativer Anlagenkomponenten
3.3.1
3.3.1.1
Neutralisationsanlage zur Behandlung reaktiver Restinhalte
Ausgangssituation und Anforderungen an die Neutralisationsanlage
Der Markt für rekonditionierte Verpackungen hat sich in den letzten Jahren stark
verändert. Bedingt durch verstärktes Outsourcing der Behälterreinigung in der
Chemieindustrie ist insbesondere die Anzahl an Verpackungen aus diesem Industriebereich stark ansteigend, wodurch sich völlig neue Anforderungen für die Rekonditionierunternehmen ergeben. Verstärkt wird dies auch durch die geringe Verfügbarkeit gebrauchter Industrieverpackungen. Der hohe Exportanteil nach Asien
führt zu einem Mangel an gebrauchten Verpackungen auf der Beschaffungsseite.
Diese Entwicklungen erfordern daher eine zunehmende Berücksichtigung der
Chemieindustrie im Zuge der Versorgung der Produktion mit einer ausreichenden
Zahl an Verpackungen. Gleichzeitig müssen Wege gefunden werden, daraus vermarktungsfähige Produkte herzustellen, was geeignete Reinigungs- und Aufbereitungsverfahren erfordert.
Zur Erläuterung des Handlungsbedarfs soll zunächst kurz die Ausgangssituation
dargestellt werden. Da die Rekonditionierungsanlagen, die mit Reinigungsmedium
und potenziellen Restinhalten in Kontakt kommen, in Normalstahl ausgeführt sind,
müssen Verpackungen mit sauren oder anderen reaktiven Restinhalten aus Gründen der Korrosion sowie aufgrund von unkontrolliertem und nicht abschätzbaren
Reaktionsverhalten ausgeschleust und einer gesonderten Behandlung unterzogen
werden. Entsprechende Behandlungsanlagen standen bisher bei den meisten Rekonditionierern nicht zur Verfügung, so dass eine Abgabe an externe Dienstleister
notwendig war. Dadurch entstanden einerseits hohe Transportaufwendungen, andererseits auch hohe Kosten für die Entsorgung der Verpackungen (insgesamt
240.000 Euro pro Jahr). Insbesondere bei den Transportaufwendungen sind deutliche Potenziale vorhanden, da eine Vorzerkleinerung oder Kompaktion der Gebinde - überwiegend Stahlverpackungen und Kombinationsverpackungen aus
Stahl mit Kunststoff-Innenbehälter - nicht möglich war und diese entsprechend
unzerkleinert zum Entsorger transportiert werden mussten. Die für Transporte zu
Entsorgern anfallenden Kosten beliefen sich bei der Blagden Packaging Mendig
GmbH & Co. zu Projektbeginn auf etwa 25.000 Euro pro Jahr /BPM 2003/.
Ziel der Untersuchungen war es daher, eine Versuchsanlage zur Neutralisation
von Verpackungen mit reaktiven Inhaltstoffen zu entwickeln, umzusetzen und zu
erproben. Dadurch sollte es möglich sein, die Verpackungen nach der Vorbehandlung den Schredderanlagen oder - je nach Verpackungstyp - der Reinigung zuführen zu können. Auf diese Weise können Kosten eingespart werden, die einerseits
aus der Reduzierung der Entsorgungskosten, andererseits aber auch aus der
deutlichen Reduzierung des Transportaufwands resultieren.
53
Im Zuge der Verfahrensentwicklung war es erforderlich, beginnend mit einer Ermittlung des Stands der Technik und Praxis in anderen Rekonditonierbetrieben
bzw. angrenzenden Branchen, die Anforderungen an die zu entwickelnde Anlage
im Detail zu definieren. Diese ergaben sich im Wesentlichen aus den zu behandelnden Verpackungsmengen, den Verpackungstypen und möglichen Restinhalten, die entsprechend analysiert wurden. Eine Auswertung der Statistiken der vergangenen Jahre ergab, dass (am Beispiel der Blagden Packaging Mendig GmbH)
mit einer Menge von mindestens 160 Verpackungen mit reaktiven Restinhalten
pro Tag15 zu rechnen ist, die in der Anlage behandelt werden müssen. Das Spektrum an Verpackungen reicht dabei von Kleingebinden aus Stahl (Kanister) bis zu
IBC mit einem Volumen von ca. 1000 Litern. Die Anlage muss demzufolge eine
große Flexibilität hinsichtlich der Verpackungstypen aufweisen.
Aufgrund der beschriebenen Marktentwicklungen ist in den nächsten Jahren zusätzlich eine Steigerung der Gesamtmengen zu erwarten, so dass es notwendig
war, die Anlage für eine größere Kapazität auszubauen bzw. entsprechende Erweiterungsflächen vorzusehen.
Weitere Anforderungen an die zu konzipierende Anlage ergaben sich aus den zu
behandelnden, reaktiven Restinhalten. Daher wurde im Rahmen der Voruntersuchungen eine entsprechende Analyse möglicher Restmengen (Produkte) durchgeführt. Dies erfolgte im Wesentlichen durch Auswertung der bisherigen Lieferungen
(Produktinformationen und Sicherheitsdatenblätter der Lieferanten) über einen
Zeitraum von mehreren Monaten. Teilweise wurden zusätzlich chemische Analysen durchgeführt.
Tabelle 3-2 gibt einen Überblick über die (zum Zeitpunkt der Projektdurchführung)
zu betrachtenden Produkte, die sich nach der Zusammensetzung ihrer Restinhalte
und deren Reaktionsverhalten in drei Kategorien unterteilen lassen. Dies sind
Säuren und Säurechloride, Diisocyanate sowie Peroxide bzw. Peroxiverbindungen
(vgl. Tabelle 3-2).
Säuren bzw. Säurechloride zeichnen sich durch korrosive Wirkung aus und reagieren mit Wasser zum Teil heftig unter Bildung von Reaktionsgasen (z. B. Salzsäure). Die Reaktionen laufen in den meisten Fällen stark exotherm ab. Peroxide
und Peroxiverbindungen neigen bei Erwärmung zur Bildung explosionsfähiger
Gemische und müssen daher entsprechend vorsichtig gehandhabt werden. Isocyanate sind chemisch hochreaktive, giftige Verbindungen aus einem Kohlenwasserstoffrest mit einer aus je einem Stickstoff-, Kohlenstoff- und Sauerstoffatom
bestehenden Molekülgruppe. Die wichtigsten, die Diisocyanate, enthalten zwei
solcher Gruppen. Bekannt ist, dass das Einatmen von Diisocyanatdämpfen zu
15
Dies entspricht einer Menge von etwa 30.000 Stück pro Jahr.
54
Atemwegserkrankungen führen kann. Entsprechend sind hohe Sicherheitsanforderungen zum Schutz der Mitarbeiter notwendig.
Tabelle 3-2:
Zu behandelnde Stoffe bzw. Produkte
Stoffgruppe / Kategorie
Säuren, Säurechloride
oder andere reaktive Chloride
Diisocyanate oder andere mit
Wasser ähnlich reagierende Stoffe
Peroxide und
Peroxiverbindungen
Stoff bzw. Produkt
•
Aluminiumchlorid, wasserfrei
•
Buttersäurechlorid
•
Pivalylchlorid
•
Sulfurychlorid
•
Dimethylsulfat
•
Methylsulfonsäure
•
Thionylchlorid
•
Mineralsäuren (z. B. Salzsäure)
•
Organische Säuren
•
Diisocyanat
•
Antimoniumpentafluorid
•
Dibutylperoxid
•
Diacetylperoxid
•
Dicumylperoxid
•
Dibenzoylperoxid
Im Rahmen der Untersuchungen mussten nun Reaktionsmedien ermittelt werden,
die sich für die genannten Stoffe bzw. Stoffgruppen eignen. Die Erkenntnisse sollten auch dazu genutzt werden, ein elektronisches Stoffkataster (Datenbank) zu
erstellen, in dem für jedes Produkt bzw. jeden relevanten Stoff die Gefahren (reaktive Eigenschaften) sowie das zugehörige Neutralisationsmedium abgelesen werden kann (vgl. Kapitel 5.2). Dadurch lassen sich falsche Zuordnungen vermeiden
und gleichzeitig die Arbeitssicherheit erhöhen.
Die Auswahl eines geeigneten Reaktionsmediums wird in erheblichem Maße vom
Preis bestimmt. Angesichts des großen täglichen Mengenbedarfs sollte eine kostengünstige Variante angestrebt werden (vgl. Kapitel 3.3.1.2). Idealerweise sollte
das Reaktionsmedium mit geringem Aufwand selbst herzustellen sein. Aus Gründen der großen Durchsätze (160 Stck. / Tag) ist auch die Reaktionszeit eine entscheidende Größe für die Auswahl des Mediums. Hierbei muss darauf geachtet
werden, dass das Medium eine kurze Reaktionsdauer aufweist (sofern keine ausreichenden Lagerflächen zur Verfügung stehen).
Bei der Reaktion entstehen - neben Reaktionsgasen - auch feste Rückstände,
welche entsorgt werden müssen. Dies galt es ebenfalls bei der Auswahl der Reaktionsmedien zu beachten. Ziel war es, eine umweltschonende und gleichzeitig
kostengünstige Entsorgung der Reaktionsprodukte sicherzustellen.
55
Bei der Durchführung der Neutralisation wird, ggf. nach einer zuvor durchgeführten Restentleerung, ein Reaktionsmedium in die Verpackungen eingegeben. Wegen der dabei entstehenden Wärme sowie der sonstigen Emissionen (z. B. Gase)
muss die Neutralisation in einem Bereich mit Abluftabsaugung und guter Belüftung
erfolgen. Die erfasste Abluft muss mit Hilfe geeigneter Verfahren behandelt werden. Die bei der Zugabe des Neutralisationsmediums entstehenden Mengen an
Reaktionsgasen sind sehr groß, so dass der zum Einsatz kommende Gaswäscher
entsprechend leistungsstark sein muss, um alle auftretenden Reaktionsgase behandeln zu können (vgl. Kapitel 3.3.1.2).
Die sich bildenden Reaktionsgase sind allerdings nicht allein maßgeblich für die
Bemessung des Gaswäschers. Die Dimensionierung wird auch durch die großen
Mengen an Luft beeinflusst, die bei der Absaugung der Gase mit angesaugt werden und ebenfalls den Gaswäscher durchlaufen. Der Gaswäscher sollte sich
durch einen geringen Energieverbrauch auszeichnen, unempfindlich gegenüber
großen Gasmengenschwankungen sein, Erweiterbarkeit ermöglichen und eine
kompakte Bauweise bieten.
Je nach Aufbau des Versuchsstands sind in den Prozess der Neutralisation direkt
bzw. indirekt Personen eingebunden, die mit Restinhalten und / oder Reaktionsprodukten in Kontakt kommen können. Dies erfordert geeignete Maßnahmen zum
Schutz der Mitarbeiter. In diesem Zusammenhang sind neben den generellen den
Arbeitschutz betreffenden Vorschriften (z. B. Richtlinie 89/391/EWG, Unfallverhütungsvorschriften) besondere Maßnahmen vorzusehen. Vor dem Hintergrund des
Gefahrenpotenzials müssen die Mitarbeiter mit entsprechender Schutzkleidung
ausgestattet werden (Schutzbrille und -anzug). Damit vor den Pausen die Kleidung gewechselt werden kann, müssen Umkleidemöglichkeiten bereit stehen. Bei
Gefahr des Auftretens gefährlicher Dämpfe und Gase, wie sie hier gegeben ist,
sind entsprechend der EU-Sicherheitsdatenblattrichtlinie geeignete Masken zu
verwenden, die am Arbeitsplatz bereitgehalten werden müssen. Zusätzlich müssen zum Schutz der Hände Handschuhe aus säureresistenten Materialien verwendet werden. Zu beachten sind hier insbesondere die Regelungen der Berufsgenossenschaften sowie des Verbands der Chemischen Industrie (VCI) e.V. /VCI
2006/.
Die Absaughauben für die Reaktionsgase sind derart zu konzipieren, dass eine
Ausbreitung der Dämpfe in der Umgebung des Neutralisationsstands verhindert
wird. Sie müssen daher für die Aufnahme großer Mengen an Reaktionsgasen geeignet und an eine leistungsstarke Absaugung angeschlossen sein. Um bei der
Einfüllung der Neutralisationsmedien eine Gefährdung auszuschließen, müssen
insbesondere die Mitarbeiter vor Kontakt mit den Restprodukten geschützt werden. Da beim Einfüllen des Mediums schnelle und heftige Reaktionen auftreten, ist
der Einfüllstutzen so zu konzipieren, dass eine Abdichtung erfolgt und ein Heraus-
56
spritzen verhindert wird. Zusätzlich ist ein Spritzschutz vorzusehen. Bei Deckelfässern bedarf es gegebenenfalls einer geeigneten Abdeckung.
Bei der Realisierung des Versuchsstands sind die Komponenten aus korrosionsbeständigem Material zu konzipieren. Idealerweise sollten Kunststoffe verwendet
werden, die eine hohe Chemikalienbeständigkeit aufweisen (z. B. Polypropylen
(PP)). Dies betrifft besonders die Komponenten, die in direkten Kontakt mit den
Chemikalien bzw. Reaktionsprodukten geraten (z. B. HCl-Gase), also die Absaugvorrichtung, Zuführungsaggregate für das Reaktionsmedium sowie sämtliche
Schläuche, durch die Medien zu- oder abgeführt werden. Die tragenden Teile
selbst können aus korrosionsbeständigem Stahl hergestellt werden.
Sofern vor der Durchführung der Neutralisation eine Restentleerung stattfindet, ist
diese so zu gestalten, dass eine Gefährdung der Mitarbeiter ausgeschlossen werden kann. Im Idealfall erfolgt eine Absaugung der Produkte. Sollte dies nicht möglich sein, ist durch entsprechende Maßnahmen sicherzustellen, dass eine Kontamination, insbesondere Tropfen oder Auslaufen von Restinhalten auf den Boden,
nicht erfolgt. Zu beachten sind hierbei speziell die Vorgaben der Berufsgenossenschaft der chemischen Industrie /BGC 1997/. Diese beinhalten beispielsweise die
Abdichtung der flüssigkeitsführenden bzw. produktführenden Teile, Absaugung
von Dämpfen, ausreichende Lüftung etc. Für eventuell auslaufendes Material sind
dafür geeignete Auffangwannen vorzusehen /VCI 2006/. Die in diesem Zusammenhang anfallenden Restinhalte müssen gesammelt und verschiedenen Kategorien zugeordnet werden, um Reaktionen untereinander zu vermeiden. Es sind daher ausreichende Lagermöglichkeiten zu planen, die den Anforderungen der Gefahrstofflagerung genügen. Die Lagerung und Sammlung der Restinhalte sollte
möglichst in geschlossenen Tanks oder Behältnissen erfolgen. Um Gefährdungen
ausschließen zu können, sind zusätzlich bestimmte Lagerbedingungen einzuhalten /VCI 2006/.
Nach der Neutralisation der Inhaltstoffe sowie der Entleerung der Reaktionsprodukte (mit speziellen Pumpen) können die Verpackungen dem Schredder bzw.
dem Reinigungsprozess zugeführt werden. Zu diesem Zweck ist eine materialflussseitige Anbindung der Neutralisationsanlage an Reinigungs- und Schredderanlagen erforderlich. Falls notwendig müssen ausreichend Lagerflächen für die
Zwischenlagerung bereit stehen. Die benötigten Kapazitäten sollten mindestens
einen Zeitraum von zwei bis drei Werktagen abdecken, um im Falle von Störungen
oder Spitzenlasten weiter arbeiten zu können.
3.3.1.2
Ermittlung der Rahmenparameter und Bewertung von technischen
Alternativen
Nach einer Ermittlung der Anforderungen mussten in einem zweiten Schritt die
Rahmenparameter zur Gestaltung und Dimensionierung der Neutralisationsanlage
57
ermittelt werden. Dabei war es unter anderem sehr wichtig, eine genaue Berechnung der Abluftmengen durchzuführen, um so einen geeigneten, den Leistungsanforderungen entsprechenden Gaswäscher auswählen zu können. Dabei bieten
sich grundsätzlich verschiedene technische Möglichkeiten, die entsprechend bewertet werden mussten. Grundsätzlich stehen zur Abscheidung von gasförmigen
Schadstoffen
•
Absorptionsverfahren (Gaswäsche),
•
Adsorptionsverfahren,
•
Membranverfahren,
•
Katalyse,
•
Verbrennung,
•
biologische Verfahren,
•
trockene Verfahren,
•
halbtrockene Verfahren und
•
Kondensation
zur Verfügung. Die ersten drei Verfahren beruhen auf physikalischen Trenneffekten und machen sich dabei zu Nutze, dass in der Regel die Komponenten eines
Gasgemisches, das mit einer anderen Phase im Kontakt steht (fest oder flüssig),
im Gleichgewicht in der Gasphase in einem anderen Konzentrationsverhältnis zueinander stehen als in der anderen Phase. Die zweite Phase wird so ausgewählt,
dass in ihr das Schadgas in einer höheren Konzentration vorliegt. Bei der Katalyse, der Verbrennung, den biologischen und trockenen Verfahren erfolgt eine chemische Umwandlung des Schadgases in umweltneutrale bzw. umweltverträgliche
Stoffe. Die halbtrockenen Verfahren stellen eine Mischung zwischen der ersten
und zweiten Verfahrensgruppe dar. Bei der Kondensation, die ausschließlich bei
organischen Schadgasen angewendet wird, wird die unterschiedliche Kondensationstemperatur von Schadgas und Trägergas zur Trennung ausgenutzt. Die Wahl
des Verfahrens hängt von der Art des Schadgases, seiner Konzentration, der Zusammensetzung, des Volumenstroms und von weiteren Prozessbedingungen ab.
Im Rahmen des Neutralisationsverfahrens entstehen aufgrund der Ausgangsstoffe
(z. B. Säuren und Säurechloride) im Wesentlichen saure Reaktionsgase (z. B.
HCl-Gas). Daher ist es sinnvoll, absorptive Verfahren einzusetzen, da diese die
Besten Reinigungsergebnisse liefern. Bei diesen Verfahren wird das Abgas mit
einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht, die das Schadgas aufnimmt. Es findet also
ein Phasenwechsel des Schadgases vom Gas in die Flüssigkeit statt. Anschließend werden die kontaminierte Flüssigkeit und das gereinigte Abgas voneinander
getrennt. Die Durchführung des Abscheidevorgangs erfolgt in Absorbern, deren
Aufgabe es ist, eine große Phasengrenzfläche sowie eine ausreichende Kontaktzeit zwischen Gas und Flüssigkeit sicherzustellen.
58
Es existieren verschiedene Bauarten von Absorbern, die bezüglich der Art der
Phasenverteilung unterschieden werden können. Grundsätzlich lassen sich folgende Bauarten unterscheiden:
•
Absorber ohne besondere Dispersion,
•
Absorber mit Dispersion des Gases als Blasen,
•
Absorber mit Dispersion der Flüssigkeit als Film sowie
•
Absorber mit Dispersion der Flüssigkeit als Tropfen.
Bei den Absorbern ohne besondere Dispersion strömt das Gas über die Oberfläche des ruhenden oder langsam strömenden Reinigungsmittels. Die Austauschfläche für den Stoffaustausch ist bei diesen Apparaten verhältnismäßig klein, so
dass häufig mehrere solche Absorber hintereinander geschaltet werden müssen.
Die Absorptionswärme kann durch Rieselkühlung oder im Reinigungsmittel befindliche Kühlschlangen abgeführt werden. Diese einfache Bauart genügt für die Absorption von Gasen, die schnell vom Reinigungsmittel gelöst werden, wie beispielsweise bei der Absorption von Chlorwasserstoff durch Wasser.
Abbildung 3-9:
Schema eines Oberflächenabsorbers / UNI 2006a /
Absorber mit Dispersion des Gases als Blasen nutzen den Effekt, dass Blasen
wegen der Oberflächenerneuerung der Flüssigkeit an der Phasengrenze einen
guten Stoffübergang auf der Flüssigkeitsseite bewirken. Deswegen sind sie besonders zum Auswaschen schlecht löslicher Gase geeignet. Besonders zu betrachten sind hier Blasenwäscher, Bodenkolonnen und Strahldüsenwäscher.
Beim Stahl(düsen)wäscher wird das im Kreislauf geführte Waschmedium unter
hohem Druck in ein Strahlrohr gesprüht. Es entsteht nach dem Injektorprinzip ein
Sog, weshalb das zu reinigende Gas ohne Ventilator durch den Wäscher gefördert
werden kann. Aufgrund der hohen Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Gas und
versprühtem Waschmedium, werden die Schadstoffpartikel benetzt und bleiben
somit im Waschmedium /HUB 2006/.
59
Bodenkolonne
Abbildung 3-10:
Strahldüsenwäscher
Bodenkolonne und Strahldüsenwäscher /UNI 2006b/
Absorber mit Dispersion der Flüssigkeit als Film haben sich als Fallfilmabsorber
und die Füllkörperkolonne etabliert. In Fallfilmabsorbern fließt das Lösungsmittel in
dünnen Rieselfilmen unter dem Einfluss der Schwerkraft an senkrechten Wänden
oder Rohren entlang. Sie sind wesentlich wirkungsvoller als Oberflächenabsorber.
Das Gemisch strömt im Gegenstrom von unten nach oben und tritt mit dem herabfließenden Lösungsmittel in Berührung. Die Absorptionswärme wird durch Kühlwasser, das sich im abgetrennten Raum befindet, abgeführt. Ein Beispiel dafür ist
die Absorption von Ammoniak in Absorptionskälteanlagen.
Aufgrund ihrer Einfachheit und der guten Betriebseigenschaften sind Füllkörperkolonnen die meistverbreitete Bauart von Absorbern. Sie bestehen aus einem Turm,
der mit Füllkörpern gefüllt ist, über die das Reinigungsmittel im Gegenstrom zum
aufsteigenden Gas nach unten fließt. Um gute Reinigungsergebnisse zu erzielen,
müssen die Füllkörper eine große Oberfläche aufweisen. Der Übergang der
Schadgase vom Gas in die Flüssigkeit erfolgt im Wesentlichen durch physikalische oder chemische Absorption /LTB 2006/.
60
Füllkörperkolonne
Abbildung 3-11:
Fallfilmabsorber
Füllkörperkolonne und Fallfilmabsorber /UNI 2006a/
Kolonnenwäscher (Füllkörperkolonne) können auch mehrstufig ausgeführt sein.
Die Ausschleusung der beladenen Flüssigkeit erfolgt chargenweise oder kontinuierlich.
Absorber mit Flüssigkeitszerstäubung (Dispersion der Flüssigkeit als Tropfen) eignen sich besonders gut zur Auswaschung gut löslicher Gase. Der gasseitige
Stoffübergang erfolgt auch bei kleiner Flüssigkeitsbeladung sehr effektiv. Verfahrensvarianten sind so genannte Sprühwäscher und Venturiwäscher. Beim Sprühwäscher strömt das Gas tangential in ein zylindrisches Unterteil, in dem durch
Zentrifugalwirkung eine Abscheidung größerer Partikel stattfindet. Das Gas durchströmt dann mehrere Sprühebenen von oben nach unten. Die Verteilung der
Waschflüssigkeit erfolgt mittels Düsensystemen im Gegenstrom. Durch die Erzeugung sehr feiner Tropfen besitzt die Reinigungsflüssigkeit eine sehr große Oberfläche und damit eine guten Abscheidegrad /LTB 2006/.
Beim Venturiwäscher strömt das Gas von oben in einen konischen Venturikopf.
Die Waschflüssigkeit strömt im Gleichstrom zum Gas über eine Überlaufkante in
den Venturikopf. In der Venturikehle erreicht der Gasstrom seine höchste Geschwindigkeit, der Waschflüssigkeitsfilm wird in feine Tröpfchen zerrissen /LBT
2006/. In einem nachgeschalteten Tropfenabscheider werden mitgerissene Tropfen durch Zentrifugalkräfte abgeschieden.
61
Sprühwäscher
Abbildung 3-12:
Venturiwäscher
Sprühwäscher und Venturiwäscher /UNL 2006/
Betrachtet man die Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren, so sind prinzipiell alle Bauarten für die Reinigung der bei der Neutralisation entstehenden Reaktionsgase geeignet. Die kostengünstigen Reinigungsmittel und der geringe Energieverbrauch sind jedoch entscheidende Vorteile der Verfahren mit Dispersion
der Flüssigkeit als Tropfen (z. B. Sprühwäscher). Aber auch Verfahren mit Dispersion des Gases als Blasen, wie beispielsweise Strahlwäscher, sind geeignet und
ermöglichen gute Reinigungsleistungen bei geringen Kosten (vgl. Tabelle 3-3).
Zur Auswahl und Dimensionierung eines geeigneten Wäschers war es erforderlich, die entstehenden Gasmengen und -zusammensetzungen zu ermitteln. Dazu
wurden anhand der stöchiometrischen Reaktionsgleichungen entsprechende Berechnungen durchgeführt. Grundannahme bei den Berechnungen war, dass
durchschnittlich etwa ein Liter an Restprodukt in den Verpackungen enthalten ist.
Diese Annahme beruht auf Erfahrungswerten und kann für die Dimensionierung
des Wäschers angenommen werden.
62
Tabelle 3-3:
Vor- und Nachteile der verschiedenen Verfahren (nach /TBU 2006/
/VTI 2006/ /DOR 2006/)
Unterscheidung der
Wäscher nach Art der
Phaseneinteilung
Vorteile
•
Ohne besondere
Dispersion
•
•
Dispersion des Gases als
Blasen
Dispersion der Flüssigkeit
als Film
•
•
•
•
•
•
•
Dispersion der Flüssigkeit
als Tropfen
•
•
•
•
Nachteile
Für sehr gut lösliche Gase geeignet, besonders HCl
Für hohe Prozesstemperaturen
ausgelegt; mit einer Außenkühlung ausgerüstet
Gute Transportverhältnisse in
der Gasphase
Gut geeignet für schlecht
lösliche Gase
Sehr einfache, kostengünstige
Konstruktion
3- Phasen-Reaktion möglich
Füllkörperkolonnen vorteilhaft
bei Physisorption
•
•
Verunreinigte Gase oder
Flüssigkeiten können die
Füllkörper verstopfen
Nur Düsenstangen und
Tropfenabscheider als Wäschereinbauten
Geringer Druckverlust
Geringer Druck im Waschwasserumlaufsystem
Geringer Bedarf an elektrischer
Energie
Verwertbarer Gips als Rückstand bei SO2-Abscheidung
Abwasser und Feststoff werden
voneinander unabhängig ausgeschleust
Kostengünstige Reinigungsmittel: CaCO3 oder Ca(OH)2
•
maximal 2 Trennstufen
realisierbar
•
•
•
•
Stoffaustauschfläche ist
verhältnismäßig klein
Große Verweilzeit
Hoher Druckverlust in der
Gasphase
Lange Flüssigkeitsverweilzeit
Hoher Grad an Vermischung
in der flüssigen Phase
Entsprechend konnten, ausgehend von den spezifischen Gewichten der enthaltenen Produkte, die zugehörigen Massen ermittelt werden. Dies bildete die Grundlage für die Ermittlung der entstehenden Gasmengen, was anhand von zwei Beispielen genauer verdeutlicht werden soll. Zunächst wird die Neutralisation von
wasserfreiem Aluminiumchlorid, anschließend die Neutralisation von Acetylchlorid
betrachtet. Als Reaktionsmedium wurde im speziellen Fall Wasser angenommen,
da hierbei die größten Gasmengen entstehen (Worst-Case-Betrachtung).
Unter der Annahme eines Restvolumens von einem Liter beträgt die zugehörige
Masse bei wasserfreiem Aluminiumchlorid (AlCl3) etwa 1335 Gramm. Die Reaktionsgleichung für die Hydrolyse von Aluminiumchlorid, das unter Zugabe von Wasser eine stark exotherme Reaktion zeigt, stellt sich wie folgt dar:
AlCl3 + H2O = Al(OH)3 + 3 HCl
(Gleichung 1)
63
Wie zu erkennen, entstehen aus einem Mol Aluminiumchlorid bei der Reaktion mit
Wasser drei Mol HCl-Gas. Da die Mol-Masse von Aluminiumchlorid nach dem Periodensystem der Elemente etwa 133 Gramm beträgt, entspricht die Masse von
1335 Gramm etwa 10 Mol. Entsprechend entstehen 30 Mol HCl-Gas bei der Neutralisation. Zur Ermittlung des entsprechenden Gasvolumens ist es nun noch erforderlich, das Mol-Volumen von HCl-Gas zu ermitteln. Nach Literaturangaben
beträgt dieses etwa 22,248 Liter pro Mol /CHE 2006/. Die entstehende Gasmenge
liegt folglich bei ca. 667 Liter. Gleichung 1 lässt sich also folgendermaßen darstellen:
1335 g AlCl3 + H2O = Al(OH)3 + 667 l HCl-Gas
(Gleichung 2)
Die Reaktion dauert mehrere Minuten, kann jedoch durch Wahl des Neutralisationsmediums gesteuert werden. Als Neutralisationsmedien bieten sich insbesondere Kalkmilch und Natronlauge an. Diese haben gegenüber Wasser den Vorteil,
dass die Reaktionen schneller ablaufen und die entstehende Gasmenge geringer
ist, da beispielsweise das Chlor an das in der Kalkmilch vorhandene Calcium unter
Bildung von Calciumchlorid gebunden wird. Ähnliches gilt bei der Verwendung von
Natronlauge.
Analog zur Berechnung der Gasmenge bei der Reaktion von Aluminiumchlorid
kann auch die Ermittlung der Gasmengen bei der Neutralisation von Acetylchlorid
durchgeführt werden. Unter Berücksichtigung der stöchiometrischen Reaktionsgleichung
CH3COCl + H2O = CH3COOH + HCl
(Gleichung 3)
ergibt sich pro Verpackung eine entstehende Menge an HCl-Gas von ca. 456 Litern, die im Bereich von Minuten entstehen können. Durch Zugabe eines geeigneten Neutralisationsmediums kann auch hier die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht
werden.
Die beschriebenen Berechnungen wurden auch für andere Restinhalte durchgeführt und so die entstehenden Gasmengen ermittelt. Für die Dimensionierung des
Gaswäschers mussten zusätzlich aber auch große Mengen an Luft berücksichtigt
werden, die ebenfalls den Wäscher durchlaufen. Unter Berücksichtigung der Anforderungen ergibt sich eine Leistungsgröße zwischen 12.000 bis 36.000 m3 pro
Stunde, was nur mit einem sehr leistungsstarken Abluftwäscher realisiert werden
kann.
Die Durchführung der Neutralisation ist mit Verbrauch von Neutralisationsmedium
verbunden. Für die Neutralisation werden je nach Inhaltstoff und Menge mehrere
Liter an Reaktionsmedium benötigt. Erste Berechnungen ergaben, dass pro Tag
Mengen von mehr 1000 bis 1500 Litern erforderlich ist, so dass ein kostengünstiges Reaktionsmedium ausgewählt werden musste. Kalkmilch hat gegenüber Nat64
ronlauge den Vorteil des geringeren Preises und lässt sich relativ einfach selbst
herstellen. Der erforderliche Kalk kann sehr preiswert beschafft werden, da er als
Abfallprodukt in verschiedenen Prozessen anfällt, z. B. bei der Rauchgasreinigung
in Kraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen. Nachteilig ist die größere Reaktionsdauer im Vergleich zu Natronlauge. Im Rahmen der Untersuchungen wurden
daher beide Stoffe genauer erprobt.
Neben der Dimensionierung der Abluftreinigung war es erforderlich, technische
Möglichkeiten für die Gestaltung des Behandlungsstandes zu untersuchen und zu
bewerten. Dabei kam für die kontrollierte Durchführung der chemischen Reaktionen grundsätzlich ein manueller oder ein automatisierter Behandlungsstand in
Frage. Während bei dem manuellen Behandlungsstand die Verpackungen durch
einen Mitarbeiter der Anlage zugeführt und auch die Medien mit geeigneten Hilfsmitteln durch diesen eingegeben werden, erfolgt dies bei einem automatisierten
Behandlungsstand ohne Personaleinsatz. Das Prinzip eines automatisierten Behandlungsstands ist in Abbildung 3-13 dargestellt.
Abbildung 3-13:
Prinzip eines automatischen Behandlungsstands
Die Zuführung der Verpackungen erfolgt zunächst über ein geeignetes, stetiges
Fördermittel, z. B. eine angetriebene Rollenbahn. Durch optische oder UltraschallSensoren wird die heranrollende Verpackung erkannt und mittels geeigneter technischer Einrichtungen das Spundloch geöffnet, bevor das Fass durch einen Greifarm auf eine Reinigungslanze aufgesetzt und gespült wird. Eine Abdichtung ver-
65
hindert das Austreten von Schadstoffen, während die Flüssigkeit und die Reaktionsgase über Schläuche abgleitet werden.
Beide Varianten haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile. Auf Grund der Vielzahl an möglichen Verpackungstypen (z. B. Kanister, IBC, nicht EU-Standardkonforme Verpackungen) ist im betrachteten Fall ein manueller Behandlungsstand
vorzuziehen, der die notwendige Flexibilität bietet (vgl. Tabelle 3-4). Gerade dabei
ist jedoch der Mitarbeiterschutz ein zentrales und wichtiges Thema, das durch entsprechende (technische) Maßnahmen sichergestellt werden muss (z. B. Schutzkleidung).
Tabelle 3-4:
Vergleich zwischen manuellem und automatischem Behandlungsstand
Vorteile
Manueller Behandlungsstand
(mit ausreichender
Frischluftzufuhr)
Automatisierter Behandlungsstand
Nachteile
• Anlage ist für alle Verpackungen • Mitarbeiter haben unmittelbaren
geeignet
Kontakt mit Immissionen
• Anlage kann korrosionssicher
• Leistungsstarke Arbeitsplatzgestaltet werden
absaugung erforderlich
• Hohe Betriebskosten (Personal)
• Besserer Schutz der Mitarbeiter • Nicht für alle Verpackungstypen
geeignet
• Immissionen können erfasst und
behandelt werden (gekapselte
• Anlage korrosionsanfälliger
Anlage)
• Höhere Investitionskosten
Für die Durchführung der Untersuchungen wurde aufgrund der dargestellten Vorteile und der einfachen Realisierbarkeit ein manueller Behandlungsstand konzipiert (vgl. folgendes Kapitel).
3.3.1.3
Aufbau eines Versuchsstandes
Ziel der Untersuchungen war es, verschiedene Behandlungsmedien und Versuchsabläufe für die Durchführung der Neutralisation zu testen, um so Kenntnisse
für die Umsetzung der Anlage im Realbetrieb zu gewinnen. Daher wurde im Rahmen des Vorhabens eine Pilotanlage entwickelt und realisiert, die dem Prinzip eines manuellen Behandlungsstands entspricht. Zur Bedienung bedarf es eines Mitarbeiters, der mit Hilfe einer Injektionsvorrichtung die notwendige Menge an Neutralisationsmedium zugibt. Der konzipierte Versuchsstand ist in Abbildung 3-14
dargestellt. Er besteht aus einem Stahlgestell und verschiedenen anderen Komponenten für die Zuführung und Erfassung der Reaktionsmedien. Er wurde so
konzipiert, dass jeweils eine Verpackung neutralisiert werden kann.
Zum Schutz der Mitarbeiter wurde, wie in den Anforderungen definiert, ein Spritzschutz aus Kunststoff vorgesehen (vgl. Abbildung 3-14). Hinter dem Spritzschutz
66
befindet sich eine Absaugung für die entstehenden Reaktionsgase, die über einen
Gaswäscher gereinigt werden. Für den Versuch wurde ein Kompaktwäscher der
VUM Gesellschaft für Verfahrens- und Umwelttechnik mbH verwendet, der dem
Funktionsprinzip eines Strahlwäschers entspricht (vgl. Abbildung 3-15).
Abbildung 3-14:
Versuchstand zur Behandlung von Verpackungen mit reaktiven
Inhaltstoffen
Der gewählte Gaswäscher (Bauart KW80) zeichnet sich vor allem durch eine kompakte Bauweise, einen geringen Preis, hohe Trennleitungen im gesamten Betriebsbereich, Flexibilität gegenüber Gasmengenschwankungen sowie eine integrierte Pumpe aus /VUM 2006/. Er hat eine Breite von ca. 1200 mm bei einer Tiefe
von 700 mm. Die Gesamt-Bauhöhe beläuft sich auf 1950 mm. Der Lastbereich
liegt zwischen 20 bis 120 m3 Gas pro Stunde. Für den Realbetrieb ist der Wäscher
daher nicht geeignet. Allerdings reicht die Kapazität für das Versuchsstadium aus.
Zur Restentleerung bzw. zum Absaugen der Reaktionsprodukte nach der Neutralisation wurde eine spezielle Pumpe der Lutz Pumpen GmbH, Wertheim verwendet.
Die von diesem Hersteller angebotenen Restentleerungspumpen verfügen über
einen integrierten Rücklaufstop und ermöglichen eine verlustfreie Restentleerung
der Verpackungen. Das Rücklaufproblem ist durch einen speziellen Verschlusstopf gelöst, der unsichtbar im Pumpenfuß integriert ist. Dieser Verschlusstopf verriegelt den Einlauf des Pumpwerkes und verhindert so, dass die bereits restlos
angesaugte Flüssigkeit wieder in das Fass zurücklaufen kann. Die Regelung
(Schließen / Öffnen) erfolgt einfach manuell über einen kleinen Hebel unterhalb
des Handrades /LUT 2006/.
67
Abbildung 3-15:
Kompaktwäscher /VUM 2006/
Nach Abschalten des Motors kann das Pumpwerk mit der angestauten Flüssigkeit
entnommen und in ein Sammelbehältnis umgefüllt werden. Ebenso kann die Restflüssigkeit durch Öffnen des Verschlusstopfes problemlos in ein anderes Gefäß
entleert werden /LUT 2006/. Durch die beschriebene Technik können auch leicht
entzündliche Materialien von weniger als 0,1 Litern sicher und ohne Verluste aus
den Gebinden entleert werden, so dass diese Pumpe für den speziellen Einsatz im
Bereich der Neutralisation besonders geeignet ist. Die nachfolgende Abbildung
zeigt die verwendete Pumpe. Gut zu erkennen ist der Schlauch mit den angeschlossenen Lanze zur Absaugung der Restmengen und Reaktionsprodukte.
Die Wahl des Werkstoffes richtet sich primär nach dem zu fördernden Produkt. Da
es sich überwiegend um saure bzw. nach Durchführung der Neutralisation um
neutrale Medien handelt, wurde als Pumpenwerkstoff, insbesondere für die Flüssigkeit führenden Teile, Polypropylen (PP) ausgewählt.
Abbildung 3-16:
68
Verwendete Restentleerungspumpe
Für die Zuführung des Reaktionsmediums sowie die Ableitung der Reaktionsprodukte zum Kompaktwäscher wurden Leitungen vorgesehen, die aufgrund der
Chemikalienbeständigkeit ebenfalls aus Polypropylen (PP) hergestellt wurden.
Ebenso wurden entsprechende Tanks bzw. Behältnisse für das Neutralisationsmedium, die Reaktionsprodukte (neutralisierte Stoffe) aus den Verpackungen sowie die Reaktionsprodukte aus dem Gaswäscher in den Versuchstand integriert.
Diese bestanden ebenfalls aus einem beständigen Kunststoff.
Zusätzlich mussten Absaughauben in die Versuchsanlage verwendet werden, um
eine Ausbreitung der Reaktionsgase zu vermeiden. Die Absaughauben sind über
Leitungen an den Kompaktwäscher angeschlossen. Diese Hauben sind in
Abbildung 3-17 dargestellt.
Abbildung 3-17:
Absaughaube für Gaserfassung (links) und Einfüllstutzen (rechts)
Zum sicheren Einfüllen der Reaktionsmedien wurde ein spezieller Einfüllstutzen
verwendet (vgl. Abbildung 3-17, rechts). An diesem befindet sich ein Hebel zur
Öffnung des Ventils, so dass der Werker damit die Medienzugabe steuern kann.
Zum Schutz des Mitarbeiters ist der Aufsatz für den Spund so konzipiert, dass eine Abdichtung sichergestellt ist.
3.3.1.4
Durchführung von Versuchen
Um geeignete Reaktionsmedien und -parameter (z. B. Dauer des Reaktionsvorgangs) zu ermitteln, wurde ein Versuchsablauf definiert. Ursprünglich war dabei
vorgesehen, die Verpackungen zunächst vollständig zu entleeren (Restentleerung) und die abgesaugten Restinhalte getrennt nach Kategorien zu sammeln,
um Reaktionen untereinander auszuschließen. Diese Vorgehensweise erwies sich
jedoch als schwierig und unzweckmäßig. Aufgrund der großen Reaktivität kann
eine Fehleinschätzung durch die Mitarbeiter zu erheblichen Gefahren führen,
wenn versehentlich falsche Zuordnungen getroffen werden. Darüber hinaus ist die
Lagerung größerer Mengen an reaktiven Reststoffen nicht unproblematisch und
69
erfordert entsprechende Schutzmaßnahmen (z. B. Lagerflächen, Explosionsschutz). Daher wurde von einer Restentleerung vor der Durchführung der Neutralisation Abstand genommen. Die Restmengen16 wurden ebenfalls neutralisiert, um
so das Reaktionspotenzial zu beseitigen. Dies hat den entscheidenden Vorteil,
dass auf eine getrennte Sammlung und Entsorgung der Reaktionsprodukte verzichtet werden konnte.
Der für die Durchführung der Versuche konzipierte Versuchsablauf stellt sich folgendermaßen dar:
1. Schritt: Öffnung der Verpackungen
Zunächst werden die Verpackungen sicher im Versuchstand platziert und unter
Berücksichtigung vorgegebener Sicherheitsanweisungen unter einem Abzug geöffnet. Zur Vermeidung von Schadensfällen prüfen die Mitarbeiter vor der Öffnung
der Verpackungen, um welches Produkt es sich handelt und schaut die zugehörigen Sicherheitsanweisungen ein. Dazu steht ein elektronisches Stoffkataster mit
Suchfunktionen zur Verfügung (Stoffdatenbank, vgl. Kapitel 5.2).
2. Schritt: Zugabe des Reaktionsmediums
Anschließend werden die Gebinde mit dem Reaktionsmedium beaufschlagt. Um
die zum Teil heftigen Reaktionen abzuschwächen, erfolgt die Zugabe des Neutralisationsmediums, je nach Ausgangsprodukt, chargenweise in zwei bis drei Schüben.
Für die Durchführung der Versuche wurden Kalkmilch und Natronlauge verwendet, um die Eignung dieser Stoffe zu ermitteln. Die Zugabe der Medien erfolgt
durch den Mitarbeiter mit Hilfe einer Einfüllhilfe, die eine sichere Zugabe und Dosierung des Neutralisationsmediums ermöglicht. Während der Reaktion erfolgt
eine Abführung der austretenden Reaktionsgase über die Absaughauben. Der
Mitarbeiter beobachtet den Fortschritt der Reaktion aus sicherer Entfernung und
dokumentiert den Reaktionsverlauf. Sobald keine Reaktionsgase mehr erkennbar
sind, werden die Gebinde leicht verschlossen und anschließend ca. 12 Stunden
stehen gelassen, so dass die Reaktion vollständig abgeschlossen ist. Bei Anbringung des Verschlusses ist darauf zu achten, dass gegebenenfalls noch entstehende Reaktionsgase entweichen können.
3. Schritt: Endbearbeitung
Nach Ablauf der Wartezeit von 12 Stunden werden die Verschlüsse entfernt, die
Reaktionsprodukte mit der Restentleerungspumpe abgesaugt und in ein Sammelbehältnis geleitet.
16
Nach den Erfahrungen liegen die Restmengen bei unter einem Liter.
70
Im Sammelbehältnis setzt sich die feste Phase (in Wasser unlösliche Salze) ab,
während darüber eine wässrige Phase verbleibt, die teilweise wieder zur Herstellung von Kalkmilch verwendet werden kann. Entscheidend dafür ist der pH-Wert,
der im neutralen bis alkalischen Bereich liegen muss. Sofern der pH-Wert kleiner
ist als 7 (sauer), erfolgt eine Ausschleusung und Entsorgung.
Die entleerten und neutralisierten Gebinde werden dem Rekonditionierprozess
oder dem Schredder zugeführt. Für die Zuordnung sind insbesondere die Art der
Verpackung sowie der Zustand von entscheidender Bedeutung. Kunststoffverpackungen werden in den meisten Fällen der stofflichen Verwertung zugeführt, während Stahlfässer, sofern der äußere Zustand dies erlaubt, auch der Reinigung zugeführt werden können. Die verbleibenden Stahlverpackungen werden dem
Schredder zugeführt.
3.3.1.5
Versuchsergebnisse und -auswertung
Nachfolgend werden die bei der Durchführung der Versuche beobachteten Reaktionen dargestellt. Zunächst werden dabei die Versuche mit Kalkmilch beschrieben
(vgl. Tabelle 3-5).
Tabelle 3-5:
Versuchsreihe mit Kalkmilch
Produktname /
Handelsname
Verpackungstyp
Einfülldauer
Chemische Behand[s] / Einfüll- Versuchsbeobachtung
Inhaltstoffe lungsmedium
menge [l]
Aluminiumchlorid
Deckelfass,
200 Liter
Aluminiumchlorid
Kalkmilch
5 / 3-5
Heftige Reaktion und Freisetzung großer Mengen Gas
Thionylchlorid
Spundfass,
200 Liter
Thionylchlorid
Kalkmilch
5 / 3-5
Salzsäure 50 %
Kombifass,
200 Liter
Salzsäure
50 %
Kalkmilch
5 / 3-5
Acetylchlorid
Kombifass,
200 Liter
Acetylchlorid Kalkmilch
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Benzyolchlorid
Kombifass,
200 Liter
Benzyolchlorid
Kalkmilch
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Pivalinsäurechlorid
Kombifass,
200 Liter
PivalinsäureKalkmilch
chlorid
5 / 3-5
3-NitroBenzyolchlorid
Kombifass,
200 Liter
Benzyolchlorid
Kalkmilch
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Benzylchlorid
PE-Fass, 200
Liter
Benzylchlorid
Kalkmilch
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
n-Buttersäureanhydrid
Kombifass,
200 Liter
ButtersäureKalkmilch
anhydrid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion, übler
Geruch
Weikopid
PE-Fass, 200
Liter
Natriumdichromat
Kalkmilch
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Chloranil
PE-Fass, 200
Liter
Tetrachlor-pKalkmilch
benzochinin
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Di-tertbutylperoxid
PE-Fass, 200
Liter
Di-tertKalkmilch
butylperoxid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
71
Produktname /
Handelsname
Verpackungstyp
Einfülldauer
menge [l]
Probionsäureanhydrid
PE-Fass, 200
Liter
ProbionsäuKalkmilch
reanhydrid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Diisocyanat
Kombifass,
200 Liter
Diisocyanat
5 / 3-5
Produkt härtet aus, weitere
Bearbeitung nicht möglich
Kalkmilch
Die betrachteten Produkte lassen sich mit Hilfe von Kalkmilch neutralisieren, wobei die Reaktionen sehr unterschiedlich ausfallen. Während beispielsweise Aluminiumchlorid oder Thionylchlorid sehr heftig mit der Kalkmilch unter großer Wärmeentwicklung (stark exotherm) und Bildung großer Gasmengen reagiert, verlaufen die Reaktionen bei anderen Stoffen wesentlich gemäßigter. Bei Acetylchlorid
ist die Gasbildung beispielsweise deutlich geringer. Auch erfolgt während der Reaktion nur eine geringe Wärmeentwicklung.
Einen Sonderfall bilden Diisocyanate. Diese können mit Kalkmilch zwar ebenfalls
behandelt werden, allerdings härtet das Produkt aus, so dass eine weitere Bearbeitung und Entfernung aus dem Gebinde nicht möglich ist.
Nach der Reaktion fallen Salze anorganischer und organischer Säuren, wässrige
alkoholische Lösungen und Polyharnstoffverbindungen als Abfall an, die entsorgt
werden müssen. Dafür bieten sich eine Beseitigung auf Sonderabfalldeponien oder in Sonderabfallverbrennungsanlagen an, da es sich in den meisten Fällen um
besonders überwachungsbedürftige Abfälle handelt.
Ebenso wurde eine zweite Versuchsreihe mit Natronlauge durchgeführt, die in der
Tabelle 3-6 dargestellt ist. Insgesamt verläuft die Reaktion mit Natronlauge schneller als mit Kalkmilch, was diese weniger kontrollierbar macht.
Tabelle 3-6:
Versuchsreihe mit Natronlauge
Produktname /
Handelsname
Verpackungstyp
Einfülldauer
menge [l]
Aluminiumchlorid
Deckelfass,
200 Liter
Aluminiumchlorid
Thionylchlorid
Spundfass,
200 Liter
Thionylchlorid
Salzsäure 50 %
Kombifass,
200 Liter
Salzsäure
50 %
Acetylchlorid
5 / 3-5
Natronlauge
5 / 3-5
Natronlauge
5 / 3-5
Kombifass,
200 Liter
Acetylchlorid Natronlauge
5 / 3-5
Benzyolchlorid
Kombifass,
200 Liter
Benzyolchlorid
Natronlauge
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Pivalinsäurechlorid
Kombifass,
200 Liter
Pivalinsäure- Natronlauge
chlorid
5 / 3-5
3-NitroBenzyolchlorid
Kombifass,
200 Liter
Benzyolchlorid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
72
Natronlauge
Natronlauge
Produktname /
Handelsname
Verpackungstyp
Einfülldauer
menge [l]
Benzylchlorid
PE-Fass, 200
Liter
Benzylchlo- Natronlauge
rid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
n-Buttersäureanhydrid
Kombifass,
200 Liter
Buttersäure- Natronlauge
anhydrid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion, übler
Geruch
Weikopid
PE-Fass, 200
Liter
Natriumdichromat
Natronlauge
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Chloranil
PE-Fass, 200
Liter
Tetrachlor-p- Natronlauge
benzochinin
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Di-tertbutylperoxid
PE-Fass, 200
Liter
Di-tertNatronlauge
butylperoxid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Probionsäureanhydrid
PE-Fass, 200
Liter
Probionsäu- Natronlauge
re-anhydrid
5 / 3-5
Mäßige Reaktion
Diisocyanat
Kombifass,
200 Liter
Diisocyanat Natronlauge
5 / 3-5
Produkt härtet aus, weitere
Bearbeitung nicht möglich
Bei Natronlauge sind sehr ähnliche Reaktionen festzustellen wie bei Kalkmilch.
Ausnahme bildet Acetylchlorid, das mit Natronlauge (im Gegensatz zu Kalkmilch)
sehr heftig reagiert. Auch sind die Gasmengen bei Natronlauge größer als bei
Kalkmilch.
Betrachtet man zusammenfassend die Ergebnisse, so sind prinzipiell beide Reaktionsmedien geeignet. Aufgrund der geringeren Kosten ist jedoch Kalkmilch zu
bevorzugen. Die im Vergleich größere Reaktionsdauer erweist sich bei der beschriebenen Vorgehensweise als unproblematisch, da im Betrieb ausreichende
Lagerflächen zur Verfügung stehen.
3.3.1.6
Bewertung der Forschungsarbeiten und Ableitung von Erkenntnissen
für die Umsetzung in der Praxis
Zusammenfassend bietet die Neutralisation eine interessante Möglichkeit, Kosten
zu reduzieren und gleichzeitig ökologische Vorteile zu erzielen. Durch Neutralisation und anschließende Aufbereitung der Verpackungen können die Entsorgungskosten deutlich reduziert werden. Nach überschlägigen Kalkulationen liegen die
jährlichen Einsparungen bei bis zu 200.000 Euro, wenn man von etwa 30.000
Verpackungen pro Jahr ausgeht. Darüber hinaus ergeben sich durch Verminderung der Anzahl an Entsorgungsfahrten um ca. 190 Transporte pro Jahr deutliche
Einsparungen in Höhe von etwa 20.000 Euro (pro Jahr).
Diesen Einsparungen stehen Mehraufwendungen für die Realisierung und den
Betrieb der Neutralisationsanlage entgegen. Für die Umsetzung des Verfahrens in
die Praxis ist der im Versuch verwendete Behandlungsstand zu klein und leistet
nicht den erforderlichen Durchsatz. Es können, unter Berücksichtigung der Rüstzeiten, maximal zehn Verpackungen pro Stunde behandelt werden. Um die erforderlichen Durchsätze sicherzustellen, ist der Behandlungsstand so zu konzipieren,
73
dass mehrere Verpackungen parallel behandelt werden können. Eine Abschätzung der Investitionskosten für den Bau einer ausreichend dimensionierten Neutralisationsanlage ergab Gesamtkosten von etwa 101.000 Euro, wobei in diesem
Zusammenhang der Bau von arbeitsschutzspezifischen Einrichtungen (z. B.
Schwarz-Weiß-Container) noch nicht berücksichtigt ist.
Um dieses Projekt abschließend wirtschaftlich bewerten zu können, wurden verschiedene Kennzahlen erarbeitet. Zur Bewertung von Investitionsprojekten können
beispielsweise die Pay Out Time (POT), der Net Present Value (NPV) sowie der
Discounted Cash Flow (DCF) ermittelt werden.
Die Pay Out Time bezeichnet die Amortisationszeit, genauer den Amortisationszeitpunkt, einer Investition. Unter Berücksichtigung der Verzinsung wird eine Zahlungsreihe darauf geprüft, wann sie von einem negativen zu einem positiven Wert
wechselt. Dieser Zeitpunkt wird dann als Pay Out Time bezeichnet /WÖH 2006a/.
Bei dem Projekt der Neutralisation beträgt die Pay Out Time nur 16 Monate und ist
somit relativ kurz für ein Investitionsprojekt. Deshalb ist das Risiko einer Fehlinvestition sehr gering.
Die Bestimmung der Amortisationszeit reicht jedoch allein nicht aus, um die Rentabilität zu bewerten, da keine Aussage dazu getroffen wird, welcher Betrag mit
dem Projekt erwirtschaftet werden kann. Um dies zu erreichen, bietet es sich an,
den Net Present Value (NPV) zu bestimmen. Der NPV entspricht im Wesentlichen
dem deutschen Kapitalwert und bezeichnet den Barwert sämtlicher durch eine
Investition verursachten und auf den aktuellen Zeitpunkt abgezinsten Zahlungen
/WÖH 2006b/. Im konkreten Fall beträgt der Net Present Value, bezogen auf einen
internen Zinsfuß von 5%, 614.000 Euro. Dies bedeutet, dass dieser Betrag im Jahr
2003 anstelle der Projektumsetzung hätte ausgezahlt werden müssen. Der Net
Present Value entspricht mehr als dem 6-fachen der Investitionssumme. Dies ist
ein vergleichbar sehr hoher Wert für ein Investitionsprojekt und verdeutlicht die
hohe Wertschöpfung.
Um diese Aussage zu stützen, wird in vielen Unternehmen zusätzlich der Discounted Cash Flow (DCF) bzw. interne Zinsfuß bestimmt. Der interne Zinsfuß ist der
Zinssatz, bei dem der Kapitalwert einer Zahlungsreihe gleich Null ist /WÖH
2006c/. Im betrachteten Projekt beträgt der interne Zinsfuß etwa 79 %. Dies bedeutet, dass eine Bank hätte diesen Zinssatz anbieten müssen, um das Kapital in
eine andere Anlageform zu investieren. Da der marginale Zinssatz für die jüngste
Hauptrefinanzierungsoperation der Europäischen Zentralbank am 29. Dezember
2005 2,25 % beträgt, ist ein solcher Zins natürlich bei keiner Bank zu bekommen.
Insgesamt handelt es sich somit, unter Berücksichtigung der vorgegebenen Rahmenbedingungen, um ein wirtschaftlich äußerst rentables Projekt.
74
Trotz dieser Argumente erfolgte bisher keine Umsetzung der Projektergebnisse in
die betriebliche Praxis, da es während der Projektlaufzeit Veränderungen im Bereich der Kunden- bzw. Lieferantenstrukturen gab. Aufgrund des Verlustes der
Geschäftsbeziehung zu einem der Hauptlieferanten von reaktiven Verpackungen
ging die zu behandelnde Menge deutlich zurück. Eine Akquisition entsprechender
Ersatzmengen konnte nicht erreicht werden. Dies machte das Projekt aus der damaligen Sicht unrentabel, so dass der Bau einer entsprechenden Neutralisationsanlage zunächst verschoben wurde. Die Erkenntnisse dieser Arbeit werden jedoch
dazu dienen, die Anlage bei Bedarf zu realisieren. Aus diesem Gründen können
die für die Umsetzung des Verfahrens relevanten Aspekte folgendermaßen zusammengefasst werden:
Für die Umsetzung des Neutralisationsverfahrens ist ein manueller Behandlungsstand einem automatischen Verfahren vorzuziehen, da dieser eine deutlich größere Flexibilität hinsichtlich der zu behandelnden Verpackungstypen bietet. Insbesondere bei Verpackungen, die nicht dem europäischen Standard entsprechen
und z. B. über abweichende Spundmaße und -abstände verfügen, treten bei einem automatischen Behandlungsstand Probleme auf.
Zwingende Erfordernis für die Realisierung der Neutralisationsanlage aus Gründen des Mitarbeiterschutzes ist die Sicherstellung einer ausreichenden Frischluftzufuhr und eines stetigen Luftaustausches. Dies ist in einer gekapselten Anlage
nur schwer zu realisieren und bedarf einer sehr leistungsstarken Absaugung. Daher müssen Möglichkeiten geprüft werden, die Arbeiten unter einem Freiluftarbeitsplatz durchzuführen.
Im Hinblick auf den Arbeitsschutz steht darüber hinaus die Arbeitshygiene im Vordergrund. Da die Verpackungen zum Teil toxische und geruchsintensive Stoffe
enthalten, ist ein häufiger Wechsel der Schutzkleidung erforderlich. Vor den Pausen scheint es notwendig zu sein, die Kleidung zu wechseln. Zusätzlich bedarf es
entsprechenden Möglichkeiten zur Körperreinigung. Sinnvoll wäre in diesem Zusammenhang die Einrichtung von Schleusenmodulen, so genannten „Schwarz /
Weiß - Containern“, in unmittelbarer Nähe der Arbeitsplätze.
Abbildung 3-18:
Schwarz/Weiß-Container (Beispiel) /MVS 2006/
75
Schwarz/Weiß-Container sind speziell für den Einsatz in extrem schmutzigen oder
kontaminierten Bereich konzipiert und verfügen über zwei Umkleideräume, die
durch einen Sanitärraum getrennt sind. In einem Umkleideraum wird die Straßenkleidung ab- bzw. angelegt, im zweiten Umkleideraum die Arbeitskleidung (vgl.
Abbildung 3-18).
Im Hinblick auf die zu verwendenden Neutralisationsmedien lassen sich folgende
Erkenntnisse zusammenfassen: für die Durchführung der Neutralisation, insbesondere für die Behandlung von Säuren und Säurechloriden, können sowohl
Kalkmilch als auch Natronlauge verwendet werden. Kalkmilch hat gegenüber Natronlauge die Vorteile, dass sie wesentlich kostengünstiger ist und außerdem die
Gasmengen geringer sind (vgl. Anhang). Allerdings läuft die Reaktion langsamer
ab, was den möglichen Durchsatz reduziert. Insgesamt überwiegen aber die Kostenvorteile von Kalkmilch, so dass dieses für den Praxiseinsatz verwendet werden
sollte.
Mit Diisocyanaten verunreinigte Verpackungen können nach Abklingen der Reaktion nicht weitere behandelt werden. Die Stoffe härten unter Zugabe alkalischer
Neutralisationsmedien aus, so dass eine Neutralisation mit Kalkmilch oder Natronlauge vor dem Hintergrund der Kosten nicht sinnvoll ist. Bei diesen Verpackungen
steht die Verringerung des Gefahrenpotenzials im Vordergrund. Daher bedarf es
gegebenenfalls weitergehender Untersuchungen (z. B. bezüglich anderer Neutralisationsmedien). Aufgrund der geringen Mengen an diisocyanatenhaltigen Verpackungen wurde darauf im vorliegenden Projekt verzichtet, da es sinnvoller schien,
sich bei der Neutralisation auf den Bereich der säure- bzw. säurechloridhaltigen
Verbindungen zu konzentrieren, da die betreffenden Verpackungen nach der
Neutralisation gut weiterverarbeitet werden können, z. B. im Rahmen einer stofflichen Verwertung (zu 100 %). Eine sich an die Neutralisation anschließende Reinigung ist aufgrund der in den Verpackungen vorhandenen Korrosion in den meisten Fällen zu aufwendig.
Die im Rahmen der Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse (z. B. Neutralisationsmedien, Mengen) wurden in die entwickelte Stoffdatenbank (vgl. Kapitel 5.2)
aufgenommen und können so dazu beitragen, die Arbeitssicherheit im Betrieb zu
verbessern sowie Fehlzuordnungen und damit auch Kosten zu vermeiden.
Insgesamt konnte daher durch dieses Teilprojekt ein erheblicher Beitrag zur Umsetzung der Projektziele geleistet werden. Neben den ökologischen Effekten durch
Reduzierung der Transporte und der Abfallmengen konnten wirtschaftliche Effekte
realisiert werden, die nachhaltig dazu beitragen werden, die Wettbewerbsposition
der Rekonditionierbetriebe zu stärken.
76
3.3.2
3.3.2.1
Verfahren zur Aufbereitung von Öl-Wasser-Gemischen
Beschreibung der Aufgabenstellung und Zielsetzung
Im Rahmen des Reinigungsprozesses fallen große Mengen an Prozesswässern
an (z. B. Öl-Wasser-Gemische), die in der Vergangenheit aufgrund fehlender Aufbereitungsmöglichkeiten unbehandelt an ein externes Unternehmen abgegeben
werden mussten. Bedingt durch die großen Mengen war dies mit hohen Entsorgungs- und Transportkosten verbunden. Darüber hinaus ergab sich ein sehr großer Frischwasserbedarf. Zur genaueren Verdeutlichung der Zusammenhänge soll
kurz der Wasserkreislauf zu Projektbeginn erläutert werden.
Die Reinigung gliedert sich grob in zwei Stufen: die Vorreinigung, in der die Gebinde von groben Verunreinigungen befreit werden, und die Hauptreinigung, in der
eine abschließende, gründliche Spülung der Gebinde erfolgt. Zur Reduzierung des
Frischwasser- und Energiebedarfs (Vorwärmung der Reinigungswässer) wurden
bislang die Reinigungswässer aus der Hauptreinigung in der Vorreinigungsstufe
eingesetzt. In der Vorreinigung anfallende Reinigungswässer wurden anschließend als Spülwässer für die Vorreinigung in der Metall-Schredderanlage für nicht
reinigungsfähige Fässer verwendet. Infolge der emulgierenden Wirkung der dem
Reinigungswasser zugesetzten Tenside (Anteil 2 %) bildete sich so durch die Reinigungsprozesse ein Öl-Wasser-Gemisch. Die Mehrfachverwendung der Reinigungswässer führte zu einer starken Aufkonzentration des Ölanteils in der Emulsion. Das gesamte angefallene Öl-Wasser-Gemisch wurde zusammen mit den
Restinhalten im Anschluss an den Reinigungsprozess gesammelt und von einem
externen Unternehmen abgeholt. Beim Entsorger wurde mit einem aufwendigen
chemisch-physikalischen Behandlungsverfahren das Gemisch so weit aufbereitet,
dass es in eine Kläranlage eingeleitet werden konnte.
Der Frischwasserbedarf der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. betrug zu
Projektbeginn ca. 5000 bis 6000 m3 pro Jahr. Das Entsorgungsaufkommen an ÖlWasser-Gemischen belief sich auf ca. 6.000m3 Öl-Wasser-Gemisch jährlich. Es
bestand somit aufgrund der hohen Kosten für Frischwasser- und Energieversorgung sowie Entsorgung der Öl-Wasser-Gemische17 für das Unternehmen akuter
Handlungsbedarf. Verstärkt wurde dieser durch aktuelle Entwicklungen auf dem
Entsorgungsmarkt, die weiter steigende Entsorgungskosten vermuten ließen.
Ziel der Forschungsarbeiten war es daher, eine Aufbereitungsanlage für die bei
der Reinigung anfallenden Öl-Wasser-Gemische zu entwickeln, umzusetzen und
zu erproben. Durch Kreislaufführung des eingebrachten Frischwassers sollte eine
deutliche Reduzierung des Frischwasserbedarfs und der Entsorgungsmengen er-
17
Je nach Belastung / Konzentration der Öl-Wasser-Gemische liegen die Entsorgungspreise zwischen 74 und 398 € pro m³.
77
möglicht werden, so dass sich gleichermaßen ökologische wie ökonomische Verbesserungen ergeben.
3.3.2.2
Anforderungen an die zu realisierende Anlage
Zur Umsetzung der Zielsetzung war es erforderlich, die technischen Realisierungsmöglichkeiten zur Aufbereitung der Reinigungswässer aus der Fass- und
IBC-Reinigung genauer zu untersuchen und im Rahmen einer Pilotanlage zu erproben. Aufgabe des Aufbereitungsverfahrens war die Abtrennung von Ölen, Feststoffen und eventuell Lösungsmitteln vor Ort, so dass die gereinigten Prozesswässer weitestgehend im Kreislauf gefahren werden können. Neben der zuvor angeführten Reduzierung der eingesetzten Frischwasser- und Energiemengen, sollte
das Volumen der zu entsorgenden Rückstände und der im Reinigungswasser enthaltenen Stör- und Schadstoffe minimiert werden. Faktisch war dies nur durch eine möglichst vollständige Rückgewinnung des eingesetzten Frischwassers, respektive durch die Maximierung der Aufkonzentration und anschließende Ausschleusung der im Reinigungswasser enthaltenen Stör- und Schadstoffe umsetzbar. In diesem Fall wären nur noch die Rückstände aus der Restentleerung und
das Konzentrat der zu entwickelnden Anlage einer ordnungsgemäßen Entsorgung
zuzuführen. Folgende Ziele wurden demzufolge für die Umsetzung der Prozesswasseraufbereitung definiert und für die Verfahrenskonzeption zugrunde gelegt:
•
Reduzierung der Entsorgungsmengen (Öl-Wasser-Gemische);
•
Verminderung des Frischwasserverbrauchs in Fass- und IBC-Reinigung;
•
Verwendung eines Verfahrens mit möglichst geringem Energiebedarf;
•
Häufige Wiederverwendung des Destillats im Bereich der Fassreinigung;
eine Frischwasserzufuhr soll nur noch zum Ausgleich von Verlustmengen
erforderlich sein.
Über die Forderung nach der Optimierung des Stoff- und Energiebedarfs hinaus,
war es erforderlich, zusätzliche Aspekte bei der Konzeption und Auswahl geeigneter Verfahren und Anlagen zu berücksichtigen. Insbesondere im Hinblick auf den
späteren Betrieb einer entsprechenden Aufbereitungsanlage ergaben sich weitere,
grundlegende Anforderungen, die sich folgendermaßen darstellten:
78
•
Kontinuierlicher Betrieb der Anlage (auch am Wochenende);
•
Einfache Bedienbarkeit durch das Betriebspersonal;
•
Wartungsfreundlichkeit, zumindest einfache Wartungsarbeiten sollten durch
das Betriebspersonal möglich sein;
•
Hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit;
•
Möglichst geringe Anschaffungs- und Betriebskosten.
Darüber hinaus flossen zusätzliche Erkenntnisse aus der vor Ort durchgeführten
Schwachstellenanalyse in den Anforderungskatalog ein. In diesem Zusammenhang stellte sich heraus, dass die Nassreinigung idealerweise in drei parallelen
Linien erfolgen sollte, die jeweils eine separate Behandlung der Mengenströme
ermöglichen. Zudem musste die Metall-Schredderanlage in das Konzept der Reinigungswasseraufbereitung integriert und im Zuge der Erstellung des Anlagenlayouts berücksichtigt werden. Nur durch die konsequente Integration der genannten
Anforderungen in den Auswahl- und Bewertungsprozess in Frage kommender
Systeme konnte das Ziel nachhaltiger Kosteneinsparungen durch die Reduzierung
der eingesetzten Ressourcen sowie der zu entsorgenden Mengenströme erreicht
werden.
Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen wurden Bewertungskriterien für in
Frage kommende Systeme definiert und für die Auswahl zugrunde gelegt. Diese
stellen sich folgendermaßen dar:
•
Nutzbarkeit des gewonnenen Destillats / Permeats,
•
Verringerung der Entsorgungsmengen (Konzentrat),
•
Möglichkeit zum kontinuierlichen Betrieb,
•
Geringer Energieverbrauch,
•
Einfache Bedienbarkeit durch das Personal,
•
Wartungsfreundlichkeit,
•
Hohe Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit,
•
Niedrige Kosten für Energieversorgung, Bedienpersonal sowie Wartung
und Instandhaltung.
Anhand dieser Kriterien wurden verschiedene technischen Umsetzungsalternativen analysiert und bewertet. Dies wird im nachfolgenden Kapitel umfassend beschrieben.
3.3.2.3
Bewertung technischer Alternativen
Basierend auf einer umfassenden Recherche des Standes der Technik erfolgte
eine Eingrenzung in Frage kommender Verfahrensalternativen. Zur Realisierung
der Prozesswasseraufbereitung kommen grundsätzlich drei Verfahrensalternativen in Frage:
•
Ultrafiltration,
•
Chemisch-physikalische Verfahren sowie
•
Vakuumdestillation.
79
Diese drei Verfahrensalternativen wurden daher genauer analysiert und, z. T. verifiziert durch Tests, einer umfassenden Bewertung unterzogen. Nachfolgend werden daher die Funktionsweise und die Eignung der Verfahren im Hinblick auf die
Realisierung der Aufgabenstellung genauer beschrieben.
Ultrafiltration
Die Ultrafiltration ist ein Teilgebiet der druckbetriebenen Membranfiltration und
deckt bezüglich der Trennschärfe den Bereich zwischen der Mikrofiltration und der
Nanofiltration ab. Das Verfahren entspricht dem Grundprinzip poröser Filter. Stoffe
bzw. Partikel, die größer sind als die Porenweite der semipermeablen Membran
(Filter) werden zurückgehalten. Dies ermöglicht es, rein physikalische Verunreinigungen im Molekularbereich von 1.000 bis 500.000 Dalton mit Hilfe spezieller Filtermembranen, die eine Porengröße von 0,005 μm bis 0,1 μm aufweisen können,
abzutrennen /CON 2005/ /DEC 2005/. Eine grobe Einordnung der Ultrafiltration im
Rahmen der derzeit gängigen Membranverfahren ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 3-19:
80
Einteilung der Membranverfahren /LEG 2006/
Neben der grundlegenden Verwendung in der Wasseraufbereitung bietet die Ultrafiltration weitere bekannte Einsatzpotenziale für industrielle Anwendungen, wie
etwa die Aufbereitung von hochreinem Wasser für die Pharmazie und Elektronikindustrie sowie zum Entsalzen in der chemischen Industrie. Derzeit gewinnt die
Membrantechnik zunehmend an Bedeutung, da einerseits die Technik, respektive
die Qualität und insbesondere die Standzeit der Membranen, in den letzten Jahren
erheblich verbessert wurden und andererseits der Einsatz von Hilfsstoffen bei
Membranverfahren weitgehend entfällt. So kann etwa der Einsatz teurer Chemikalien vermieden werden. Die Ultrafiltration wird derzeit überwiegend bei der Aufkonzentration von Emulsionen, zum Fraktionieren niedermolekularer Lösungen
und Makromolekülen, zum Reinigen wässriger Lösungen sowie zum Entfernen
von Lösungsmitteln eingesetzt. Praktische Anwendungsgebiete sind /IVT 2005/:
•
Sickerwasseraufbereitung, i. d. R. in Kombination mit biologischen Behandlungsverfahren,
•
Konzentrieren, Separieren und Reinigen von Impfstoffen und Enzymen,
•
Standzeitverlängerung von Elektrotauchbädern,
•
Aufbereitung von Entfettungsbädern und die
•
Aufkonzentrierung von Öl-Wasser-Emulsionen.
Bei allen Anwendungsfällen ist es erforderlich, eine mechanische Reinigungsstufe
vorzuschalten, um die Grobstoffe abzutrennen und Beschädigungen der Membran
zu vermeiden. Dabei werden über einen Vorabscheider wie z. B. Rechen oder
Kantenspaltfilter, nicht emulgierte, partikuläre Bestandteile und grobe Schmutzpartikel abgetrennt und die mechanisch vorgereinigte Emulsion in einem Vorlagebehälter zwischengepuffert. Von dort aus wird die Emulsion mit einem Druck von bis
zu 10 bar (üblich sind 3 bis 10 bar, je nach Art der Anlage) durch die Filtrationsmembran gedrückt /WAS 2005/. Die Wassermoleküle passieren die Membran
(Permeat), das belastete Konzentrat (Retentat) fließt zurück in den Vorlagebehälter. Das Permeat kann anschließend wieder eingesetzt werden, während das
Konzentrat bis zum Erreichen einer vorgegebenen Konzentration zirkuliert, dann in
einen dafür vorgesehenen Sammler zwischengepuffert und anschließend entsorgt
wird.
Als Membranmaterialien werden derzeit hauptsächlich Polyamide, Polysultane
und Celluloseacetate eingesetzt /WAS 2005/. Bei allen Membrananlagen muss die
Membran regelmäßig gereinigt und die Deckschicht von der Filtermembran entfernt werden. Dies erfolgt durch regelmäßige Spülvorgänge, wofür Permeat verwendet werden kann. In Abhängigkeit von den Inhaltsstoffen der Emulsion kann
jedoch zusätzlich der Einsatz chemischer Zusätze erforderlich sein. Entsprechende Spülwässer stehen dann ebenfalls zur Entsorgung an.
81
Seitens des Unternehmens Falk GmbH mit Sitz in Westerburg durchgeführte Versuche auf Basis der Ultrafiltration führten sehr schnell zu dem Ergebnis, dass das
Verfahren der Ultrafiltration für den betrachteten Fall ungeeignet ist. Zwar lässt
sich mit Hilfe der Ultrafiltration das Volumen der zu entsorgenden Prozesswässer
auf ca. 33 % zu reduzieren /FAL 2005/, aber in Folge der inhomogenen Zusammensetzung der stark verschmutzten Reinigungswässer setzen sich die Membrane sehr schnell zu. Insbesondere harzige und faserige Rückstände aus den zu
rekonditionierenden Gebinden führen zur Verklebung der Filtermembran. Die Reinigungsleistung wird dadurch stark negativ beeinflusst und die Standzeiten der
Filtermembran zudem erheblich verkürzt. Es wäre also ein großer Reinigungsaufwand erforderlich, verbunden mit den einhergehenden Nachteilen in Form von
längeren Stillstandzeiten, hohem Einsatz von Reinigungschemikalien und den
daraus resultierenden Kosten. Zudem kann dadurch von kürzeren Standzeiten der
einzelnen Membrane ausgegangen werden. Da Membrane sehr teuer sind und die
Membranersatzkosten erheblichen Anteil an den Gesamt- und Betriebskosten haben, scheidet die Ultrafiltration als mögliches Reinigungsverfahren aus.
Chemisch-physikalische Verfahren
Unter chemisch-physikalischen Verfahren der Wasseraufbereitung versteht man
solche Verfahren, bei deren Einsatz Stoffumwandlungen durch chemische Reaktionen bewirkt werden, die den Einsatz physikalischer Aufbereitungsverfahren wie
etwa Filtration oder Sedimentation erst ermöglichen. Zu diesen Verfahren gehören
z. B. Fällung, Flockung, Chlorung, Oxidation und Neutralisation. Ihr Ziel ist es,
durch Zugabe geeigneter Chemikalien im Abwasser gelöste Verbindungen in einen ungelösten Zustand zu überführen und bei Bedarf die herauszufilternden
Substanzen zu konzentrieren und physikalisch zu entfernen /WAS 2006a/.
Die Neutralisation wird überwiegend zur Hydroxidfällung von Schwermetallen sowie zur Entstabilisierung und Flockung von kolloidalen ggf. auch emulgierten Abwasserinhaltstoffen verwendet. Unterliegt die Abwasserzusammensetzung starken
Schwankungen, so ist die Neutralisation, respektive eine automatische pH-WertRegelung, eine komplexe Aufgabe. In der Regel werden entsprechende Anlagen
zweistufig ausgeführt.
Bei der Fällung werden gelöste Abwasserinhaltsstoffe durch chemische Reaktionen in unlösliche Verbindungen überführt. Um die Abtrennung der ausgefällten
Verbindungen zu verbessern, ist häufig eine Flockung zwischengeschaltet. Dort
werden die fein dispergierten Feststoffpartikel mit zusätzlicher Flockungshilfsmitteldosierung zu größeren Flocken aggregiert. Hierbei findet zunächst die Destabilisierung der Partikel, die Koagulation, statt. Die gleichsinnige Oberflächenladung
der Partikel, die eine Annäherung verhindert, wird durch den Zusatz von Elektrolyten mit entgegengesetzter Ladung aufgehoben. Dabei werden kleinere Flocken
82
mit Hilfe von organischen Polyelektrolyten, den Flockungshilfsmitteln, zu größeren
Flocken zusammengesetzt. Diese können anschließend über entsprechende physikalische Verfahren abgetrennt werden.
Die Oxidation von Prozessabwässern wird durchgeführt, um organische und / oder
anorganische Abwasserinhaltsstoffe zu verändern. Anorganische Verbindungen
können z. B. in eine andere Wertigkeitsstufe überführt werden, in denen sie gut
eliminierbar sind. Organische Stoffe werden entweder in eine biologisch abbaubare Form überführt oder durch (Teil-)Oxidation mineralisiert. Diese Verfahren sind
jedoch für die vorliegenden Abwässer nicht geeignet.
Bei den physikalischen Verfahren handelt es sich um Anreicherungsverfahren.
Dieses sind Verfahren, mit denen die im Prozessabwasser meist in geringen Anteilen vorliegenden Stoffe aufkonzentriert werden können. Von den mechanischen
Trennverfahren, bei denen Partikel durch unterschiedliche mechanische Prinzipien
abgetrennt werden, haben insbesondere die Verfahren der Filtration und der Osmose in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Zur Aufkonzentration
durch Phasengleichgewichts-Effekte sind in der Praxis überwiegend thermische
Verfahren im Einsatz, da die treibenden Kräfte für den Stoffaustausch an der Phasengrenze im Wesentlichen auf Konzentrations- und / oder Temperaturunterschieden beruhen. Die wesentlichen physikalischen Verfahren sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt (in Anlehnung an /ATV 1999/).
Tabelle 3-7:
Physikalische Verfahren der Abwassertechnik
Abwasserinhaltsstoff
Verfahren
Verfahrensprinzip
ungelöst
Sedimentation
Aufschwimmen
Flotation
Zentrifugation
Raumfiltration
Flächenfiltration
Dichteunterschied
Phasengrenze Gas / Flüssig
Eindampfung
Destillation
Strippung
Extraktion
Adsorption
Ionenaustausch
Ultrafiltration
Umkehrosmose
Gelöst
Phasengrenze Flüssig / Flüssig
Phasengrenze Fest / Flüssig
Membran
Anlagerung
Membran
Wie Tabelle 3-7 zu entnehmen ist, gehören auch die Membranverfahren zu den
physikalischen Verfahren. Aufgrund ihrer besonderen Eignung werden diese Verfahren jedoch separat betrachtet. Anzumerken ist ebenfalls, dass der Ionenaustausch prinzipiell ein chemisches Verfahren ist, das aber aus systematischen
83
Gründen (Phasentrennung fest / flüssig) den physikalischen Verfahren zugeordnet
ist.
Aufgrund der stark schwankenden Abwasserzusammensetzung erweisen sich die
genannten Verfahren für den vorliegenden Fall nur eingeschränkt geeignet. Beim
Einsatz chemisch-physikalischer Verfahren im Zusammenhang mit Öl-WasserGemischen wird die Ölphase unter Zugabe von Spaltmitteln und durch Erwärmen
von der Wasserphase getrennt. Konstruktiv bedingt kann dieses jedoch nur chargenweise erfolgen.
Die Verfahren benötigen zu ihrer Einführung verhältnismäßig geringe Investitionen
und wenig Energie zu ihrem Betrieb. Diesen Vorteilen stehen allerdings zwei
grundsätzliche Nachteile gegenüber:
•
Durch den Einsatz von Spaltmitteln entstehen hohe Kosten.
•
Im Reinigungswasser enthaltene Komplexbildner wirken störend. Die sind
anorganische oder organische Verbindungen, die zur Bindung von Metallionen eingesetzt werden, um deren Verhalten in Bezug auf die Reaktionsund Lösungseigenschaften zu verändern. Mit Hilfe von Komplexbildnern
lassen sich beispielsweise Metalle binden und entfernen, Wasser enthärten
oder Gase binden. Schwer lösliche Verbindungen können in leicht lösliche
umgewandelt werden /WAS 2006b/.
Im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführte Versuche und Analysen haben gezeigt, dass chemisch-physikalische Verfahren im vorliegenden Fall nur bedingt geeignet sind. Durch die in den Reinigungswässern enthaltenen Komplexbildner wird die Separation der Ölphase erschwert bzw. vollständig verhindert.
Diese Methode erfordert also einen hohen Einsatz an teuren Spaltmitteln und bietet keine ausreichende Betriebssicherheit, da die Zusammensetzung der Reinigungswässer stark von den Restinhalten der zu rekonditionierenden Gebinde abhängt. Zwar werden in anderen Rekonditionierbetrieben chemisch-physikalische
Verfahren eingesetzt, jedoch unter vollkommen anderen Rahmenbedingungen. So
sind bei einem Unternehmen in Belgien durch die die geografische Lage direkt an
einem Vorfluter die Anforderungen an die Reinigungsleistung ebenso deutlich geringer, wie die Kosten für die Frischwasserversorgung. In den meisten Fällen sind
die Verfahren unwirtschaftlich.
Vakuumdestillation
Die Vakuumdestillation ist ein Destillationsverfahren zur Trennung oder Reinigung
von Flüssigkeitsgemischen, das bei niedrigem Druck im Vakuum erfolgt. Es umfasst die Verdampfung und anschließende Kondensation der Dämpfe zum Destillat, das zusammen oder nacheinander nach Siedebereichen getrennt aufgefangen
wird. Bei der Destillation wird also eine Substanz aus einem Gemisch über einen
84
Verdampfer unter Zufuhr von Wärme in den gasförmigen Zustand überführt. Der
dabei entstandene Dampf wird mittels eines Verdichters komprimiert und hierbei
überhitzt. Dabei erhöht sich neben der Siede- auch die Kondensationstemperatur
des Mediums. Der überhitzte Brüden wird anschließend in einem Kondensator
verflüssigt und die Wärme abgegeben. Diese Wärmeenergie kann zur Verdampfung des Zulaufmediums eingesetzt werden. Die kondensierte Substanz wird danach in einem Ventil entspannt. Das Medium wird dabei solange im Kreislauf geführt bis die erforderliche Konzentration erreicht wird. Infolge des anliegenden Vakuums wird die Siedetemperatur drastisch herabgesetzt. Leichtflüchtige Komponenten verdampfen daher bei wesentlich niedrigeren Temperaturen als bei Normaldruck. Zudem ermöglicht das Verfahren der Vakuumdestillation die Trennung
von Stoffgemischen aus Komponenten, die sich bei höheren Temperaturen zersetzen würden /H2O 2005/. Ein typischer Einsatzbereich des Verfahrens ist die
Erdölraffination, wo mit Hilfe der Vakuumdestillation gewonnenes Rohöl in leichte
und schwere Fraktionen getrennt wird /UMW 2006/.
Schmutzwasser
Dampf unter Vakuum
Dampf unter Atmosphärendruck
Reindestillat
Rückstand
Legende:
1. Eintritt Schmutzwasser
2. Rekuperator
3. Verdampfer, Naturumlauf
4. Abscheider
5. Vakuumpumpe / Brüdenverdichter
6. Kondensator
7. Austritt Rückstand
8. Austritt Destillat
9. Destillatvorlage
10. Eintritt / Austritt Service-Medium
Abbildung 3-20:
Verfahrensschema der Vakuumdestillation /H2O 2005/
85
Zur Einschätzung der Eignung dieses Verfahrens wurden Vorversuche im Labor
durchgeführt. Dazu wurden Proben aus Vorreinigung (Fass), Passivierung (Fass),
IBC-Reinigung und Restentleerung verwendet. Bei diesen Versuchen zeigte sich,
dass gelöste, emulgierte und suspendierte Stoffe mit dem betrachteten Verfahren
effizient abgetrennt werden können. Das Entsorgungsvolumen konnte um bis zu
90 % reduziert werden.
Die Leistung der eingesetzten Anlage hängt allerdings stark von der Konzentration
der Vorlage und dem Ölanteil ab. Bei großem Ölanteil sind die Ergebnisse der
Destillation deutlich schlechter, es konnte im Versuch eine Abdampfrate von nur
etwas mehr als 50 % erzielt werden. Daher ist eine Trennung der emulgierten Ölphase vor der Destillation zwingend erforderlich.
Das gewonnene Destillat kann mit Hilfe einer geeigneten Kreislaufführung in der
Vor- und Hauptreinigung erneut eingesetzt werden, so dass in der Folge eine
deutliche Reduzierung des Frischwasserbedarfs resultiert. Das zurückbleibende
Konzentrat kann energetisch verwertet werden, da es einen guten Heizwert besitzt. Das Verfahren der Vakuumdestillation ist somit prinzipiell gut für die Aufbereitung der Öl-Wasser-Gemische geeignet. Dies wird auch anhand von Tabelle
3-8 noch einmal deutlich, die die drei grundsätzlichen Verfahrensalternativen
nochmals vergleichend gegenüberstellt.
Die Vorteile der Vakuumdestillation liegen vor allem in der einfachen Wartung und
Bedienung, sowie in der Möglichkeit eine einmal installierte Anlage kontinuierlich
mit wenig Personalaufwand betreiben zu können. Den hohen Investitionskosten
für die Anlagenkomponenten stehen niedrige Betriebskosten aufgrund der Entbehrlichkeit von Zusätzen und Hilfsstoffen, geringe Kosten für Wartung und Instandhaltung und eine hohe Reinigungsqualität der Prozesswässer gegenüber,
wodurch sich schnell eine Amortisation der Investition einstellt. Die ausgeschleusten Prozesswässer sind nicht nur mengenmäßig geringer sondern auch aufgrund
der homogenen Zusammenstellung preisgünstiger zu entsorgen.
86
Tabelle 3-8:
Bewertete Gegenüberstellung der möglichen Aufbereitungsverfahren
Ultrafiltration
Einsatz chemischphysikalischer
Verfahren
Vakuumdestillation
Hoher Durchsatz
}
z
z
Hohe Reinigungsqualität
{
}
z
Geringe Personalkosten
}
{
z
Geringe Investitionskosten
}
z
{
Niedrige Betriebskosten
}
{
z
Niedriger Wartungsaufwand
{
}
z
Möglichkeit des
kontinuierlichen Betriebs
{
}
z
Niedriger Energiebedarf
z
z
}
Hohe Zuverlässigkeit /
Betriebssicherheit
{
}
z
Geringe Anforderungen
an die Bedienung
}
{
z
Verringerung der
Entsorgungsmengen
}
}
z
{ ungeeignet, } bedingt geeignet, z geeignet
Zur Umsetzung der Vakuumdestillation ist es allerdings zwingend erforderlich,
zuvor eine Feststoffabtrennung und eine Ölabscheidung durchzuführen. Nur so
können ein störungsfreier Betrieb und eine hohe Standzeit der Anlagen gewährleistet werden. Daher wurden auch diese notwendigen Prozessschritte genauer
untersucht und technische Alternativen bewertet.
Zunächst soll die Feststoffabtrennung betrachtet werden. Vor der Behandlung der
Reinigungswässer müssen grundsätzlich störende Feststoffe, die als Restinhalte
in oder als Schmutzanhaftungen an den Fässern vorhanden sein können, abgetrennt werden, um so den Schutz der eigentlichen Prozesswasserreinigungsanlage und folglich deren störungsfreien Betrieb zu gewährleisten. In Frage kommen
hierzu rein mechanische Verfahren, wie beispielsweise Filter oder Siebrechen.
Im industriellen Bereich werden vielfach so genannte Kantenspaltfilter eingesetzt.
Dabei handelt es sich um verbrauchsmittelfreie Filteraggregate, die zum
Feinstfiltrieren von Öl-Wasser-Gemischen mit zusätzlicher Partikelbelastung, wie
87
z. B. zur Aufbereitung von Kühlschmiermitteln, eingesetzt werden. In einem Druckbehälter, dem so genannten Filterkessel, befinden sich vertikal angeordnete Filterkerzen. Diese Filterkerzen werden von der verschmutzten Emulsion jeweils von
außen nach innen durchströmt. Schmutzpartikel, die größer sind als die Öffnungen
im Filtermedium, lagern sich außen an den Filterkerzen an. Diese Anlagerungen
werden durch Drehen des Filterelementes an einem feststehenden Abstreifblech
abgeschabt und im Filtersumpf gesammelt /ENC 2005/. Von dort aus können sie
dann über ein automatisches Ventil Intervall weise ausgetragen werden. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb des Filters.
Abbildung 3-21:
1.) Einfließen der zu filternden
Flüssigkeit in den oberen
Ringkanal. Das Design des
Ringkanals bewirkt eine
Strömungsberuhigung und
eine optimierte
Vorabscheidung
3.) Die gefilterte Flüssigkeit
verlässt den Kantenspaltfilter
über den Anschlussstutzen im
Gehäuseboden
2.) Hydrodynamische
Abstreifer rotieren um das
Filterelement und reinigen es
kontinuierlich.
4.) Die ausgefilterten Partikel
setzen sich aufgrund ihres
Eigengewichts und der
Strömung im unteren
Schmutzsammelraum ab, von
wo aus sie über ein
tangentiales Austragrohr
entfernt werden können
Funktionsweise eines Kantenspaltfilters /BLA 2005/
Vorteile dieses Verfahrens sind neben der guten Regenerierbarkeit der Filterkerzen deren Langlebigkeit und die hohe Filterfeinheit /RD 2002/. Letztere führt aber
bei harzigen und faserhaltigen Suspensionen zu Problemen. Dies hat sich in Versuchen, die im Rahmen des Vorhabens mit einem Kantenspaltfilter der Spaltweite
100 μm durchgeführt wurden, bestätigt. Das schnelle Verkleben bzw. Zusetzen
der Filterkerzen führte dazu, dass die Rückstände zu wässrig wurden. Abgesehen
von dem hohen Aufwand zur häufigen Regenerierung der Filterkerzen nahm somit
auch die Menge der zu entsorgenden Rückstände erheblich zu, was letztendlich
zu höheren Entsorgungskosten führt. Insgesamt haben die Versuche gezeigt,
dass Kantenspaltfilter für die Vorreinigung der im betrachteten Fall anfallenden
Reinigungswässer nicht geeignet sind.
88
Beim Siebrechen wird die von festen Störstoffen zu reinigende Suspension axial
auf ein Lochsiebblech oder einen Rost eingeleitet. Die Strömungsenergie wird mit
Hilfe eines Prallkastens abgebaut. Je nach Auslegung der Spaltbreite beim reinen
Siebrechen oder aber der Lochweite bei einem konventionellen Sieb oder Rost,
werden Feststoffe der gewünschten Körnung zurückgehalten. Die so von Störstoffen gereinigte Suspension fließt in eine Unterwanne oder in einen bauseitigen
Schacht ab und kann zur weiteren Bearbeitung über ein entsprechendes Gerinne
weitergeleitet werden. Je nach Art der Vorreinigung können über eine automatische Rechen- bzw. Siebreinigung die Rechen- / Siebfläche in regelmäßigen Intervallen gesäubert und die abgetrennten Feststoffe in einen Sammelbehälter gefördert werden. Dies geschieht zum Beispiel mit Hilfe von rotierenden Bürsten, welche die Feststoffe abtragen und zur Auswurfseite befördern, wo sie mit Hilfe von
Abstreifern beseitigt werden /OSW 2006b/
Abbildung 3-22:
Siebrechen /OSW2006a/
Im Rahmen des Vorhabens mit Siebrechen durchgeführte Versuche brachten zufrieden stellende Ergebnisse. Das Verfahren weist einen geringen Wartungsaufwand und eine hohe Prozesssicherheit auf, wodurch die Anlage störungsfrei betrieben werden konnte. Das Sieb neigt im Gegensatz zum Filtermedium des
Kantenspaltfilters nicht zur Verstopfung. Zusätzlich sorgt das kontinuierliche Abschöpfen der Feststoffe für eine selbständige Reinigung und die Möglichkeit eines
dauerhaft unbeaufsichtigten Einsatzes.
Nach der Entfernung der Feststoffe ist es vor der Aufbereitung zusätzlich notwendig, das im Schmutzwasser gelöste Öl abzuscheiden und frühzeitig aus dem Wasserkreislauf in die Restöltanks abzuführen, um optimale Aufbereitungsergebnisse
zu erzielen. Dies ist zum Beispiel durch den Einsatz so genannter Skimmer oder
mit Hilfe von Koaleszenzabscheidern möglich.
89
Koaleszenzabscheider arbeiten nach dem Prinzip der Anlagerung von kleinen
Tröpfchen an so genannten Tropfkörpern. Eine Emulsion durchströmt großflächige
Metallgitterstrukturen, wobei kleine in der Emulsion enthaltene Tröpfchen sich zu
einem größeren Film verbinden. Dieser als Koaleszieren bezeichnete Vorgang
erlaubt das Abtrennen des sich bildenden Ölfilms und somit das Ausschleusen
vorhandener Ölphasen /WAS 2006c/. Den Vorteilen des hohen Flüssigkeitsdurchsatzes und des vergleichbar einfachen Betriebs steht der große Nachteil kostenintensiver Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten gegenüber.
Abbildung 3-23:
Koaleszenzabscheider /MAL 2006/
Die Wirkungsweise von Skimmern beruht auf der Haftung (Adhäsion) von Ölen an
ausgewählten ölanziehenden (oleophilen) Materialien. Frei aufschwimmende
Fremdöle können auf diese Weise aus einer Emulsion abgeschieden werden. In
der Regel ist der Einsatz von Skimmersytemen kostengünstig und sollte daher,
wenn möglich, konkurrierenden Verfahren wie etwa Separationssystemen vorgezogen werden /GEW 2006/.
Freies Fremdöl kann nur bei Maschinenstillstandzeiten von ausreichender Länge
ungehindert zur Emulsionsoberfläche aufschwimmen. Hier kann es mit Hilfe der
Skimmer, die über Zeitschaltuhren gesteuert laufen, entfernt werden. Je höher die
Viskosität des Fremdöles, desto höher ist der Wirkungsgrad der eingesetzten
Skimmer.
Die üblichsten Bauformen von Skimmern sind:
•
Scheibenskimmer,
•
Schlauchskimmer,
•
Bandskimmer und
•
Kettenskimmer.
Beim Scheibenskimmer taucht eine Scheibe, zumeist aus Kunststoff oder beschichtetem Edelstahl, zu einem Drittel in die zu reinigende Emulsion ein und ro-
90
tiert langsam. Fremdöle haften an der Scheibe und werden an einem Abstreifer
abgeschieden. Voraussetzung für den Einsatz eines Scheibenskimmers, dessen
Vorteile vor allem in der Erzeugung einer Strömung an der Emulsionsoberfläche
und damit verbundener erhöhter Abscheideleistung liegen, ist ein weitgehend konstantes Emulsionsniveau im Behälter.
Beim Schlauchskimmer treibt ein rotierender Kunststoffschlauch auf der Emulsionsoberfläche und bindet Fremdöle adhäsiv. Die Öle werden an einem Abstreifer
zurückgewonnen. Auch beim Schlauchskimmer wird die Abscheideleistung durch
eine Strömung an der Emulsionsoberfläche erhöht. Ein Abfördern der Öle ist bis
zu einer Höhe von zwanzig Metern und bei Füllhöhenschwankungen von bis zu
zwei Metern möglich. Grundsätzlich ist der Schlauchskimmer nicht an eine vorgegebene Beckenform gebunden und somit in besonderem Maße flexibel einsetzbar.
Der Einsatz setzt allerdings eine freie Emulsionsoberfläche von mindestens 1m2
voraus.
Bandskimmer bestehen entweder aus einem endlosen Metall- oder Kunststoffband sowie einem im oberen Bereich angeordneten Abstreifer. Das Skimmerband
rotiert über zwei Umlenkrollen und befindet sich mit einem Drittel der Bandfläche
der Emulsion. Freie Öle werden am Band über Ölabstreifer abgeschieden.
Abbildung 3-24:
Bandskimmer /UNT 2006/
Kettenskimmer arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Bandskimmer. Anstelle
eines Bandes rotiert eine metallische Gliederkette über eine Umlenkrolle, die sich
ebenfalls etwa zu einem Drittel in der Emulsion befindet. Freie Öle werden an der
Kette abgeschieden. Der Vorteil beim Einsatz der Band- oder Kettenskimmer ist
die weitgehende Unabhängigkeit von Niveauschwankungen im Behälter, sowie ihr
geringer Platzbedarf. Nachteilig bemerkbar machen sich Strömungen an der
Emulsionsoberfläche.
91
Die Auswahl eines auf den Bedarf angepassten Skimmersystems wird anhand
mehrerer Kriterien durchgeführt. Mit Hilfe von Abbildung 3-25 sollen grundlegende
Fragestellungen zur Bestimmung des geeigneten Systems verdeutlicht werden.
Von Bedeutung sind vor allem die vom Öl zu befreiende freie Oberfläche sowie die
Schwankungen des Oberflächenniveaus
Abbildung 3-25:
Auswahl eines Skimmverfahrens (nach /GEW 2006, erweitert/)
Da im betrachteten Fall das Niveau des Flüssigkeitsstandes im Behälter deutlich
schwankt und die freie Oberfläche zudem mehr als 1 m2 beträgt, erweist sich der
Einsatz eines Schlauchskimmers als geeignet.
3.3.2.4
Konzipierung eines geeigneten Verfahrens
Wie in dem vorherigen Kapitel beschrieben, war es sinnvoll, eine Aufbereitungsanlage mit drei grundlegenden Verfahrensstufen zu realisieren. Zunächst werden
die Prozesswässer mit Siebrechen von Feststoffen befreit, bevor Öle mittels
Schlauchskimmer entfernt und das Prozesswasser der Vakuumdestillationsanlage
zur Aufbereitung zugeführt wird.
Die konsequente Orientierung an den Projektzielen, respektive das Ziel des kontinuierlichen Betriebs und der Realisierung optimaler Aufbereitungsergebnisse bei
schwankender Abwasserqualität, führte zu der Erkenntnis, dass zusätzlich eine
kapazitive Messung zur Regelung der Öl-Wasser-Trennung in den Prozess zu
integrieren war. Dies ermöglicht eine frühzeitige, bedarfsgerechte Abtrennung der
Ölphasen und deren Ableitung in Sammeltanks. Dabei macht man sich den physikalischen Effekt zu Nutze, dass eine eingebrachte Messelektrode, das Füllgut und
die Rohrwand einen elektrischen Kondensator bilden, dessen Kapazität im We-
92
sentlichen durch drei Faktoren beeinflusst wird: den Abstand der Elektrodenflächen (a), der Größe der Elektrodenflächen (b) und der Art des Dielektrikums zwischen den Elektroden (c) (vgl. Abbildung 3-26).
Abbildung 3-26:
Schematische Darstellung des Plattenkondensators /VEG 2005/
Die Elektrode und die Rohrwand sind die Kondensatorplatten, während das Füllgut das Dielektrikum darstellt. Aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitätszahlen
von Öl und Wasser lassen sich die durchfließenden Medien abtrennen. Änderungen der Kapazität werden durch einen proportional zur Kapazität erzeugten Strom
sichtbar, was ein gezieltes Ausschleusen der Behälterinhalte in die jeweils vorgesehenen Behältnisse über Ventile ermöglicht. Die nachfolgende Abbildung zeigt
eine kapazitive Messsonde, die an einer Rohrleitung angebracht ist.
Abbildung 3-27:
Kapazitätsmesssonde im Betrieb /BLA 2004/
Mit Hilfe der Messsonden ist es möglich, eine bedarfsgerechte Steuerung der
Mengenströme zu gewährleisten, was neben einer Verbesserung des Aufbereitungsergebnisses auch zur Energieeinsparung beiträgt.
93
3.3.2.5
Planung, Aufbau und Erprobung der Versuchsanlage
Nach Auswahl geeigneter Systemkomponenten wurde eine Versuchsanlage geplant und installiert, um die Funktionsweise und Zuverlässigkeit des Aufbereitungsverfahrens zu erproben. Für die Umsetzung wurden neben den bereits beschriebenen Anlagenkomponenten eine Vielzahl an Stellventilen und Rohrleitungen sowie insgesamt fünf Flüssigkeitstanks benötigt (vgl. Abbildung 3-28). Die
stetige Versorgung der Vakuumdestillationsanlage wird durch ein Vorlagebecken
gewährleistet. Um zeitweise überschüssiges Destillat puffern zu können, wurden
Behälter mit einem Fassungsvermögen von etwa 1 m3 Inhalt vorgesehen. In
Abbildung 3-28 ist der Prozesswasserkreislaufführung dargestellt. Der Vorgang
gliedert sich in die nachfolgend genannten Teilvorgänge, deren Nummerierungen
zur Erleichterung des Verständnisses in der Abbildung dargestellt sind.
1) Sammeln der Prozesswässer,
2) Abscheiden von Festkörpern mittels Siebrechen,
3) kapazitive Messungen zur Ölausschleusung,
4) Skimmen des Vortanks der Vakuumdestillationsanlage,
5) Vakuumdestillation und
6) Skimmen des Tanks für das Destillat.
94
Verfahrensschema der Prozesswasserkreislaufführung /BPM 2005/
Abbildung 3-28:
6)
1)
4)
5)
3)
3)
2)
95
Wie aus dem Schema der Prozesswasserkreislaufführung ersichtlich, werden die
in Vorreinigung, Hauptreinigung, Passivierung, Restentleerung und Schredder anfallenden Prozesswässer gesammelt über einen Siebrechen in einen gemeinsamen Tank geleitet. Der Siebrechen vom Modell BF4 des Herstellers Oswald
Schulze Umwelttechnik GmbH arbeitet mit einem Durchsatz von maximal 2,8 l/s.
Die Sieböffnungen haben einen Durchmesser von 1 mm. Die zum Einsatz kommenden Bürsten rotieren mit ca. 2 U/min und befördern die vom Blech zurückgehaltenen Feststoffe zu einem Abstreifer, der diese in einen Sammelbehälter auswirft. Die Wartung beschränkt sich im Wesentlichen auf regelmäßige Sichtinspektionen und Nachjustieren des Abstreifers. Komplette Reinigung des gesamten Rechens, Überprüfen des Sitzes von Verbindungselementen, Schmieren und Nachfüllen von Öl sind nur nach längeren Betriebszeiten notwendig /OSW 2006b/. Die
den Siebrechen passierende Flüssigkeit wird nach Zwischenpufferung in einem
Tank einer kapazitiven Messung unterzogen, durch die die automatische Steuerung eines Stellventils erfolgt, um den Durchfluss je nach seiner Zusammensetzung entweder in den Tank für die Ölphase oder in den Tank für die Wasserphase
zu befördern. Die in dem Öltank gesammelten Rückstände werden an ein externes Entsorgungsunternehmen übergeben. Der Tank für die Wasserphase beinhaltet zudem die Prozesswässer der Containerreinigung, die über einen zweiten
Siebrechen direkt zugeleitet werden.
An der Ableitung aus dem Wasserphasentank findet erneut eine kapazitive Messung statt. Die gering ölhaltigen Prozesswässer gelangen in die Vorlage für die
Vakuumdestillationsanlage, die durch einen auf dem Tank montierten Skimmer
von aufschwimmenden Restölen befreit wird. Es ist dabei unbedingt erforderlich,
dass die im Tank befindliche Flüssigkeit so lange im Behältnis steht, dass das Öl
zur Oberfläche auftreiben und abgeskimmt werden kann. Der zum Einsatz kommende Schlauchskimmer vom Modell 6V des Herstellers Friess GmbH arbeitet mit
einem oleophilen Endlosschlauch, der außerhalb des Emulsionsbeckens regelmäßig durch Abstreifer von anhaftendem Öl befreit wird. Die Schlauchbewegung
sorgt für eine stetige Bewegung der Wasseroberfläche, wodurch das auftreibende
Öl in Richtung des Schlauchs bewegt wird. Das System ist auch bei Niveauschwankungen von bis zu zwei Metern problemlos zu betreiben und ist in der Lage, bis zu 900 Liter leichtes Öl oder bis zu 5.500 Liter schweres Getriebeöl pro
Tag abzufördern. Der Einsatz des Modells 6V eignet sich insbesondere bei großen
zu reinigenden Oberflächen /FRI 2005/.
96
Abbildung 3-29:
Schlauchskimmer in Betrieb (links), Abstreifersystem (rechts)
/FRI 2006/
Der Vacudest-Anlage VAC 1000 von der H2O GmbH vorgelagert befindet sich ein
Behälter, dessen Flüssigkeitsstand durch eine Pumpe, die automatisch beim Erreichen festgelegter Wasserstände zu arbeiten beginnt, auf einem gleichmäßigen
Niveau gehalten wird. Die in der Anlage enthaltene Vakuumpumpe erzeugt einen
Druck von 600 mbarabs. Das so genannte „Feed“ wird mittels dieses Vakuums in
die Anlage gesaugt und mit Hilfe des eingesetzten Rekuperators bereits beim Einströmen erwärmt. Aufgrund des geringeren Drucks verdampft das Prozesswasser
im Verdampfer bereits bei Temperaturen von ca. 85 °C, schwerer siedende Komponenten verbleiben als Rückstände. Die Vakuumpumpe, die die einzige Energiequelle im gesamten Anlagensystem darstellt und etwaige Wärmeverluste ausgleicht, saugt den Wasserdampf ab und verdichtet ihn auf Atmosphärendruck. Der
entstehende überhitze Dampf, auch Brüden genannt, besitzt bei Atmosphärendruck eine Kondensationstemperatur von 100 °C. Durch Einleiten in den Wärmetauscher, wo er mit den Prozesswässern von maximal 85 °C in Kontakt kommt,
kondensiert der Brüden und gibt die zur Verdampfung benötigt Wärmeenergie an
die Prozesswässer ab. Das Ergebnis ist ein energetisches Gleichgewicht. Das
gewonnene Destillat wird beim Abfließen erneut durch den Rekuperator geschleust, wo ein Wärmeaustausch mit zufließenden Prozesswässern stattfindet.
Das Klarwasser verlässt die Anlage abhängig von der Prozesszeit mit Temperaturen von 40 bis 90 °C. Ein erneuter Zufluss ist durch eine automatische Steuerung
gewährleistet, so dass bei Abdampfen des Wassers der Flüssigkeitsspiegel im
Verdampfer nicht unter ein vorgegebenes Minimum sinken kann.
97
Abbildung 3-30:
Vakuumdestillationsanlage vor Inbetriebnahme /BLA 2005/
Die Dauer des Prozesses beträgt abhängig von der Belastung des Prozesswassers mehrere Stunden. Druck und Temperatur verändern sich mit steigender Konzentration. Aufgrund der Überwachung über die Prozessdauer kann bei Erreichen
eines eingestellten Grenzwertes die Vakuumpumpe abgestellt, das Konzentrat
entfernt und die Anlage belüftet werden. Danach wird das Ablassventil geschlossen und die Vakuumpumpe wieder in Betrieb genommen. Der im Destillationssumpf zurückbleibende Rest kann als Ersatzbrennstoff verfeuert werden.
Die Anlage der H2O GmbH verfügt über eine maximale Aufbereitungsleistung von
1000 Litern pro Stunde. Eine gegenüber einer getesteten Anlage des Konkurrenten Loft vorhandene Druckdifferenzmessung, die eine bedarfsgerechte und automatische Veränderung der Prozessparameter erlaubt, ermöglicht eine bessere
und bedarfsgerechte Steuerung des Destillationszyklus. Zudem enthält die Anlage
im Vergleich zu anderen Anbietern Siedesteine.
Während das im Prozess gewonnene Konzentrat gemeinsam mit den bereits vorher ausgeschiedenen Ölphasen in den Tank für die Entsorgung geleitet wird, fließt
das gewonnene Destillat in einen Sammeltank, auf dem ein zweiter Skimmer die
letzten Ölbestandteile abträgt und entfernt. Das bereinigte Destillat kann durch die
sich anschließende Kreislaufführung erneut in die Reinigungsanlagen eingeleitet
und dort verwendet werden, wodurch der Bedarf an Frischwasser entscheidend
gesenkt werden kann. Sollte in Folge einer geringeren Abnahme des Destillats in
den Reinigungsstufen der Füllstand des Destillattanks die Marke von 92 % übersteigen, können überschüssige Bestände zeitweise in die dafür vorgesehenen
Pufferbehälter mit einem Volumen von je 1 m3 gefüllt werden. Auf diese Weise
wird ein kontinuierlicher Betrieb auch am Wochenende ermöglicht und sicherge-
98
stellt. Bei allen zum Einsatz kommenden Großtanks werden die entstehenden Ablüfte dem Abluftstrom zugeführt und in eine vorhandene Abluftreinigung geleitet.
Die beschriebene Anlage wurde durch den Hersteller angeliefert und bei gleichzeitiger Unterweisung des späteren Bedienpersonals montiert. Da die Steuerung
vollautomatisch arbeitet, bestand die Aufgabe der Installations- und Erprobungsphase darin, diese im Hinblick auf das Siedeverhalten und den Verschmutzungsgrad der Emulsion zu kalibrieren. Die erste Inbetriebnahme beinhaltete die Festlegung der zulässigen Konzentration an abzuscheidenden Stoffen. Dadurch konnten
die Anforderungen für die der Vakuumdestillationsanlage zugeführten Prozesswässer erarbeitet und definiert werden. Durch Variation des festgelegten Konzentrationsgrenzwertes kann der Arbeitszyklus der Anlage maßgeblich beeinflusst
werden, da dessen Überschreiten eine Stilllegung bei gleichzeitiger Belüftung und
Leerung des Verdampfers zur Folge hat.
Im Rahmen der Erprobungsphase kam es zu Beginn zu Problemen mit Schaumbildung in der Vakuumdestillationsanlage. In der Anlage befindet sich ein Sensor,
der bei Überschreiten eines Niveaus eine Störung anzeigt, die zum Anlagenstillstand führt, obwohl dies für die eigentliche Funktion der Anlage unbedeutend war.
Durch Versetzen des Sensors in eine höhere Position konnte dieses Problem in
Zusammenarbeit mir dem Systemanbieter schnell behoben werden. Insgesamt
konnte die Anlage in der folgenden Erprobungsphase zuverlässig betrieben werden.
Zusätzliche Maßnahmen zur Frischwasserreduzierung im IBC-Bereich
Zusätzlich zur Installation der Aufbereitungsanlage im Fass-Bereich wurden weitere Maßnahmen zur Reduzierung des Frischwasserbedarfs initiiert und umgesetzt.
Ein weiteres großes Potenzial lag dabei im Bereich der IBC-Reinigung. Im Vorfeld
der IBC-Reinigung in den Anlagen erfolgt eine manuelle Vorreinigung der Außenseiten der IBC. Dieser Prozess wird manuell durch einen Mitarbeiter mit Hilfe eines Hochdruckreinigers durchgeführt, wobei erhebliche Mengen an Wasser verbraucht werden. Im Jahre 2003 lag der durchschnittliche Wasserverbrauch je IBC
bei über 35 Liter. Die Gründe dafür lagen darin, dass keine zeitliche Begrenzung
oder Steuerung der Reinigungsprozesse erfolgte. Daher wurde die Wasserzufuhr
mit einer Zeitsteuerung versehen, die die Taktzeit begrenzt. Nach Anregung des
Prozesses durch einen Mitarbeiter wird die Wasserzufuhr nach einer begrenzten
Zeit automatisch gestoppt. Im Rahmen der Erprobung wurden verschiedene Testreihen gefahren, um die optimale Taktzeit zu ermitteln, bei der eine ausreichende
Vorreinigung der IBC gewährleistet ist. Ergebnis war, dass eine Taktzeit von etwa
40 Sekunden ausreicht, um die Vorreinigung effektiv durchzuführen. Das in der
IBC-Vorreinigung verwendete Wasser wird in Tanks gesammelt und anschließend
99
der Aufbereitungsanlage zugeführt. Dadurch konnte eine weitere Reduzierung des
Frischwasserbedarfs erreicht werden.
Zusätzlich wurde untersucht, ob es möglich ist, für die Vorreinigung Destillat zu
verwenden. Aufgrund der räumlichen Trennung zum Fassbereich, in dem die Aufbereitungsanlage installiert ist, und aus arbeitsschutzrechtlichen Gründen ist der
Einsatz von Destillat in der IBC-Reinigung nur sehr begrenzt möglich. Darüber
hinaus wird das gesamte Destillat in der Fassreinigung benötigt, so dass eine Nutzung in der IBC-Reinigung nicht möglich ist. Es ist jedoch möglich, das in der Klarspülung der Fassreinigungsanlagen eingesetzte Wasser zu verwenden.
Schließlich wurden Schulungen für die Mitarbeiter durchgeführt, um das Verhalten
in Richtung Ressourcenschonung zu beeinflussen. Insgesamt konnte so der Wasserverbrauch im Bereich der IBC-Reinigung deutlich reduziert und gleichzeitig
auch der Zeitbedarf für die Vorreinigung der IBC vermindert werden, was sich positiv auf den Durchsatz auswirkt (vgl. auch Kapitel 3.3.2.6).
3.3.2.6
Bewertung der Ergebnisse
Im Rahmen der Erprobung der Anlage konnten folgende Erkenntnisse gewonnen
werden:
Das mit Hilfe der Vakuumdestillation gewonnene Destillat kann ohne Probleme im
Bereich der Vor- und Hauptreinigung von Spundfässern eingesetzt werden, so
dass lediglich für die nachfolgende Klarspülung und zum Ausgleich von Verlustmengen weiterhin Frischwasser verwendet werden muss. Der Bedarf an Energie
liegt beim Vacudest-Verfahren bei ca. 8 % des Bedarfs von klassischen Destillationsanlagen und ist damit sehr gering, so dass die formulierte Zielsetzung einees
Niedrigenergie-Verfahrens erfüllt werden konnte. Die Eindampfrate der Anlage
beträgt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials bis zu
90 %. Dies bedeutet, dass lediglich 10 % des eingebrachten Feeds als zu entsorgendes Konzentrat in der Anlage zurückbleiben. Auch im Hinblick auf die sonstigen Anforderungen wie personalarmer Betrieb, Zuverlässigkeit etc. entspricht die
Anlage den definierten Zielsetzungen.
Für die abschließende Bewertung der Ergebnisse bedarf es jedoch einer detaillierten Analyse der Entwicklung von Wasserverbrauch und Entsorgungsmengen. Betrachtet man zunächst die den für die Durchführung der Reinigungsprozesse erforderlichen Frischwasserverbrauch, so konnte dieser über den Projekt- bzw. Erprobungszeitraum deutlich gesenkt werden. Seit der Inbetriebnahme der Pilotanlage im März 2004 konnte der durchschnittliche Frischwasserverbrauch in der
Fassreinigung um rund 41 % auf etwa 1,3 Liter je Fass reduziert werden (vgl.
Abbildung 3-32).
100
3,50
3,25
durchschnittlicher Verbrauch in Liter
3,00
2,75
2,50
2,25
2,00
1,75
1,50
1,25
1,00
0,75
0,50
0,25
Septe
mbe
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Okto
ber '0
5
No v e
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Deze
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J anu
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Febru
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5
Augu
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Juni
5
Mai '0
5
April
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März
'05
Septe
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r '04
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4
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J anu
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Juli '0
Juni
4
Mai '0
4
April
'0
März
'04
Febr
uar '0
4
J anu
ar '04
0,00
Zeitraum
Abbildung 3-31:
Entwicklung des durchschnittlichen Frischwasserverbrauchs je Fass
Der Verbrauchsanstieg im Monat der Anlageninstallation (März 04) lässt sich dadurch erklären, dass zunächst vermehrt Testreihen gefahren wurden, um die richtigen Betriebsparameter für die Anlage einstellen und somit ein optimales Aufbereitungsergebnis erzielen zu können. Die Gründe für die über die Erprobungsphase variierenden Mengen und Bedarfe liegen in Veränderungen der in den Gebinden vorhandenen Restinhalte und kurzzeitigen Anlagenausfällen, deren Anzahl
mit zunehmender Erfahrung des Bedienpersonals deutlich abnahm.
Auch durch die beschriebenen Maßnahmen im Bereich der IBC-Reinigung konnte
der Frischwasserverbrauch je IBC deutlich reduziert werden. So sank der
Verbrauch pro gereinigtem IBC von durchschnittlich über 30 Liter Anfang 2004 auf
etwa 15,6 Liter zu Beginn des Jahres 2005, also um fast 50 % (vgl. Abbildung
3-32). Auch diese Maßnahmen können somit als außerordentlich wirksam bezeichnet werden.
101
34,00
32,00
30,00
durchschnittlicher Verbrauch in Liter
28,00
26,00
24,00
22,00
20,00
18,00
16,00
14,00
12,00
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
'05
obe
r '05
Nov
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5
Dez
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5
Jan
uar
'06
Feb
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Okt
Sep
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Juli
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Aug
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Jun
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Mai
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il
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4
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4
Jan
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'04
Mai
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'04
Apr
il
Mär
z
ruar
Feb
Jan
uar
'04
0,00
Zeitraum
Abbildung 3-32:
Entwicklung des durchschnittlichen Frischwasserverbrauchs je IBC
Mit der Inbetriebnahme der Aufbereitungsanlage und der Wiederverwendung des
Destillats in der Fassreinigung ist unmittelbar ein geringeres Entsorgungsaufkommen (Öl-Wasser-Gemische) verbunden. Im Rahmen des Erprobungszeitraums
konnte die Anzahl der Transporte zu den Entsorgungsanlagen von etwa 7 Fahrten
pro Woche auf 3 bis 5 Fahrten pro Woche gesenkt werden, wobei die durchschnittliche Transportmenge etwa 24 Tonnen beträgt. Bei der Bewertung dieser
Zahlen ist zu berücksichtigen, dass die Mengen an zu behandelnden Verpackungen im gleichen Zeitraum um etwa 15 % (bezogen auf die Gesamtzahl an Verpackungseinheiten) angestiegen sind, so dass hier eine deutliche Transportreduzierung zu verzeichnen ist. Dies wirkt sich einerseits in wirtschaftlicher Hinsicht positiv für das Unternehmen aus, andererseits konnte aber auch im Hinblick auf die
Reduzierung der Umweltbelastungen durch Transporte ein positives Projektergebnis erreicht werden.
Die nachfolgende Grafik stellt die Entsorgungsmengen je Produktionseinheit in
den Jahren 2004 und 2005 gegenüber. Es ist eine deutliche Reduzierung der Entsorgungsmengen erkennbar. Dies sieht man insbesondere bei Vergleich der Entsorgungsmengen im Januar 2004 (Anlage noch nicht in Betrieb) mit denen im Januar 2005 (Anlage in Betrieb). Im Januar 2005 lag das Entsorgungsaufkommen an
Öl-Wasser-Gemischen etwa 30 % unter dem im Januar 2004. Dies verdeutlicht die
Potenziale der Aufbereitungsanlage (vgl. Abbildung 3-33). Zum Ende der beiden
Betrachtungsjahre sind die Entsorgungsmengen je Produktionseinheit annähernd
gleich groß, was darin begründet ist, dass die Aufbereitungsanlage zum Ende des
Jahres 2004 bereits in Betrieb war.
102
4,5
4
3,5
Mengen [kg/PE]
3
2,5
2004
2
2005
1,5
1
0,5
ul
ie
rt
ez
Ku
m
D
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p
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g
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l
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n
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M
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M
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b
Ja
n
0
Abbildung 3-33:
Entwicklung der Entsorgungsmengen je Produktionseinheit
Noch deutlicher werden die Potenziale bei einem Vergleich der durchschnittlichen
Entsorgungsmengen an Öl-Wasser-Gemischen in den Jahren 2003 und 2005.
Während das durchschnittliche Entsorgungsaufkommen im Jahre 2003 bei 3,3 kg
je Produktionseinheit lag, konnte dies im Jahre 2005 auf etwa 2,58 kg je Produktionseinheit reduziert werden. Unter Berücksichtigung einer Menge von 1.654.273
Produktionseinheiten im Jahre 2005 ergibt sich somit eine Abfallreduzierung um
1.191 Tonnen. Zusätzlich konnte auch der Entsorgungspreis aufgrund der höheren Konzentration an Öl von 86 Euro pro Tonne auf etwa 60 Euro pro Tonne reduziert werden, wobei die betreffenden Preise die Transportkosten beinhalten. Dies
ergibt Einsparungen von 213.393 Euro bei den Entsorgungskosten im Jahre 2005.
Insgesamt konnten durch das Projekt also eine erhebliche Umweltentlastung
durch Ressourcenschonung und Abfallvermeidung erreicht werden. Gleichzeitig
ergeben sich wirtschaftliche Vorteile für die Rekonditionierbetriebe, die zur Sicherung der Wettbewerbsfähigkeit beitragen können. Dieses Teilprojekt leistet somit
einen großen Anteil an der Erreichung der Gesamtziele des Forschungsvorhabens.
Zur abschließenden Bewertung des Projekts aus betrieblicher Sicht wurden die
wichtigsten wirtschaftlichen Kenngrößen ermittelt, die sich folgendermaßen darstellen:
•
Die Amortisationszeit (Pay Out Time) beträgt etwa 22 Monate.
•
Der Kapitalwert zum Zeitpunkt der Auszahlung (Net Present Value) liegt, berechnet auf Basis eines Kalkulationszinssatzes von 5 %, bei 2.846.000 Euro.
•
Der interne Zinsfuß (Discounted Cash Flow) beträgt 82,2 %.
103
Insgesamt handelt es sich auch aus betrieblicher Sicht um ein sehr rentables Projekt. Daher werden die Untersuchungen dazu beitragen, die Projektergebnisse bei
dem Anwendungspartner sowie in der gesamten Branche zu verbreiten.
3.3.3
3.3.3.1
Etikettenentfernung von Spundfässern aus Stahl
Ausgangssituation und Zielsetzung
Etiketten und Aufkleber stellen im Rekonditionierungsprozess ein großes Problem
dar, da diese im Verlauf des Prozesses vollständig entfernt werden müssen (z. B.
vor der Lackierung). Die meisten Unternehmen der Rekonditionierbranche setzen
dafür manuelle Methoden ein, da automatisierte Verfahren bisher nicht existieren
bzw. in der Praxis nicht erprobt sind. In den meisten Fällen werden die Etiketten
lokal mit Gasbrennern erhitzt, um den Kleber weich zu machen. Anschließend
können die Etiketten und Restanhaftungen dann mit einem Spachtel entfernt werden (vgl. Abbildung 3-34). Dieser Prozess ist äußerst personalintensiv und erzeugt
viele Emissionen. Zudem werden große Gasmengen benötigt, was hohe Kosten
verursacht.
Abbildung 3-34:
Manuelle Entfernung von Etiketten im Rekonditionierungsprozess am
Beispiel von Stahl-Spundfässern
Unter dem Gesichtspunkt der Mitarbeitermotivation ist die Arbeit als sehr unbefriedigend einzustufen. Vor allem die Eintönigkeit und die größtenteils statische Beanspruchung der Muskeln führen zu Demotivation und Erschöpfung. Zusätzlich
birgt die eingesetzte Abbrennmethode auch gesundheitliche Risiken für die Mitarbeiter. Durch das Erwärmen der Etiketten verflüssigt sich der Klebstoff und verdampft. Mitarbeiter können diese gesundheitsschädlichen Dämpfe einatmen.
Um dies zu vermeiden bzw. zu reduzieren, haben die meisten Unternehmen über
den Arbeitsstationen Absaugvorrichtungen installiert, die jedoch eine diffuse Aus-
104
breitung der Dämpfe nicht ganz verhindern können. Dies führt, verbunden mit der
durch die Gasbrenner verursachte Hitze, zu einer Minderung des Konzentrationsvermögens im Verlauf des Arbeitsprozesses, die auch eine erhöhte Gefahr von
Verbrennungen und Verletzungen nach sich zieht.
Es existieren jedoch in der Praxis auch andere Verfahren der Etikettenentfernung.
So werden vereinzelt auch Schleifmaschinen mit manueller Bedienung genutzt,
was allerdings ebenso mit vielen Nachteilen verbunden ist. Es entstehen Stäube
mit feinsten Metall-, Lack- und Kunststoffpartikeln, die, neben geeigneten Maßnahmen zum Schutz der Mitarbeiter, eine Abluftabsaugung und -behandlung erforderlich machen. Darüber hinaus kann es zu Beschädigungen an den Fassoberflächen kommen, welche eine Wiederverwendung ausschließen.
Insgesamt existieren bisher in der Rekonditionierbranche keine geeigneten Verfahren zur umweltschonenden und wirtschaftlichen Etikettenentfernung. Insbesondere bei Kunststoffetiketten mit hohen Anforderungen an die Haltbarkeit ist eine
vollständige Entfernung nur mit großem Aufwand zu erreichen. Ziel der Untersuchungen war es daher, ein Verfahren zur automatisierten bzw. teilautomatisierten
Etikettenentfernung zu entwickeln und umzusetzen, mit dem eine Verbesserung
der Arbeitsbedingungen bei gleichzeitiger Kosten- und Emissionsreduzierung erreicht wird.
3.3.3.2
Erstellung eines Anforderungskatalogs
Grundlage für die Verfahrensentwicklung war zunächst die Entwicklung eines geeigneten Anforderungskatalogs. Die Anforderungen an das zu entwickelnde Verfahren können grundsätzlich in technische, qualitative und prozessbezogene Anforderungen unterteilt werden. Zusätzlich ergaben sich Anforderungen direkt aus
den rechtlichen Vorschriften, die Art und Ausführung der Kennzeichnung definieren. Aus diesem Grunde sollen einleitend kurz die relevanten echtlichen Vorschriften beschrieben werden.
Die Kennzeichnung von Verpackungen für Gefahrgüter ist gesetzlich festgelegt. In
diesem Zusammenhang sind insbesondere das ADR (Kapitel 5.2) sowie die Gefahrstoffverordnung (GefStoffV) von Bedeutung. Während das ADR für den Gefahrguttransport auf der Straße gilt und die Kennzeichnungsvorschriften für den
Versand regelt, bezieht sich die Gefahrstoffverordnung auf den Umgang mit Gefahrstoffen. Um Gefahren abzuwenden, sind die Verpackungen eindeutig und
nach definiertem Muster zu kennzeichnen. Konkret heißt es in § 5 Absatz 1 der
GefStoffV: „Wer als Hersteller oder Einführer gefährliche Stoffe oder Zubereitungen in den Verkehr bringt, hat sie zuvor […] einzustufen und entsprechend der
Einstufung zu verpacken und zu kennzeichnen […]“ /GefStoffV/.
105
Die Kennzeichnung geschieht durch Etikettierung der Verpackungen. Auf den Etiketten sind nach den Vorschriften der GefStoffV insbesondere die chemische Bezeichnung, Gefahrensymbole und Gefahreneigenschaften, R- und S-Sätze sowie
die Anschrift des Herstellers anzugeben. Die nachfolgende Abbildung zeigt ein
Beispiel eines Gefahrstoffetiketts /GefStoffV/.
T
Flußsäure 40 %
giftig
R 26/27/28
Sehr giftig beim Einatmen, Verschlucken und Berührung mit
der Haut.
R 35
Verursacht schwere Verätzungen
S 7/9
Behälter dicht geschlossen an
einem gut gelüftetem Ort aufbewahren.
S 37/39
Bei der Arbeit geeignete Schutzhandschuhe, und Schutzbrille/
Gesichtsschutz tragen.
C
Achtung! Nach geringfügiger
Hautbenetzung sofort Arzt aufsuchen!
ätzend
XXX-XXX-X
„EU-Kennzeichnung“
Muster KG, Fluoridstraße 2
12345 Beispielstadt Tel.: 02345 / 123456
Abbildung 3-35:
Beispiel einer Kennzeichnung nach GefStoffV
Um die genannten Kennzeichnungspflichten zu erfüllen, werden unterschiedlichste
Arten von Etiketten eingesetzt. Neben Papier werden für besondere Anforderungen auch diverse Kunststoffetiketten eingesetzt. Darüber hinaus existieren besonders robuste und reißfeste Etiketten sowie spezielle Klebstoffe mit extrem hoher
Haftung.
Die Auswahl des Etikettenmaterials und des Klebstoffs richten sich nach der weiteren Verwendung der Verpackungen. So sind Polyethylen- und PolypropylenEtiketten beispielsweise gegen Wasser und Öle beständig und dadurch für den
Einsatz in der Mineralölindustrie besonders geeignet. PVC-Etiketten können aufgrund ihrer Resistenz gegenüber allgemeinen Witterungsbedingungen für Außenanwendungen verwendet werden /BRA 2006/. Bei geringen Anforderungen an die
Beständigkeit können Papieretiketten eingesetzt werden.
Besondere Anforderungen werden an Kennzeichnungen gestellt, die für den Export vorgesehen sind, insbesondere für Überseetransporte. Die Etiketten und
Klebstoffe müssen beständig gegenüber Meerwasser und anderen aggressiven
Substanzen und gleichzeitig sehr temperaturbeständig sein /HAL 2006/. Der
IMDG-Code schreibt vor, dass eine Lesbarkeit auch dann noch möglich sein
muss, wenn sich die Verpackungen drei Monate im Meerwasser befunden haben
/IMDG, 5.2.1.2/. Um dies zu erreichen, werden spezielle Folienetiketten genutzt.
106
Auch die verwendeten Klebstoffe zur Befestigung der Etiketten auf den Fässern
sind speziell für metallische Untergründe entwickelt und äußerst langlebig. Daher
ist auch die Entfernung dieser Etiketten sehr schwierig und stellt hohe Anforderungen an das zu entwickelnde Verfahren.
Die Anbringungsposition der Etiketten an den Verpackungen ist in den rechtlichen
Vorschriften nicht eindeutig definiert. Die Kennzeichnungen müssen lediglich gut
sichtbar und lesbar sein /ADR, 5.2.1.2/. Außerdem muss die Anbringung der
Kennzeichnungen auf einem kontrastreichen Untergrund an der Außenseite der
Verpackungen auf kontrastreichem Untergrund erfolgen /IMDG, 5.2.1.2/.
So können bei Stahl-Spundfässern die Kennzeichnungen sowohl am Fassmantel
als auch auf dem Oberboden angebracht sein. In vielen Fällen sind an mehreren
Stellen der Fässer gleichzeitig Etiketten vorhanden. Bei den zur Rekonditionierung
vorgesehenen Kombinations-IBC befinden sich die Etiketten überwiegend an der
Stahlplatte des Gitterkorbs.
Abbildung 3-36:
Etiketten an Stahl-Spundfässern
Auch im Hinblick auf die Größe der Kennzeichnung bzw. Etiketten gibt die
GefStoffV keine genauen Vorgaben. Hier ist wiederum lediglich die gute Sichtbarkeit und Lesbarkeit zu gewährleisten.
Neben diesen rechtlichen Kennzeichnungen erhalten die Verpackungen in vielen
Fällen zusätzliche Aufkleber, z. B. mit Prüf- oder Versandinformationen. Auch diese Etiketten sind bei der Verfahrensentwicklung zu berücksichtigen. Allerdings
sind in den meisten Fällen die Anforderungen (z. B. hinsichtlich Haltbarkeit) deutlich geringer, da sie ausschließlich betrieblichen Zwecken dienen.
Ausgehend von diesen Erkenntnissen konnten die Anforderungen an das zu konzipierende Verfahren erarbeitet werden. Der Durchsatz muss bei mindestens 100
Fässern pro Stunde liegen. Dabei ist, wie dargestellt, insbesondere Flexibilität gegenüber den verschiedenen Etiketten- und Klebstoffarten erforderlich, d. h. der
107
angegebene Durchsatz muss sowohl bei Papier- wie auch bei Kunststoffetiketten
erreicht werden. Das Verfahren ist darüber hinaus so zu konzipieren, dass auch
eine Flexibilität hinsichtlich der Anbringungsorte gewährleistet ist, so dass eine
sichere und schnelle Etikettenentfernung z. B. sowohl am Fassmantel als auch am
Oberboden gewährleistet werden kann.
Bei der Auswahl eines geeigneten Verfahrens ist darauf zu achten, dass hoher
Verschleiß von Werkzeugen oder anderen technischen Hilfsmitteln vermieden
wird. Darüber hinaus sollte das Verfharen im Sinne der nachhaltigen Reduzierung
der Umweltbelastungen mit einem geringen Energie- und Ressourcenverbrauch
sowie geringen Emissionen verbunden sein.
Wesentliche Zielsetzung der Entwicklung ist ein personalarmer Betrieb der Anlagen. Die zu entwickelnde Anlage soll deshalb einen möglichst hohen Automatisierungsgrad aufweisen. Hauptfunktion wird sein, rekonditionierfähige Fässer so zu
bearbeiten, dass eine Neulackierung möglichst ist bzw. bei IBC eine spätere Vermarktung erfolgen kann. Um die Einbindung in den Prozess zu realisieren, muss
die Anlage über Vorrichtungen verfügen, die mit den Transportrollenbahnen im
Betrieb verbunden werden kann, wie zum Beispiel Rampen, über die die Fässer
der Anlage geführt werden. Außerdem sollen die Arbeitsbedingungen im Umfeld
verbessert werden. An erster Stelle steht dabei die Reduzierung von Emissionen.
Mit Hilfe des Verfahrens soll es möglich sein, die Etiketten unabhängig von der
Art, Position und Größe vollständig zu entfernen. Nacharbeiten sollen möglichst
vermeiden werden, um Ressourcen zu sparen. In diesem Zusammenhang sind
auch verschiedenen Verfahrenskombinationen und Abläufe zu testen, um eine
vollständige Etikettenentfernung zu erreichen (z. B. durch vorhergehendes Strahlen).
3.3.3.3
Stand der Technik
Ausgehend von den beschriebenen Anforderungen wurden im Folgenden technische Alternativen für die Durchführung der Etikettenentfernung in Rekonditionierbetrieben untersucht und bewertet. In diesem Zusammenhang war es insbesondere erforderlich, den Stand der Technik zu ermitteln und die in anderen Branchen
bzw. Bereichen eingesetzten Verfahren auf ihre Eignung zu prüfen. Grundsätzlich
werden in der Industrie, insbesondere in der Getränkewirtschaft sowie die Chemie- und Pharmaindustrie, folgende Verfahren zur Etikettenentfernung genutzt:
108
•
Mechanische Verfahren,
•
Druckluftverfahren,
•
Wasserstrahlverfahren,
•
Chemische Verfahren und
•
Sonderverfahren (Trockeneisstrahlverfahren).
Unter mechanischen Verfahren subsumiert man alle Technologien, bei denen die
Aufkleber und Etiketten mit Hilfe von gegeneinander bewegten Körpern und einer
daraus resultierenden Einwirkung von Kräften abgetragen werden. Die Vorteile
liegen in der guten Automatisierbarkeit und den vergleichsweise geringen Investitionskosten. Allerdings verursachen die mechanischen Verfahren in den meisten
Fällen viele Emissionen (z. B. Staub), die unter Umständen eine Ablufterfassung
und -behandlung erforderlich machen. Zusätzlich ist der Verschleiß sehr hoch. Für
die Etikettenentfernung werden vor allem Bürstenschleifer oder Folienradierer verwendet /FOE 2006/. Folienradierer arbeiten in der Regel mit Drehzahlen von ca.
2000 1/min. Dabei rotiert die vornehmlich aus Vollgummi bestehende Radierscheibe über die befestigten Etiketten und entfernt diese relativ oberflächenschonend (vgl. Abbildung 3-37).
Abbildung 3-37:
Folienradierer /FOE 2006a/
Zur Beseitigung stark haftender Materialien kann alternativ ein Bürstenschleifer
zum Einsatz gebracht werden, der bei geringeren Drehzahlen höhere Kräfte aufbringen kann. Die eingesetzten Bürstenbänder können von grob bis fein variiert
werden /FOE 2006b/.
Abbildung 3-38:
Bürstenschleifer /FOE 2006b/
109
Beim Druckluftverfahren, welches beispielsweise für Mehrwegbehälter verwendet
wird, werden die Etiketten mit einem Druckluftsystem restfrei entfernt. Der Einsatz
von Lösemitteln entfällt dabei, was zu einer erheblichen Reduktion der Emissionen
führt. Die entfernten Etiketten können, sofern es sich um Papieretiketten handelt,
z. B. mit Altpapier entsorgt werden.
Eingesetzt wird diese Technik überwiegend bei innerbetrieblichen Transportbehältern, bei denen geringe Anforderungen an die Haltbarkeit der Etiketten bestehen.
Dies sind zum Beispiel glatte PE-Behälter, die mit einem Durchsatz von bis zu
3000 Behältern in der Stunde bei einer Anlage mit zwei Behälterzuführungen von
Etiketten befreit werden können /LOH 2006/. Für die Rekonditionierbranche ist
diese Technik jedoch nicht verwendbar, weil die Anforderungen an die verwendeten Etiketten völlig anders sind als bei innerbetrieblichen Transportbehältern.
Abbildung 3-39:
Blowjet 2000 zur Reinigung innerbetrieblich vewendeter Transportbehältnisse /JOH 2006b/
In vielen Bereichen kommt die Wasserstrahltechnik für die Reinigung von Oberflächen bzw. die Etikettenentfernung zum Einsatz. Mit hohem Druck wird ein gebündelter Wasserstrahl erzeugt und auf die zu bearbeitende Oberfläche geleitet.
Durch Impulsübertragung des Mediums können so haftende Schichten selektiv
abgelöst werden. Eingesetzt wird diese Technik zum Beispiel zur Reinigung industrieller Container mit Drücken von bis zu 400 bar /BOO 2006/.
Das Verfahren zeichnet sich durch einen geringen Verschleiß an Werkzeugen und
geringe Investitionskosten aus und ist, sofern eine mehrmalige Aufbereitung und
Wiederverwendung des eingesetzten Mediums erfolgt, ressourcenschonend und
emissionsarm. Nachteilig ist allerdings zu werten, dass eine vollständige Automatisierbarkeit aufgrund der nicht eindeutig definierten Etikettenposition nicht gegeben bzw. nur mit sehr großem technischen Aufwand und Ressourceneinsatz zu
realisieren ist. Außerdem ist die Aufbereitung des Mediums unter Umständen sehr
aufwendig, da dieses mit Produktresten kontaminiert sein und Etikettenreste in
unterschiedlicher Größe enthalten kann.
110
Bei chemischen Verfahren wird mittels geeigneter Chemikalien der Haftzustand
zwischen Etikett und Applikationsbehälter aufgehoben. Dies sind zumeist Lösungsmittel, die durch Aufsprühen gezielt auf die Etiketten aufgebracht werden
müssen, um diese zu durchdringen. Derartige chemische Verfahren finden ausschließlich bei Papieretiketten Anwendung. Nach einer Einwirkzeit von wenigen
Minuten ist das Papier durchdrungen und das Etikett lässt sich in der Regel in einem Zuge entfernen /CRC 2006/. Infolge der kurzen Taktzeiten bei der Etikettenentfernung im Rekonditionierbetrieb ist der Einsatz von Lösungsmitteln nicht sinnvoll. Da zusätzlich bei der Vielfalt der angelieferten Fässer von heterogenen Klebstoffen zur Befestigung der Etiektten auszugehen ist, ließe sich eine Anwendung
von Lösungsmitteln nur schwer in einen Geschäftsprozess integrieren, da abhängig von Größe des Etiketts und der Struktur des Klebers die Zeit für das Auftragen
und Einwirken des Lösungsmittels sehr stark variiert. Aufgrund der großflächigen
Anbringung der Etiketten ist beim Einsatz eines derartigen Verfahrens darüber
hinaus mit hohen Betriebskosten zu rechnen.
Bei der Anwendung von Lösungsmitteln bzw. chemischen Etikettenlösern ist aus
Sicht des Arbeitsschutzes in besonderem Maße die Problematik der leichten Entflammbarkeit gegeben, was zur Vorsicht im Umgang mit diesen Substanzen verpflichtet. Weiterhin ist die Haut von Mitarbeitern, die in Kontakt mit den Lösungsmitteln geraten könnten, durch persönliche Schutzausrüstung in Form von Sicherheitshandschuhen zu schützen /CRC 2006/
In einzelnen Bereichen werden auch Sonderverfahren zur Etikettenentfernung
eingesetzt. Ein Beispiel ist das Trockeneisstrahlverfahren. Dabei wird flüssiges
Kohlenstoffdioxid (CO2) aus einem Tank in eine Spezialmaschine (Pelletizer) geleitet und entspannt, so dass Trockeneis entsteht. Dieses wird durch eine spezielle
Matrix gepresst. Es entstehen Trockeneis-Pellets in der Größe eines Reiskorns,
die zur Abtragung von Etiketten verwendet werden können. Die Trockeneispartikel
werden mit Druckluft auf annähernd Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Sie treffen auf das Werkstück und gehen dabei vom festen in den gasförmigen Zustand
über /TER 2006/.
Aus dem Vorratsbehälter der Strahlanlage fallen die Pellets über eine Dosiereinrichtung in den Ausgangskrümmer. Der in der Strahlpistole erzeugte Unterdruck
saugt die Pellets an und beschleunigt sie auf eine Geschwindigkeit von ca. 300
m/s. Über spezielle Düsen wird das Strahlmedium anschließend auf die zu reinigende Oberfläche geleitet. Während der Kontaktzeit zieht sich die Verschmutzung
bzw. die zu entfernende Schicht durch die starke CO2-Unterkühlung (-79 °C) zusammen und versprödet. Durch die entstandene Thermospannung löst sich die
Schicht vom Grundmaterial. Mit Hilfe der Geschwindigkeit der nachfolgend auftreffenden Pellets wird die Beschichtung dann vollständig abgetragen (vgl. Abbildung
3-40).
111
Abbildung 3-40:
Strahlen mit Trockeneis /TER 2006/
Der Erfolg des Verfahrens hat also zwei Ursachen: Zum einen den Thermo-Effekt,
zum anderen den mechanischen Effekt. Im Gegensatz zum bekannten Sandstrahlen wird die Grundoberfläche hier jedoch nicht beschädigt. Die nachfolgende Tabelle fasst die vorgestellten Verfahren noch einmal zusammen und bewertet ihre
Eignung für den betreffenden Anwendungsfall.
Tabelle 3-9:
Vergleich verschiedener Verfahren der Etikettenentfernung
Mechanische
Verfahren /
Bürstenmaschine
Druckluftverfahren
Wasserstrahlverfahren
Trockeneisverfahren
Chemische
Verfahren
Möglichkeit zur
Automatisierung
z
{
}
}
{
GeringeInvestitionskosten
}
}
}
{
z
Niedrige
Betriebskosten
z
z
}
{
{
Geringer Ressourcheneinsatz
z
z
{
}
{
Geringe
Umweltbelastung
z
z
}
z
{
Niedriger
Wartungsaufwand
Möglichkeit des
kontinuierlichen
Betriebs
GeringeBelastung der
Mitarbeiter
Hohe
Zuverlässigkeit /
Verfügbarkeit
z
{
z
{
z
z
}
z
{
{
z
z
z
z
{
}
}
z
}
}
{ = nicht erfüllt, } = teilweise erfüllt, z = voll erfüllt
112
Beim Vergleich der verschiedenen Verfahren ist festzuhalten, dass grundsätzlich
lediglich mechanische Verfahren sowie, mit Einschränkungen, die Wasserstrahltechnik für die Etikettenentfernung im Rahmen der Rekonditionierung geeignet
sind. Andere Verfahren scheiden aus technischen bzw. aus wirtschaftlichen Gründen (z. B. Trockeneisstrahlen, chemische Verfahren) aus. Interessant für die Etikettenentfernung ist insbesondere die Verwendung von Bürstenschleifverfahren,
da diese vollständig automatisiert werden können. Daher wurden die Untersuchungen im Folgenden zunächst auf diesen Bereich konzentriert, eine Versuchsanlage gebaut und erprobt. Die zugehörigen Arbeiten werden nachfolgend beschrieben.
3.3.3.4
Entwicklung einer Versuchsanlage
Ziel der nachfolgenden Arbeiten war es, eine Versuchsanlage für die Entfernung
der Etiketten zu entwickeln und zu erproben, wobei die Untersuchungen zunächstr
auf den Bereich von Stahl-Spundfässern konzentriert wurden.
Im Vorfeld des Aufbaus einer Versuchsanlage wurden Vorversuche durchgeführt,
um die generelle Eignung von Stahlbürsten für die Etikettenentfernung zu überprüfen. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Aufsatzbürsten an einem handgeführten Winkelschleifer (125 mm, 500 W, 10000 1/min) befestigt. Um auch den Einfluss verschiedener Bürstenformen zu untersuchen, wurden sowohl glatte als auch
gezopfte Topf- und Rundbürsten verwendet.
Drahtbürste in Topfform (links) und in
radialer Form (rechts)
Abbildung 3-41:
Gezopfte Drahtbürste in Topfform (links) und
in radialer Form (rechts)
Verwendete Bürsten
Die Versuche zeigten, dass Rundbürsten für die Etikettenentfernung besser geeignet sind als Topfbürsten, da der Abtrag bei diesen deutlich größer ist. Bei Verwendung gerader Rundbürsten konnten jedoch zum Teil erhebliche Schäden an
der Fassoberfläche festgestellt werden (z. B. tiefe Kratzer), die möglicherweise
auch nach einer Neulackierung sichtbar bleiben. Alle anderen getesteten Bürsten
erwiesen sich als schonend für die Fassoberfläche. Topfbürsten haben zusätzlich
den Nachteil, dass sie einen höheren Anpressdruck benötigen. Dies liegt an ihrer
Gestaltungsform, denn bei Topfbürsten setzten alle Borsten zugleich auf den zu
113
bearbeitenden Untergrund auf. Die aufgebrachte Kraft verteilt sich somit auf eine
viel größere Fläche als bei Rundbürsten. Darin liegt auch der erhöhte Zeitaufwand
für die Etikettenentfernung mit Topfbürsten begründet.
Zusammenfassend bleibt also festzuhalten, dass Rundbürsten aufgrund ihrer Abtragsleistung und Zeitersparnis für die Etikettenentfernung besser geeignet sind.
Erneut differenziert werden muss zwischen gewellten und gezopften Rundbürsten.
Gezopfte Bürsten weisen gerade bei hohem Anpressdruck eine bessere Biegesteifigkeit auf als gewellte Bürsten, welche sich schneller durchbiegen und zu einem geringeren Abtrag führen. Daher ist der Einsatz von gezopften Rundbürsten
dem von geraden Rundbürsten vorzuziehen.
Die Ergebnisse der Vorversuche sind in der Tabelle 3-10 nochmals zusammengefasst und dienten als Grundlage der nachfolgenden Verfahrensentwicklung. Wichtig war die Erkenntnis, dass eine Etikettenentfernung mit Bürsten grundsätzlich
möglich ist.
Tabelle 3-10:
Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
Rundbürste
gezopft
Topfbürste
gezopft
Rundbürste
gerade
Topfbürste
gerade
Abtrag
Aufkleber
z
}
z
{
Schonung
Oberfläche
z
z
}
z
Geringer
Zeitaufwand
z
{
z
{
Geringe
Andruckkraft
z
}
z
}
Basierend auf diesen Erkenntnissen wurde für die weiteren Untersuchungen eine
Versuchsanlage für die Etikettenentfernung bei Stahlfässern entwickelt und errichtet (vgl. Abbildung 3-42). Die Bürstenmaschine ist auf einem massiven Rahmen
aus Stahlprofilen aufgebaut. Die Zuführung der Verpackungen erfolgt über eine
schräge Rampe. Die Fässer werden automatisch fixiert und eingespannt. Über
eine Vorrichtung können die Fässer in der Anlage um die Längsachse gedreht
werden, um sie so mittels der an der Oberseite angeordneten Stahlbürsten über
den gesamten Umfang bearbeiten zu können. Die Drehung des Fasses erfolgt
über Anpressrollen.
114
Abbildung 3-42:
Verwendete Versuchsanlage
Zur Bearbeitung des Oberbodens sind seitlich der Einspannrollen zwei weitere
Rundbürsten angebracht. Sie werden ebenfalls erst zur Bearbeitung an das Fass
heran gefahren. Ein Heber befördert nach Abschluss der Bearbeitung das Fass
auf die Auslauframpe.
3.3.3.5
Durchführung von Versuchsreihen und Bewertung der Ergebnisse
Mit Hilfe des dargestellten Versuchsstands wurden anschließend verschiedene
Versuchsreihen durchgeführt. Ziel war insbesondere die Erprobung verschiedener
Verfahrensabläufe sowie die Ermittlung geeigneter Bürstenarten und -formen. Zusätzlich wurden auch andere Versuchsparameter (z. B. Anpressdruck der Bürsten)
variiert. Im Einzelnen wurden folgende Versuchsparameter getestet, wobei die
Anzahl der bearbeiteten Fässer je Versuchsdurchlauf zwischen 8 und 50 Stück
variierte:
•
Getestet wurden sowohl gewellte als auch gezopfte Bürsten des Herstellers
OSBORN INTERNATIONAL. Der Unterschied zwischen gewellten bzw. gezopften Bürsten lag in ihrer Eignung für hohe Drehzahlen. Gezopfte Bürsten
werden grundsätzlich für höhere Umfangsgeschwindigkeiten eingesetzt als
gewellte Bürsten /OSB 2006/.
•
Bei der Durchführung der Versuche wurden zwei unterschiedliche Bürstendurchmesser (210 mm und 230 mm) verwendet.
•
Die Drahtstärken der Stahlborsten variierten zwischen 0,35 mm, 0,37 mm und
0,40 mm.
•
Die Versuche wurden bei drei verschiedenen Drehzahlen durchführt und dokumentiert: 1500 1/min, 1800 1/min und 2000 1/min.
•
Der Anpressdruck der Bürsten variierte zwischen 3,5 bar, 4,0 bar, 4,5 bar,
5,0 bar und 5,5 bar.
115
•
In den Versuchsreihen wurden sowohl Fässer mit Papieretiketten als auch mit
Kunststoffetiketten getestet.
Vor jedem Testdurchlauf wurden die eingestellten Parameter in einem Versuchsprotokoll festgehalten. Dieses Protokoll wurde dann auch für die Dokumentation
der Versuchsergebnisse verwendet.
Tabelle 3-11 gibt einen Überblick über die im Rahmen der Projektlaufzeit durchgeführten Untersuchungen und Ergebnisse. Insgesamt wurden mit dem Prototypen
mehr als 1700 Stahlfässer getestet.
116
Übersicht der Testergebnisse (Bürstenmaschine)
Tabelle 3-11:
Versuch
Anzahl
Fässer
Datum
KW 32-03
KW 34-03
KW 37-03
KW 39-03
KW 42-03
KW 45-03
KW 49-03
KW 04-04
KW 07-04
KW 11-04
KW 14-04
KW 17-04
KW 20-04
KW 24-04
KW 27-04
KW 30-04
KW 32-04
KW 35-04
KW 38-04
KW 40-04
KW 44-04
KW 48-04
KW 03-05
KW 05-05
KW 14-05
KW 15-05
KW 22-05
KW 28-05
KW 30-05
Etikettentyp
Papier
12
10
14
8
10
19
22
18
10
20
10
35
8
10
23
10
10
30
8
10
32
28
30
22
16
20
20
20
40
20
56
36
36
30
30
60
20
40
60
60
60
50
40
60
20
50
20
90
30
60
30
60
150
70
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Drehzahl
[1/min]
Bürstendurchmesser
[mm]
Kunst1500 1800 2000 210 230
stoff
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
Bürstenart
Drahtstärke
[mm]
Entfernungsgrad
[%]
Anpressdruck [bar]
0,35 0,37 0,40 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5
x
x
x
x
x
x
grade
grade
grade
grade
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
grade
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
grade
grade
grade
grade
grade
grade
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
grade
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
gezopft
gezopft
gezopft
gezopft
x
x
gezopft
gezopft
grade
x
x
x
x
x
x
grade
grade
gezopft
gezopft
gezopft
x
x
x
x
grade
grade
x
x
x
x
grade
x
x
n.g.
n.g.
n.g.
n.g.
60
5
50
5
60
10
5
5
5
5
10
20
5
50
5
5
60
5
60
5
50
5
60
10
70
60
70
70
10
70
60
60
10
20
20
20
20
60
60
70
60
70
70
20
30
20
10
10
10
10
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
grade
grade
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
117
Schon die erste Versuchsreihe (KW 32-03) an Kunststoffetiketten zeigte Schwächen des Verfahrens auf. Durch die hohen Drehzahlen (2000 Umdrehungen pro
Minute) kam es durch Reibung zu starker Wärmeentwicklung, was sich insbesondere bei Kunststoffetiketten als sehr problematisch erwies. Der Kunststoff der Etiketten schmolz und setzte sich in den Bürsten fest, so dass deren Wirkung stark
vermindert wurde. Nach einigen Versuchen mussten die Bürsten ausgetauscht
werden.
Aus diesem Grund wurde die Drehzahl für die Folgeversuche zunächst reduziert.
Es wurden Drehzahlen von 1500 1/min und 1800 1/min verwendet, bei Verwendung anderer Bürsten wurden auch wieder höhere Drehzahlen von 2000 1/min
eingesetzt. Zwar trat das Problem der Hitzeentwicklung nicht mehr in dem bekannten Maße auf, jedoch war der Grad der Etikettenentfernung mit 50 % bei Papieretiketten und nur etwa 5 % bei Kunststoffetiketten sehr gering (KW 34-03).
Abbildung 3-43:
Etikettenreste nach der Bearbeitung in der Versuchsanlage
Darüber hinaus bekamen die Stahlborsten schon nach den ersten Durchläufen
eine Orientierung und wurden stumpf, so dass sich der Abtrag zusätzlich verminderte (vgl. Abbildung 3-44). Durch den Einsatz von Schützen zur regelmäßigen
Änderung der Drehrichtung der Bürsten könnte dieses Problem elektrotechnisch
aber relativ einfach beseitigt werden.
118
Abbildung 3-44:
Stahlborsten mit Orientierung
Um vorerst das Problem der Borstenorientierung zu umgehen, wurde der Anpressdruck von 5,5 bar zunächst auf 5 bar und später noch weiter herabgesetzt
(bis auf 3,5 bar). Dabei zeigte sich, dass die Entfernungsgrade bei geringerem
Anpressdruck insgesamt schlechter wurden. Dies hängt damit zusammen, dass
die Borsten sich nicht mehr so gut an die Oberfläche des Fasses anschmiegen
und insbesondere Etikettenreste in Sicken oder Beulen nicht entfernt werden.
Ab der Versuchsreihe in KW 40-04 wurden vorwiegend gezopfte Bürsten mit
Durchmessern von 210 mm und die Drahtstärke zwischen 0,35 mm und 0,37 mm
eingesetzt. Gezopfte Bürsten eignen sich insbesondere für höhere Drehzahlen.
Ergebnis war, dass der Entfernungsgrad bei Kunststoffetiketten von ursprünglich
10 % auf etwa 20 % durch den Einsatz von gezopften Bürsten gesteigert werden
konnte. Bei Papieretiketten konnte ein Entfernungsgrad von bis zu 70 % erreicht
werden (vgl. Tabelle 3-11).
Insgesamt zeigten die Versuche jedoch auch sehr deutlich, dass eine vollständige
Entfernung der Etiketten mit einer Bürstenschleifmaschine ohne Vorbehandlung
nicht erreicht werden kann. Daher war es erforderlich, verschiedene Vorbehandlungsmöglichkeiten genauer zu untersuchen, um so die Ergebnisse (Entfernungsgrad) zu verbessern. In diesem Zusammenhang wurde die Vorbehandlung mit
Strahler, mit Chemikalien und mit Erhitzung erprobt.
Vorbehandlung im Strahler
Entgegen der üblichen Verfahrensweise wurden Fässer versuchsweise mit Etiketten gestrahlt. Eine Etikettenentfernung war auf diese Weise nicht möglich, so dass
sich an den Fässern noch Etikettenreste befanden (vgl. Abbildung 3-45).
119
Abbildung 3-45:
Gestrahlte Fässer
Anschließend erfolgte eine Behandlung dieser Fässer in der Versuchsanlage.
Nach mehreren Durchläufen konnte eine weitgehende Entfernung der Etiketten
erreicht werden (Entfernungsgrad > 90%). In den meisten Fällen bleiben allerdings
noch kleine Reste vorhanden, die eine Nacharbeit erforderlich machen. Daher ist
das Strahlen der Verpackungen als Vorbehandlungsmethode nicht ideal geeignet.
Allerdings bietet die nach dem Bürsten geglättete Oberfläche der Fässer eine sehr
gute Grundlage für die folgende Lackierung.
Vorbehandlung mit Chemikalien
Zu diesem Zweck wurden die Etiketten bzw. Aufkleber mit verschiedenen Chemikalien behandelt (z. B. Hakupur 50-196, Controx) und nach einer Einwirkzeit von
fünf Minuten der Versuchsanlage zugeführt.
Bei der Auswertung der Ergebnisse stellte sich heraus, dass die Einwirkung von
Chemikalien kaum Einfluss auf die Etikettenentfernung hat. Auch nach 10 Durchläufen in der Versuchsanlage befanden sich ausnahmslos noch immer Etikettenreste an den Fässern, unabhängig davon, ob es sich um Kunststoff- oder Papieretiketten handelte. Die Lackschicht wurde teilweise abgelöst. Die Verwendung von
Chemikalien zur Vorbehandlung der Verpackungen ist somit ungeeignet.
Vorbehandlung mit Erhitzung
Um zu ermitteln, wie eine Temperatureinwirkung das Ergebnis beeinflusst, wurden
die Etiketten bzw. Aufkleber mit einem Sauerstoff-Butan-Brenner erhitzt und sofort
im Anschluss in der Versuchsanlage behandelt. Durch Zugabe von Sauerstoff ergibt sich eine gegenüber Luft wesentlich heißere Flamme. Vorteile sind die kürzere Taktzeit und die Schonung eventuell vorhandener Innenlackierung der Verpackungen.
120
Nach dieser Vorbehandlung lassen sich die Etiketten restlos entfernen, so dass
die Erhitzung als Vorbehandlungsmethode grundsätzlich geeignet ist. Allerdings
ist sie im Hinblick auf Kosten und Ressourceneinsatz sehr kritisch zu werten. Auch
die angestrebte Automatisierung ist nicht möglich, da die Vorbehandlung der Fässer bzw. Etiketten durch Erhitzen mit einem Sauerstoff-Butan-Brenner aufgrund
der variablen Anbringungspositionen der Etiketten kaum in den automatisierten
Prozess einzubinden und vor dem Hintergrund eines geringen Energie- und Ressourcenverbrauchs nicht sinnvoll ist.
Abbildung 3-46:
Fass nach Vorbehandlung mit Erhitzen und anschließendem Bürsten
in der Versuchsanlage
Wie die durchgeführten Versuche zeigen, ist bei Verwendung einer Bürstenschleifmaschine lediglich mit einer Vorbehandlung der Verpackungen eine vollständige Entfernung der Etiketten zu erreichen. Unter Berücksichtigung der gewonnenen Erkenntnisse bietet folgender Ablauf die besten Ergebnisse:
•
Strahlen der Verpackungen zur Entfernung der Lackschicht und
Teilablösung der Etiketten,
•
Erhitzen der verbleibenden Etikettenreste und anschließende
•
Behandlung in der Bürstenmaschine.
Das Strahlen vor der Erhitzung bietet Potenzial zur Kosten- und Ressourceneinsparung durch geringeren Gasverbrauch.
Insgesamt ist das Verfahren der Verwendung von Bürstenschleifmaschinen jedoch
nicht optimal geeignet, da eine vollständige und automatisierte Etikettenentfernung
ohne Vorbehandlung in einem Arbeitsgang nicht möglich ist. Ein mögliches Kosteneinsparungspotenzial fällt aufgrund der Notwendigkeit einer geeigneten Vorbe-
121
handlung weg. Auch der angestrebte Durchsatz ist nicht zu erreichen, so dass der
parallele Betrieb mehrerer Bürstenmaschinen erforderlich wird.
Aus den benannten Gründen war es erforderlich, weitere Verfahren auf ihre Wirksamkeit zu untersuchen. In diesem Zusammenhang wurden die Forschungsarbeiten auf die Etikettenentfernung mittels Wasserstrahltechnik fokussiert. Die zugehörigen Versuche und Forschungsarbeiten werden im nachfolgenden Kapitel beschrieben.
3.3.3.6
Untersuchung und Erprobung weiterer Verfahren
Die Wasserstrahltechnik ist eine seit langem bekannte und häufig eingesetzte
Technologie, die durch ihre Umweltfreundlichkeit, Flexibilität und universelle Einsetzbarkeit ein großes Potential aufweist. Einsatzbereiche finden sich vor allem in
der Reinigung glatter Oberflächen von unerwünschten Belägen wie alten Farboder Schutzschichten, Rost, Ablagerungen oder Bewuchs sowie zur Vorbereitung
von Bauteilen für weitere Behandlungen (z. B. der Aufbringung von Schutzschichten gegen Korrosion). Bei entsprechendem Druck kann der Wasserstrahl sogar
zur Zerkleinerung verwendet werden. Bislang nicht bekannt ist jedoch der Einsatz
der Wasserstrahltechnik im Bereich der Rekonditionierung.
Aus diesem Grunde wurde im Rahmen der Forschungsarbeiten ein entsprechender Versuchsstand konzipiert und erprobt. Der Aufbau des Versuchsstands ist in
Abbildung 3-47:
Blick auf den Versuchsstand
Für die Durchführung der Versuche wurde ein mobiler Höchstdruckreiniger der
Firma Kärcher eingesetzt, der bei einer Leistung von bis zu 1500 bar einen äußerst geringen Wasserbedarf erfordert (vgl. Abbildung 3-48). Die Höchstdruck-
122
pumpe mit Edelstahlzylinderkopf und Kolben besteht aus Spezial-Hartmetall. Darüber hinaus verfügt das Gerät über einen zusätzlichen Wasserfilter zum Schutz
der Pumpe.
Abbildung 3-48:
Verwendeter Höchstdruckreiniger
Das Gerät wurde so in den Versuchsstand integriert, dass eine Gefährdung der
Mitarbeiter ausgeschlossen ist. Zusätzlich trägt der Mitarbeiter eine Schutzbrille
und Handschuhe.
Die Reinigungslanzen sind an der Einhausung in horizontaler und vertikaler Richtung beweglich montiert. Dadurch ist es dem an der Anlage eingesetzten Mitarbeiter möglich, Etiketten am Mantel punktuell zu entfernen. Zu diesem Zweck wird
das Fass über Führungsrollen langsam gedreht und die Lanze kann in einer definnierten, einstellbaren Entfernung am Fassmantel vorbei geführt werden. Mit Hilfe
einer rotierenden Düse wird ein gebündelter Wasserstrahl erzeugt, mit dem die
Etiketten abgetragen werden können. Der Wasserstrahl besitzt beim Auftreffen auf
den Fassmantel einen Durchmesser von etwa 3 cm. Analog zur Etikettenentfernung am Mantel erfolgt die Entfernung der Etiketten und Aufkleber am Oberboden.
Mit der beschriebenen Versuchsanlage können maximal 180 Verpackungen pro
Stunde behandelt werden, was bei einer Betriebszeit von acht Stunden einer Gesamtmenge von etwa 1440 Verpackungen entspricht. Der Einsatz der Technologie
bei der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. erfordert daher mindestens zwei
Stationen.
Mit Hilfe der dargestellten Anlage wurden verschiedene Versuche durchgeführt.
Zu diesem Zweck wurde ein Versuchsprogramm erarbeitet. Dabei wurden verschiedene Parameter variiert und die Versuchsergebnisse dokumentiert. Variable
Parameter waren insbesondere der Wasserdruck, der Abstand der Düse vom
Fassmantel bzw. Oberboden und die Bestrahlungsdauer. Um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten, wurde bei der Durchführung stets nur ein Parameter variiert,
123
die anderen Variablen wurden konstant gehalten. Im Einzelnen wurden folgende
Parameter getestet:
• Der Abstand zum Fass wurde zwischen 100 und 500 Millimetern variiert, um
den Einfluss auf den Entfernungsgrad genauer zu analysieren.
• Beginnend mit einem Wasserdruck von 300 bar wurde dieser stufenweise erhöht, bis ein optimales Ergebnis erreicht wird bzw. Schäden am Fass auftreten.
• Zur Untersuchung des Einflusses der Bestrahlungsdauer wurden die Fässer 30
Sekunden und später 60 Sekunden mit einem konstanten Wasserdruck bestrahlt.
Tabelle 3-12 gibt einen Überblick über die durchgeführten Versuche und die erreichten Ergebnisse. Insgesamt wurde die Etikettenentfernung mit Wasserstrahl
an 225 Fässern getestet.
Prüfplan mit den Testergebnissen (Wasserstrahl)
Tabelle 3-12:
Versuch
Datum
Druck [bar]
Abstand zum Fass [mm] EntfernungsAnz. Dauer Etikettentyp
Fässer [s]
grad
(Bemerkungen)
KunstPapier
300 450 600 750 900 100 200 300 400 500
stoff
07.03.06
5
30
07.03.06
5
07.03.06
X
X
30
X
X
5
30
X
X
07.03.06
5
30
X
X
X
07.03.06
5
30
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
30
X
X
X
07.03.06
5
30
X
X
X
07.03.06
5
30
X
X
X
07.03.06
5
30
X
X
X
07.03.06
5
30
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
124
X
X
X
insgesamt
≤30%
X
X
X
X
X
Papieretiketten
≈80 %,
X
Kunststoffetiketten ≤40%
X
X
X
X
Papieretiketten
≈90%,
X
X
X
X
X
Papieretiketten
≈90%,
X
X
X
Versuch
Datum
Druck [bar]
Abstand zum Fass [mm] EntfernungsAnz. Dauer Etikettentyp
Fässer [s]
grad
(Bemerkungen)
KunstPapier
300 450 600 750 900 100 200 300 400 500
stoff
07.03.06
5
30
X
X
07.03.06
5
30
X
X
07.03.06
5
30
X
X
07.03.06
5
30
07.03.06
5
30
07.03.06
5
60
07.03.06
5
60
X
X
07.03.06
5
60
X
X
07.03.06
5
60
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
Papieretiketten
≈95%,
X
X
X
X
X
X
07.03.06
5
60
X
08.03.06
5
30
X
X
08.03.06
5
30
X
X
08.03.06
5
30
X
X
08.03.06
5
30
X
X
08.03.06
5
30
X
X
08.03.06
5
60
X
X
08.03.06
5
60
X
X
08.03.06
5
60
X
X
08.03.06
5
60
X
X
08.03.06
5
60
X
X
08.03.06
5
30
08.03.06
5
30
X
X
08.03.06
5
30
X
X
08.03.06
5
30
08.03.06
5
30
X
X
X
X
Papieretiketten
≈95%,
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
X
(Lanze nur
noch schwer
zu führen)
X
X
X
X
(Lanze kaum
noch führbar)
X
X
Erwartungsgemäß hängt das Versuchsergebnis (Entfernungsgrad) stark vom verwendeten Wasserdruck ab. Höherer Wasserdruck führt zu einem besseren Ergebnis. Allerdings ist eine beliebige Steigerung des Wasserdrucks nicht möglich,
da bereits bei einem Druck von 900 bar deutliche Beschädigungen an den Fässern auftraten und die Lanze nicht mehr gezielt geführt werden konnte. Die Versuchsdauer hat dagegen nur geringen Einfluss auf den Entfernungsgrad. Gleiches
gilt für den Abstand zwischen Fassoberfläche und Düse.
Insgesamt waren die Versuchsergebnisse nicht zufrieden stellend. Während Papieretiketten und -aufkleber relativ gut und sicher entfernt werden konnten, war bei
Kunststoffetiketten fast durchgängig eine Nacharbeit erforderlich, da Etikettenund/oder Kleberreste an den Verpackungen zurückblieben (vgl. Abbildung 3-49).
Auch durch Erhöhung des Wasserdrucks konnte dies Problem nicht gelöst werden.
125
Abbildung 3-49:
Fass mit Etikettenresten am Oberboden
Zusätzlich erwies sich die Zuverlässigkeit des Verfahrens als gering. Die Störungsdauer betrug etwa 35 % der Betriebszeit. Die häufigsten Störungen waren
dabei auf undichte Leitungen, defekte Ventile oder verstopfte Filter zurückzuführen. Auch die Düsen bereiteten Probleme. Hier sind weitere Untersuchungen mit
anderen Prozesskomponenten in robusterer Ausführung notwendig. Insbesondere
die Probleme mit Leitungen und Ventilen lassen sich so einfach und schnell lösen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass die Wasserstrahltechnik gute
Ansätze zur Optimierung der Etikettenentfernung bietet. Allerdings ist eine vollständige Automatisierung des Verfahrens nicht möglich, da diese mit einem erheblichen Mehrverbrauch an Wasser und geringem Durchsatz verbunden wäre. Die
Etikettenpositionen am Fass sind nicht eindeutig definiert, so dass der gesamte
Mantel abgestrahlt werden müsste. Daher ist mindestens ein Mitarbeiter je Station
erforderlich.
Ein entscheidender Vorteil des Verfahrens ist die Tatsache, dass die Wasserstrahltechnik deutlich flexibler ist als die Verwendung von Bürstenschleifmaschinen. Sie ist ohne Einschränkung auch für Kombinations-IBC geeignet, bei denen
die Etiketten überwiegend an der Stahlplatte angebracht sind (vgl. Abbildung
3-50).
Ein wichtiges Kriterium zur Bewertung des Verfahrens ist allerdings die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens, die in erheblichem Maße von der erforderlichen Aufbereitung des verwendeten Wassers abhängt. Grundsätzlich ist vor dem Hintergrund
der Ressourcenschonung eine Kreislaufführung anzustreben, die aufwendige Verfahren (z. B. Filterung, Entkalkung) erfordert, um Schäden an der Pumpe zu vermeiden. Alternativ wäre, nach geeigneter Aufbereitung, der sekundäre Einsatz im
Bereich der Fass- oder IBC-Reinigung genauer zu untersuchen. Im Rahmen die-
126
ses Vorhabens konnten entsprechende Untersuchungen allerdings nicht durchgeführt werden, so dass eine abschließende wirtschaftliche Bewertung nicht möglich
ist.
Abbildung 3-50:
3.3.3.7
Etiketten an Kombinations-IBC
Zusammenfassung der gewonnenen Erkenntnisse
Die Entfernung der Etiketten im Rekonditionierungsprozess stellt ein großes Problem dar, da die rechtlichen Rahmenbedingungen sehr hohe Anforderungen an die
Verpackungskennzeichnung stellen, insbesondere bei Verpackungen für gefährliche Güter. Problematisch sind vor allem Kunststoffetiketten, die nach dem IMDGCode eine sehr hohe Beständigkeit haben müssen. Diese Etiketten können mit
keinem der getesteten Verfahren kostengünstig, sicher und zuverlässig entfernt
werden. Im Rahmen der Forschungsarbeiten konnten zwar gute Ansätze zur Lösung der Problematik entwickelt werden, eine abschließende Betrachtung des
Themas war in diesem Rahmen jedoch nicht möglich.
Insgesamt zeigte die Wasserstrahltechnik das größte Potenzial, auch wenn zufrieden stellende Ergebnisse mit der bisherigen Versuchsanordnung nicht zu erreichen waren. Daher bedarf es weitergehender Forschungsarbeiten zur Variation
von Prozessanordnungen und Verfahrensvarianten (z. B. Verwendung anderer
Düsen, leistungsfähigerer Pumpen, beständiger Werkstoffe). Insbesondere muss
dabei eine Verbesserung der Anlagenverfügbarkeit und des Entfernungsgrades
erreicht werden.
Die Vorteile der Wasserstrahltechnik gegenüber den anderen Verfahren liegen in
der Schonung der Oberflächen und die größere Flexibilität hinsichtlich der zu bearbeitenden Verpackungstypen. Dadurch ist das Verfahren ohne Einschränkung
auch für den IBC-Bereich geeignet. Fraglich ist allerdings die Wirtschaftlichkeit des
127
Verfahrens. Eine vollständige Automatisierung ist nicht möglich. Zusätzlich ergeben sich hohe Investitionskosten durch die notwendige Aufbereitung des verwendeten Wassers. Alternativ wäre der sekundäre Einsatz im Bereich der Fass- oder
IBC-Reinigung genauer zu untersuchen. Im Rahmen dieses Vorhabens konnten
die genannten Aspekte nicht im Einzelnen analysiert werden. Eine genaue Wirtschaftlichkeitsbewertung konnte daher ebenfalls nicht durchgeführt werden. Dafür
bedarf es weitergehender Forschungsarbeiten.
Im Gegensatz zur Wasserstrahltechnik kann die Bewertung von Bürstenschleifmaschinen für den betrachteten Anwendungsfall als abgeschlossen betrachtet
werden. Die Nutzung von Bürstenmaschinen ist insgesamt ungeeignet, da eine
vollständige Etikettenentfernung ohne Vorbehandlung nicht möglich war. Für die
Bürstenmaschine sprechen zwar die Möglichkeit der vollständigen Automatisierung und die geringen Emissionen. Diese Vorteile werden allerdings durch notwendige Vorbehandlungen in Folge der Erhitzung wieder zunichte gemacht.
Für die Etikettenentfernung können Bürstenmaschine somit nicht sinnvoll eingesetzt werden. Anders sieht dies im Vorfeld der Lackierung aus. Durch Vorbehandlung der von Etiketten befreiten und gestrahlten Fässer in der Bürstenmaschine ist
es möglich, eine sehr glatte und ebene Oberfläche zu erzeugen, die eine optimale
Grundlage für die nachfolgende Lackierung bietet. Dadurch kann der Lackverbrauch reduziert werden.
Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass nur die Wasserstrahltechnik geeignet ist, um die Etikettenentfernung im Fass- und IBC-Bereich zu optimieren und
gleichzeitig eine Verbesserung der Arbeitsbedingungen zu ermöglichen. Darüber
hinaus kann der Einsatz der Wasserstrahltechnik zu einer deutlichen Reduzierung
der Emissionen und des Ressourcenverbrauchs beitragen, sofern es gelingt, das
verwendete Wasser aufzubereiten und wieder bzw. weiter zu verwenden. Insofern
bietet die Technologie einen wichtigen Beitrag zur Zielerreichung.
3.3.4
3.3.4.1
Anlage zur Behandlung nicht rekonditionierfähiger Verpackungen
aus Kunststoff
Motivation und Anforderungen des Marktes
Im Rahmen der Verpackungsrücknahme werden von den Rekonditionierern nicht
ausschließlich rekonditionierfähige Gebinde angenommen, sondern auch nicht
reinigungsfähige Verpackungen, die aus Kunststoff bestehen oder kontaminiert
sind und daher in den eigenen Anlagen nicht behandelt werden können. Die Verpackungen lassen sich in verschiedene Kategorien einteilen. Bei der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. werden beispielsweise die Kategorien A bis E unterschieden. Während Verpackungen der Kategorie A prozess- und rekonditionierfähig sind, müssen Verpackungen der Kategorie E an ein externes Entsorgungsun128
ternehmen abgegeben werden, da betriebsintern keine Behandlungsmöglichkeiten
bestehen (vgl. Abbildung 3-51). Dies ist beispielsweise bei schadstoffhaltigen
Kunststoffgebinden der Fall.
Kategorie
Beschreibung
A
B
Prozessfähig
- Rekonditionierfähig
-
-
Prozessfähig
Rekonditionierfähig nach
Vorbehandlung
C
Prozessfähig
- Nicht rekonditionierfähig
-
Spundfässer/ Stahl <200L
Deckelfässer/ Stahl <200L
- Kombifass Stahl-PE<200L
- IBC <600L
- PE-Spundfässer <200L
- PE-Deckelfässer <30L
- Fiber-Trommeln
- Kanister aus Stahl + PE
- Sowie alle anderen
Verpackungen die nicht
den VPA des VCI entsprechen
-
-
Spundfässer/ Stahl >200L
Deckelfässer/ Stahl >200L
- Kombifass Stahl-PE>200L
- IBC >600L
- PE-Spundfässer >200L
- PE-Deckelfässer >30L
-
-
Packmittel
(entsprechend VPA des VCI)
Mineralole
- Losungsmittel
- Tenside
- Laugen
- Wasserlosliche Stoffe
aus er Sauren
Spundfässer/ Stahl >200L
Deckelfässer/ Stahl >200L
- Kombifass Stahl-PE>200L
- IBC >600L
- PE-Spundfässer >200L
- PE-Deckelfässer >30L
-
-
(entsprechend VPA des VCI)
-
Füllgüter
- Säuren
- Stark giftige Stoffe
- Krebserregende,
mutagene Stoffe
Stoffe
und Farben
D
Prozessfähig nach
Vorbehandlung
- Nicht rekonditionierfähig
-
Spundfässer/ Stahl <200L
Deckelfässer/ Stahl <200L
- Kombifass Stahl-PE<200L
- IBC <600L
- PE-Spundfässer <200L
- PE-Deckelfässer <30L
- Fiber-Trommeln
- Kanister aus Stahl + PE
- Sowie alle anderen
Verpackungen die nicht
den VPA des VCI entsprechen
-
-
-Starke
-Lacke
-Starke
-Klebstoffe
Nicht prozessfähig
Nicht rekonditionierfähig
- Abgabe an Entsorger
möglich
-
-
-Hochviskose
-Harze
E
Säuren
Laugen
-Geruchsintensive Stoffe
-Reaktive Stoffe
-Silikon
-Fette
Bei IBC:
-Isocyanate
-Isocyanate
-
Alle Verpackungen
-Pflanzenschutzmittel
Bei IBC:
und Farben
-Flockungsmittel
-Stark giftige Stoffe
-Krebserregende,
mutagene Stoffe
-Lacke
Generell von der Annahme sind ausgeschlossen: Verpackungen mit Resten radioaktiver, infektiöser und explosiver Stoffe
Abbildung 3-51:
Verpackungskategorien (Beispiel)
Problematisch sind vor allem die Verpackungskategorien C bis E. Diese sind nicht
rekonditionierfähig und müssen somit aus dem Rekonditionierprozess ausgegliedert und einem anderen Behandlungsweg zugeführt werden. Schadstoffhaltige
Verpackungen werden grundsätzlich an externe Unternehmen weitergegeben,
während nicht schadstoffhaltige Verpackungen (Kategorien C und ggf. D) über
verschiedene Verwertungswege vermarktet werden können (stoffliche oder energetische Verwertung).
Zum Zeitpunkt des Projektbeginns erfolgte die Entsorgung der schadstoffhaltigen
Verpackungen (überwiegend PE-Gebinde) unbehandelt in einer Sonderabfallbehandlungsanlage. Die Abgabe erfolgte als besonders überwachungsbedürftiger
Abfall mit der Abfallschlüsselnummer 150110 gemäß AVV18 zu Kosten von ca. 770
Euro pro Tonne inklusive Transport bei Mengen von ca. 500 Tonnen pro Jahr. Die
Abfallschlüsselnummer 150110 umfasst Abfälle, die nach Art, Beschaffenheit oder
Menge in besonderem Maße gesundheits-, luft- oder wassergefährdend, explosiv
oder brennbar sind oder Erreger übertragbarer Krankheiten enthalten
oder hervorbringen können /BUM 2006/.
Die nicht schadstoffhaltigen Verpackungen aus Kunststoff wurden in einer manuell
zu bestückenden Schredderanlage vorzerkleinert, um das Schreddergut zum
129
Zweck des anschließenden Recyclings zu vermarkten. Es erfolgte jedoch keine
Orientierung an den Anforderungen des Sekundärrohstoffmarktes, die eine Zerkleinerung auf marktübliche Korngrößen und eine Vorreinigung des Produktes erfordern. Daher konnten nur sehr geringe Erlöse erzielt werden. Die so behandelten Mengen betrugen zu Projektbeginn etwa 500 Tonnen pro Jahr, allerdings mit
steigender Tendenz, da zunehmend IBC und Kunststoffverpackungen genutzt und
in den Markt gebracht werden.
Insgesamt war der Prozess der Aufbereitung zu Projektbeginn aufwendig und in
ökonomischer Hinsicht wenig erfolgreich. Durch die fehlende Vorreinigung und die
geringe Produktqualität war eine gewinnbringende Vermarktung nicht möglich.
Das Gut konnte lediglich kostenneutral abgegeben werden (AVV 150102). Obwohl
der maximal erzielbare Marktpreis für nicht schadstoffhaltige Kunststoffverpackungen im Jahre 2003 bei 150 Euro pro Tonne lag (bei entsprechender Produktqualität), konnte jedoch wegen der fehlenden Produktreinigung, unzureichender Korngrößen und fehlender Verpackung des Materials19 nur ein Preis von 25 Euro pro
Tonne am Absatzmarkt erzielt werden. Dieser Umsatz wurde durch die notwendigen Transporte (mit geringer Auslastung) direkt wieder aufgebraucht, so dass sich
insgesamt eine kostenneutrale Situation ergab.
Motivation für die Durchführung des Projektes war es daher, die vorhandenen
ökonomischen Potenziale auszuschöpfen und finanzielle Gewinne mit der Vermarktung der Kunststoffe zu erzielen. Zusätzlich war es ein zentrales Ziel, durch
Reduzierung der Anzahl an Transporten und durch höherwertigen Verwertung aufgrund verbesserter Produktqualität auch einen Beitrag für die Umwelt zu leisten.
Zur Verdeutlichung der ökonomischen Potenziale soll die Marktentwicklung kurz
verdeutlicht werden. Ein Blick auf die Entwicklung der Marktpreise für Altkunststoffe zeigt einen deutlichen Preisanstieg seit Anfang 2004 (vgl. Abbildung 3-52). Dieses ist insbesondere auf den großen Bedarf an Kunststoffen auf dem asiatischen
Markt zurückzuführen. Die Marktpreise für PE-Mahlgüter überschreiten mittlerweile 300 Euro pro Tonne und steigen stetig an. Durch die gleichzeitig steigenden
steigenden Mengen an Kunststoffverpackungen ergibt sich eine besondere Notwendigkeit zur Entwicklung einer marktgerechten Aufbereitungsanlage für Kunststoffverpackungen in Rekonditionierbetrieben /BPM 2003/.
18
Abfallverzeichnisverordnung
Transporte erfolgten in loser Schüttung, was aufgrund der geringen Auslastung der Fahrzeuge auch hohe
Transportkosten zur Folge hatte.
19
130
350
Preise [€]
300
250
200
150
ob
er
N
ov
em
be
r
D
ez
em
be
r
O
kt
be
r
pt
gu
Se
Au
em
st
li
Ju
ni
Ju
M
ai
ril
Ap
M
är
z
r
ua
br
Fe
Ja
nu
ar
100
Monat
Abbildung 3-52:
Marktpreisentwicklung für HDPE-Mahlgut im Jahr 2004 /BPM 2005/
Die Entwicklung eines geeigneten Aufbereitungsverfahrens erforderte eine genaue
Analyse der technischen und qualitativen Voraussetzungen. Dabei war das Verhältnis von Investitionsaufwand und Erlösen, die direkt von der Produktqualität
abhängen, von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund wurde bereits zu
Beginn der Forschungsarbeiten genau untersucht, welche Umsetzungsvariante
unter Kosten-Nutzen-Gesichtspunkten die am Besten geeignete ist. Besonders
wurde in diesem Zusammenhang das Endprodukt des Aufbereitungsprozesses im
Hinblick auf die Marktanforderungen bewertet.
Tabelle 3-13 stellt verschiedene Realisierungsvarianten gegenüber. Während die
erste Variante, die Erzeugung ungereinigten Schreddergutes, weitgehend den IstZustand beschreibt und aufgrund der geringen Erlöse ausscheidet, bieten sich
grundsätzlich zwei Alternativen: die Erzeugung eines ungereinigten Mahlgutes
oder die Herstellung eines bereits vorgereinigten Produktes. Bei beiden Varianten
ist eine zweistufige Zerkleinerung erforderlich, bei der im Vorfeld „Fremdteilchen“
aussortiert werden müssen, da diese ggf. die Produktqualität beeinträchtigen können.
Zur Erzielung des in Abbildung 3-52 dargestellten Marktpreises muss das Mahlgut
vorgereinigt und in Big Bags vermarktet werden. Bei dieser Variante sind hohe
Investitionen erforderlich. Allerdings ist auch die Anzahl der Abnehmer deutlich
größer als bei der Abgabe von ungereinigtem Schreddergut, was sich positiv auf
den zu erzielenden Preis auswirkt.
131
Bewertung von Kunststoff-Recyclaten zur Eingrenzung von Varianten
der Projektrealisierung
Tabelle 3-13:
Endprodukt
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Schreddergut
Ungereinigt
In loser Schüttung
geliefert
Mahlgut
Ungereinigt
In loser Schüttung
geliefert
Mahlgut
Vorgereinigt
Im Big Bag geliefert
Vorteile
Nachteile
•
•
•
Nur ein Vor Schredderer nötig
Kein Entfernen von „Fremdteilen“
wie Dichtungen
•
•
•
Stoffliche Verwertung möglich
Geringe Erlöse möglich
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Stoffliche Verwertung möglich
Hohe Erlöse möglich
Zahl der potentiellen Verwerter
hoch
Material auf dem Rohstoffmarkt gesucht
•
•
•
•
Stoffliche Verwertung schwierig bis ausgeschlossen
Ggf. hohe Entsorgungskosten
Geringe Erlöse
Aussortieren von „Fremdteilen“
Verwerter muss Material waschen können
2-stufige Schredderanlage
notwendig
Hohe Investitionskosten
Waschwasser muss behandelt
werden
Aussortierung von „Fremdteilchen“
2-stufige Schredderanlage
notwendig
Zur endgültigen Festlegung auf eine Verfahrensalternative wurde eine überschlägige Wirtschaftlichkeitsanalyse durchgeführt. Durch die hohen Erlöse und die sich
dadurch ergebende kurze Amortisationszeit für entsprechende Investitionen wurde
die dritte Alternative als Basis für die Gestaltung des Prozesses gewählt. In diesem Sinne war es erforderlich, ein zweistufiges Zerkleinerungsverfahren mit integrierter Vorwäsche und nachgelagerter Abfüllung zu entwickeln und umzusetzen.
Dabei sollte zusätzlich erreicht werden, dass sowohl das Frachtaufkommen deutlich gesenkt wird (durch bessere Auslastung der Lkw) als auch die ungelenkten
Emissionen im Bereich der Behandlungsanlagen reduziert werden. Die verfolgten
Ziele stellten sich also folgendermaßen dar:
•
Minimierung der Entsorgungsmengen und -kosten,
•
Erzielen von höheren Preisen am Absatzmarkt für HDPE-Mahlgut,
•
Reduzierung des Frachtaufkommens um bis zu 90 %,
•
Reduzierung ungelenkter Emissionen und
•
Erzielung einer stofflichen Verwertung des Mahlgutes.
3.3.4.2
Anforderungen an den Aufbereitungsprozess
Zur Erfüllung der marktseitigen Anforderungen war es erforderlich, einen zweistufigen Prozess mit integrierter Produktreinigung und Abfüllung des Produkts in Big
Bags zu realisieren. Der gesamte Prozess sollte weitgehend automatisiert und so
mit geringem Personaleinsatz durchgeführt werden können.
132
Insbesondere an die Zuführung der Verpackungen zur Zerkleinerungsanlage bestanden besondere Anforderungen. Angesichts der örtlichen Gegebenheiten bestand die Notwendigkeit, Höhenunterschiede und Entfernungen auszugleichen
und eine sichere Versorgung der Zerkleinerungsanlagen zu gewährleisten. Da die
Verpackungen Reste von Gefahrstoffe, Säuren etc. enthalten können, musste zudem eine Resistenz gegenüber diesen Stoffen gegeben und die Komponenten so
gestaltet sein, dass ein Austritt von Gefahrstoffen verhindert wird.
Die Anforderungen an die erste Zerkleinerungsstufe wurden im Wesentlichen
durch die Art der zu behandelnden Verpackungen definiert. Der Vorzerkleinerer
musste in der Lage sein, Verpackungen unterschiedlichster Art zu verarbeiten.
Abbildung 3-53 zeigt die Bandbreite der zu verarbeitenden Verpackungsarten und
Materialien. In der Zerkleinerung mussten Hohlkörper von Volumen zwischen 20
Liter bis 1.000 Liter verarbeitet werden, so dass eine große Flexibilität erforderlich
war.
Hohlkörper von
20 – 200 Liter Inhalt
Abbildung 3-53:
Hohlkörper von
640 – 1.000 Liter Inhalt
Verschlüsse und Anbauteile von
Verpackungen
Kategorisierung von nicht rekonditionierfähigen Verpackungen
/CAR 2006/ /OBA 2006/ /COR 2006/
Zusätzlich musste auch die Möglichkeit bestehen, Verschlüsse und Anbauteile von
Verpackungen zu verarbeiten. Resistenz gegen Gefahrstoffe und auch Schutz
gegen das Austreten von Gefahrstoffen galten auch hier als wichtige Anforderungsmerkmale. Der Durchsatz der Anlage musste, basierend auf einer Analyse
der Mengenströme, 2.000 Tonnen pro Jahr erzielen, um einen parallelen Betrieb
von mehreren Zerkleinerern zu vermeiden. Dies hätte teure Infrastrukturmaßnahmen und erhöhten Investitions- und Betriebskosten zur Folge gehabt.
Nach der Vorzerkleinerung werden die Kunststoffteilchen einer zweiten Zerkleinerungsstufe zugeführt, um diese auf Mahlgutgröße zu zerkleinern. Der Output der
Vorzerkleinerung wird dabei der zweiten Stufe direkt als Input zugeführt. In dieser
zweiten Reinigungsstufe bestanden sehr hohe Anforderungen an die Prozess- und
133
Produktqualität. Auch hier mussten die ausgewählten Anlagen unempfindlich gegenüber Gefahrstoffen sein.
Das zerkleinerte und gereinigte Produkt wird am Ende des Prozesses in Big Bags
abgefüllt. Eine wichtige Anforderung war dabei der personalarme Betrieb der Abfüllstation. Durch eine optimale Verdichtung des Mahlgutes sollte das maximal
mögliche Transportgewicht erreicht werden (vgl. Kapitel 3.5.4.1)
Die Reinigung war zum Waschen des Schreddergutes in den Prozess zu integrieren. Da das Mahlgut nicht nass in den Big Bags transportiert werden konnte,
musste eine Trocknung des Materials nachgeschaltet werden. Auch hier war Resistenz gegenüber den möglichen Restinhalten in den Verpackungen erforderlich.
Die sich ergebenden Anforderungen an die Gestaltung der einzelnen Prozessstufen sind in Tabelle 3-14 aufgelistet.
Tabelle 3-14:
Anforderungen an den Aufbereitungsprozess
Prozessschritt
Anforderung
•
Zuführung
Grobzerkleinerung
Feinzerkleinerung
•
Anpassung an örtliche Begebenheiten
•
Kostengünstig
•
Unempfindlich gegen Restinhalte
•
Verarbeitung von Hohlkörpern mit 20 bis 1.000 Liter
Fassungsvermögen
•
•
Hoher Durchsatz
•
Sichere Beschickung
•
Zerkleinerung des Schreddergutes bis auf Mahlgutgröße
•
•
Kompatibilität zum Vorzerkleinerer
•
Wiederholgenauigkeit (Qualität)
•
Personalarmer Abfüllbetrieb
•
Erreichen des max. zulässigen Transportgewichts durch
optimale Verdichtung des Mahlgutes
Abfüllstation
Reinigung
Sichere Zuführung
•
Abfüllen in Big Bags, Gewicht max. 1 t je Big Bag
•
Kurze Rüstzeiten
•
Abreinigen des Schreddergutes
•
•
Möglichkeit der nachfolgenden Trocknung
•
Sichere Beschickung des Nachzerkleinerers
Basierend auf diesen Anforderungen konnte im Folgenden der Verfahrensablauf
definiert, technische Alternativen bewertet und der Aufbau der Anlage geplant
134
werden. Die entsprechenden Arbeiten werden in den nachfolgenden Kapiteln beschrieben.
3.3.4.3
Entwicklung eines Verfahrensschemas
Das Verfahrensschema dient als Grundlage für die weiteren Planungsarbeiten.
Dabei wird die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte im Einzelnen definiert, um darauf basierend geeignete Anlagenkomponenten auswählen zu können.
Der Ablauf des Prozess kann in einem Materialflussschema visualisiert werden,
das in Abbildung 3-54 dargestellt ist.
Zuführung
Abbildung 3-54:
Vorzerkleinern
Waschen
Nachzerkleinern
Abfüllen
Materialfluss-Schema
Nach der Zuführung der Verpackungen erfolgt zunächst eine Vorzerkleinerung.
Dabei werden die Ausgangsmaterialien in ein für den Nachzerkleinerer kompatibles, homogenes Gut zerkleinert. Anschließend erfolgt eine Reinigung und Trocknung des Gutes und erst danach die Zuführung zum Nachzerkleinerer. Die Anordnung der Reinigung zwischen dem Vor- und dem Nachzerkleinern ist sinnvoll, da
eine Reinigung der nachzerkleinerten Kunststoffteilchen aufgrund der geringen
Korngröße sehr aufwendig und die Trocknungszeit bis zur Abfüllung in die Big
Bags äußerst kurz wäre. Vor dem Vorzerkleinern wäre eine Reinigung nur durch
eine aufwendige Fassreinigung möglich. Somit ist die Reinigung prozesstechnisch
zwischen dem Vor- und dem Nachzerkleinerer anzuordnen. Der Nachzerkleinerer
zerkleinert das Material auf Mahlgutgröße, bevor es der Abfüllstation zugeführt
wird. Die Abfüllung erfolgt in Big Bags. Diese werden mittels Gabelstapler auf eine
Wechselbrücke oder auf einen Lkw verladen und zum Abnehmer transportiert.
Vor der Zuführung der Verpackungen zur Schredderanlage ist eine Prüfung der
Prozessfähigkeit der Verpackungen erforderlich, da nicht alle Gebinde in der
Schredderanlage behandelt werden sollen bzw. können. Insbesondere muss anhand der Etikettierung auf Vorhandensein bestimmter Gefahr- oder Problemstoffe,
wie Isocyanate, Polymin oder Flockungsmittel geprüft werden. Sofern einer dieser
Stoffe in den Verpackungen enthalten ist, erfolgt eine Ausschleusung und eine
Abgabe an einen externen Entsorger. In allen anderen Fällen muss der Inhalt auf
die in Abbildung 3-55 dargestellten Gefahrstoffeigenschaften geprüft werden.
135
Abbildung 3-55:
Gefahrguteigenschaften für die Aussortierung von Verpackungen
/BPM 2005/
Sofern der Restinhalt bzw. das ehemalige Füllgut eine der Eigenschaften aufweist,
ist eine Verarbeitung der Verpackungen nicht möglich. Verpackungen mit hochentzündlichen Restinhalten müssen gespült oder mit CO2 geflutet werden. Alle
anderen Verpackungen können direkt an einen Entsorger abgegeben werden.
3.3.4.4
Bewertung technischer Alternativen
Basierend auf dem entwickelten Verfahrensablauf war es nun erforderlich, unter
Berücksichtigung der definierten Anforderungen, technischen Alternativen für die
Realisierung der einzelnen Verfahrensschritte zu analysieren.
Zuführung der Verpackungen
Zunächst wurde die Zuführung der Verpackungen genauer untersucht. Aufgrund
der örtlichen Gegebenheiten und aus technischen Gründen (Abfüllung mittels
Schwerkraft) war es erforderlich, die Zerkleinerungsanlagen im Obergeschoss des
Gebäudes zu platzieren. Aus diesen Gründen war eine Vertikal- und eine Horizontalförderung der aufzugebenden Materialien notwendig. Daher wurden nun detailliert die technischen Anforderungen zusammengestellt und verschiedene Realisierungsmöglichkeiten bewertet.
Der Vertikalförderer muss eine Hubhöhe von 10 Metern erreichen. Wichtige Prozessgrößen sind hier die Hubgeschwindigkeit, Hubbeschleunigung und die Traglast des Systems. Da die Verpackungen weitgehend entleert sind, ist eine Traglast
von unter 100 kg ausreichend. Für andere Transporte, die zur Wartung der Anlagen notwendig werden (z. B. Werkzeuge), sollte durchaus eine höhere Traglast
vorgesehen werden. Hier scheint eine Bemessungsgröße von 200 bis 300 kg ausreichend.
Zur Realisierung dieser Anforderungen kommt eine Vielzahl an Transportmitteln in
Frage. Zur Verdeutlichung unterschiedlicher Realisierungsarten sind in Abbildung
3-56 exemplarisch einige Varianten dargestellt.
136
Riemenheber
Abbildung 3-56:
4 Säulen
Palettenheber
Palettenheber
Hydraulischer
Palettenheber
Aufzug
Vertikalförderer /WIN 2006/ /THY 2006/
Aufgrund des hohen Durchsatzes, der angestrebten stetigen Fördertechnik und
der Hubhöhe von 10 Metern können manuell bedienbare Fördersysteme wie Gabelstapler ausgeschlossen werden. Lastenaufzüge sind vor allem für hohe Tragkräfte und mittlere Hubgeschwindigkeiten geeignet. Durch die räumliche Isolation
von den anderen Systemkomponenten können Gefahrstoffe problemlos transportiert werden. Gegen die Realisierung eines solchen Systems sprechen aber vor
allem die sehr hohen Anschaffungskosten.
So genannte starre Palletomaten (Palettenheber) zeichnen sich vor allem durch
personalarmen Betrieb, hohen Durchsatz, hohen Wirkungsgrad und geringere Betriebskosten aus. Sie werden an einer festen Stelle in den Prozess integriert und
können teilautomatisch oder vollautomatisch betrieben werden. Hydraulische Systeme sind konstruktiv aufwendig und sehr teuer, so dass sie für den Anwendungsfall ausscheiden.
Riemenheber bieten eine kostengünstige Alternative. Sie sind sehr einfach zu warten, da alle Teile offen zugänglich sind. Zudem ist eine Automatisierung bei geringen Investitionskosten problemlos möglich. Problematisch ist allerdings die sehr
geringe Tragkraft.
Insgesamt ist der normale Palettenheber, speziell wegen des hohen Durchsatzes
bei geringen Betriebs- und Wartungskosten, den anderen Systemen vorzuziehen,
wie die nachfolgende Tabelle nochmals verdeutlicht.
137
Tabelle 3-15:
Bewertung der Vertikalförderer
Riemenheber
4 Säulen
Palettenheber
Palettenheber
Hydr.
Palettenheber
Gabelstapler
Aufzug
Mobilität
{
{
{
{
z
{
Personalaufwand
z
z
z
z
{
z
Tragkraft
{
z
}
}
{
z
Hubgeschwindigkeit
}
}
}
}
}
}
Betriebskosten
}
}
}
}
{
}
Investitionskosten
z
{
z
}
}
{
Nach der Förderung in das Obergeschoss werden die Verpackungen über ein stetiges Fördermittel direkt dem Vorzerkleinerer zugeführt. Dazu kommen verschiedene Alternativen in Frage, z. B. Bandförderer, angetriebene Rollenbahnen, Rutschen und Gliederbandförderer (Abbildung 3-57).
Bandförderer
Abbildung 3-57:
Rollenbahn
Rutsche
Gliederbandförderer
Stetigförderer /FOE 2006, MEB 2006, ADI 2006, PRE 2006/
Rollenbahnen sind bauartbedingt extrem laut und erfordern teilweise Gehörschutz
bei Arbeiten in direkter Nähe. Zudem ist die Flexibilität hinsichtlich der Größe und
Art der zu fördernden Verpackungen gering und wird in erheblichem Maße durch
die Größe und der Abstand der einzelnen Rollen bestimmt. Vorteile sind der geringe Wartungsaufwand und die geringen Investitionskosten.
Bandförderer sind vor allem charakterisiert durch ihre sehr geräuscharme Betriebsweise und ihren geringen Energiebedarf. Sie sind jedoch im Vergleich zu den
anderen Systemen wartungsintensiv und unterliegen einem hohen Verschleiß.
138
Die Schwerkraftrutsche ist ein sehr kostengünstiges Verfahren. Sie kann sehr einfach in bestehende Prozesse integriert werden und ist weitgehend wartungsfrei.
Der Prozess ist allerdings durch das stark variierende Rutschverhalten verschiedener Verpackungen störungsanfällig (Verstopfungsgefahr). Aus diesem Grund
sind nur sehr kurze Rutschen geeignet, die gut zugänglich sein müssen.
Sehr schwere Güter können auf Gliederbandförderern transportiert werden. Diese
besitzen Glieder aus Stahl oder Kunststoff. Der größte Nachteil ist der hohe Anschaffungspreis (vgl. Tabelle 3-16).
Tabelle 3-16:
Bewertung Fördersysteme
Bandförderer
Rollenbahn
Rutsche
Gliederbandförderer
Fördergeschwindigkeit
z
}
}
}
Tragkraft
}
z
z
z
Kontrolle über den
Prozess
z
}
{
z
Standzeit
z
{
z
}
Investitionskosten
}
}
z
{
Bei Betrachtung der Systembewertung sind Bandförderer die am Besten geeignete Variante, da sie sich vor allem durch die hohe Prozesskontrolle und durch die
hohe Standzeit bei mittleren Investitionskosten auszeichnen. Zudem eignen sie
sich bei Wahl entsprechend breiter Förderbänder für alle Verpackungsarten.
Vorzerkleinerung
Nach der Zuführung gelangen die Verpackungen in den Vorzerkleinerer, in dem
sie auf eine homogene Korngröße gebracht werden. Zur Realisierung des Vorzerkleiners bieten sich verschiedene (schneidende) Verfahren an, die sich nach
der Anzahl der Wellen in 1-Wellen-, 2-Wellen- und 4-Wellenzerkleinerer unterteilen lassen. Eine Sonderbauform bilden noch die 3-Wellenzerkleinerer, die allerdings nur sehr selten eingesetzt werden.
139
1- Wellenzerkleinerer
Abbildung 3-58:
Zerkleinerungsverfahren /UNA 2006/
Beim 1-Wellenzerkleinerer drückt der hydraulische Zuführschieber das Material
lastabhängig gegen den Rotor, an dem je nach Ausführung gezahnte oder glatte
Leisten für den Transport des Materials befestigt sind. Der Rotor zerkleinert das
Material mit Hilfe starrer Schneidleisten (Gegenmesser). Das zerkleinerte Material
fällt durch ein Sieb oder Lochblech, durch dessen Öffnungsweite die Gutgröße
eingestellt werden kann, in ein darunter liegendes Behältnis oder Fördereinrichtung /UNA 2006/. 1-Wellenzerkleinerer zeichnen sich durch die geräuscharme
Funktionsweise aus. Problematisch ist der hohe Energiebedarf bei verhältnismäßig geringem Durchsatz sowie die Form der Zerkleinerungsprodukte. In den meisten Fällen haben die Produkte die Form von langen Streifen, welche in den nachfolgenden Stufen nur schwer zu verarbeiten sind. Anwendung finden 1-Wellenzerkleinerer insbesondere bei Massivholzabfällen, losen und leichten Stoffen wie
Folien, Verpackungsmaterialien und Papier.
Beim 2-Wellenzerkleinerer wird das Material durch die auf den beiden entgegengesetzt laufenden Wellen montierten Schneidscheiben bzw. Schneidsegmente
eingezogen. Dabei sind die Schneidscheiben so angeordnet, dass jeweils eine
Schneide in die Lücke der gegenüberliegenden Welle eingreift. Das Material wird
in Längs- und Querrichtung zerkleinert /UNA 2006/. Geringere Drehzahlen als bei
den 1-Wellenzerkleinerern ermöglichen eine sichere Zuführung der Verpackungen. Allerdings ist das 2-Wellen-System geräuschintensiver als 1-Wellen-Systeme
und es wird bei vielen Ausführungen ein Gehörschutz notwendig, welcher ab 80
dB(A) vom Gesetzgeber verpflichtend vorgeschrieben ist. Die Korngröße des zu
zerkleinernden Materials wird durch die Schneidscheibenbreite und -länge sowie
ggf. durch die Zähnezahl (bei gezahnten Schneidscheiben) bestimmt /UNA 2006/.
Haupteinsatzbereiche sind schwieriges, störstoffbelastetes Material wie Paletten,
Kisten, Kabeltrommeln, Abbruchhölzer, Möbelstücke, Spanplatten, Haus- und
Gewerbemüll /VEC 2006/.
Beim 4-Wellenzerkleinerer erfolgt nach Aufgabe des Materials in den Trichter sofort der Einzug in den Schneidwerksraum, wo es in einem Arbeitsgang zerkleinert
wird. Das Material, das nicht durch das Lochgitter fällt, wird von den Zähnen des
Hauptschneidwerkes erfasst und nach oben befördert. Beim Erfassen des zerklei140
nerten Materials durch das Nebenschneidwerk erfolgt ein weiterer Schneidvorgang. Schließlich wird das Material beim Übergang vom Haupt- in das Nebenschneidwerk zerkleinert.
Das Endprodukt ist ein genau definiertes, homogenes Granulat /UNA 2006/. Der
4-Wellenzerkleinerer erreicht die geringste Drehzahl aller Systeme und gewährleistet damit eine sehr sichere Zuführung des Materials. Insbesondere zur Zerkleinerung von PE – Bändern, Blech- und Kunststoffgebinden, Pkw - Reifen, medizinischen und chemischen Abfälle, Papier und Kartonagen, Stoßfängern und Hohlkörpern findet dieses System Anwendungsmöglichkeiten. Als Sonderbauform des
4-Wellenzerkleinerers ist der 3-Wellenzerkleinerer zu nennen. Dieser hat in der
Industrie allerdings kaum eine Bedeutung, so dass er hier nicht weiter betrachtet
wird.
In Tabelle 3-17 sind verschiedene Aggregate mit Leistung, Durchsätzen und Drehzahlen beispielhaft gegenübergestellt.
Tabelle 3-17:
Vergleich von 1- und 2-Wellenzerkleinerer /VEC 2006/
Vecoplan
VAZ 1300 M
Eine Welle
Vecoplan
VAZ 2400
Eine Welle
Vecoplan
VVZ 300
Zwei Wellen
Vecoplan
VVZ 300
Zwei Wellen
55 kW
90 kW
55 kW
90 kW
Durchsatz
3.000 kg/h
6.000 kg/h
5.000 kg/h
30.000 kg/h
Drehzahl
132 min-1
145 min-1
75 min-1
95 min-1
Leistung
Wie aus der Tabelle ersichtlich und bereits textlich erläutert, benötigt der
1-Wellenzerkleinerer eine höhere Leistung und damit auch deutlich mehr Energie
als der 2-Wellenzerkleinerer. Ein exemplarischer Leistungsunterschied von 35 kW
(bezogen auf einen Durchsatz von 5000 kg pro Stunde) ergibt pro Schicht und bei
angenommenen Stromkosten von 15 Cent pro kWh eine Kostendifferenz in Höhe
von 11.000 Euro pro Jahr. Aus wirtschaftlichen Überlegungen ist die Wahl eines
1-Wellenzerkleinerers daher auszuschließen. Auch vor dem Hintergrund der Produktgröße und Qualität ist das Verfahren ungeeignet.
Bei 4-Wellenzerkleinerern erweist sich der geringe Energieverbrauch und die geringe Drehzahl als vorteilhaft. Diese gewährleistet auch bei großen Hohlkörpern
eine sichere Zuführung des Materials. Da zudem das Mahlgut des 4-Wellenzerkleinerers deutlich homogener und kleiner ist als beim 2-Wellenzerkleinerer, ist
dieser für die Umsetzung am Besten geeignet.
141
Nachzerkleinerung
Der Nachzerkleinerer hat die Aufgabe, das Produkt auf eine Endkorngröße von
ca. 12 mm (Marktanforderung) zu zerkleinern. Klassische Zerkleinerungsaggregate, wie bereits beschrieben, sind für diese kleinen Korngrößen nicht ausgelegt.
Schneidmühlen sind hier deutlich besser geeignet. So weisen sie eine deutlich
höhere Drehzahl des Rotors auf. zudem ist unter der Welle mit den daran befestigten Schneidmessern ein Sieb montiert, welches auch für kleine Sieböffnungen
ausgelegt ist /HEL 2006/. Dies erlaubt es, auf eine bestimmte Korngröße festgelegtes Granulat mit hoher Wiederholgenauigkeit zu erzeugen, so dass die Anforderungen des Marktes erfüllt werden können.
Weiterer Unterschied zu herkömmlichen Zerkleinerern ist, dass das Material direkt
mit Hilfe der starren Schneidmesser zerkleinert wird. Damit sind ein präziserer
Schnitt und eine bessere Schnittqualität gewährleistet. Schneidmühlen sind somit
für die Nachzerkleinerung von Kunststoffen sehr gut geeignet. Nachteilig ist lediglich die geringe Flexibilität in Bezug auf das zu zerkleinernde Material zu nennen,
die im betrachteten Fall jedoch keine Rolle spielt, da das Material nur eine geringe
Härte aufweist und weitgehend homogen ist (in Bezug auf die Korngröße). Durch
die hohen Drehzahlen und den konstruktiven Aufbau verbleibt das Material zum
Zweck der Zerkleinerung nur sehr kurz in der Schneidmühle, was sich sehr günstig in Bezug auf die Standzeiten der Messer und den Durchsatz auswirkt. Somit ist
die Schneidmühle für die Nachzerkleinerung ideal geeignet.
Produktreinigung und Trocknung
Zwischen den beiden Zerkleinerungsprozessen gliedert sich der Reinigungsprozess ein. Dazu können verschiedene Verfahren zum Einsatz kommen, die sich
grundsätzlich in Durchlaufprozesse (Abbildung 3-59) mit kontinuierlichem Durchsatz und in Batchprozesse (Abbildung 3-60) unterteilen lassen.
Tunnelwaschanlage
Abbildung 3-59:
Extruder mit integrierter Waschanlage
Durchlaufsysteme /IBO 2006/ /BRE 2006/
Bei den Durchlaufsystemen wird das Produkt aus dem Produktionstakt ausgegliedert und in größeren Mengen einer entsprechenden Waschvorrichtung zugeführt.
142
Nach Ablauf des Reinigungsprozesses wird das Produkt weiterverarbeitet oder
wieder in den Produktionstakt eingegliedert.
Die Produktreinigung kann auch im Rahmen des Transportes zum nächsten Verfahrensschritt durchgeführt werden, was sich positiv auf den erforderlichen Platzbedarf auswirkt. Beispielhaft seien hier Tunnelwaschanlagen oder Extruder mit
integrierter Waschanlage genannt.
Beispiele für Batchsysteme sind Trommelwaschanlagen, Einkammerwaschanlagen und Rhönradwaschanlagen, die in der nachfolgenden Abbildung dargestellt
sind.
Trommelwaschanlage
Abbildung 3-60:
Einkammerwaschanlage
Röhnradwaschanlage
Batchsysteme /MEA 2006a/ /MEA 2006b/ /MEA2006/
Um eine Voreinschätzung hinsichtlich der Eignung der verschiedenen Verfahren
durchführen zu können, sind in Tabelle 3-18 die Merkmalsausprägungen und Eigenschaften der genannten Verfahren beispielhaft gegenübergestellt.
Tunnelwaschanlagen sind für sehr hohe Durchsätze geeignet und ermöglichen
eine sehr gute Reinigungsqualität. Der hohe Automatisierungsgrad bietet die Möglichkeit eines personalarmen Betriebs, was sich positiv auf die Betriebskosten
auswirkt. Allerdings sind die sehr hohen Investitionskosten ein deutlicher Nachteil.
Extruder mit integrierter Waschanlage sind sehr kompakte, relativ flexible Systeme, welche bei mittlerem Durchsatz und mittlerer Reinigungsqualität eingesetzt
werden. Durch den hohen Automatisierungsgrad wird wenig Personal zum Betrieb
der Anlage benötigt. Auch Trommelwaschanlagen besitzen eine hohe Reinigungsleistung und werden als Batchsystem betrieben. In diesem Falle ist jedoch eine
Pufferung der Materialien vor dem Reinigungsvorgang erforderlich. Nach dem
Reinigungsvorgang werden die Materialien dann aus der Anlage entfernt und in
den weiteren Prozess eingeführt. Dieser Batch-Betrieb ist somit nicht für hohe
Durchsätze geeignet (vgl. Tabelle 3-18).
143
Tabelle 3-18:
Vergleich unterschiedlicher Reinigungsverfahren
Tunnelwaschanlage
Extruder mit
integrierter
Waschanlage
Trommelwaschanlage
Einkammerwaschanlage
Röhnradwaschanlage
Durchsatz
z
z
{
{
{
Reinigungsqualität
z
}
z
z
z
Personalkosten
z
z
{
}
{
Investitionskosten
{
}
}
}
}
Die Einkammerwaschanlage unterscheidet sich von der Trommelwaschanlage
insbesondere im Automatisierungsgrad und somit in den Personalkosten. Diese
sind bei den Einkammerwaschanlagen deutlich geringer und bieten somit einen
ökonomischen Vorteil. Rhönradanlagen sind konstruktiv den Trommelwaschanlagen sehr ähnlich. Allerdings ist die Bewegung der Waschkammer dreidimensional.
Dies wirkt sich in einer besseren Reinigungsqualität aus.
Bei Gesamtbetrachtung der Verfahren bietet es sich an, aufgrund der notwendigen
Durchsatzleistungen einen Extruder mit integrierter Waschanlage zu verwenden.
Die Funktion der Reinigung kann dabei über eingebaute VA-Wasserrohre umgesetzt werden. Der Abtransport der kontaminierten Flüssigkeit wird über einen unterhalb des Fördermittels eingebauten Trichter gewährleistet.
Im Rahmen der Reinigung muss das Schreddergut möglichst vollständig von Restanhaftungen befreit werden. Das nasse bzw. feuchte Material sollte vor der Nachzerkleinerung getrocknet werden, um den weiteren Prozess (z. B. die Verpackung)
nicht zu beeinflussen und um Oxidation an den Schneiden zu verhindern. Diese
Trocknung kann über eine Druckluftzufuhr in den Extruder erfolgen.
Abfüllung des Produkts in Big Bags
Ein großer Teil der Wertschöpfung der gesamten Anlage liegt in der Realisierung
einer anforderungsgerechten Abfüllstation. Grundlegende Anforderung war dabei
die maximale Ausnutzung der Nutzlast der Lkw, um so die Umweltbelastungen
und gleichzeitig Transportkosten nachweislich zu senken. Dies kann vor allem
durch die Auswahl geeigneter Big Bags erreicht werden, die je nach Bauart zwischen 500 und 2.000 kg Traglast aufweisen. Big Bags können nach der Anzahl
der Hebeschlaufen und der Öffnungsarten unterschieden werden. Diese sind
wichtige Schnittstellen zur Abfüllstation. Abbildung 3-61 stellt verschiedene Varianten von Big Bags dar.
144
Oben offen,
Boden mit
Auslauf
Oben mit
Einlauf,
Boden mit
Auslauf
Abbildung 3-61:
Oben mit
Schürze zum
Verschließen,
Boden mit
Auslauf
Oben offen,
Boden
geschlossen
Oben mit
Einlauf,
Boden
geschlossen
Oben eine
Schürze zum
Verschließen,
Boden
geschlossen
Ausführungsformen von Big Bags
Ziel der Untersuchungen war es, Big Bags auszuwählen, die eine hohe Traglast
gewährleisten und gleichzeitig aufgrund der Abmessungen eine ideale Beladung
des Lkw ermöglichen. Um die Rüstzeiten möglichst gering zu halten, sollten möglichst große Big Bags verwendet werden, deren Gesamtgewicht jedoch nicht mehr
als eine Tonne beträgt.
Dabei war es auch wichtig, dass die Abfüllanlage die Big Bags mit möglichst hohem Druck belädt, um deren Traglast möglichst ausnutzen zu können. Da die Beladung der Big Bags zur Vermeidung technischen Aufwands idealerweise von der
Oberseite realisiert werden sollte, ist die Variante mit dem Einlauf von oben und
mit geschlossenem Boden zu favorisieren. Zur Befüllung der Big Bags können
verschiedene Abfüllstationen verwendet werden, die sich nach dem Automatisierungsgrad klassifizieren lassen.
Tabelle 3-19:
Bewertung des Automatisierungsgrades von Abfüllstationen vor dem
Hintergrund der Anforderungen
Manuell
Halbautomatisch
Vollautomatisch
Flexibilität
z
}
}
Geringer Personalaufwand
{
}
z
Geringer Durchsatz
{
}
z
z
}
{
145
Durch die in den Anforderungen vorgegebene Automatisierung kann hier nur eine
vollautomatische Abfüllanlage verwendet werden. Die in diesem Zusammenhang
in Frage kommenden Varianten stellen sich wie folgt dar.
HochleistungsAbfüllanlage
Mit unten
liegender
Waage
Abbildung 3-62:
Mit oben
liegender
Waage
Integriert in den
Produktionsprozess
Big Bag - Abfüllanlagen
(aus /LIB 2006a/ /DER 2006/ /DER 2006/ /LIB 2006b/)
Als besonders vorteilhaft erweist sich hier die Befüllung von oben mit unten liegender Wiegeeinrichtung. Das Mahlgut wird mittels Schwerkraft in die Big Bags
abgefüllt. Durch die geringe Mahlgutgröße ist es möglich, sehr hohe Schüttdichten
und damit eine maximale Auslastung der Traglast der Big Bags zu erreichen.
3.3.4.5
Aufbau und Erprobung der Pilotanlage
Ausgehend von den technischen Alternativen und dem entwickelten Verfahrensschema, wird nachfolgend der zu Zwecken der praktischen Erprobung realisierte
Prozess beschrieben. Die gesamte Anordnung der einzelnen Systemkomponenten in einem Layoutplan ist in Abbildung 3-63 dargestellt.
Erdgeschoss
1. Geschoss
2. Geschoss
Palettenheber
Palettenheber
Verpackungszuführung
Vorzerkleinerer
Abfüllstation
Reinigungsschnecke
Big
gs
Ba
Big Bags
Abtransport
Nachzerkleinerer
Abbildung 3-63:
146
Layout - Plan der Pilotanlage
Förderband
Vorzerkleinerer
Die Verpackungen werden seitlich an das Produktionsgebäude herangefahren und
von dort aus über eine Bühne auf den Palettenheber aufgegeben (s. Abbildung
3-64). Dieser transportiert das Material in das 2. Obergeschoss.
Blick frontal auf den
Palettenheber
Abbildung 3-64:
Blick seitlich in den Palettenheber
Palettenheber für die Zuführung der Verpackungen
Im Rahmen der Umsetzung wurde der Palettenheber PPH 1-1500 der Firma Winkel GmbH ausgewählt, da dieser aller alle technischen Anforderungen erfüllt (vgl.
Tabelle 3-20). Zudem bietet das Produkt eine ökonomisch sinnvolle Wahl durch
geringen Wartungsaufwand. Durch eine integrierte, angetriebene Rollbahn ist eine
Schnittstelle zur den Bandförderern im 2. Obergeschoss gegeben. Diese Rollbahn
ist auf einem Tragaufbau befestigt. Somit ist der Palettenheber PH 1 - 1500 sowohl ökonomisch als auch technisch eine geeignete Lösung.
Tabelle 3-20:
Technische Parameter des Palettenhebers PH 1 - 1500
Parameter
Werte
Hubhöhe [mm]
10.080
Hubgeschwindigkeit [m/s]
0,6
Durchsatz [Stk./h]
60-120
Tragfähigkeit [kg]
540
Motorleistung [kW]
5,5
Gewicht Tragaufbau und
Förderband [kg]
100
Gesamtgewicht [kg]
1.600
147
Für den sicheren und emissionsarmen Betrieb wurde der Vertikalförderer eingehaust. Dies ist insbesondere aus Gründen des Arbeitsschutzes zwingend erforderlich, da Fässer und IBC mit Gefahrstoffanhaftungen von der Rollenbahn fallen
könnten und somit Mitarbeiter verletzen könnten. Zudem sind ohne Einhausung
die Kettenläufe offen zugänglich, was eine potenzielle Gefährdung bedeutet. Ein
weiteres Risiko bestand in der Gefahr von Quetschverletzungen beim Absenken
des Lastaufnahmemittels bis auf den Boden. Diese Risiken wurden durch eine
Einhausung deutlich verringert.
Von der Rollenbahn des Vertikalförderers werden die Verpackungen auf einen
Bandförderer aufgegeben, welcher die Verpackungen über einen zweiten nachgeschalteten Bandförderer direkt in den Vorzerkleinerer führt. Die Förderbänder und
der Zerkleinerer werden automatisch über eine optische Abtastung (Lichtschranke) gesteuert.
Der Vorzerkleinerer der Untha Schredders GmbH mit der Bezeichnung RS 50-4-S
wurde aufgrund seiner technischen Eigenschaften ausgewählt (vgl. Tabelle 3-21).
Zur Zuführung des Materials wurde eine spezielle Eindrückvorrichtung inftegriert,
die verhindert, dass das Material aus der Scheröffnung heraus gestoßen wird.
Somit kann die Zerkleinerung schneller und effektiver erfolgen. Diese Eindrückvorrichtung mit der Bezeichnung „EGE 400“ (Firma Untha Schredders) ist speziell auf
den verwendeten Zerkleinerer abgestimmt.
Tabelle 3-21:
Technische Parameter RS 50-4-S (Untha)
Parameter
Werte
Maximaler Durchsatz [kg/h]
480
Schneidwerksöffnung
1.230 x 700 mm
Motorleistung [kW]
2 x 22 kW
Gewicht
3.800 kg
Aufgrund der Größe der Schneidwerksöffnung können allerdings intakte IBC (ca.
1000 Liter Inhalt) nicht zerkleinert werden, da deren Maße von 1200 mm Länge,
1000 mm Breite und 1175 mm Höhe die Größe der Schneidwerksöffnung überschreiten. Diese müssen daher vor der Zuführung zunächst zerschnitten werden.
Eine Teilung in der Mitte ist dabei ausreichend, so dass der mit der Zerlegung verbundene Aufwand noch zu rechtfertigen war. Die nachfolgende Abbildung zeigt
den ausgewählten Zerkleinerer. Gut zu erkennen sind die vier Wellen.
148
Abbildung 3-65:
Bild des Zerkleinerers RS 50-4-S im praktischen Einsatz
Nach der Vorzerkleinerung wird das Material mittels Schwerkraft vom 2. Obergeschoss in das 1. Obergeschoss transportiert und der Reingungsschnecke (Extruder) zugeführt. Diese transportiert das vorzerkleinerte Gut über eine Länge von
6,24 Metern auf eine Höhe von 1,86 Metern. Im Rahmen des Transports (Fördergeschwindigkeit 16 Meter pro Minute) wird das Material gereinigt und getrocknet.
Die Zuführung der Reinigungsflüssigkeit erfolgt über Düsen von der Oberseite, die
Flüssigkeit wird über ein Sieb an der Unterseite und einen angeschlossenen Trichter abgeführt.
Tabelle 3-22:
Technische Parameter des Extruders
Parameter
Werte
Fördergeschwindigkeit [m/min]
16
Drehzahl [min-1]
40
Länge / Durchmesser [mm]
6.400 / 500
Max. Durchsatz [t/h]
360
Motorleistung [kW]
5,5
Gewicht [kg]
1.200
Durch die geringe Drehzahl von 40 Umdrehungen pro Minute wird das Material
sehr schonend transportiert und umgewälzt. Die durchschnittliche Verweildauer
des Materials beträgt 24 Sekunden. Dadurch bleibt ausreichend Zeit für die Reinigung und Trocknung der Kunststoffstreifen. Trotz geringer Drehzahlen und gerin149
ger Fördergeschwindigkeit wird ein maximaler Durchsatz von 360 kg pro Stunde
erreicht.
ReinigungsSchnecke
Nachzerkleinerer
Abbildung 3-66:
Reinigungsschnecke und Nachzerkleinerer
Am Ende des Reinigungsprozesses wird das Material vertikal mittels Schwerkraft
in den Nachzerkleinerer (Modell: Previero 40/50) transportiert. Dieser nimmt das
Material über eine Schneidwerksöffnung mit Abmaßen von 500 mm x 400 mm auf
und zerkleinert es auf eine homogene Korngröße, welche durch Wahl des Siebes
beeinflusst werden kann. Im Rahmen der Umsetzung wurde eine Endkorngröße
von 12 mm gewählt, da dies den Marktforderungen entspricht. Die technischen
Daten des Nachzerkleinerers sind in Tabelle 3-23 dargestellt.
Tabelle 3-23:
Technische Parameter des Nachzerkleinerers Previero 40/50
Parameter
Maximaler Durchsatz [kg/h]
Drehzahl [min-1]
Schneidwerksöffnung [mm]
Werte
350 bis 400
750
500 x 400
Rotordurchmesser [mm]
400
Motorleistung [kW]
22
Gewicht [kg]
1.700
Das Modell Previero 40/50 gilt als äußerst zuverlässig und beständig gegenüber
aggressiven Medien und Gefahrstoffen. Dadurch wird eine erhöhte Standzeit der
Messer gewährleistet. Zudem sind diese, bedingt durch den konstruktiven Aufbau,
150
schnell zu wechseln und problemlos zu reinigen, da eine gute Zugänglichkeit aller
Bauteile gewährleistet ist.
Abbildung 3-67:
Nachzerkleinerer Previero 40/50
Nach der Nachzerkleinerung wird das Mahlgut vertikal über ein Rohrsystem vom
1. Obergeschoss in das Erdgeschoss transportiert. Dort wurde eine spezielle Abfüllstation vorgesehen, mit der die Befüllung der Big Bags erfolgt. Zu diesem
Zweck werden die Big Bags eingespannt, was durch die Bühnenkonstruktion ist
sehr schnell und unkompliziert durchführbar ist (vgl. Abbildung 3-68). Die Rüstzeit
pro Big Bag beträgt nur etwa 20 Minuten. Nach insgesamt 120 Minuten ist ein Big
Bag befüllt und kann mittels Gabelstapler ins Zwischenlager befördert oder auf
einen Lkw verladen werden (vgl. Abbildung 3-69).
Abbildung 3-68:
Abfüllung der Big Bags
151
Abbildung 3-69:
Beladen eines Lkw mit Big Bags
Zur optimalen Nutzung des Laderaums werden Big Bags eingesetzt, die eine Höhe von 2300 mm, eine Breite von 1000 mm und eine Länge von 1000 mm aufweisen. Die maximale Nutzlast beträgt 1000 Kilogramm. Allerdings wird diese aufgrund des relativ leichten Materials nicht voll ausgenutzt. Das Gewicht der befüllten Big Bags beträgt etwa 800 bis 900 Kilogramm.
Im Rahmen der Erprobungsphase wurden verschiedene Testreihen gefahren und
die Parameter verändert und optimiert. In der Erprobungsphase gab es zunächst
Probleme mit der Eindrückvorrichtung des Vorzerkleinerers. Es kam aufgrund einer fehlerhaften Steuerung - diese erfolgt über Lichtschranken - zu vermehrten
Störungen. Teilweise wurden Verpackungen zu früh zugeführt, wenn der Zerkleinerer noch nicht wieder betriebsbereit war, teilweise wurden nach vollständig
durchgeführtem Zerkleinerungsvorgang keine Verpackungen eingezogen. Durch
optimiertes Positionieren der Sensoren konnte dieses Problem jedoch schnell behoben werden, so dass der Vorzerkleinerer, ebenso wie die anderen Komponenten des Zerkleinerungsverfahrens, zuverlässig funktionierte. Weitere Schwachstellen wurden bei Produktreinigung festgestellt. Dabei kam es teilweise zu Verstopfungen des unter der Reinigungsschnecke angeordneten Siebs zum Abtropfen der
Flüssigkeit durch Kunststoffpartikel. Auch dieses Problem konnte durch technische
Optimierungen gelöst werden. Insgesamt ist festzuhalten, dass das Verfahren
nach den beschriebenen Optimierungen zuverlässig funktioniert und die Produktqualität den Anforderungen des Marktes entspricht.
3.3.4.6
Abschließende Bewertung der Versuchsergebnisse
Die im Rahmen der Erprobung gewonnenen Erkenntnisse lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
152
Mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens ist es möglich, die nicht schadstoffhaltigen
Kunststoffverpackungen marktgerecht zu behandeln, um sie anschließend einer
stofflichen Verwertung zuzuführen. Die zerkleinerten Kunststoffteilchen können zu
einem Marktpreis von etwa 330 bis 350 Euro je Tonne abgegeben werden, so
dass sich für den Rekonditionierer erhebliche Umsatzerlöse ergeben. Dies ist ein
Beleg für die gute Produktqualität und damit für die Effizienz des Prozesses, wobei
allerdings auch zu berücksichtigen ist, dass aktuell aufgrund der Materialknappheit
nur geringe Qualitätsanforderungen bestehen. Aus diesen Gründen ist aktuell eine
Produktreinigung nicht zwingend erforderlich, um den oben dargestellten Marktpreis zu erzielen. Im Hinblick auf zukünftige Entwicklungen ist es jedoch sinnvoll,
eine entsprechende Reinigungsanlage vorzusehen.
Die nachfolgende Abbildung zeigt das im Zerkleinerungsprozess gewonnene Granulat (links) und das daraus hergestellte Produkt (Erdkabelabdeckungen, rechts).
Abbildung 3-70:
Kunststoffgranulat aus der entwickelten Anlage und Recyclingprodukt
Für eine abschließende Bewertung des Teilprojektes aus betrieblicher Sicht ist
aber auch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens von entscheidender Bedeutung.
Zu diesem Zweck wurde ein Wirtschaftlichkeitsnachweis geführt. Wie bei den anderen Teilprojekten auch, wurden dazu die Pay Out Time (Amortisationszeit), der
Discounted Cash Flow sowie der Net Present Value ermittelt (vgl. auch Kapitel
3.3.1.6).
Bezogen auf die aktuelle Situation und unter Berücksichtigung einer Gesamtinvestition von ca. 249.000 Euro liegt die Amortisationszeit der Anlage bei 13 Monaten
und ist somit vergleichsweise kurz. Der Net Present Value beträgt 1,433 Millionen
Euro, bezogen auf einen internen Zinsfuß von 5 %. Er entspricht dem 5,7f-fachen
der Investitionssumme. Dies ist ein sehr hoher Wert für ein Investitionsprojekt.
Auch der Discounted Cash Flow von 109,09 % verdeutlicht die hohe Wertschöpfung des Projektes. Das Projekt ist somit in wirtschaftlicher Hinsicht außerordentlich rentabel.
153
120%
100%
DCF
80%
60%
40%
20%
13
20
12
20
11
20
10
20
09
20
08
20
07
20
06
20
05
20
04
20
03
20
20
02
0%
Jahr
Abbildung 3-71:
Entwicklung des Discounted Cash Flow (DCF)
Insgesamt konnten die zu Beginn des Projektes formulierten Zielsetzungen weitgend erreicht werden. Durch die Materialaufbereitung können die aufbereiteten
Kunststoffe zu 100 % der stofflichen Verwertung zugeführt werden, ungelenkte
Emissionen werden durch Einhausung der verschiedenen Prozessstufen und die
Zuführung der Abluft in die thermische Nachverbrennung (TNV) vermieden. Lediglich im Hinblick auf die Reduzierung des Transportaufkommens konnten die angestrebten betrieblichen Ziele (Reduzierung um 90 %) trotz erheblicher Verbesserungen nicht ganz erreicht werden, was letztlich aber mit der Veränderung der
Rahmenbedingungen während der Projektlaufzeit einhergeht. Steigende Mengen
an IBC, auch solchen mit Resten schadstoffhaltiger bzw. gefährlicher Füllgüter,
führten zu einer erheblichen Mengensteigerung bei den Kunststoffen (vgl. Tabelle
3-24).
Tabelle 3-24:
Mengenentwicklung bei Kunststoffverpackungen (inkl. IBC)
2003
2004
2005
Verpackungen aus Kunststoff
420 to
650 to
745 to
Verpackungen, die Rückstände
gefährlicher Stoffe enthalten
489 to
770 to
725 to
Da die Verpackungen mit Rückständen gefährlicher Güter in der geplanten Anlage
nicht verarbeitet werden können, mussten sie weiterhin unbehandelt transportiert
werden, was zwangsläufig mit einem erhöhten Transportaufkommen einhergeht.
Bei der Formulierung der Zielsetzungen zu Beginn des Projektes war man noch
davon ausgegangen, dass die Mengen an Verpackungen mit schadstoffhaltigen
154
Füllgütern deutlich zurückgehen würden, woraus ein vermindertes Transportaufkommen resultiert hätte.
Die, trotz dieser Veränderungen, im Rahmen des Projektes realisierten Verbesserungen können am Besten im Vergleich der heutigen Situation mit der Situation zu
Projektbeginn verdeutlicht werden. Durch die Aufbereitung, Zerkleinerung und
Verpackung in Big Bags konnte das Transportgewichts von etwa 10 Tonnen je
Lkw (Ist-Situation) auf 20 Tonnen je Lkw und damit die Auslastung der Lkw verdoppelt werden. Bezogen auf die heutigen Mengen an Verpackungen wären früher also mindestens doppelt so viele Transporte notwendig gewesen.
Insgesamt sind damit die in diesem Teilprojekt erreichten Ergebnisse unter den
gegebenen Randbedingungen als großer Erfolg zu werten. Die Erkenntnisse werden dazu beitragen, die Kreislaufwirtschaft in der Verpackungsindustrie weiter
voran zu treiben.
3.4
3.4.1
Optimierung der innerbetrieblichen Logistik und Neugestaltung des
Entladebereichs
Darstellung der Ausgangssituation und der Schwachstellen
Ziel des Projektes war es, einen Musterprozess für die Rekonditionierung starrer
Verpackungen zu konzipieren. Dazu musste auch das Logistikkonzept optimiert
werden, da insbesondere im Bereich des Wareneingangs, der Entladung und der
Sortierung erhebliche Potenziale vorhanden waren. Zur Verdeutlichung dieser Potenziale werden zunächst kurz die logistischen Rahmenbedingungen in Rekonditionierbetrieben am Beispiel der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. beschrieben. Wie bei den meisten Rekonditionierern erfolgt die Abwicklung des Transportaufkommens mit Hilfe von unternehmenseigenen Wechselbrücken und Fahrzeugen (vgl. Abbildung 3-72). Speditionen werden nur für einseitige Fahrten oder bei
Kapazitätsengpässen eingesetzt.
Abbildung 3-72:
Lastzug (links) und Wechselbrücken (rechts)
155
Die auf dem Gelände eintreffenden Wechselbrücken werden innerbetrieblich vereinnahmt und mit Spezialfahrzeugen (WB-Umsetzer) zum Entlade- bzw. Sortierbereich befördert. An der Entladung waren zu Projektbeginn insgesamt acht LkwRampen verfügbar, die der Produktion unmittelbar vorgelagert waren. Die von den
Mitarbeitern als rekonditionierfähig eingestuften Verpackungen wurden entladen
und über eine direkt hinter den Entladestellen angeordnete, angetriebene Rollenbahn den Reinigungsanlagen zugeführt. Alle nicht rekonditionierfähigen Verpackungen verblieben auf den Wechselbrücken und wurden zu einem separaten
Sortierplatz befördert.
Der innerbetriebliche Materialfluss im Bereich der Entladung von Fässern und
Kleingebinden ist in Abbildung 3-73 dargestellt.
Rekonditionierung
(Werkshalle)
Abbildung 3-73:
i
i
(ankommende
Wechselbrücken)
i
Entladebereich
Stahlfass shredder
- Identifikation
- Selektion
- Sortierung
i
i
i
(direkt auf
den Wechselbrücken;
Rest verbleibt auf
den Brücken)
Ist-Situation des Materialflusses an der Entladung
Die Entscheidung über die weitere Verwendung bzw. Behandlung jedes einzelnen
Fasses fand durch subjektive Beurteilung des Entlademitarbeiters undokumentiert
in den Wechselbrücken statt. Dabei erfolgt oftmals ein gleichzeitiges Ein- und Ausladen der Verpackungen. Aufgrund der engen Platzverhältnisse nahm die Entladung entsprechend viel Zeit in Anspruch und konnte je nach Inhalt der Wechselbrücken mehr als eine Stunde je Brücke dauern.
Die Beurteilung der Verpackungen erfolgt anhand definierter Kriterien. Unter Berücksichtigung von Verpackungsart, Lieferant, ehemaligem Füllgut und Zustand
der Verpackungen entscheidet der Mitarbeiter zunächst über die grundsätzliche
Prozessfähigkeit, bevor er die Rekonditionierfähigkeit ermittelt. Auf diese Weise
ordnet er die Verpackung einer der Kategorien A bis E zu (vgl. Abbildung 3-74).
156
Abzugebende Verpackung prozessfähig?
Nach
Behandlung
Ja
Nein
Verpackung rekonditionierfähig?
Ja
Nach
Behandlung
Nein
Nein
Nein
A
B
C
D
E
Abbildung 3-74:
Entscheidungsprozess der Entlademitarbeiter
Die Erfassung wichtiger Informationen über die angelieferten Verpackungen und
deren weitere Behandlung bzw. der Verbleib auf dem Gelände fand nur teilweise
in handschriftlicher Form statt. Diese gewonnen Daten wurden zu einem späteren
Zeitpunkt in die EDV eingegeben und ausgewertet.
Die nicht bzw. erst nach Vorbehandlung rekonditionierfähigen Verpackungen (Kategorie B bis E) konnten aufgrund der Gestaltung des Entladebereichs nicht direkt
entladen werden und verblieben daher auf den Wechselbrücken. Diese wurden
nach Entladung der rekonditionierfähigen Fässer abgezogen und an einen separaten Platz befördert, an dem die Verpackungen nachträglich sortiert wurden. Die
zugehörigen Mengen und sonstige Informationen (z. B. Lieferanten) wurden handschriftlich erfasst und zu einem späteren Zeitpunkt ausgewertet.
Insgesamt war die dargestellte Vorgehensweise ineffektiv und verursachte einen
hohen Aufwand. Durch die vorhandenen acht Entladerampen war der Personaleinsatz schwierig zu koordinieren. Außerdem erforderte die Entladung einen großen personellen Aufwand, da der gesamte Entladevorgang ausschließlich manuell
ohne technische Unterstützung erfolgte. Der unzureichende Platz im Entladebereich erschwerte die Arbeit zusätzlich, da Pufferung oder Zwischenlagerung nicht
möglich waren. Hinzu kam eine mangelnde Übersicht, die durch das ständige Umsetzen der Wechselbrücken entstand.
Darüber hinaus existierten weitere Ansatzpunkte in der internen Logistik und der
Verkehrsführung auf dem Gelände. So war der Verkehr auf dem Betriebsgelände
nicht effizient organisiert und feste Verkehrswege und -regeln fehlten weitgehend.
Dieses Verhalten führte zu gegenseitigen Behinderungen, überflüssigen Wartezeiten und vermeidbaren Rangiermanövern.
Zur vollständigen Entladung einer Wechselbrücke waren mehrere unterschiedliche
Rampenkontakte notwendig. Darüber hinaus verursachte das ständige Umsetzen
der Wechselbrücken hohe Wartezeiten, so dass eine zügige Verfügbarkeit für
157
Auslieferungen an die Kunden nicht gegeben war. Auch waren die Wechselbrücken insgesamt zu lange belegt, da sie zur vollständigen Entladung erst in den
Sortierbereich gefahren werden mussten. Dadurch kam es teilweise dazu, dass
nicht ausreichend viele Leerbrücken an der Entladung zur Verfügung standen,
was in Einzelfällen einen Produktionsstillstand zur Folge hatte.
Es waren zu Beginn des Vorhabens also eine Vielzahl an Ansatzpunkten vorhanden, die in Gesprächen durch konkrete Anforderungen des Betriebs im Hinblick
auf mögliche Optimierungen erweitert wurden. Dabei stellte sich heraus, dass bei
optimierter Entladung und dadurch verkürzter Entladezeit drei Rampen zur Bewältigung der angelieferten Mengen an Verpackungen ausreichen müssten. Aus
Gründen der Sicherheit und späteren Erweiterbarkeit sollte eine zusätzliche Entladerampe vorgesehen werden. Zwingend erforderlich war eine Integration der Sortierung in den Entladebereich, um eine weitergehende Fraktionierung der Verpackungen zu ermöglichen.
Basierend auf den genannten Aspekten konnten die Optimierungsansätze in den
Bereichen Wareneingang und Entladung, Verkehrsführung sowie Verpackungssortierung definiert werden. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über
die Anforderungen an das neu zu gestaltende Logistikkonzept.
Tabelle 3-25:
Anforderungen an das Logistikkonzept
Anforderungen
Schaffen großzügiger Platzverhältnisse im gesamten Entladebereich
Integration von vier Entladerampen
Einmalige, ununterbrochene Entladung der Wechselbrücken
Entladung
Feste Kompetenzvergabe unter den Mitarbeitern
Feste Platzvergabe für alle im Entladebereich notwendigen Prozessschritte
Technische Unterstützung der Entlademitarbeiter
Kurze Wartezeiten der Wechselbrücken
Reduzierung des Wechselbrückenverkehrs
Markierung der Stell-, Lager- und Verkehrsflächen
Verkehrsführung,
Logistik
Befestigung der Abstellflächen auf dem hinteren Betriebsgelände
Einführen fester Verkehrsregeln
Reduzierung des innerbetrieblichen Wechselbrückenverkehrs
Reduzierung der Wartezeiten der Wechselbrücken
Konzentration der Sortierung im Entladebereich
Sortierung
158
Unterbrechungsfreie Sortierung und Verteilung der Verpackungen
Hilfsmittel zur eindeutigen Klassifizierung anhand definierter Kriterien
Verlagerung von mobilen Anlagen zur Vorbehandlung in den Entladebereich
(z. B. Kleingebindeschredder)
Basierend auf diesen Anforderungen wurden entsprechende Konzepte für den
Bereich Entladung und Sortierung sowie die Verkehrsführung / Logistik entwickelt,
die in den nachfolgenden Kapiteln genauer beschrieben werden.
3.4.2
Entwurf eines optimierten Entlade- und Sortierbereichs
Grundlage für alle Optimierungsmaßnahmen war die Realisierung einer vollständigen, schnellen und durchgehenden Entladung der Wechselbrücken an einem
definierten Ort. Dabei mussten vor allem technische Hilfsmittel zur Unterstützung
der Mitarbeiter in den Entladebereich integriert werden. An dieser Stelle bieten
sich beispielsweise Teleskopförderer an, die eine deutliche Entlastung der Mitarbeiter durch Verkürzung der Wege bewirken können. Durch die zusätzlich zu erreichende Beschleunigung des Entladevorgangs sollten auch die Wartezeiten der
Wechselbrücken deutlich reduziert und dadurch höhere Durchsätze je Mitarbeiter
erreicht werden.
Um mehr Platz im Entladebereich zu erzielen und die beschriebenen Teleskopförderer integrieren zu können, musste der vorhandene Entladebereich (Rampe) um
eine überdachte Plattform erweitert werden. Die Tiefe der Plattform musste dabei
so gewählt werden, dass ausreichend Platz für die einzusetzenden Teleskopförderer, die Fördertechnik sowie die Sortierung der Verpackungen gewährleistet war.
An der Stirnseite wurden insgesamt vier Entladerampen und ausreichend viele
Rampen für die Zwischenlagerung der sortierten Verpackungen installiert. Die
Zahl der Rampen wurde so gewählt, dass zur Versorgung der Nassreinigung drei
zur Verfügung stehen und die vierte Rampe nach Bedarf bzw. zur Redundanz eingesetzt werden kann. Sie dient beispielsweise als Reserve bei Instandhaltungsarbeiten.
Um neben der technischen Optimierung auch einen verbesserten Informationsfluss zu erreichen, bot sich die Integration von Identifikationspunkten an, an denen
auch die Kennzeichnungslösungen für die zu rekonditionierenden Verpackungen
sinnvoll eingesetzt werden können (vgl. Kapitel 4). Direkt nach der Entladung
durchlaufen die Fässer einzeln einen ersten Identifikationspunkt, an dem sie zahlenmäßig und nach Kategorien differenziert erfasst werden können. Dies ermöglicht eine Vermeidung der bisher manuell durchgeführten Dokumentationsprozesse sowie einen nachträglichen Abgleich der tatsächlichen Ladung mit der vom Lieferanten deklarierten Ware. Bei Nutzung automatischer Identifikationssysteme zur
Kennzeichnung der zu rekonditionierenden Verpackungen mussten außerdem an
den Identifikationspunkten entsprechende Leseeinrichtungen (z. B. BarcodeScanner, RFID-Lesegeräte) in den Entladebereich integriert werden.
Nach der Entladung, Erfassung der Verpackungen und ggf. Entfernung der Spunde werden die nicht rekonditionierfähigen Verpackungen ausgeschleust und in
159
einen separaten Sortierbereich befördert. Dazu war eine Erweiterung der vorhandenen Fördertechnik (Rollenbahn) erforderlich, die die notwendige Flexibilität bezüglich Verpackungsgrößen und -arten ermöglichte. Die nicht für die Rekonditionierung vorgesehenen Fässer werden, mit Ausnahme der Verpackungen für den
Stahlschredder (direkte Zuführung möglich), direkt den entsprechenden Kategorien zugeordnet und auf die im Sortierbereich bereitgestellten Wechselbrücken
verladen. Für jede Kategorie muss eine Wechselbrücke bereitgestellt werden, um
nachträgliche Sortierung zu vermeiden. Im Falle der Blagden Packaging Mendig
GmbH waren daher insgesamt neun Wechselbrücken erforderlich, deren Anzahl
bei direkter materialflusstechnischer Anbindung von Neutralisation und Kunststoffschredder auf sieben reduziert werden kann. Eine Besonderheit stellt noch ein bei
der Firma Blagden vorhandener Kleingebindeschredder dar, der ebenfalls in den
Sortierbereich zu integrieren war. Die nachfolgende Abbildung stellt den optimierten Materialfluss dar.
Rekonditionierung
(Werkshalle)
Weiche:
- Prozeß
- Entsorgung
- Wechselbrücken
Stahlfass shredder
!
Abbildung 3-75:
i
i
Infopoints:
- Ladungsidentifikation
- Einstufung
- Kennzeichnung RFID
i
(ankommende
Wechselbrücken)
i
Entladebereich
Blagdenlille
Chemfidence
Brennfässer
PE-Shredder
Neutralisation
Entsorgung
Entsorgung
WB
Entsorgung
WB
Entsorgung
Kleinfass shredder
Darstellung des optimierten Materialflusses an der Entladung
Mit Hilfe der beschriebenen Maßnahmen und der dadurch möglichen schnellen
und vollständigen Entladung stehen die Wechselbrücken in weniger als 30 Minuten leer wieder zur Verfügung und können direkt an eine der Verladerampen, als
Kundenbrücke in den Warenausgang oder auf einen der Abstellplätze befördert
werden. Der innerbetriebliche Umschlag der Wechselbrücken sollte dabei ausschließlich von speziellen Umsetzfahrzeugen durchgeführt werden, um die Wartezeiten der Lkw zu minimieren und den innerbetrieblichen Verkehr zu optimieren.
Dies wird in den nachfolgenden Kapiteln noch etwas genauer beschrieben.
3.4.3
Neugestaltung der Arbeitsorganisation
Bei der Neugestaltung des Wareneingangs stand die Erhöhung von Durchsatz
und Geschwindigkeit an erster Stelle. Dabei musste aber zusätzlich darauf geachtet werden, dass sich die Arbeitsbedingungen für die Entladearbeiter verbessern.
160
Nach dem Umbau und der Reorganisation des Wareneingangs stellen sich die
Arbeitsverteilung und der Ablauf folgendermaßen dar:
Zum Entladen der Wechselbrücken arbeitet an jedem Teleskopförderer bzw. jeder
Entladerampe ein aus zwei Personen bestehendes Team. Einer der Mitarbeiter
befindet sich in der Wechselbrücke und hebt die geladenen Fässer auf den nachlaufenden Teleskopförderer. Die zweite Person steht an einem der hinter den Teleskopförderern angebrachten Infopoint und ist dort für die Klassifikation und Erfassung der Verpackungen zuständig. Ein weiterer Mitarbeiter wird an der Ausschleusung zum Sortierbereich benötigt.
Im Sortierbereich sind zwei Werker vorzusehen, die die Sortierung und Verladung
der nicht rekonditionierbaren Fässer auf die zugehörigen Wechselbrücken vornehmen. Darüber hinaus versorgen sie die Neutralisation und bedienen die
Schredderanlagen.
Zur Koordination der Entladeteams, der Entsorgung und der Rampenversorgung
sollte ein Schichtleiter eingesetzt werden. Dieser ist ebenfalls für eventuelle Regelungen und Abweichungen bei nicht lieferscheinkonformen Ladungen zuständig.
Somit werden, bei Nutzung von drei Entladerampen, Schichten mit mindestens
acht Arbeitern besetzt. Da durch die neue Organisation ein aufwendiges Sortieren
überflüssig wird, können die Mitarbeiter, die diese Tätigkeit vorher ausführten, an
der neuen Entladung eingesetzt werden.
Zusätzlich zum Entladeteam werden zwei Fahrer für die Wechselbrückenumsetzter benötigt, die alle innerbetrieblichen Umschlagvorgänge durchführen.
Infopoints
Die unmittelbar hinter den Teleskopförderern angebrachten Infopoints decken
mehrere Aufgaben ab. Sie dienen zum Abgleich der entladenen Ware mit den auf
den Bestellscheinen deklarierten Mengen. Dazu ist es notwendig, dass der eingesetzte Arbeiter aufgrund seiner Erfahrungen und unterstützt durch Hilfsmittel in der
Lage ist, die Qualität jedes einzelnen Fasses umgehend zu erkennen und somit
über die weitere Behandlung zu entscheiden. Handelt es sich um ein Fass vom
Typ A, entfernt er mit Hilfe eines Luftschraubers die Spunde. Zusätzlich ist in diesem Bereich die Anbringung eines Kennzeichnungsmediums an den rekonditionierfähigen Verpackungen (Kategorie A) vorzusehen, das im weiteren Prozess der
eindeutigen Identifikation dient und später eine fundierte Auswertung ermöglicht.
Am Infopoint muss ein EDV-Terminal installiert werden. Der Mitarbeiter kann so
alle notwendigen Informationen über eine Tastatur eingeben und die Daten auf
dem Monitor kontrollieren. Zur Eingabe muss eine entsprechend robuste ASCIITastatur eingesetzt werden. Um die Arbeit zu erleichtern und Fehler zu minimie-
161
ren, sollte ggf. ein Eingabegerät verwendet werden, das speziell auf diesen Einsatzzweck ausgelegt ist. Es muss insbesondere so gestaltet sein, dass es auch
mechanischen Belastungen (z. B. Schläge, Stöße) und Befeuchtung standhält.
Darüber hinaus muss eine Bedienbarkeit mit Arbeitshandschuhen gegeben sein.
Die Gestaltung des Bedienterminals sowie die Integration der Kennzeichnungssysteme sind ausführlich in Kapitel 4 beschrieben.
3.4.4
Logistikkonzept
Um die beschriebenen Veränderungen im Entladebereich und an der Entladetechnik vornehmen zu können, ist ein Ausbau der zur Verfügung stehenden Fläche erforderlich. Dadurch kommt es zu Platzeinbußen in dem davor liegenden Bereich des Betriebshofs, der eine teilweise Umlagerung der dort zwischengelagerten Wechselbrücken und Intermediate Bulk Container (IBC) erfordert. Dies macht
eine Befestigung und ein anforderungsgerechten Ausbau der Lagerfläche hinter
der Produktionshalle sowie eine Verlagerung der IBC in diesen neu entstehenden
Bereich sinnvoll. Der dadurch freiwerdende Platz kann dann als Stellfläche für die
Wechselbrücken genutzt werden. Somit stehen entlang der gesamten Geländekante ausreichend Stellplätze für die Wechselbrücken zur Verfügung.
Die für den Transport der IBC eingesetzten Lkw bewegen sich auf dem Firmengelände nur noch in festgelegten und gekennzeichneten Verkehrsflächen im Rahmen eines Einbahnstraßenverkehrs. Darüber hinaus sollte eine strikte Trennung
zwischen internem und externem Verkehr vollzogen werden. Zur Vermeidung von
Kreuzungen zwischen den Verkehren sollte der gesamte innerbetriebliche Transport der Wechselbrücken nur noch von den Umsetzern vorgenommen werden.
Dafür sind fest definierte Übergabepunkte erforderlich, an denen die Wechselbrücken durch die Lkw-Fahrer abgesetzt werden.
Im Zuge der Ausbaumaßnahmen des hinteren Hofbereichs und der Einführung
eines Einbahnstraßenverkehrs bietet es sich an, ein neues Zufahrtstor zu realisieren und eine Verkehrsanbindung an die hinter der Produktionshalle verlaufende
Straße zu schaffen. So ist es möglich, eine brezelförmig verlaufende Verkehrsstruktur zu realisieren. Alle ankommenden Lkw erreichen das Betriebsgelände
durch das neu zu errichtende Zufahrtstor. Alle einund ausgehenden Wechselbrücken werden auf eindeutig markierten Flächen vereinnahmt und wieder bereitgestellt. Dadurch wird es möglich, dass die Lkw das Betriebsgelände nach der Ankunft schnell wieder für Auslieferungszwecke verlassen können.
Der gesamte innerbetriebliche Transport der Wechselbrücken von der Abladestelle zur Entladung, zur Verladung, zum Abtransport und zur Abstellfläche erfolgt
ausschließlich durch Umsetzfahrzeuge. Somit entfallen aufwendige und zeitintensive Wende- und Rangiermanöver der Transportzüge.
162
Auch bei der Reinigung von Kombinations-IBC waren in Zusammenhang mit dem
neuen Logistikkonzept Umbaumaßnahmen zu empfehlen. So war es zweckmäßig,
einen separaten Bereich für die Zerlegung bzw. das Rebotteling nicht reinigungsfähiger IBC zu errichten und so Reinigung und Zerlegung räumlich voneinander zu
trennen.
3.4.5
3.4.5.1
Baumaßnahmen
Entladung und Sortierung im Spundfass-Bereich
Die Rampe für die Entladung der Wechselbrücken muss vollständig umgebaut
werden. In diesem Zusammenhang muss das vorhandene aufgeständerte Podest
mit der Auffangwanne für Gefahrstoffe weiter vorgezogen werden. Die notwendige
Tiefe der neuen Rampe beträgt unter Berücksichtigung der technischen Daten
eines geeigneten Telekopförderers ca. 11 Meter im Bereich der Entladung. In dem
daneben liegenden Sortierbereich ist eine Tiefe von 7 Metern ausreichend. Insgesamt entstehen so ca. 268 m2 neuer Platz für die Entladung und die Sortierung der
Verpackungen. Zum Schutz der Mitarbeiter gegen Witterungseinflüsse sollten Seitenwände vorgesehen werden.
Vor der neu errichteten Rampe muss der Asphalt aufgenommen werden, um eine
neue Abstellfläche für die Wechselbrücken zu schaffen. An dieser Stelle ist eine
Stahlbetonplatte notwendig. Das Layout des neu gestalteten Entladebereichs ist in
Bei der Umgestaltung der Entladerampe kann die vorhandene Förderstrecke (angetriebene Rollenbahn), die die Reinigungsanlagen versorgt, unverändert bestehen bleiben. An den baulichen Erweiterungen muss jedoch eine andere Fördertechnik eingesetzt werden, da die bisher genutzten Rollenbahnen für Kleingebinde
ungeeignet sind. Hier bieten sich Rollenbahnen mit eng stehenden Rollen, Bandförderer oder Schleppkettenförderer an. Insgesamt werden für den Umbau fünf TKreuzungen und ca. 40 Meter neue Fördertechnik benötigt.
Zuführung
StahlfassSchredder
Reinigung 1
Reinigung 2 und 3
Person 1
aufwärts
Büro
6,0 qm
Sperrfläche
abwärts
Kleinfassschredder
Person 1
Person 1
Person 1
Person 1
Caljan
CB3-5/7
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Caljan
CB3-5/7
Caljan
CB3-5/7
Caljan
CB3-5/7
Wechselbrücke
Person 1
Person 1
Person 1
Wechselbrücke
Wechselbrücke
Wechselbrücke
163
Abbildung 3-76:
Layout des neuen Entlade- und Sortierbereichs
Nach der Entladung werden die rekonditinierfähigen Fässer unmittelbar der Reinigung zugeführt. Alle anderen Verpackungen (Kleingebinde, Kunststofffässer etc.)
mit Ausnahme der IBC werden am Übergang zu den Reinigungsanlagen in den
neu gestalteten Sortierbereich geleitet. Dort werden sie von qualifiziertem Personal sortiert und in die Wechselbrücken verladen. So bald eine der Wechselbrücken
gefüllt ist, wird sie vom Umsetzerfahrer abgezogen und gegen eine leere Brücke
ausgetauscht. Der Sortierbereich ist in der nachfolgenden Abbildung nochmals
detailliert dargestellt.
Bür o
Sperrfläche
6,0 qm
Kleingebindeshredder
Person
WB
Abbildung 3-77:
WB
WB
1
WB
WB
WB
WB
WB
WB
Neue Rampe für die Sortierung der Verpackungen
Werden Verpackungen entladen, deren ehemaliger Inhalt aufgrund fehlender Etiketten oder unbekannter Produkte nicht ohne Weiteres zu identifizieren ist, können
diese auf einer Sperrfläche im Sortierbereich zwischengelagert werden, die nach
Gefahrgutbestimmungen ausgelegt sein muss (vgl. Abbildung 3-77). Um hier eine
sichere Bestimmung des weiteren Behandlungsweges vornehmen zu können, bedarf es eines Hilfsmittels in Form einer Datenbank. Mit Hilfe der Datenbank ist es
den Mitarbeitern möglich, über Filter und Suchroutinen schnell und einfach eine
Klassifizierung und Zuordnung vorzunehmen und gegebenenfalls Behandlungsmöglichkeiten abzufragen. Zu diesem Zweck muss eine Workstation in den Sortierbereich integriert werden. Der Aufbau dieser Stoffdatenbank ist ausführlich in
Kapitel 5.1 dargestellt.
3.4.5.2
Infrastruktur, Betriebshof und IBC-Bereich
Der gesamte hintere Hofbereich wird, unter Berücksichtigung geltender rechtlichen
Bestimmungen, mit einem Fundament und einer Decke ausgebaut, die ständigem
Lkw- und Schwerlastverkehr standhält. Aufgrund der Größe ist es notwendig, das
Gelände zu umzäunen und eine Kanalisation und Drainage zur Entwässerung
164
vorzusehen. Der Bereich wird per Zufahrt an die hinter der Produktionshalle laufende Straße angebunden. An dieser Stelle wird ein Bürogebäude benötigt, in dem
ein Mitarbeiter zur Kontrolle des Wareneingangs vorgesehen ist. Des Weiteren
müssen eindeutige Straßen und Zuordnungsmarkierungen aufgebracht werden,
um einen reibungslosen, unkomplizierten Verkehr zu ermöglichen.
Ebenso wie bei der Entladung von Fässern und Kleingebinden sind auch im Bereich der IBC-Reinigung einige Änderungen erforderlich. Im Ist-Zustand erfolgte
die Zerlegung und das Rebotteling der Kombinations-IBC unkoordiniert im Vorraum der Reinigungsanlagen. Diese Vorgehensweise führte zu Behinderungen der
Materialflüsse und erwies sich als zeitaufwendig, da keine Lagerkapazitäten (z. B.
für neue Kunststoff-Innenbehälter) vorhanden waren. Daher ist es zweckmäßig,
eine räumliche Entkopplung zwischen den Bereichen Reinigung und Zerlegung /
Rebotteling zu realisieren. Dies kann durch Erweiterung bzw. Anbau einer neuen
Halle realisiert werden, der in der nachfolgenden Abbildung dargestellt ist. Die
vorhandene Halle wird um ca. 400 m2 erweitert, um in diesem neu entstandenen
Bereich die Zerlegung bzw. das Rebotteling vornehmen zu können. Zusätzlich
sind in diesem Anbau ausreichend Lager- und Kommissionierflächen vorhanden,
um eine effiziente Prozessdurchführung bewerkstelligen zu können.
Reinigungsbereich
Reinigungsbecken
Heizöltank
Zerlegung,
Rebotteling
Klarspülbecken
Gebläse
Luftbehälter
ET
Kom pr .
Luftbeh .
Zerlegung
Brauchwasser
Rein.
Klarsp.
Endbearbeitung
20 m
Dichtigkeitsprüfung
Büro
Tor 2
Tor 3
Podest
Podest
ET
Tor 1
0,90
20 m
Abbildung 3-78:
Gestaltung der IBC-Reinigung und -Zerlegung
Der Anbau erfordert auch eine Umgestaltung des Materialflusses. So müssen die
nicht reinigungsfähigen IBC zu Zwecken des Rebotteling bzw. der Zerlegung in
den neu entstandenen Hallenbereich befördert werden. Zu diesem Zweck ist es
sinnvoll, hinter der vorhandenen Halle eine Förderstrecke vorzusehen (vgl.
Abbildung 3-78).
165
Mit Hilfe der entwickelten Maßnahmen (z. B. Verkehrs- und Materialfluss etc.)
kann, unterstützt durch entsprechende organisatorische Maßnahmen, eine deutliche Optimierung und Beschleunigung der innerbetrieblichen Auftragsabwicklung
erreicht werden, die nachhaltig zu Zeitersparnissen, Aufwandsreduzierungen etc.
beiträgt und so die Wettbewerbsposition stärkt. So kann die durchschnittliche Entladezeit für die Wechselbrücken auf etwa 20 bis 30 Minuten gesenkt werden (vorher bis zu zwei Stunden inkl. Sortierung), ebenso die Umschlaggeschwindigkeit
der Wechselbrücken.
Mit Einschränkungen kann das auf die unternehmensspezifische Situation der
Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. bezogene Konzept auch auf andere Rekonditonierbetriebe übertragen werden, da die grundsätzlichen Abläufe der innerbetrieblichen Logistik und der Reinigung bzw. Produktion sich sehr ähneln. Einschränkungen ergeben sich überwiegend aufgrund der örtlichen Gegebenheiten in
den Betrieben (z. B. aufgrund der Platzverhältnisse).
3.5
Konzeption des Musterprozesses einer Rekonditionieranlage für
Spundfässer aus Stahl
Unter Berücksichtigung der in den vorherigen Ausführungen gewonnenen Erkenntnisse wurde im Folgenden ein Musterprozess für eine Rekonditionieranlage
entwickelt, der, unter dem Aspekt der Materialflussoptimierung, alle beschriebenen
Komponenten, wie beispielsweise Neutralisation, Etikettenentfernung mit Hilfe
Bürstenmaschine bzw. Wasserstrahl, Schredderanlagen, Verfahren zur Bewertung
der Rekonditionierfähigkeit und Einsatz der Kennzeichnungstechnologie, vereint.
Das sich ergebende Layout für die Gestaltung einer Anlage zur SpundfassRekonditionierung ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Nicht dargestellt
ist die im Rahmen des Vorhabens entwickelte Prozesswasseraufbereitung.
166
Abluftwäscher
TNV Abluftreiniger
Endkontrolle Deckelfass
Verladung DF
Endkontrolle Spundfass
Verladung SF
Kühlstrecke
Kühlstrecke
Verladung SF
Verladung SF
Endkontrolle
Deckelfass
94/h
(202/h)
Lackierung und Trockentunnel
175 qm
Etikettenentfernung
10 qm
Fe-Schrott
602/h
Kunststoff
Etikettenentfernung
10 qm
Etikettenentfernung
10 qm
Entsorger
302/h
(201/h)
2/h
302/h
(201/h)
604 /h
Leaktest SF
40 qm
604 /h
94 /h
Strahler
65 qm
PE-/FE-Shredder
80 qm
Entsorger
Etikettenentfernung
10 qm
Entsorger
Büro
0,90
Undichte
Fässer
602 /h
100 /h
DF öffnen
10 qm
Produktionslinie + Leaktest DF
95 qm
100 /h
2/h
100 /h
Undichte
Fässer
Puffer für ca.
500 Fässer
6,0 qm
221 /h
Entsorger
12 /h
160 /h
12 /h
704 /h
(740 /h)
34 /h
Neutralisation
56 qm
40/h
Kettenreinigung
140 qm
2 /h
Entsorger
12 /h
Puffer für
Neutralisation
20 qm
Restentleerung 2
Entsorger
38 /h
750/h
(786/h)
Sperrfläche
Entsorger
34/h
34/h
Entladung
250/h
(286/h)
Restentleerung 1
Entladung
Entladung
Ausbeulen und
Zargenrichten
10 qm
Qualitätsbewertung
Blocklager (für Kombi, verzinkt, Innenlack)
und als Reserve bzw. Puffer für andere Qualitäten
ca. 1100 Stellplätze bei 3 Lagen
(430 qm)
Reinigungsanlage
100 qm
Qualitätsbewertung
250/h
Ausbeulen und
Zargenrichten
10 qm
Reinigungsanlage
100 qm
Qualitätsbewertung
Entladung
962 /h
Laserscanner
250/h
Ausbeulen und
Zargenrichten
10 qm
Reinigungsanlage
100 qm
Laserscanner
Abbildung 3-79:
Layout eines Muster-Rekonditionierprozesses für Spundfässer aus
Stahl
Das dargestellte Layout stellt einen idealisierten Prozess und basiert auf dem entwickelten Soll-Prozess. Es entspricht nicht der realen Anlage bei dem Anwendnungspartner Blagden Packaging Mendig GmbH & Co, auf deren Darstellung aus
betrieblichen Gründen verzichtet wurde. Im Zuge der Gestaltung der Pilotanlagen
wurden bei der BPM jedoch verschiedene Ansätze und Erkenntnisse der Planungsarbeiten realisiert. Dies betrifft insbesondere die Gestaltung des Entladeund Sortierbereichs, die Integration von Schredderanlagen und Prozesswasseraufbereitung sowie die gesamte materialflusstechnische Optimierung des Prozesses. Im Rahmen von Versuchen wurden darüber hinaus auch die Bürstenmaschinen bzw. Wasserstrahltechnik zur Etikettenentfernung sowie die Neutralisationsanlagen in den Prozess integriert. Insgesamt konnten so viele Erkenntnisse und
Ergebnisse der beschriebenen Forschungsarbeiten nutzbringend umgesetzt werden.
167
Entwicklung eines Konzeptes für die innerbetriebliche Kennzeichnung der Verpackungen
4 Entwicklung eines Konzeptes für die innerbetriebliche Kennzeichnung der Verpackungen
4.1
Zielsetzung und Aufgabenstellung
Im Zusammenhang mit der Entwicklung eines Kennzeichnungssystems für die zu
rekonditionierenden Verpackungen soll zunächst die Problematik noch einmal eingehend verdeutlicht werden.
Grundsätzlich ist die Annahme der Verpackungen durch den Rekonditionierer an
zahlreiche Voraussetzungen geknüpft20. So muss jede Verpackung nach dem
Stand der Technik restentleert sein und hinsichtlich der Kennzeichnung den jeweils geltenden verkehrsrechtlichen Bestimmungen und Zulassungen entsprechen. Ferner müssen die Verpackungen nach ihrer Entleerung bzw. Vorbehandlung wieder dicht verschlossen und Informationen über die ehemaligen Füllgüter,
welche für die Rekonditionierung von zentraler Bedeutung sind, auf der Verpackung vermerkt sein. Die zuletzt genannten Faktoren sind auch entscheidend für
die Rücknahme- und Behandlungskosten. So werden diese (und damit auch der
Wert der Verpackungen für den Rekonditionierer) neben den Transportkosten
insbesondere durch Menge, Art und Zustand der Verpackungen sowie das letzte
Füllgut beeinflusst. Daher ist die Erfassung dieser Informationen für die Unternehmen der Branche von zentraler Bedeutung und bestimmt den an die Verpackungslieferanten zu zahlenden Preis.
Zur Erfassung dieser Daten werden derzeit einfach strukturierte Erfassungsformulare (Zettel) verwendet, die durch die Werker an der Eingangs- oder Endkontrolle
manuell ausgefüllt werden müssen. Dabei werden u. a. die Anzahl und Qualitäten
der in einer Schicht rekonditionierten Gebinde sowie, falls möglich, der Verpackungslieferant dokumentiert und die Daten anschließend an den Vertrieb bzw. an
das Qualitätsmanagement weitergegeben, die diese Informationen - es handelt
sich meistens um mehrere Dokumente je Charge - für ihre Auswertungen benötigen. So kommt es vor, dass einzelne Mitarbeiter im Qualitätsmanagement oder
Vertrieb mehrere Stunden pro Tag mit der Auswertung dieser Daten gebunden
sind /BPM 2003/. Darüber hinaus ergeben sich aber noch weitere Probleme. So ist
eine genaue Zuordnung jeder einzelnen Verpackungen zu einem bestimmten Abgeber bzw. zu einer bestimmten Lieferung (Charge), und damit eine chargengenaue Auswertung, bei der derzeitigen Verfahrensweise nur mit erheblichem Aufwand möglich und mit großen Unsicherheiten behaftet, da die beschriebene „Zettelwirtschaft“ viele Fehlerpotenziale birgt. Dies resultiert u. a. aus der Tatsache,
dass meistens mehrere Lieferungen parallel rekonditioniert werden, so dass nach
20
Eine detaillierte Übersicht über die Bedingungen für die Annahme gebrauchter Industrieverpackungen ist im
Anhang I dargestellt.
168
der Entfernung der Etiketten von den Verpackungen, die vor der Endkontrolle (und
damit vor der endgültigen Qualitätseinstufung) durchgeführt wird, keine genaue
Zuordnung zu den einzelnen Lieferanten mehr erfolgen kann21. Dadurch ergeben
sich nur sehr unzureichende Auswertungsmöglichkeiten, so dass die Festlegung
von Vergütungen (Preis pro gelieferte Verpackung bzw. pro Gesamtcharge) für die
Verpackungslieferanten stets mit erheblichen Unsicherheiten behaftet ist. Hier
fehlt es an einem Instrument zur eindeutigen und sicheren Kennzeichnung der
Verpackungen, das eine chargengenaue Rückverfolgung der einzelnen Gebinde
und damit eine fundierte Auswertung und Preisfestlegung ermöglicht.
Darüber hinaus ist es für die Unternehmen der Branche auch aufgrund der ständig
wachsenden rechtlichen Anforderungen sowie aus Kostengründen notwendig, einen sicheren und eindeutigen Herkunftsnachweis führen zu können. Es ist zwar
gesetzlich vorgeschrieben, dass die Verpackungen mit einer entsprechenden
Kennzeichnung versehen und ehemalige Inhaltstoffe angegeben werden müssen.
Dennoch kommt es immer wieder vor, dass sich in gebrauchten Verpackungen
noch erhebliche Mengen an Restinhalten befinden (bis zu 30 Liter), die z. T. nicht
den auf der Deklaration angegebenen Substanzen entsprechen (z. B. PCB-haltige
Stoffe oder Silikonöle) /BPM 2003/. Diese „Fremdstoffe“ können zu erheblichen
Problemen im Prozess bzw. bei der Entsorgung führen und hohe Kostenbelastungen für den Rekonditionierer verursachen. Eine direkte Zuordnung zum Verursacher ist aufgrund der fehlenden bzw. mit Unsicherheiten behafteten Auswertemöglichkeiten derzeit nicht möglich, so dass die Rekonditionierer sprichwörtlich „auf
den Kosten sitzen bleiben“. Zusätzlich sind die Prozesssteuerungsmöglichkeiten
bei der aktuellen Verfahrensweise nur sehr begrenzt.
Die beschriebenen Lücken im Herkunftsnachweisverfahren, können nur mit einer
eindeutigen Kennzeichnung der Verpackungen auf Basis automatischer Identifikationsverfahren wirkungsvoll geschlossen werden. Dabei stellt die Auswahl und
Konzipierung geeigneter Systeme und Technologien angesichts der bei der Rekonditionierung herrschenden Prozessbedingungen wie hohen Temperaturen,
Chemikalieneinflüssen und mechanischen Belastungen eine komplexe wissenschaftliche wie praktische Herausforderung dar. Zusätzlich ist zu berücksichtigen,
dass die Anbringung einer Dauerkennzeichnung an den Verpackungen aufgrund
offener Kreisläufe22 nicht funktionell und nicht sinnvoll ist, so dass eine betriebsinterne, temporäre Kennzeichnung notwendig wird. Dies impliziert eine Lösung, die
prozessbedingt schnell und einfach anzubringen (z. B. bei der Entladung) und
auch wieder zu entfernen ist, so dass neben der Auswahl bzw. Entwicklung einer
21
In der Praxis versucht man beispielsweise, die Zuordnung durch Farbmarkierungen zu realisieren, was
allerdings in der Praxis nur sehr eingeschränkt funktioniert.
22
Geschlossene Mehrwegkreisläufe sind bei den betrachteten starren Industrieverpackungen selten und
kommen nur bei Großpackmitteln (IBC) vor.
169
geeigneten Technologie auch der Anbringungsmethode (z. B. Art der Anbringung,
Ort der Anbringung) eine besondere Bedeutung zukommt.
Eine isolierte Betrachtung der beschriebenen Verpackungskennzeichnung ohne
Berücksichtigung vor- und nachgelagerter Prozesse ist jedoch nicht möglich, da
sie nur als Teil eines Gesamtkonzeptes betrachtet werden kann. Um im Prozess
bzw. an der Entladung eine eindeutige Zuordnung der Verpackungen zu einer bestimmten Charge bzw. einem bestimmten Lieferanten vornehmen zu können, ist
eine datentechnische Verknüpfung der Verpackungen mit der für die Abholung
genutzten Wechselbrücke erforderlich, die ihrerseits den entsprechenden Lieferantendaten zugeordnet werden muss. Daher bedarf es der Zuordnung der Verpackungs-ID zu der entsprechenden Wechselbrückennummer sowie der Anbindung
an die zur Auftragserfassung und -verwaltung genutzten Informationssysteme
(ERP-Systeme). Die zugehörigen Entwicklungsarbeiten sind in den nachfolgenden
Kapiteln beschrieben.
4.2
Internationaler Stand von Wissenschaft und Technik
Zur Entwicklung von Lösungen für die funktionssichere innerbetriebliche Kennzeichnung der zu rekonditionierenden Verpackungen ist zunächst eine eingehende Betrachtung des Stands der Identifikationstechnik erforderlich. Nachfolgend
sollen daher die wichtigsten Grundlagen kurz vorgestellt werden.
4.2.1
Automatische Identifikationssysteme
Nach DIN 6763 bezeichnet der Begriff Identifikation „das eindeutige und unverwechselbare Erkennen eines Gegenstandes anhand von Merkmalen (Identifizierungsmerkmalen) mit der für den jeweiligen Zweck festgelegten Genauigkeit“ /DIN
6763/. Die hier beschriebene Definition des Begriffes Identifikation beschränkt sich
also auf den Begriff der Gegenstände. Personen und Tiere können jedoch gleichermaßen Objekte der Identifikation darstellen, weshalb der in der genannten
Richtlinie definierte Definitionsbegriff die Realität in vielen Fällen nicht ausreichend
beschreibt. Für den hier betrachteten Anwendungsfall erscheint die genannte Definition jedoch hinreichend genau, so dass eine weitergehende Abgrenzung nicht
erforderlich ist. Im Zusammenhang mit dem Begriff der Identifikation ist immer
auch der Begriff des Identifikationssystems von Bedeutung. Ein Identifikationssystem umfasst in diesem Zusammenhang alle für die Identifikation erforderlichen
Elemente. Neben den Datenträgern gehören dazu auch ggf. erforderliche Leseund Schreibgeräte, die Hardware zur Weiterleitung der Daten sowie sonstige
Hilfsmittel /LOL 2003/.
170
Basierend auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien existieren grundsätzlich fünf
Verfahren der automatischen Identifikation, die in der nachfolgenden Abbildung
dargestellt sind (vgl. Abbildung 4-1).
BarcodeSysteme
Optical
Character
(OCR)
Auto-ID
ChipKarten
Abbildung 4-1:
Biometrische
Verfahren
RFID
Übersicht über die wichtigsten Auto-ID-Verfahren /FIN 2002/
Alle dargestellten Verfahren haben ihre spezifischen Eigenschaften und sollen im
Folgenden kurz erläutert werden.
Biometrische Verfahren
Biometrie ist allgemein die „Wissenschaft und Technologie der Vermessung und
statistischen Auswertung biologischer Daten“ /NN 2005b/. Im Zusammenhang mit
Identifikationssystemen bezeichnet Biometrie einen Oberbegriff für alle Verfahren,
die Personen durch den Vergleich von unverwechselbaren und individuellen Körpermerkmalen identifizieren /FIN 2002/. Die bekanntesten Verfahren sind das Fingerabdruckverfahren (Daktyloskopie) und die Sprachidentifizierung. Daneben existieren noch weitere Möglichkeiten zur Identifizierung von individuellen menschlichen Charakteristika, wie beispielsweise Netzhaut bzw. Iris der Augen (Iris-Scan).
Biometrische Verfahren spielen in logistischen Systemen jedoch eine sehr untergeordnete Rolle und kommen auch für den im Rahmen der vorliegenden Arbeit zu
untersuchenden Aspekt nicht in Frage, so dass an dieser Stelle darauf nicht genauer eingegangen werden soll.
Optical Character Recognition (OCR)
Der Einsatz von Klarschriftlesern (Optical Character Recognition (OCR)) wird bereits seit den sechziger Jahren des 20. Jahrhunderts praktiziert / FIN 2002/. Für
171
dieses optische Verfahren wurden spezielle Schriften entwickelt, die durch ihre
Stilisierung gleichermaßen von Personen und Maschinen gelesen werden können.
Sie bestehen aus Zeichen, die nach Form, Größe und Abstand genormt sind. Die
automatische, maschinelle Erfassung von OCR-Schriften kann mit Hilfe von kontaktfreien Feldlesern, Kontaktlesern oder mit CCD-Kameras (Charge Coupled Device) erfolgen /LOL 2003/.
Bei den OCR-Schriften wird zwischen den genormten Schriften OCR-A /vgl. DIN
66008/ und OCR-B /DIN EN 14603/ unterschieden, die beide für gedruckte Zeichen (sog. Maschinenschrift) verwendet werden können (vgl. Abbildung 4-2). Darüber hinaus gibt es aber auch noch komplexere Systeme, mit denen handschriftliche Daten ausgewertet werden können /BER 2005/.
OCR A
Abbildung 4-2:
OCR B
Normschriften OCR-A und OCR-B /nach VIR 1992, S. 86 ff./
Haupteinsatzbereiche für OCR liegen im Dienstleistungs- und Verwaltungsbereich,
bei Flugtickets sowie im Bankwesen /LOL 2003/ /FIN 2002/. Im industriellen Bereich hat sich die Technologie u. a. aufgrund der kostenintensiven Peripheriegeräte, der geringen Informationsdichte und schlechter Erfassungsraten der Lesegeräte nicht durchsetzen können. So wird OCR-Schrift in der Fertigung und Produktion
nur in Bereichen eingesetzt (i. d. R. in Kombination mit anderen Verfahren), in denen auf eine manuelle Notorganisation nicht verzichtet werden kann /VIR 1992/.
Barcode
Barcodes stellen heute das am Häufigsten verwendete Identifikationsverfahren dar
und haben sich in den letzten zwanzig Jahren in vielen Bereichen als Kennzeichnungsstandard etabliert /JÜN 1998/ /FIN 2002/. Barcodes werden bereits seit den
siebziger Jahren des 20. Jahrhunderts auch im industriellen Sektor eingesetzt.
Das Prinzip beruht bei linearen Codes23 auf der Codierung von numerischen bzw.
alphanumerischen Informationen durch eine definierte Abfolge von parallel ange23
Lineare Codes werden auch als Strichcodes bezeichnet.
172
ordneten, unterschiedlich breiten Strichen und Trennlücken. Daneben existieren
zweidimensionale Codes, die aus unterschiedlich geformten Flächen bestehen
und eine deutlich höhere Informationsdichte besitzen /NN 2005a/. Ein weiterer
Vorteil der 2-D Codes besteht in der Möglichkeit, durch Fehlerkorrektur den Informationsinhalt auch dann noch zu erfassen, wenn der Code teilweise zerstört oder
unlesbar ist. Dies macht sie für industrielle Anwendungen interessant. Nachteilig
sind die gegenüber linearen Codes deutlich aufwendigeren und teureren Erfassungsgeräte.
Chipkarten
Eine Chipkarte bezeichnet einen elektronischen Datenspeicher, dessen Hardware
zur besseren Handhabung meistens in Form von Scheckkarten ausgeführt ist
/FIN 2002/. Die Informationen werden auf einem elektronischen Speicherchip abgelegt und über Kontaktfelder und entsprechende Lesegeräte erfasst /PFL 2001/.
Im Gegensatz zur Barcodetechnologie befinden sich die Informationen direkt in
lesbarer Form auf dem Datenträger und müssen nicht über einen Codierungsalgorithmus entschlüsselt werden. Erste Verwendung fanden Chipkarten Mitte der
achtziger Jahre des letzten Jahrhunderts. Haupteinsatzbereiche für Chipkarten
sind heutzutage Versichertenkarten (Krankenkasse) und Bank- bzw. Kreditkarten.
Moderne Chipkarten verfügen über einen integrierten, programmierbaren Mikroprozessor mit Speicher. Diese neuere Generation der Chipkarten wird auch als
„Smartcards“ bezeichnet.
Der Speicher teilt sich meist in einen ROM24-Bereich für das Betriebssystem bzw.
die permanenten Kartensoftware-Teile und einen EEPROM25-Bereich, der zur
Speicherung von verschiedenen variablen Werten wie beispielsweise geladene
Geldsumme oder Gültigkeitszeitraum dient. Bei modernen Chipkarten sind die auf
dem Chip gespeicherten Daten vor dem Auslesen geschützt, so dass das unbefugte Kopieren der Daten erschwert wird. Der Prozessor ermöglicht die aktive
Durchführung von verschiedenen kryptographischen Verfahren und Beteiligung an
Protokollen beim Datenaustausch mit Lesegeräten /MIT 2005/.
RFID-Systeme
Die RFID-Technologie ist aktuell in aller Munde, was angesichts der Leistungsfähigkeit der Technologie, der damit verbundenen Hoffnungen in Handel, Industrie
und Logistik sowie der prognostizierten Wachstumspotenziale nicht überraschend
ist. Nach einer Studie der britischen RFID-Marktanalysten IDTechEx wird sich der
globale RFID-Markt bereits bis Ende Jahre 2006 verdreifachen. Bis zum Jahre
2015 rechnen die Experten mit einem Gesamtvolumen, einschließlich Systemen
24
25
Read Only Memory
Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
173
und Dienstleistungen, von 26,9 Mrd. US-Dollar, wobei die Wachtumsschübe vor
allem in Asien und Amerika erwartet werden /LEN 2005/.
RFID-Systeme bestehen prinzipiell aus drei Komponenten:
•
dem so genannten Transponder ,
•
einem Lesegerät bzw. Schreib-/Lesegerät mit Antenne sowie
•
einer Auswerteeinheit (Middleware).
Transponder stellen im hierarchischen Aufbau eines RFID-Systems die unterste
Ebene dar. Der Begriff „Transponder26“ ist ein Kunstwort und setzt sich aus den
Begriffen Transmitter (Sender) und Responder (Empfänger) zusammen. Er bildet
einen Sammelbegriff für Datenträger mit Antenne und Datenspeicher, die kontaktlos über eine Luftschnittstelle ausgelesen werden können. Dabei wird grundsätzlich unterschieden zwischen Transpondern, die herstellerseitig mit einer unikaten,
nicht veränderbaren Identifikationsnummer versehen sind und nachfolgend nicht
mehr umprogrammiert werden können (festprogrammierte Transponder, so genannte Read-Only Transponder) und solchen, die neben einer unikaten Identifikationsnummer die Speicherung von zusätzlichen Informationen ermöglichen (programmierbare Transponder, so genannte Read/Write Transponder). Des Weiteren
unterscheidet man zwischen Transpondern, die die benötigte Energie für den Datenerhalt und den Betrieb des Mikrochips (aktive27 Transponder) bzw. das selbständige Senden einer Batterie entnehmen und solchen, die aus dem magnetischen Feld bzw. den elektromagnetischen Wellen, mit denen sie angeregt werden,
versorgt werden (batterielose, passive Transponder) /FIN 2002/.
Auf dem Transponder werden die eigentlichen Informationen gespeichert. Je nach
Ausführung kann man grundsätzlich zwischen 1-Bit Transpondern und solchen
Transpondern unterscheiden, auf denen größere Datenmengen abgespeichert
werden können. Während 1-Bit Transponder überwiegend für die elektronische
Diebstahlsicherung (EAS) eingesetzt werden, können andere Transponder durch
Nutzung von Mikrochips mit Prozessor und Speicherfunktion wesentlich größere
Datenmengen aufnehmen, z. B. komplexe Produkt- oder Nutzdaten oder der so
genannte EPC (Electronic Product Code) /HOM 2004/.
Zur Nutzung der Daten bedarf es eines Lesegerätes bzw. Schreib-/Lesegerätes28
(SLG). Dieser Begriff bezeichnet eine aktive Einheit, die Informationen aus einem
Transponder auslesen und ggf. Daten auf einen Transponder schreiben kann. Wie
ein Transponder besteht ein Schreib-/Lesegerät aus einer Antenne als Sende-/
Empfangseinheit sowie einer umfangreicheren Steuerung. Die Antennen können
26
Transponder werden auch als Tags bezeichnet.
Vereinzelt werden Transponder, die eine Batterie zur Versorgung des Chips besitzen, als semiaktiv und
Tranponder, die mit einer Batterie das Senden unterstützen, als aktiv bezeichnet.
28
Schreib-/Lesegeräte werden auch als Reader bezeichnet.
27
174
dabei als Einzel-, Gate- (Zusammenschluss zweier Antennen zu einem Tor) oder
Tunnelantennen (Zusammenschluss von mindest drei Antennen zu einem Tunnel)
ausgeführt werden oder – wie zum Beispiel bei Handlesegeräten29 – auch direkt in
das Schreib-/Lesegerät integriert sein.
Die Auswerteeinheit stellt die dem Schreib-/ Lesegerät übergeordnete Ebene dar.
Hier laufen alle Daten, die mit SLG erfasst werden, zusammen. Über ein definiertes Kommunikationsprotokoll und eine physische Schnittstelle erfolgt der Datenaustausch zwischen Auswerteeinheit (Middleware) und SLG. Es werden Daten
vom Schreib- /Lesegerät empfangen und ausgewertet sowie ggf. Daten, die auf
einem Transponder gespeichert werden sollen, an das Schreib-/Lesegerät übertragen. Die Middleware steuert zudem den Datenaustausch zum weiter übergeordneten System, beispielsweise zu einer ERP- (Enterprise Resource Planning)
Software.
Alle beschriebenen Identifikationsverfahren haben ihre speziellen Eigenschaften,
die sich jedoch zum Teil erheblich unterscheiden. Zur Verdeutlichung der Unterschiede sind in Abbildung 4-1 die Merkmalsausprägungen vergleichend gegenübergestellt.
Bei Betrachtung der Eigenschaften wird deutlich, dass mit Ausnahme von biometrischen Verfahren und Chipkarten für die Kennzeichnung der zu rekonditionierenden Verpackungen prinzipiell OCR-Systeme, Barcodes und RFID-Systeme in Frage kommen. Im Vergleich zum Barcode liegt der Nachteil von OCR-Systemen jedoch in den hohen Kosten für die Lesegeräte sowie mangelnder Standardisierung.
So liegen die Kosten für Barcode-Lesegeräte in der Regel weit unter denen für
OCR-Systeme. Zwar sind die Preise für CCD-Kameras in den letzten Jahren drastisch gesunken, jedoch hatte dieses kaum Einfluss auf die Verbreitung von OCRSystemen, die im Industriebereich kaum zum Einsatz kommen.
29
Handlesegeräte werden auch als Handhelds, Pocket Reader oder MDE (Mobile Datenerfassungseinheit)
bezeichnet.
175
Tabelle 4-1:
Merkmale verschiedener Auto-ID-Verfahren (nach /FIN 2002)
Barcode
OCR
Biometrie
Chipkarten
RFID
Datenmenge [Byte]
1 ~ 100
1 ~ 100
-
16 ~ 64k
16 ~ 64k
Datendichte
gering
gering
hoch
sehr hoch
sehr hoch
Maschinenlesbarkeit
gut
gut
aufwändig
gut
gut
Lesbarkeit durch
Personen
Einfluss von
Schmutz / Nässe
Fehlende
Sichtverbindung
Einfluss von Richtung
und Lage
Abnutzung /
Verschleiß
Investitionskosten
Elektronik
möglich
einfach
schwer
unmöglich
unmöglich
sehr stark
sehr stark
-
möglich
kein Einfluss
Ausfall
Ausfall
-
-
kein Einfluss
gering
gering
-
eine Steckrichtung
kein Einfluss
bedingt
bedingt
-
Kontakte
kein Einfluss
sehr gering
mittel
sehr hoch
gering
mittel
Betriebskosten
gering
gering
keine
mittel
keine
Lesegeschwindigkeit
gering
~4s
gering
~3s
sehr gering
> 5s
gering
~4s
sehr schnell
~0,5 s
leicht
leicht
unmöglich
unmöglich
unmöglich
0 … 50 cm
< 1 cm
direkter
Kontakt
direkter
Kontakt
0…5m
Unbefugtes Ändern /
Kopieren
Entfernung Datenträger-Lesegerät
Die RFID-Technologie zeichnet sich vor allem durch Resistenz gegenüber äußeren Einflüssen (z. B. Verschmutzung, Feuchtigkeit, mechanische Beanspruchungen), durch weitgehende Lageunabhängigkeit30 bei der Erfassung und Flexibilität
in der Datenhaltung bei Einsatz von Read-Write-Systemen aus. Im Hinblick auf die
Kosten für die Datenträger und die Aufbringung bzw. Anbringung auf eine metallische Oberfläche (z. B. bei Spundfässern aus Stahl) ist diese Technologie kritisch
zu bewerten, da die Leistungsfähigkeit der Systeme (z. B. Reichweite) deutlich
reduziert werden kann. Diese Empfindlichkeit gegenüber Metalleinfluss stellt jedoch kein direktes Ausschlusskriterium dar, da das Ausmaß der Beeinflussung
durch Metall stark abhängig ist vom eingesetzten Frequenzbereich. Darüber hinaus kann durch technische Vorkehrungen (z. B. Aufbringung einer Ferritschicht)
eine Verminderung des Metalleinflusses erreicht werden.
Zusammenfassend kommen für die Kennzeichnung der zu rekonditionierenden
Verpackungen somit grundsätzlich lediglich RFID-Systeme und - mit Einschränkungen - Barcode-Lösungen in Frage. Daher sollen die Eigenschaften und Leistungsmerkmale beider Technologien nochmals genauer dargestellt werden.
30
Diese Aussage gilt eingeschränkt, da sog. Smart-Label im HF-Bereich durchaus lageabhängig sind.
176
4.2.2
Merkmale der Barcode-Technologie
4.2.2.1
Systemaufbau und technische Grundlagen
Barcodesysteme gibt es in den unterschiedlichsten Konfigurationen. Die Komplexität der Komponenten ist dabei stark abhängig von der jeweiligen Anwendung. In
den meisten Fällen besteht ein Barcode-System neben dem eigentlichen Datenträger (Etikett) aus einem speziellen Drucker, einem Scanner für das Auslesen der
Informationen sowie einer Auswerteeinheit, die an eine übergeordnete Datenbank
angeschlossen ist. In der Datenbank sind die zu einem Code (z. B. Artikelnummer)
gehörigen Informationen zentral gespeichert (z. B. Artikelbezeichnung, Preis).
Barcodes können mit fast allen handelsüblichen Druckern erstellt werden. Mit entsprechender Etikettensoftware (z. B. von Seagull oder Teklynx) können die Codes
auf normalen Tintenstrahl- oder Laserdruckern hergestellt werden. Meist werden
hierzu jedoch spezielle Etikettendrucker (z. B. von Datamax, Intermec oder Zebra)
verwendet, die mit Thermodirekt- oder Thermotransfer-Technik arbeiten. Dies ist
einfacher, preisgünstiger und ergibt Etiketten von besserer Qualität /NN 2005a/.
Die Etikettendrucker nutzen meist Etiketten auf Rollen. Je nach Anwendung muss
zuerst zwischen Thermodirekt (Etiketten die sich durch Wärme Einwirkung verfärben (druckt ohne Farbband)) und Thermotransfer (Etiketten für das Bedrucken mit
Farbband) unterschieden werden. Danach stehen nochmals tausende von Materialkombinationen zur Verfügung, die eine genaue Auswahl erfordern. Des Weiteren
gibt es standardisierte Formate für bestimmte Industrien (z. B. für die Automobilindustrie) /NN 2005a/.
Die auf dem Code gespeicherten Informationen werden mit Hilfe geeigneter Scanner ausgelesen, die grundsätzlich aus zwei Teilen bestehen:
•
der Leseeinheit (z. B. Lesestift, CCD Scanner; Laserscanner) und
•
dem Decoder.
Die Leseeinheit übermittelt ein analoges Signal an den Decoder, der die codierten
Informationen des Scanners in alphanumerische Strings übersetzt und diese an
die Schnittstelle eines übergeordneten Systems weitergibt.
In den meisten Fällen werden Einstrahlscanner verwendet, die in mobiler Bauweise ausgeführt sind. Dabei wird der Laserstrahl so über den Code geführt, dass der
gesamte Code erfasst werden kann.
Insbesondere beim Einsatz von ortsfest installierten (stationären) Lesegeräten ist
jedoch die Ausrichtung des Codes zum Lesegerät für die Erfassung von entscheidender Bedeutung. Während bei manueller Lesung durch ein Handgerät die Ausrichtung und der Winkel des Lesegeräts direkt beeinflusst werden kann, ist es bei
fest installierten Lesegräten nicht ohne Weiteres möglich. Speziell bei eindimensi-
177
onalen Codes erweist sich dies als problematisch, so dass bei fest installierten
Lesegeräten in der Regel eine Ausrichtung des Codes bzw. des gekennzeichneten Objektes zum Strahl des Lesegerätes erforderlich wird. Dieses ist täglich im
Supermarkt zu beobachten.
Abhilfe kann durch spezielle Lesegeräte bzw. spezielle Anordnungen der Codes
geschaffen werden (wie z. B. beim so genannten T-Code). Bei diesem Prinzip wird
der Strichcode auf dem Etikett zweimal, um 90° zueinander versetzt, gedruckt, so
dass bei Erfassung des Etiketts durch einen senkrecht orientierten Laserstrahl
einer der beiden Strichcodes immer waagerecht angeordnete Balken aufweist und
somit vollständig erfasst werden kann. Alternativ können auch zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Einzelstrahlscanner eingesetzt werden, so dass die Etiketten omnidirektional gelesen werden können. Ein Beispiel für die Anwendung dieses Leseprinzips ist die Erfassung von Gepäckstücken an Flughäfen.
Bei senkrechter Anordnung der Striche auf dem Barcode empfiehlt sich der Einsatz eines Mehrstrahlscanners. Mehrere Laserstrahlen, die sich in unterschiedlichen Höhen befinden, tasten dabei den Code ab. Nachteil dieses Prinzips ist,
dass der Strichcode präzise am Scanner vorbeigeführt und der Barcode von mindestens zwei Strahlen erfasst werden muss /DAT 2000/.
Eine weitere Möglichkeit zur Erfassung senkrecht angeordneter Balken ist die
Verwendung eines Fächerscanners. Hierbei wird der Strahl eines Einzelstrahlscanners über einen Schwingspiegel abgelenkt und erzeugt somit einen Fächerstrahl. Die nachfolgende Abbildung verdeutlicht die beschriebenen Verfahren der
Erfassung von Barcodes bei ortsfest installierten Lesegeräten.
Nachteil dieser Methoden ist allerdings, dass eine Ausrichtung des Objekts in allen
Fällen notwendig ist, da die mit den Etiketten versehene Fläche zum Lesegerät hin
orientiert sein muss. Der Einsatz von mehrdimensionalen Scannern, bei welchen
mehrere Lesegeräte von den Seiten und von oben unter verschiedenen Lesewinkeln das Objekt erfassen, kann in diesem Fall eine Lösung bieten. Jedoch können
auch sie kein sicheres Auslesen gewährleisten, wenn sich der Code auf dem Boden des gekennzeichneten Objekts befindet.
Um diese generellen Mängel bzw. Unzulänglichkeiten von Barcode-Systemen zu
reduzieren, wurden in den letzten Jahren weitere Verfahren entwickelt. So ermöglicht die so genannte ACR™ Technologie (Advanced Code Reconstruction) die
Rekonstruktion und Dekodierung von Strichcodes. Unter Verwendung einer Multiprozessor Architektur und einer Dekodierleistung von 100.000 Zeichen pro Sekunde kombiniert dieses Verfahren in Echtzeit Teile des zu lesenden Codes /vgl.
DAT 2000, S.79/. Der Software Algorithmus des ACR™ kann mehrere unterschiedliche Barcodetypen lesen, verbessert die Lesbarkeit von qualitativ schlechten Codes und unterstützt die omnidirektionale Erfassung /DAT 2000/.
178
Mit Hilfe des so genannten TBS™ System (Twin Beam System) ist es ferner möglich, Codes unter durchsichtigem Plastik und Folien sicher zu erfassen, was sich
aufgrund von Reflektionen als problematisch erweisen kann. Dieses System verändert mittels einer bestimmten Optikarchitektur den Strahlwinkel des Lasers auf
dem zu lesenden Strichcode und wählt dann den günstigsten Lesewinkel aus. Dadurch wird der Scanner unempfindlich gegenüber direkte Reflektionen und Verzerrungen des Codes durch die Plastikabdeckung /DAT 2000, S.80/.
4.2.2.2
Standards und Codearten
Im Zusammenhang mit der Barcode-Technologie ist insbesondere der EAN31Standard von besonderer Bedeutung, der einheitliche Regelungen zur Kennzeichnung von Verpackungseinheiten vorgibt. Die EAN-basierten Identsysteme arbeiten
immer nach dem gleichen Prinzip: Eine weltweit überschneidungsfreie Nummer
ersetzt in der elektronischen Datenkommunikation (EDI32) und in den Strichcodes
die direkte Übertragung von Detailinformationen. Mit Hilfe der eindeutigen Nummer können diese in Datenbanken abgerufen werden /GS1 2006/. Die verwendeten linearen Codes sind beispielsweise der EAN8 oder der EAN13 und werden z.
B. im Handel eingesetzt. Grundlage des EAN-Code bildet eine fünfstellige Artikelnummer.
Neben dem weit verbreiteten EAN-System existieren weitere branchenspezifische
Standards. So wurde für die Gesundheitsindustrie beispielsweise der HIBCCStandard geschaffen /BAR 2006/. Dieser ist in den USA seit 1980 im Einsatz und
setzt sich schrittweise auch international durch. Der Code enthält die Identifikation
des Herstellers, die Artikelnummer und den Packungsindex, eine Prüfziffer, die
Chargen-/Seriennummer, das Verfallsdatum und den Mengenindex. Vorteil sind
insbesondere die Verwendung einer eigenen, von EAN unabhängigen, Artikelnummer des Herstellers und die 2-D Version unter Verwendung des Codablock.
Der HIBC-Code wird nicht nur zur Identifikation der Produkte, sondern auch zur
eindeutigen Identifikation der Versandeinheiten eingesetzt /VDDI 2000/.
Der FACT-Standard wurde branchenübergreifend entwickelt und integriert die beiden Systeme EAN und HIBCC. Der Zweck ist die eindeutige Identifikation im offenen logistischen Verbund in Verbindung mit den Standards-Barcodes und 2-D Codes /VDDI 2000/.
Darüber hinaus existiert noch der Odette-Branchenstandard, der speziell auf die
Bedürfnisse der Automobilindustrie zugeschnitten ist. Dabei wird ein speziell aufgebautes Datenformat verwendet und vor allem für Transporteinheiten eingesetzt
/BAR 2006/ /ODE 2006/.
31
32
European Article Numbering
Electronic Data Interchange
179
Zur Codierung der Informationen und zur Kennzeichnung von Objekten gibt es
eine Vielzahl verschiedener Codes, die sich generell in eindimensionale (lineare)
und zweidimensionale Codes unterschieden lassen. Die wichtigsten Codearten
sollen nachfolgend kurz vorgestellt werden.
Eindimensionale Codes
Die am Häufigsten verwendeten eindimensionalen (linearen) Barcodes sind in der
folgenden Abbildung dargestellt.
2-aus-5
2-aus-5 interleaved
EAN (13 Stellen)
Abbildung 4-3:
EAN (8 Stellen)
Code 39
Code 128
Beispiele für eindimensionale (lineare) Codes
Sowohl der Code 2-aus-5 als auch der Code 2-aus-5 interleaved verfügen über
eine gerade Parität, die zur Fehlererkennung dient. Das bedeutet konkret, dass
jede Zifferndarstellung eine gerade Anzahl von Einsen beinhaltet /vgl. MÄC 2003/.
Beim Code 2-aus-5 ist eine Zahl durch fünf Balken dargestellt. Ein dicker Balken
symbolisiert die Zahl 1, ein dünner die Zahl 0. Jede Ziffer von 0-9 ist über das Codierschema binär dargestellt (Kombination aus Einsen und Nullen).
Der 2-aus-5 interleaved verwendet dasselbe Codierschema wie der Code 2-aus-5,
hat jedoch bei gleicher Breite einen ungefähr doppelten Informationsinhalt. Der
Grund dafür ist, dass beim 2-aus-5 interleaved die jeweils folgende Ziffer in den
Lücken der vorhergehenden codiert ist /OPA 2003/.
Der EAN-Code (Europäische Artikelnummer) stellt ebenso numerische Daten dar
und wird vor allem in der Lebensmittelindustrie verwendet. Er besteht in den meisten Fällen aus acht bzw. dreizehn Stellen. Beim dreizehnstelligen Code stehen die
ersten beiden Ziffern für das Land, die nächsten fünf Ziffern für den Hersteller, die
folgenden fünf Ziffern für den Artikel und die letzte Ziffer ist eine Prüfziffer /OPA
2003/.
Der Code 39 ist außerhalb der Lebensmittelindustrie weit verbreitet und stellt im
Gegensatz zum EAN-Code einen alphanumerischen Zeichensatz dar. Der Code
180
39 ist ein einfacher Zwei-Breiten-Code und weltweit standardisiert. Jedes Zeichen
wird durch neun Striche codiert /OPA 2003/. Der Nachteil bei diesem Code liegt in
seiner geringen Informationsdichte.
Im Gegensatz zum Code 39 verfügt der Code 128 über eine deutlich höhere Informationsdichte. Dieser Code stellt alle 128 ASCII-Zeichen über Verwendung von
Balken und Zwischenräumen mit vier unterschiedlichen Breiten dar /MÄC 2003/.
Es wird zwischen drei Zeichensätzen A, B und C unterschieden, welche je nach
Problemstellung zu verwenden sind /OPA 2003/. Ebenso ist auch eine Vermischung bzw. Kombination dieser Zeichensätze möglich.
Zweidimensionale Codes
In zahlreichen Anwendungsfällen reicht die Informationsdichte von eindimensionalen Codes nicht aus. In diesen Fällen erweist sich die Verwendung eines zweidimensionalen Codes als sinnvolle Alternative, da diese eine deutlich höhere Informationsdichte ermöglichen. Zweidimensionale Barcodes lassen sich dabei prinzipiell in zwei Gruppen einteilen: zum einen in die so genannten „Stacked Barcodes“, bei denen sich der zweidimensionale Code aus gestapelten Varianten von
eindimensionalen Barcodes zusammensetzt, und zum anderen in die Gruppe der
zweidimensionalen Barcodes mit eigener Symbologie /OPA 2003/. Ferner existieren noch Kombinationen aus einund zweidimensionalen Codes mit eigener Codestruktur, die jedoch nur selten Verwendung finden.
Zweidimensionale Barcodes haben spezielle Sicherheitsmerkmale. Somit ist es z.
B. möglich, den Inhalt des Codes durch ein Passwort zu schützen. Des Weiteren
beinhalten diese Codes die Daten in den meisten Fällen mehrmals, so dass, je
nach Codeart, das Auslesen der Informationen selbst bei Zerstörung des Barcodes bis zu 50 % noch möglich ist /OPA 2003/. Die Tatsache, dass zweidimensionale Barcodes wesentlich mehr Daten aufnehmen können, eröffnet neben der Codierung des Identifizierungsschlüssels die Möglichkeit, Produktinformationen direkt
auf dem Barcode zu hinterlegen. So kann z. B. der Produktname, das Gewicht
sowie der Preis im Code enthalten sein, ohne dass ein Zugriff auf eine hinterlegte
Datenbank erforderlich wird /MAR 1998/. In der nachfolgenden Abbildung sind die
am häufigsten verwendeten zweidimensionalen Codes aufgeführt.
181
Codablock
PDF 417
Aztec
Dot Code A
Maxi Code
Aztec Messas
Datamatrix
QR-Code
Abbildung 4-4:
Beispiele für zweidimensionale Codes
Der Codablock ist eine gestapelte Variante des Code 39 und des Code 128 mit
Zeilenverkettung. Dabei wird jeder Zeile die Zeilennummer und dem fertigen Block
die Anzahl der Zeilen beigefügt. Zusätzlich ist in jeder Zeile ein Indikator zur Orientierung der Lesegeräte vorhanden und der gesamte Code verfügt über zwei Prüfzeichen. Es existieren drei unterschiedliche Varianten des Codablock: A, F und
256. Der Codablock A basiert auf der Struktur des Code 39. In zwei bis 22 Zeilen
können je 61 Zeichen, also insgesamt bis zu 1340 Zeichen, codiert werden. Die
Grundlage für den Codablock F ist die Struktur des Code 128, mit dem maximal
2725 Zeichen codiert werden können. Vom Codablock F ist eine Spezifikation bei
der AIM standardisiert. Der Codablock 256 ist wie der Codablock F aufgebaut. Er
hat jedoch ein eigenes Start- und Stoppzeichen /JUT 2003/.
Der PDF 41733 ist ebenfalls bei der AIM34 standardisiert. Er besitzt eine eigene
Codestruktur, bei welcher die Zeichen in einzelnen Codewörtern verschlüsselt
sind. Die Codewörter setzen sich aus siebzehn Modulen zusammen, welche wiederum jeweils aus vier Balken und vier Zwischenräumen bestehen. Die Anzahl der
Zeilen des PDF 417 beträgt minimal drei und maximal neunzig. Jede dieser Zeilen
besteht aus sieben Teilen: Ruhezone35, Startzeichen, linker Zeilenindikator, Datenbereich, rechter Zeilenindikator, Stoppzeichen und erneuter Ruhezone. Die
Zeilenindikatoren sind dabei eine Orientierungshilfe für das Lesegerät. Der PDF
417 kann, aufgrund von variabler Breite und Höhe, an verschiedene Platzbedarfe
33
PDF steht in diesem Fall für „Portable Data File“
Industrieverband für Automatische Identifikation und Datenerfassungssysteme.
35
Die Ruhezone ist ein heller, unbedruckter Bereich vor und hinter einem Barcode und ist notwendig, damit
das Lesegerät den Beginn und das Ende eine Barcodes eindeutig erkennen kann.
34
182
angepasst werden und bis zu 1850 ASCII-Zeichen bzw. 2710 Ziffern verschlüsseln
/JUT 2003/.
Der Aztec ist ein standardisierter quadratischer, auf spezieller Symbologie basierender Code, mit dem sowohl kleine (ab zwölf Zeichen) als auch große Datenmengen (> 3000 Zeichen) verschlüsselt werden können. Er besteht aus quadratische Elementen und einem Suchelement als Orientierungshilfe im Mittelpunkt. Die
Verwendung der so genannten Reed-Solomon-Fehlerkorrektur unterstützt bis zu
32 Sicherheitsstufen. Je nach Größe des Codes kann der Dateninhalt noch rekonstruiert werden, wenn 25 bis 40 % des Codes zerstört wurden /JUT 2003/. Diese
Tatsache macht den Aztec in industriellen Anwendungen sehr interessant.
Der Dot Code A ist eines von einer begrenzten Anzahl von Dot Code Symbolen
und bei AIM standardisiert. Er besteht aus einer quadratischen Anordnung von
Punkten in der Größe 6x6 bis 12x12 Punkten. Die besonderen Vorteile des Dot
Codes A sind seine hohe Speicherdichte und die Tatsache, dass er mit verschiedensten Verfahren aufgebracht werden kann (z. B. bohren, prägen, aufsprühen).
Die Verbreitung im industriellen Umfeld ist jedoch stark limitiert. So findet er z. B.
hauptsächlich bei der Markierung von Wäsche in Wäschereien und bei der Identifikation von Laborgläsern Verwendung /JUT 2003/.
Der Maxicode besitzt eine fest definierte Größe von 25,4 x 25,4mm und kann 144
Zeichen, d. h. 93 ASCII-Zeichen oder 138 Ziffern codieren. Zur Leseorientierung
befinden sich in der Mitte des Codes drei konzentrische Kreise. Um dieses so genannte Suchmuster herum sind in 33 Reihen 866 wabenförmige Sechsecke angeordnet, welche den eigentlichen Code bilden. Eine Rekonstruktion der Daten ist
noch möglich, wenn der Code bis zu 25% zerstört ist. Ferner sorgt die Verwendung der Reed-Solomon-Fehlerkorrektur für eine hohe Datensicherheit. Der Maxicode wurde bei UPS zur schnellen Identifizierung, Verfolgung und Sortierung von
Paketen entwickelt und ist bei der AIM International standardisiert /vgl. JUT 03/.
Der Aztec Messas ist eine Kombination aus einem eindimensionalen, linearen
Barcode (z. B. Code 39, Code 128 oder EAN 13) und einer zweidimensionalen
Komponente (eine Variation des Aztec Codes). Der eindimensionale Anteil fungiert beim Aztec Messas als Orientierungssymbol, wohingegen in der zweidimensionalen Komponente die Daten codiert sind. Dort können bis zu 3070 numerische
bzw. 2457 alphanumerische Zeichen verschlüsselt werden. /JUT 03/. Der Code
verwendet ebenfalls die Reed-Solomon-Fehlerkorrektur und ist standardisiert.
Der Datamatrix Code hat eine variable, rechteckige Größe in Form einer Matrix.
Als Suchelement dienen bei diesem Code die waagerechten und senkrechten Begrenzungslinien. Der eigentliche Code besteht aus quadratischen Symbolelementen und kann bis zu 2334 ASCII-Zeichen (7 bit), 1558 erweiterte ASCII-Zeichen
(8 bit) bzw. 3116 Ziffern verschlüsseln /JUT 2003g/. Zur Erzeugung einer höheren
183
Informationsdichte können mehrere Datamatrix Codes gruppiert werden
/OPA 2003/. Der standardisierte Code kann auch bei einer Zerstörung von bis zu
25 % noch fehlerfrei ausgelesen werden.
Schließlich bezeichnet der QR-Code einen standardisierten 2D-Code, welcher aus
quadratischen Symbolen in einer Anzahl von 21x21 bis 177x177 Elementen und
drei Suchhilfen (ineinander geschachtelte helle und dunkle Quadrate in drei Ecken) besteht. Der QR-Code verfügt über vier Korrekturlevel, welche eine Rekonstruktion des beschädigten Codes von 7 % (Level L) bis zu 30 % (Level H) ermöglichen. Des Weiteren können mit dem Code bis zu 7089 Ziffern, 4296 alphanumerische Zeichen oder 1817 japanische Schriftzeichen verschlüsselt werden
/JUT 2003/.
4.2.2.3
Materialien für Barcodeetiketten
Neben dem direkten Auftragen der Barcodes auf eine Oberfläche durch Aufdrucken, Auflackieren oder Lasern, ist die Verwendung von Barcodeetiketten die gängigste Methode der Anbringung. Demzufolge ist der Markt für Barcode-Systeme
geprägt durch eine Vielzahl verschiedener Bauformen, Materialien und Anbieter,
was eine genauere Betrachtung der Eigenschaften verwendeter Etikettenmaterialien erforderlich macht. Insbesondere auch im Hinblick auf die potenzielle Anwendung im Rahmen des Rekonditionierungsprozesses mit seinen spezifischen Prozessbedingungen (z. B. Chemikalieneinflüsse, Temperaturbelastungen) ist eine
Untersuchung der Materialeigenschaften zwingend notwendig.
In der Regel bestehen Barcodeetiketten aus drei verschiedenen Komponenten:
Obermaterial (Etikettenmaterial), Klebstoff (Haftkleber) sowie Trägermaterial (Unterlagenmaterial).
Abbildung 4-5:
Aufbau eines Barcode-Etiketts /Quelle angeben/
Das Obermaterial besteht in den meisten Fällen aus Papier, Karton oder Kunststofffolie. Als Klebstoffe finden Natur- oder Synthetikkautschuk sowie AcrylLösungsmittel und -Dispersionen Verwendung. Das Träger- bzw. Unterlagenmate184
rial kann aus silikonisiertem Papier oder silikonisierter Folie bestehen /vgl. PAU
2003a/.
In den Einsatzfällen mit speziellen Anforderungen an die Beständigkeit werden in
der Regel Folienetiketten verwendet. Die Wahl des Folienmaterials richtet sich
dabei nach den Umweltbedingungen, unter denen ein Produkt gelagert, verarbeitet oder transportiert wird. Die verwendeten Materialien unterscheiden sich in ihren
Eigenschaften zum Teil erheblich. So weisen z. B. Folienetiketten aus Polystyrol
(PS) eine hohe Resistenz gegen Säuren und Laugen aus, jedoch ist ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Benzin, Fetten und Ölen als gering zu bewerten /LIN
2003a/. Die Temperaturbeständigkeit liegt zwischen -10 °C und +60 °C. Im Vergleich dazu sind Polyester-Etiketten in einem Bereich von -60 °C und +150 °C einsetzbar und weisen zudem eine hohe Resistenz gegenüber Wasser, Alkoholen,
Benzin, Fetten sowie Ölen auf. Die nachfolgende Tabelle gibt einen Überblick über
die Eigenschaften verschiedener Etikettenmaterialien.
Tabelle 4-2:
Material
Eigenschaften verschiedener Etikettenmaterialien
Temperaturbereich
-60°C bis +150°C
Polyester (PET) (kurzzeitig 260°C)
Polyinyl-20°C bis +100°C
chlorid (PVC) (kurzzeitig 150°C)
Polyethylen
-15°C bis +80°C
(PE)
Polypropylen
-15°C bis +80°C
(PP)
Wasser
Resistenz gegenüber
Säuren und
Alkohol
Benzin
Laugen
Fette und
Öle
++
+
++
++
++
++
+
+
+
++
++
++
++
+
o
++
++
++
-
++
Tyvek
-70°C bis +80°C
+
+
o
o
o
Polystyrol
(PS)
-10°C bis +60°C
++
++
-
--
-
Polyimid
-40°C bis +160°C
(kurzzeitig 380°C)
+
+
o
o
o
Textilien
keine Angabe
++
o
o
o
o
Metall
Je nach Metallart
bis +500°C
+
++
o
o
o
Keramik
Bis zu +1400°C
++
++
++
++
++
Legende: ++ sehr gut, + gut, o keine Angabe, - bedingt, -- schlecht
Zusätzlich zum Material ist auch die Oberflächenbeschaffenheit eines Folienetiketts von Bedeutung. Manche Druckverfahren, wie beispielsweise der Thermotransferdruck, bei dem von einer Farbbandfolie durch Erhitzung Farbe auf das
Obermaterial des Etiketts übertragen wird, erfordern eine extrem glatte Oberfläche. Anderenfalls wird der Druck ungenau und die Informationen können nicht
185
fehlerfrei reproduziert werden. Ferner sind nicht alle Materialien für bestimmte
Druckverfahren geeignet. Lediglich Polypropylen und Polyethylen sind für alle
Druckverfahren verwendbar.
In Anwendungen mit extremen Umgebungsbedingungen sind Folienetiketten weder ausreichend robust noch langlebig. In diesen Fällen kommen z. B. Etiketten
aus Keramik zum Einsatz, welche eine Temperaturbeständigkeit von bis zu
1400 °C und eine hohe Resistenz gegenüber Säuren aufweisen. Darüber hinaus
existieren auch Metallbarcodes, die aus Edelstahl oder Aluminium bestehen und
robust, abrieb- und stoßfest sowie weitgehend temperatur- und chemikalienbeständig sind. Da der Code bei Metalletiketten mit einem Laser in das Material geprägt wird, sind die Informationen selbst nach Lackierungen noch lesbar /INO
2003/. Barcodeetiketten aus Keramik und Metall werden in der Regel nicht wie die
meisten Folienetiketten aufgeklebt, sondern können z. B. angeschraubt oder angeschweißt werden und erhalten somit zusätzliche Stabilität. Alternativ werden
Magnetfolien zur Befestigung verwendet.
Schließlich spielen bei Klebeetiketten auch die für die Anbringung auf dem zu
kennzeichnenden Objekt verwendeten Klebstoffe eine wichtige Rolle. Eine im
Rahmen der Untersuchungen ddurchgeführte Recherche ergab, dass am Markt
eine Vielzahl unterschiedlicher Produkte (bis zu 50 Varianten) angeboten werden
/LIN 2003b/. In Einsatzfällen, in denen keine besonderen Anforderungen bestehen, wird ein Universalklebstoff verwendet. In allen anderen Fällen werden sie
entsprechend spezifischer Kriterien wie z. B. Einsatztemperatur, Dauer der Kennzeichnung (permanent oder temporär), Material, Struktur und Beschaffenheit der
Objektoberfläche ausgewählt. Die nachfolgenden Tabellen geben einen Überblick
über die charakteristischen Eigenschaften der für Barcode-Etiketten verwendeten
Klebstoffe und Klebstoffarten /DIN 30646/.
Tabelle 4-3:
Typische Klebstoffe für Barcodeetiketten (nach /DIN 30646/)
Eigenschaften
•
•
•
•
Acrylatklebstoff
•
•
•
•
186
Wird als Dispersion oder aus Lösung verarbeitet
Dauerhafte Klebeeigenschaften
Gute Alterungs- und Wetterbeständigkeit
Beständig gegenüber Chemikalien, UV-Strahlung und höheren
Temperaturen
Gute Adhäsion auf apolaren Oberflächen
Geringe Anfangshaftung als Kautschuk-Klebstoff
Temperaturbeständigkeit: -30°C bis +140°C
Mindestverklebetemperatur: +4°C
Eigenschaften
Naturkautschuk
Synthesekautschuk
Sofortklebstoff
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Lösungsmittel-Klebstoff mit breitem Anwendungsspektrum
Hohe Klebkraft und gute Scherfestigkeit
Durchschnittliche Alterungsbeständigkeit
Geringe Resistenz gegen UV-Strahlung und Oxidation
Temperaturbeständigkeit bis zu +80°C
Hohe Soforthaftung
Gute Klebkraft auch auf rauen Oberflächen
Geringe Resistenz gegen UV-Strahlung
Temperaturbereich: -30°C bis +60°C
Hohe Soforthaftkraft
Fixierzeiten von 5 bis 120 sec in Abhängigkeit vom Klebstoff
Gute Klebkraft auch auf Metallen
Temperaturbereich: -50°C bis +100°C
Bei Temperaturbeständigkeit von 180°C und mehr höhere
Fixierzeiten
Klebstoffarten nach /DIN 30646/
Tabelle 4-4:
Eigenschaften
Permanentkleber
Zur festen Verklebung auf unterschiedlichen Oberflächen;
unverrückbare und dauerhafte Verbindung
Ablösbarer Klebstoff
Unverrückbare Verbindung, die jedoch nach 2 Jahren rückstandsfrei
ohne Zerstörung des Untergrundes wieder zu entfernen sein muss
NiedrigtemperaturKlebstoff
Muss sich bei Luft- und Untergrundtemperaturen bis +4°C verkleben
lassen
Sonderklebstoff
Für raue und apolare Oberflächen
Wie die Tabellen verdeutlichen, gibt es eine große Vielfalt an möglichen Produkten, die eine genaue Auswahl anhand definierter Anforderungen erfordern.
4.2.3
4.2.3.1
Eigenschaften und Leistungsmerkmale von RFID-Systemen
Physikalisch-technische Grundlagen
RFID-Systeme nutzen magnetische Felder bzw. elektromagnetische Wellen zur
Übertragung von Energie und Daten und haben dadurch gegenüber optischen
Systemen wie Barcode oder OCR entscheidende Vorteile. So ermöglichen RFIDSysteme innerhalb der physikalischen Grenzen eine Identifizierung von Objekten
durch Materialien hindurch und lassen eine gleichzeitige Erfassung mehrerer Ob187
jekte zu (Pulkfähigkeit). Auch im Hinblick auf die realisierbaren Leseentfernungen
sowie die Programmierbarkeit der Datenträger haben RFID-Systeme gegenüber
Barcodes erhebliche Vorteile.
Grundsätzlich werden bei RFID-Systemen drei Funktionsprinzipien unterschieden:
die induktive Kopplung, die kapazitive Kopplung sowie die so genannte elektromagnetische „Backscatter"-Kopplung. Diese Prinzipien sollen nachfolgend kurz
erläutert werden, da sie für das Verständnis der weiteren Ausführungen von Bedeutung sind.
Induktive Kopplung
Induktiv gekoppelte RFID-Systeme nutzen die Wechselwirkung magnetischer Felder zwischen den Antennen des Transponders und des Schreib-/Lesegerätes
nach dem physikalischen Prinzip der Gegeninduktion, um Energie und Daten zu
übertragen. Die Antennen sind dabei elektromagnetische Schwingkreise, die auf
eine bestimmte Resonanzfrequenz abgestimmt sind. Induktiv gekoppelten Systeme kommen in den Frequenzbereiche <135 kHz (Low Frequency) und 13,56 MHz
(High Frequency) zum Einsatz /FIN 2002/.
Die grundlegenden Funktionsweise dieser stellt sich folgendermaßen dar: von der
Antenne des Schreib-/Lesegerätes wird ein magnetisches Feld erzeugt. Gelangt
ein resonanter Transponder36 in das von der Antenne des Schreib-/Lesegerätes
erzeugte Magnetfeld, durchdringt ein Teil des Feldes die Antennenspule des
Transponders. Dadurch entsteht dort ebenfalls ein magnetisches Feld, welches
nach dem Prinzip der Gegeninduktivität mit dem Antennenfeld des Schreib/Lesegerätes verkoppelt ist. Dadurch wird in der Spule des Transponders eine
Spannung induziert, die zur Energieversorgung des Transponderchips zur Verfügung steht37. Zum anderen entsteht durch die Verkopplung eine direkte Rückwirkung auf das magnetische Feld des Schreib-/Lesegerätes, die von diesem detektiert werden kann /vgl. FIN 2002/. Die grundlegende Funktionsweise induktiv gekoppelter RFID-Systeme ist schematisch in der nachfolgenden Abbildung dargestellt (vgl. Abbildung 4-6).
36
37
Die Eigenfrequenz des Transponders entspricht dabei der Sendefrequenz des Schreib-/Lesegerätes.
Die Energieversorgung induktiver RFID-Systeme erfolgt fast ausschließlich passiv.
188
Lesegerät
Transponder
Chip
Antennenspule Schreib/Lesegerät
Abbildung 4-6:
Magnetfeld
Funktionsprinzip der induktiven Kopplung (nach /FIN 2002/)
Um Daten zur übertragen, werden diese vom Transponder in einem ersten Schritt
codiert und anschließend moduliert. Es kommt häufig das Prinzip der Lastmodulation zum Einsatz. Dabei wird ein Widerstand oder Kondensator so (ohmsche oder
kapazitive Lastmodulation), dass seine Rückwirkung auf das Magnetfeld des
Schreib-/Lesegerätes moduliert wird und von diesem ausgewertet werden kann
/FIN 2002/. Das gleiche Prinzip wird bei der Datenübertragung vom Schreib-/ Lesegerät zum Transponder angewandt.
Induktiv gekoppelte Systeme zeichnen sich vor allem durch robuste und erprobte
Technologie, eine Vielfalt an Transponder- und Antennen-Bauformen und relativ
preisgünstige Komponenten (Transponder, Antennen, Schreib-/Lesegeräte) aus.
Nachteilig sind insbesondere der große Einfluss von metallischen Umgebungen
und Untergründen sowie die Lageabhängigkeit bei der Erfassung zu nennen, die
nachfolgend genauer erläutert werden sollen, da sie im Zusammenhang mit der
Rekonditionierung große Bedeutung haben.
Metallumgebung und metallische Untergründe
Bei magnetischen Feldern rufen Änderungen des magnetischen Flusses nach
dem Induktionsgesetz elektrische Felder hervor. Besonders bei ferromagnetischen
Werkstoffen (z. B. Eisen) entstehen Wirbelströme, die dem induzierenden magnetischen Fluss entgegenwirken und damit die Leistungsfähigkeit induktiv gekoppelter RFID-Systeme erheblich reduzieren, was sich unmittelbar in der Reduzierung
der Lese- und Schreibreichweite niederschlägt. Dies kann bis zum vollständigen
Verlust der Funktionsfähigkeit führen. Insbesondere metallische Untergründe verstimmen darüber hinaus den Schwingkreis des Transponders und des Lesegerätes, so dass die Resonanzfrequenz nicht mehr mit der Frequenz des vom Schreib/Lesegerät ausgesendeten Feldes übereinstimmt, was mit einer Reduzierung der
Energiereichweite einhergeht. Die dargestellten Effekte verstärken sich mit zu189
nehmender Frequenz, so dass sie bei Systemen im HF-Bereich (13,56 MHz) ausgeprägter sind als bei NF-Systemen (<135 kHz). Durch der Verwendung von Ferritkernen und / oder Ferritschichten kann der Einfluss metallischer Umgebung und
Untergründe gemindert werden /FIN 2002/.
Lageabhängigkeit
Je nach Bauform der Antenne des Schreib-/Lesegerätes baut sich um die Antennenwindungen durch die Krümmung der magnetischen Feldlinien im Raum ein
charakteristisches Feld auf. So ist im Zentrum der Antenne (Spulenachse) bei paralleler Ausrichtung der Transponderantenne die größte Reichweite zu erzielen.
Wird der Transponder im Zentrum der Antenne des Schreib-/Lesegeräts gekippt,
im ungünstigsten Fall bis zu einem Winkel von 90°, durchdringen kaum noch Feldlinien die Spule des Transponders und es kann somit keine Kommunikation mehr
erfolgen. An den Windungen (äußere Kante) der Antenne des Schreib-/Lesegeräts
jedoch, erweist sich die senkrechte Ausrichtung des Transponders als optimal und
die parallele Ausrichtung am ungünstigsten. Dies ist begründet durch die parallel
zur Ebene der Antenne des Schreib-/ Lesegeräts verlaufenden Feldlinien /FIN
2002, S. 88/. Diese Lageabhängigkeit ist für die weiteren Betrachtungen im Kapitel
vier dieser Arbeit von erheblicher Bedeutung.
Kapazitive Kopplung
Bei der kapazitiven Kopplung werden die physikalischen Eigenschaften von elektrischen Feldern genutzt. Das Feld wird von der Antenne des Schreib-/ Lesegerätes, das aus einer elektrisch leitfähigen Fläche (Elektrode) besteht, durch Anlegen
einer Spannung erzeugt. Dadurch bildet sich zwischen Antenne und Erdpotential
ein elektrisches Feld aus. Wird ein Transponder in das elektrische Feld des
Schreib-/ Lesegeräts gebracht, so entsteht an der Transponderantenne eine elektrische Spannung, die zur Energieversorgung des Transponders dient. Wie bei der
induktiven Kopplung wird anhand eines Lastwiderstandes im Transponder die
Rückwirkung auf das elektrische Feld des Schreib-/ Lesegeräts so gesteuert, dass
eine Datenübertragung erfolgen kann. Kapazitiv gekoppelte RFID-Systeme werden aufgrund systemimmanenter Limitationen, z. B. äußerst geringe Reichweite,
nur sehr selten eingesetzt /FIN 2002/.
Elektromagnetische „Backscatter“-Kopplung
Wesentlich häufiger werden hingegen Systeme eingesetzt, die nach dem Prinzip
der Backscatter-Kopplung funktionieren und dabei Prinzipien der Radar-Technik
nutzen /BSI 2004/. Die zugrunde liegende Radar-Gleichung besagt, dass elektromagnetische Wellen von Materie, die eine Ausdehnung von mehr als der halben
Wellenlänge besitzt, reflektiert werden. Besonders gut werden elektromagnetische
190
Wellen dann reflektiert, wenn das Objekt, auf das die Welle trifft, in Resonanz gerät /BSI 2004, S. 33/.
Um diesen Effekt für die RFID-Technologie zu nutzen, werden sowohl für das
Schreib-/Lesegerät als auch für den Transponder Dipolantennen verwendet, die
für die jeweils verwendete Frequenz ein Resonanzverhalten zeigen.
Zur „Aktivierung“ des Transponders sendet das Schreib-/Lesegerät dabei elektromagnetische Wellen aus. Ein Teil der am Transponder ankommenden Wellenleistung steht als Hochfrequenzspannung an den Anschlüssen der Antenne zur Verfügung und kann zur Energieversorgung des Transponders verwendet werden.
Ein anderer Teil der Wellenleistung kann nicht zur Stromversorgung verwendet
werden und wird reflektiert /BSI 2004/ (vgl. Abbildung 4-7).
Lesegerät
Richtkoppler
Transponder
abgestrahlte
Leistung
Chip
Sender-/
Empfänger
rückgestrahlte
Leistung
Dipolantenne Schreib-/
Lesegerät
Abbildung 4-7:
Lastwiderstand
Funktionsprinzip der Backscatter-Kopplung (nach /FIN 2002/ S. 50,
vereinfacht)
Um auf diese Weise Daten zu übertragen, wird im Transponder ein Lastwiderstand parallel zur Dipolantenne geschaltet. Wird dieser im Takt des zu übertragenden Datenstroms einund ausgeschaltet, entsteht ein amplitudenmoduliertes
Signal, das von der Antenne des Schreib-/Lesegerätes detektiert werden kann.
Dieses Verfahren wird als „modulierter Rückstreuquerschnitt“ bezeichnet /BSI
2004/.
Da die Reflexionseigenschaften von Objekten mit steigender Frequenz zunehmen,
werden Backscatter-Systeme vor allem für UHF (Ultra High Frequency) und SHF
(Short High Frequency) Frequenzbereiche eingesetzt und in Bezug auf die Energieversorgung passiv (ohne Stützbatterie) oder aktiv (mit Stützbatterie) betrieben
/FIN 2002/. Einen Sonderfall stellen Systeme dar, bei denen der Transponder
selbst elektromagnetische Wellen generiert und aussendet (aktives Senden). Dabei kann der Transponder seine Daten in Form von Wellen in einem wiederkehrenden Zyklus senden, unabhängig von einem Schreib-/Lesegerät. Bei einigen
Systemen werden die Transponder durch die vom Schreib-/Lesegerät ausgesen191
dete Welle „aktiviert“, um dann selbst Wellen zu erzeugen. Auf diese Weise können sehr hohe Reichweiten von mehreren hundert Metern erzielt werden.
Bei Backscatter-Systemen sind, ebenso wie bei induktiv gekoppelten Systemen,
einige physikalische Restriktionen zu beachten, die die Funktionsfähigkeit beeinflussen können und daher nachfolgend genauer erläutert werden.
Absorption elektromagnetischer Wellen
Bewegt sich eine elektromagnetische Welle durch ein anderes Medium als Vakuum, so wird ein Teil der Wellenenergie vom Material, das der Welle einen Widerstand entgegensetzt, absorbiert und in Wärme umgewandelt. Der Grad der Absorption ist dabei materialabhängig.
Reflexion elektromagnetischer Wellen
Leitfähige oder partiell leitfähige Oberflächen, wie z. B. Wasser, sind in der Lage,
elektromagnetische Wellen zu reflektieren, so dass Wasser durch die vom Lesegerät ausgesandten Wellen nicht durchdrungen werden kann. Diese Tatsache ist
für die Verwendung von Backscatter gekoppelten RFID-Systemen von erheblicher
Bedeutung, da z. B. ein durch Regen erzeugter Flüssigkeitsfilm die Leistungsfähigkeit bereits deutlich einschränken kann. Eine nicht leitende Flüssigkeit (wie z.
B. Öl) wird wiederum von elektromagnetischen Wellen passiert und führt zu keinen
messbaren Leistungseinschränkungen.
Darüber hinaus werden die von dem Lesegerät ausgesandten elektromagnetischen Wellen auch von allen Gegenständen in der näheren Umgebung reflektiert,
deren räumliche Abmessungen größer sind als die Wellenlänge des Feldes. Die
reflektierten Wellen überlagern sich dabei mit denen des primär ausgesandten
Feldes, so dass es abwechselnd zu lokaler Dämpfung (bis hin zur vollständigen
Auslöschung bei gegenphasiger Überlagerung) und zu einer Verstärkung kommt.
Darüber hinaus führt das gleichzeitige Auftreten vieler einzelner Reflexionen mit
unterschiedlicher Intensität und unterschiedlicher Entfernung zum Lesegerät zu
einem sehr schlecht berechenbaren Feldstärkeverlauf um das Lesegerät mit zahlreichen Zonen der lokalen Feldauslöschung. Diese Signalabschwächungen als
Folge von Reflexionen stellen bei RFID-Systemen ein großes Problem dar, da einem Transponder in einem lokalen Minimum der Feldstärke möglicherweise nicht
mehr ausreichend Energie zum Betrieb zur Verfügung steht. Mit derartigen Effekten ist vor allem in industriellen Umgebungen mit großen Metallgegenständen (wie
z. B. Maschinen) zu rechnen /vgl. FIN 2002/.
Der Datenaustausch zwischen Transponder und Schreib-/Lesegeräten kann
grundsätzlich durch verschiedene Verfahren erfolgen. Dabei werden binäre Daten
codiert, moduliert und über den Übertragungskanal vom Schreib-/Lesegerät an
den Transponder und umgekehrt übermittelt. Bei den Modulationsverfahren unter192
scheidet man grundsätzlich zwischen der Amplituden- (ASK38), der Frequenz(FSK39) und der Phasenmodulation (PSK40). Amplitudenmodulation ist dabei das
mit Abstand am häufigsten eingesetzte Verfahren, bei dem die Amplitude der Trägerschwingung (Spannung) durch ein binäres Codesignal zwischen zwei Zuständen umgeschaltet wird (Tastung) / FIN 2002, S. 193/. Die bei der Datenübertragung ablaufenden Prozesse und Vorgänge sind in der einschlägigen Fachliteratur
ausführlich beschrieben und sollen daher an dieser Stelle daher nicht weiter vertieft werden (vgl. z. B. /FIN 2002/).
4.2.3.2
Frequenzbereiche und Leistungsmerkmale
Als Frequenzbereich41 für Funkanwendungen, zu denen auch RFID-Systeme gehören, sind länderspezifische Frequenzen freigegeben, die für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke (Industrial, Scientific, Medical) genutzt
werden können. Die zulässige Sendeleistung ist dabei gesetzlich limitiert.
Grundsätzlich werden für RFID-Anwendungen die Frequenzbänder <135 kHz,
13,56 MHz, 868 MHz (Europa), 915 MHz (USA), 950 MHz (Asien) sowie 2,45 GHz
verwendet (Vgl. Abbildung 4-8). Vereinzelt finden sich auch Anwendungen in den
Bereichen um 433 MHz und im Bereich 5,8 GHz, die allerdings eine eher untergeordnete Rolle spielen.
H, dBµA/m in 10m
(< 30 MHz)
ERP, mW
(> 30 MHz)
80
100-135 kHz
60
250
868/915 MHz
13,56 MHz
2.45 GHz
25
40
20
6.78 13.56 27.125
77 000 MH
f
λ
0,01
30000
VLF
Abbildung 4-8:
40.68
433
nur
Europa
0,1
1
3000
LF
300
10
30
100
3
MF
HF
VHF
868 915 2.450
5.800
nur
USA
1000
0,3
10000
0,03
UHF
SHF
100000
0,003
EHF
MHz
m
Für RFID eingesetzte Frequenzbereiche mit zulässigen magnetischen Feldstärken bzw. zulässiger Abstrahlungsleistung
38
Amplitude Shift Keying
Frequency Shift Keying
40
Phase Shift Keying
41
Der Frequenzbereich bezieht sich immer auf die Betriebsfrequenz des Schreib-/Lesegeräts.
39
193
Die Frequenzbänder, die Kanalbreite, die maximalen Sendeleistungen und die
Dauer des Sendens (duty cycle) sind detailliert in Funkzulassungsvorschriften definiert (vgl. Tabelle 4-5). In diesen werden für alle RFID-Systeme verbindlich geltende Vorgaben getroffen, die sich zwischen Europa und den USA zum Teil deutlich unterscheiden.
Tabelle 4-5:
Derzeitige Funkzulassungsvorschriften /FIN 2002/
Frequenzbereich
Geltungsbereich
EN 300330
9 kHz bis 25 MHz
EU
100 % duty cycle, max. 4 Watt
Leistung bzw. max. 72 dBμA/m
Feldstärke in 10 m Entfernung
EN 300220
25 MHz bis 1000
MHz
EU
selten 100 % duty cycle
zugelassen, Leistung max. 500
mW ERP
EN 302208
865 MHz bis 868
MHz
EU
fast 100 % duty cycle, Leistung bis
max. 2 Watt ERP, LBT-Funktion
EN 300440
1 GHz bis 25 GHz
EU
selten 100 % duty cycle zugelassen, max. 500 mW ERP Leistung
Part 15 Subpart B (FCC)
902 bis 928 MHz
USA
100 % duty cycle, max. 4 Watt
EIRP (entspricht 2,44 Watt ERP)
Restriktionen
Während beispielsweise amerikanische UHF-Systeme in einem sehr breiten Frequenzband von 902 MHz bis 928 MHz mit 4 Watt Abstrahlungsleistung (EIRP) und
ohne Restriktionen bezüglich der Sendedauer arbeiten können, sind die europäischen Vorgaben deutlich strenger gefasst. Nach der neuen Richtlinie EN 302208
dürfen UHF-Systeme in Europa seit kurzem zwar mit nahezu 100 % Sendedauer
und einer Abstrahlungsleistung von 2 Watt ERP (entsprechend 3,2 Watt EIRP)
betrieben werden, jedoch sind die Änderungen mit speziellen Auflagen für die
Reader-Technologie verbunden, die die technologisch erzielbaren Leistungseigenschaften deutlich reduzieren. Um Störungen durch die im Vergleich zu vorherigen Reglementierungen höhere Leistung und das Dauersenden zu vermeiden,
muss jedes Schreib-/ Lesegerät mit hoher Sensibilität den jeweiligen Kanal abhören und auf Belegung durch andere Schreib-/ Lesegeräte prüfen. Gegebenenfalls
muss ein anderer Kanal gewählt werden. Bei nur 10 freien Kanälen im Frequenzband von 865,6 bis 867,6 MHz führt dies zu Problemen bei der Umsetzung. Weiterhin können andere Sendegeräte im UHF-Bereich, wie z. B. Funkkopfhörer und
Triband-Handys, als Schreib-/Lesegeräte erkannt werden und den Kanal blockieren. Insgesamt sind damit die Anwender in Europa gegenüber denen in den USA
benachteiligt.
194
Alle verwendeten Frequenzbereiche haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile.
Während im NF- und HF-Bereich ausschließlich passive Systeme zum Einsatz
kommen, bietet auch der UHF-Bereich neben (semi-) aktiven eine Vielzahl an
passiven Systemen, denen in den letzten Jahren verstärkte Aufmerksamkeit geschenkt wurde. Im SHF-Bereich sind fast ausschließlich aktive bzw. semiaktive
Systeme im Einsatz. Tabelle 4-6 gibt einen Überblick über die Eigenschaften der
verschiedenen RFID-Frequenzbereiche.
Systeme im Frequenzbereich < 135 kHz werden als niederfrequent bezeichnet. Da
hohe Windungszahlen für die magnetischen Felder erforderlich sind, werden die
Spulen zumeist gewickelt. Die Systeme sind bereits in vielen Anwendungen erprobt und zeichnen sich vor allem durch eine im Vergleich zu anderen Systemen
relativ geringe Anfälligkeit gegenüber Metallen, Unempfindlichkeit gegenüber
Flüssigkeiten, kleine und robuste Transponder-Bauformen und weitgehende Lageunabhängigkeit aus. Nachteilig sind die kurzen Reichweiten und gerIngen Datenübertragungsraten. Darüber hinaus gibt es nur sehr wenige Systeme mit Pulkfähigkeit. Die Einsatzbereiche niederfrequenter RFID-Systeme liegen vorrangig in
der Tieridentifikation, in der Entsorgungswirtschaft sowie im industriellen Bereich
(z. B. Werkzeugidentifikation). Darüber hinaus werden sie auch für Zutrittskontrollen und elektronische Wegfahrsperren verwendet /FIN 2002/.
Tabelle 4-6:
Überblick über RFID-Frequenzbereiche (z. T. verifiziert durch LogIDLab®)
< 135 kHz
Funktionsprinzip
13,56 MHz
Induktive Kopplung
868 / 915 MHz
2,45 GHz
Backscatter-Kopplung oder Erzeugung
elektromagnetischer Wellen
Passiv
Passiv und Semiaktiv (Sensorik)
Passiv, Semiaktiv und Aktiv
Read-Only und
Read/Write
v. a. Read/Write
Read-Only und Read/Write
Bis 2 kBit
Bis 2 kBit
Reichweite
< 1,0 m
Bis ca. 1,7 m
Datenübertragungsraten
4 kBit/s,
Energieversorgung
Programmierbarkeit
Speicherkapazität
Identifikationszeit
Einfluss von Metall
Einfluss von
Flüssigkeiten
ca. 25 ms für TagID Auslesen
26,5 kBit/s. bzw.
106 kBit/s (ISO
15693),
ca. 3 ms bzw.
ca. 1 ms je Tag
Abschwächung des magnetischen
Feldes, Verstimmung der Resonanzfrequenz, Reduzierung durch
Ferritschichten / Ferritkerne
Niedrig
Passiv 2kBit;
Aktiv bis 256 kBit
Bis 256 kBit
Bis ca. 6,0 m bei passiven Systemen;
Bis 100 m bei aktiven Systemen
30 bis 140 kBit/s
ca. 3 ms bis ca.
0,5 ms je Tag
keine allgemein
gültigen Angaben
möglich
Reflexionen an Metalloberflächen, bei
direkter Applikation auf Metalloberfläche sind Anpassungen notwendig
Hoch
Sehr hoch
195
< 135 kHz
Pulkfähigkeit
Lebensdauer
13,56 MHz
868 / 915 MHz
2,45 GHz
Technisch
möglich, kaum
Bis ca. 100 Stück
Bis ca. 500 Stück
Bis ca. 500 Stück
realisiert
EEPROM-Speicher (passive Read/Write Systeme) ca. 10.000 bis 100.000
Schreibzyklen, bei SRAM (aktive Systeme) nahezu unbegrenzte Anzahl von
Schreibzyklen möglich, abhängig von der Lebensdauer der Batterie
TransponderBauformen (Bsp.)
Glasröhrchen,
Stick, Coin
Label, Coin
Label, Kunststoffgehäuse
Block mit Kunststoffgehäuse
ca. Preis je Transponder [€/St.]
0,50 - 1,00 passiv
0,30 - 0,70 passiv,
8,00 mit Temperatursensor
0,30 - 0,70 passiv,
60,00 aktiv
30,00 bis 50,00
aktiv
Bei hochfrequenten RFID-Systemen im Frequenzbereich 13,56 MHz kommen
überwiegend Transponder in Label-Bauform zur Anwendung (so genannte „SmartLabel“), die mit Hilfe innovativer Siebdruck- und Ätztechniken hergestellt werden.
Dadurch können die Transponder relativ preisgünstiger produziert werden, was sie
für Massenanwendungen interessant macht. Der Durchbruch ist allerdings noch
nicht gelungen. Dies hängt neben den immer noch zu hohen Preisen und fehlenden Standardisierungen auch mit physikalischen Restriktionen zusammen. Insbesondere die für logistische Anwendungen zu geringe Reichweite (vgl. Tabelle 4-6)
die Lageabhängigkeit der Smart-Label und die hohe Anfälligkeit gegenüber metallischen Applikationsuntergründen und Umgebungen schränken die Einsatzbereiche stark ein. Aktuelle Anwendungsbereiche liegen in der Zutrittskontrolle, in der
Ladungsträger- und Ladeeinheitenidentifikation, im öffentlichen Personennahverkehr und im Ticketing für Luftverkehr und Skigebiete.
Passive RFID-Systeme im UHF-Bereich um 900 MHz (868 MHz in Europa, 915
MHz in den USA, 950 MHz in Asien) haben in den letzten Jahren eine rasante
Entwicklung genommen, da die Nachteile der zuvor erläuterten hochfrequenten
Systeme mit UHF-Systemen weitgehend ausgeschlossen werden können. Innovationstreiber in diesem Bereich war und ist dabei der Handel, der sich durch diese
relativ neue Technologie erhebliche Potenziale erhofft. In diesem Zusammenhang
kann beispielsweise auf die umfangreichen Aktivitäten der Metro AG oder anderer
Handelskonzerne verwiesen werden.
UHF-Systeme zeichnen sich vor allem durch Reichweiten von mehreren Metern,
hohe Speicherfähigkeiten, verbesserte Pulkfähigkeit und relativ geringe Empfindlichkeit bei der Montage auf Metall aus und erschließen so den Einsatz in logistischen Anwendungen. Zusätzlich ist im Bereich der passiven UHF-Technologien
eine Vielzahl an Label-Bauformen (vgl. Kapitel 4.2.3.3) verfügbar, die einen Masseneinsatz ermöglichen. Auch im Bereich der Standardisierung sind in den letzten
Jahren erhebliche Fortschritte gemacht worden (z. B. ISO 18000-6, EPC). Lediglich der Einfluss von Flüssigkeiten auf die Funktionseigenschaften ist deutlich größer als bei HF-Systemen.
196
Aus den genannten Gründen werden sich diese Systeme in den nächsten Jahren
weiter verbreiten und in vielen Bereichen zum internationalen Standard werden (z.
B. in Logistikanwendungen). Der flächendeckende Einsatz auf Produktebene (Product-Tagging) wird allerdings weiterhin durch die momentan noch zu hohen Preise
verhindert.
Neben den passiven Systemen werden im UHF-Bereich auch aktive bzw. semiaktive Systeme mit integrierter Batterie verwendet. Der Einsatz dieser aktiven Systeme erfolgt beispielsweise dort, wo logistische Objekte mit hohen Anforderungen
an Reichweite, Relativgeschwindigkeit, Speicherfähigkeit und Bauform des
Transponder und gekennzeichnet werden sollen. Dies ist beispielsweise im Bereich der Wechselbrücken- und Containerkennzeichnung der Fall.
Schließlich ist noch der Bereich um 2,45 GHz von Bedeutung, in denen fast ausschließlich aktive bzw. semiaktive Systeme zum Einsatz kommen. Diese Systeme
werden auch als Mikrowellensysteme bezeichnet. Sie haben den Vorteil sehr großer Datenübertragungsraten, geringer Anfälligkeit gegenüber metallischen und
flüssigen Untergründen und hoher Reichweiten und Relativgeschwindigkeiten.
Daher finden diese Systeme vor allem im Bereich der Produktionssteuerung
(z. B. in der Automobilindustrie) sowie für spezielle Ortungsverfahren Verwendung
(z. B. MOBY-R). Nachteilig sind der hohe Preis der Transponder, das Fehlen von
Label-Bauformen sowie die Tatsache, dass in dem verwendeten Frequenzband
viele andere Funksysteme betrieben werden (z. B. WLAN, Bluetooth, DECT). Aufgrund der genannten Nachteile sind die Anwendungen auf Spezialbereiche beschränkt.
4.2.3.3
Bauformen von Transpondern
Ebenso wie die verwendeten Frequenzbereiche sind auch die Bauformen von
Transpondern sehr vielfältig. Je nach Bauart lassen sich grob flexible und starre
Transponder unterscheiden. Flexible Transponder werden auch als Folientransponder bzw. „Smart-Label“ bezeichnet und sind durch ihre flache Bauweise mit Barcodes kombinierbar. Diese Bauformen finden sich überwiegend im HFund UHF-Bereich (vgl. nachfolgende Abbildung).
197
Trägerpapier (Liner)
Verpackung (Etikettschicht, Klebstoff)
Folieninlay mit Antenne
Transponderchip
Abbildung 4-9:
Bestandteile eines RFID-Smart-Labels
Im Bereich der starren Transponder gibt es eine große Vielfalt an Bauformen. Die
Form und Größe der in Gehäuseschalen eingepressten oder mit Kunstharz vergossenen starren Transponder sind abhängig vom Einsatzgebiet und benötigten
Antennenabmessungen. Die verwendeten Gehäuse bestehen aus Kunststoff, Glas
oder Metall mit Kunststoff- oder Keramikfenstern. Die verschiedenen Bauformen,
die von einer Vielzahl verschiedener Hersteller angeboten werden, reichen von
Transponder in Nagelform über Glasröhrchen, die bevorzugt zur Identifikation von
Nutztieren verwendet werden, bis zu Transpondern in Karten-, Coin-, Disk- oder
Blockbauweise mit Hartschalengehäuse (vgl. Abbildung 4-10).
Häufigste Bauform sind die so genannten Coins, die Durchmesser von wenigen
Millimetern bis zu einigen Zentimetern haben können und teilweise mit Bohrung in
der Mitte zur Aufnahme einer Befestigungsschraube ausgestattet sind.
Abbildung 4-10:
198
Glasröhrchen- und Cointransponder (links), Hartschalengehäuse,
Karten-, Label-, Cointransponder mit Befestigungsbohrung (rechts)
Darüber hinaus gibt es noch eine Vielzahl anwendungsspezifischer Sonderbauformen. In diesem Zusammenhang werden Transponder zum Beispiel in Schlüsselanhänger, Armbänder oder Ringe für Brieftauben integriert, um eine eindeutige
Authorisierung und Identifikation zu ermöglichen. Auf eine detaillierte Darstellung
und Beschreibung der verschiedenen Bauformen wird an dieser Stelle verzichtet.
Es wird auf die gängigen Fachliteratur verwiesen /FIN 2002/.
4.2.3.4
Standardisierung
Der Einsatz von RFID-Systemen in unternehmensübergreifenden Anwendungen
erfordert die Definition und Nutzung übergreifender Standards, die daher in den
letzten Jahren verstärkt vorangetrieben wurden. Die aktuell erlassenen bzw. in
Arbeit befindlichen Standards lassen sich grundsätzlich in Technologie-, Datenund Anwendungsstandards unterteilen.
Technologiestandards beschreiben die technische Basis eines RFID-Systems
/WAL 2004/. So werden darin unter anderem Festlegungen zu Frequenzen, Übertragungsgeschwindigkeit, Kodierungen, Datenprotokollen und Antikollisionsverfahren getroffen. Zuständig für den Erlass von Technologiestandards sind die ISO/
IEC-Gremien. Die Gliederung der Technologiestandards orientiert sich in erster
Linie an der genutzten Frequenz (vgl. Tabelle 4-7).
Übersicht über aktuelle Technologie-Standards
Tabelle 4-7:
100-135 kHz (LF)
13,56 MHz (HF)
868 MHz (UHF)
2,45 GHz (SHF)
ISO 18000-2
(Luftschnittstelle LF)
ISO 18000-3 Mode 1 und 2
(Luftschnittstelle HF)
ISO 18000-6A und 6B
(Luftschnittstelle UHF),
6C in Arbeit
ISO 18000-4
(Luftschnittstelle SHF)
ISO 18047-2
Conformance Test
Methods (in Arbeit)
ISO 18047-3 Conformance
Test Methods (in Arbeit)
ISO 15693, 14443
(kontaktlose Chipkarten)
ISO 18047-6 Conformance ISO 18047-4 Conformance
ISO 18046 RFID Tag and Interrogator Performance Test Methods
ISO 15961 RFID for Item Management - Data Protocol: Data encoding Rules and logical Memory functions,
ISO 15962 RFID for Item Management - Data Protocol: Application Interface (in Arbeit),
ISO 15963 RFID for Item Management - Unique Identification of RF Tag
Ein zentraler Aspekt der Technologiestandards besteht in der Definition einheitlicher Protokolle. Dabei steht insbesondere die Standardisierung der Luftschnittstelle zwischen RFID-Tag und Schreib-/ Lesegeräte im Fokus (z. B. in der ISO 15693
und ISO 18000-Serie). Ziel ist es, dass ISO-konforme Chips verschiedener Her-
199
steller durch Schreib-/Lesegeräte ohne Anpassungen der Middleware gelesen
werden können.
Im Zusammenhang mit Technologiestandards ist auch der EPC-Standard von Bedeutung. Während in der Vergangenheit der EPC (Class 0 und Class 1) nicht in
der ISO 18000 integriert war, konnte dies mittlerweile durch Etablierung des so
genannten Gen2-Standards behoben werden, so dass damit die Voraussetzungen
für einen herstellerübergreifenden Einsatz von RFID-Transpondern geschaffen
wurden (vgl. Tabelle 4-8).
Tabelle 4-8:
Übersicht EPC-Varianten
Eigenschaften
EPC Class 0
Transponder mit fixem EPC (Read Only Chip) und keinem zusätzlichen
Datenspeicher, proprietäres Protokoll, nicht ISO 18000 konform
EPC Class 1
Transponder mit einmal veränderlichen Speicher (Write Once Read
Many) und keinem zusätzlichen Datenspeicher, proprietäres Protokoll,
nicht ISO 18000 konform
EPC Class 1
Version 2 (Gen2)
Transponder mit veränderlichen Speicher (Read / Write), ISO 18000
konformes Protokoll
Bei der Festlegung von Datenstandards stehen Fragen der Datenorganisation im
Vordergrund, die unabhängig von der Technologie betrachtet werden können
/NN 2006/. Es werden im Wesentlichen Fragen der Datenorganisation betrachtet.
Beispiele sind die ISO/IEC 15961 und die ISO/ISO 15962, in denen das Handling
von im Transponder gespeicherten Daten beschrieben wird. Im Wesentlichen geht
es um die Spezifizierung des Datenprotokolls zum Austausch von Informationen in
einem RFID-System, z. B. zu einem Applikationssystem /WAL 2005/.
Der Standard ISO 15963 befasst sich mit dem Thema „Unique Identifier“. Dabei
werden Verwendungsmöglichkeiten und Realisierungsarten von eindeutigen
Identnummern für Transponder beschrieben /WAL 2004/.
Anwendungsstandards dienen dazu, für eine einzelne Anwendung bzw. für einen
Anwendungsbereich eine bestimmte technische Lösung zu empfehlen. Anwendungsstandards sind bisher nur wenige definiert worden. Beispiele finden sich im
Bereich der Tieridentifikation (ISO 11784, 11785), der Entsorgungswirtschaft
(DIN-V 30745), der Werkzeugidentifikation (ISO 69873) oder der Containeridentifikation für logistische Anwendungen (ISO 10374).
Zusätzlich wurde in den letzten Jahren von der ISO / IEC begonnen, verschiedene
Spezifikationen für den Einsatz von RFID-Systemen in der Lieferkette zu be-
200
schreiben. Betrachtet werden alle Ebenen der Supply Chain vom Produkt bis zum
Frachtcontainer. Die zugehörigen, in Entwicklung befindlichen Werke sind:
•
ISO 17358 Application Requirements (in Entwicklung),
•
ISO 17363 Freight Containers (in Entwicklung),
•
ISO 17364 Returnable Tarnsport Items (in Entwicklung),
•
ISO 17365 Transport Units (in Entwicklung),
•
ISO 17366 Product Packaging (in Entwicklung),
•
ISO 17367 Product Tagging (in Entwicklung).
In der Bundesrepublik Deutschland erarbeitet zusätzlich der VDI in Verbindung mit
dem Fachgebiet Logistik der Universität Dortmund und weiteren Fachleuten Anwendungsstandards für verschiedene Branchen. So wurden beispielsweise mit
dem Erlass des Blattes 2 der VDI-Richtlinie 4472 die Anforderungen an den RFIDEinsatz in der textilen Kette spezifiziert. Weitere Blätter befinden sich aktuell in
Entwicklung (z. B. RFID-Einsatz in der Kühlkette).
4.2.4
4.2.4.1
Einsatzszenarien automatischer Identifikationssysteme
Beschreibung relevanter Anwendungsbeispiele und -standards
Nach einer kurzen Darstellung der Grundlagen ist es erforderlich, ausgewählte
Einsatzszenarien für Auto-ID-Systeme genauer zu untersuchen. In diesem Zusammenhang finden sich interessante Ansätze für die Rekonditionierung vor allem
im Bereich der Entsorgungswirtschaft, bei der Kennzeichnung von Getränkekegs
und in der abfüllenden Industrie (z. B. Gasflaschen-Kennzeichnung), da in diesen
Anwendungen die Einsatzbedingungen denen der Rekonditionierung ähnlich sind
(z. B. metallische Objekte, mechanische und witterungsbedingte Einflüsse). Aber
auch für die Kennzeichnung von Industrieverpackungen (Fässer und IBC) existieren bereits vielfältige Lösungen, die nachfolgend genauer dargestellt werden.
Kennzeichnung von Kegs in der Getränkeindustrie
In der Getränkeindustrie werden hochwertige Mehrweggebinde eingesetzt. Um
eine eindeutige Identifikation und Verfolgung dieser Gebinde zu realisieren, werden für die Kennzeichnung der Kegs niederfrequente, passive RFID-Systeme eingesetzt, die fest am Behältnis angeschweißt sind. Eine entsprechende Lösung
wurde beispielsweise im Rahmen des von der Versuchs- und Lehranstalt für
Brauerei in Berlin (VLB) durchgeführten Forschungsprojekts entwickelt, das in
Gemeinschaft mit mehreren Brauerein, Getränkegroßhandlungen und RFIDSystemanbieter durchgeführt wurde /FON 2003/. Durch die Kennzeichnung kön-
201
nen die Kegs in der Abfülllinie einzeln erfasst und im EDV-System den Chargendaten zugeordnet werden. Die Lesereichweite auf Metall beträgt in Abhängigkeit
vom verwendeten Lesegerät bis zu 40 cm.
Bei der größten Brauerei Englands, der Scottish Courage Brewing Limited, werden
die Kegs mit einem passiven Read/Write-Transponder der Firma Philips ausgestattet (Arbeitsfrequenz 125 kHz, Lese- bzw. Schreibreichweite ca. 7cm). Zur Datenerfassung und Beschreibung der Transponder werden Handlesegeräte verwendet. Durch den Einsatz dieses Systems konnte die Verlustquote der Kegs
deutlich reduziert werden. Des Weiteren führte die Integration von Identifikationstechnologien zu einer Steigerung der Effizienz der gesamten Auftragsabwicklung
sowie zur Einführung eines automatischen Rechnungsprüfungssystems
/MIL 2003/.
RFID-basierte Kennzeichnung von Gasflaschen
Im Bereich der Gaseindustrie kommt der Identifizierung der Einzelbehälter im
Rahmen des Behältermanagements eine große Bedeutung zu, da die Gase in
hochwertigen Leihbehältern transportiert und vertrieben werden. Des Weiteren ist
die eindeutige Identifizierung auch aus Sicherheitsgründen sehr wichtig und zum
Teil bereits vorgeschrieben. Während in der Vergangenheit zur Identifikation Verfahren wie Prägung, Metall- oder Kunststoffetiketten, Barcodes oder auch Farbkodierungen verwendet wurden, gewinnt der Einsatz der RFID-Technologie zunehmend an Bedeutung. Auch hier werden dabei überwiegend passive, niederfrequente RFID-Systeme eingesetzt. Die Lösung der scemtec Transponder Technology GmbH besteht beispielsweise aus einem Glasröhrchen-Transponder
(125 kHz, Read/Write), der vertikal in eine Bohrung eingelassen ist, um ihn so vor
mechanischer Belastung zu schützen.
Abbildung 4-11:
202
Transpondereinsatz bei der Gasflaschen-Kennzeichnung /SCE 2005/
Aufgrund des im Transponder vorhandenen Ferritkerns kann trotz der metallischen Umgebung eine sichere Erfassung mit Handlesegeräten (explosionsgeschützt) erfolgen /SCE 2005/. Der Einsatz von Glastranspondern gewährleistet
darüber hinaus eine hohe Resistenz gegenüber Befeuchtung, Schmutz und Chemikalien. Alternativ werden Coin-Transponder aus Kunststoff verwendet, die an
geschützten Stellen der Gasflaschen montiert werden.
Die zunehmende Bedeutung der RFID-Technologie für die Gaseindustrie wird
auch mit der Veröffentlichung der Norm DIN EN ISO 2100742 im Jahre 2005 deutlich, in der insbesondere die Systemarchitektur, der Aufbau der Datenstruktur sowie Anforderungen an die Luftschnittstelle definiert werden /ISO 21007/. Die Datenstruktur ist modular, so dass - in Abhängigkeit von der genutzten Hardware neben der der eindeutigen Identifikationsnummer auch Informationen zum Gasflaschenhersteller, technische Daten und Informationen zum Inhaltstoff gespeichert
werden können. Der zu verwendende Frequenzbereich wird in der Norm nicht definiert oder eingeschränkt. Für die Frequenzbereiche 125 kHz und 13,56 MHz
werden die Parameter für die genormte Luftschnittstelle vorgegeben (z. B. Frequenztoleranzen, Modulationsverfahren).
Identifizierung von Behältern in der Entsorgungswirtschaft
In der Entsorgungswirtschaft werden automatische Identifikationssysteme überwiegend für die Kennzeichnung und Verfolgung von Mulden/Containern bzw. anderen Behältern (z. B. Müll-Großbehälter) und Fahrzeugen verwendet. So setzt
beispielsweise die ALBA AG passive Read-only-Transponder (134,2 kHz) ein. Die
Fahrer werden mit einem mobilen Bordcomputer und einem dazugehörigen Handlesegerät ausgestattet, auf welchem alle Aufträge eines Tages gespeichert sind.
Nach Ausführung des Auftrags erfasst der Fahrer die ID-Nummer der Mulde bzw.
des Containers und bucht diesen als erledigt. Sind alle Aufträge eines Tages abgearbeitet, kehrt der Fahrer zum Firmensitz zurück und überspielt die erfassten
Daten über eine serielle Schnittstelle in das zentrale EDV-System. Die Daten können so als Nachweis für die Leistungserbringung verwendet werden. Zusätzlich
kann auch das gesamte Containermanagement optimiert werden, da die aktuellen
Standorte der Container stets in der EDV verfügbar sind.
Ähnliche Systeme werden von verschiedenen Systemanbietern vertrieben (z. B.
MOBA AG, Envicomp Systemlogistik GmbH, Deister Elektronik GmbH) und basieren ebenfalls auf niederfrequenten Read-Only Transpondern (125 kHz bzw.
134, 2 kHz), die zur Identifizierung großer Behältnisse aus Stahl ebenso verwendet werden wie zur Identifizierung von Müllgroßbehältern aus Kunststoff. Der niederfrequente Bereich (<135 kHz) wird überwiegend eingesetzt, da die Systeme in
42
DIN EN ISO 21007: 2005: Gasflaschen - Identifizierung und Kennzeichnung mittels Hochfrequenztechnologie
203
metallischen Umgebungen gute Leistungseigenschaften aufweisen, es sich um
eine robuste und in der Industrie seit Langem erprobte Technologie handelt und
die Hardware kostengünstig ist. Darüber hinaus bestehen keine hohen Anforderungen bezüglich der Lesereichweiten.
Abbildung 4-12:
Mulde mit Transponder (in verschiedenen Positionen) /NN 2002/
Aus den genannten Gründen haben sich im Entsorgungsbereich niederfrequente
RFID-Systeme in vielen Anwendungen bewährt und zur Etablierung eines Branchenstandards43 geführt. Die Erfahrungen haben auch bereits Eingang in die Arbeiten des Deutschen Instituts für Normung (DIN) gefunden und sind in DIN V30745 zusammen gefasst /DIN V-30745/.
Einen interessanten Sonderfall des Auto-ID-Einsatzes in der Entsorgungs- bzw.
Recyclingwirtschaft stellt die Identifikation von Leichtverpackungsfraktions (LVP)Gebinden dar, die sowohl mit Barcode als auch mit Transpondern realisiert wurde.
Transponderbasierte Lösungen werden beispielsweise in der Schweiz eingesetzt,
um Wertstoffballen mit Mischkunststoffen nach der Sortierung und Verpressung
eindeutig kennzeichnen und verfolgen zu können /ASS 2006/. Auch hier kommen
niederfrequente RFID-Systeme (134,2 kHz, Read-only, FDX) zum Einsatz. Im speziellen Fall werden die in Kunststoff integrierten Transponder mittels Karabiner
und Gummiband nach der Verpressung der Wertstoffe an der Drahtumschnürung
des Ballens befestigt (vgl. Abbildung 4-13). Die erzielbaren Lesereichweiten
betragen etwa 20 cm /ASS 2006/. Auf den Transpondern ist eine eindeutige Identifikationsnummer gespeichert, die in einer Datenbank registriert wird. Dem Datensatz werden Artikelnummer, Datum und Uhrzeit der Materialverpressung sowie die
Kenn-Nummer der Sortieranlage hinzugefügt.
43
Im Rahmen eines 1999 gegründeten Arbeitskreises des Bundesverbands Deutscher Entsorgungsunternehmen (BDE) e.V. zusammen mit dem Verband kommunaler Städtereiniger (VKS) wurden Standardisierungen erarbeitet. Nähere Informationen können unter www.bde-vks.de abgerufen werden.
204
Abbildung 4-13:
Lager für Wertstoffballen (Mischkunststoffe)
Bei der Verladung im Sortierbetrieb werden die einzelnen Gebinde mit einem
Handlesegerät erfasst und die Informationen auf einer Transportbegleitkarte
(Chipkarte) gespeichert, die beim Empfänger eingelesen werden kann (Verwertungsbetrieb), so dass dort alle notwendigen Informationen vorliegen. Vor der Zuführung der Ballen zu den Verwertungsprozessen werden die Transponder entfernt und zum Sortierbetrieb zurückgeführt, um sie als Mehrweglösung erneut zur
Kennzeichnung zu verwenden.
Im Gegensatz zum Schweizer Beispiel werden bei der Deutschen Gesellschaft für
Kunststoffrecycling mbH Barcodes für die Kennzeichnung der Ballen eingesetzt.
Der Ablauf des Prozesses unterscheidet sich dabei nicht wesentlich von dem oben
beschriebenen. Die Barcodes werden nach der Verpressung individuell gedruckt
und an dem Wertstoffballen befestigt. Im Gegensatz zu der oben beschriebenen
RFID-Lösung werden die Codes jedoch nicht mehrfach verwendet, sondern mit
den Wertstoffballen der Verwertungsanlage zugeführt. Dadurch können deutliche
Aufwandsreduzierungen erreicht werden. Nach Angaben eines Pilotbetriebs funktioniert diese Variante zuverlässig und sicher. Die vermuteten Probleme mit der
Erfassung der Codes (z. B. durch Verschmutzung oder mechanische Beschädigung) haben sich nicht bestätigt, was auch auf die umfangreichen Voruntersuchungen und anwendungsspezifische Wahl der für die Barcode-Etiketten verwendeten Materialien zurückzuführen ist /DKR 2003/.
Kennzeichnung von Industrieverpackungen (Stahlfässer und IBC)
Für die Kennzeichnung von Stahl- oder Kunststofffässern werden bisher überwiegend Klartext-Beschriftungen oder Barcode-Lösungen eingesetzt. Entsprechende
Anwendungen finden sich beispielsweise in der abfüllenden Industrie oder im Bereich der Sonderabfallbeseitigung.
Für den Bereich der abfüllenden Industrie soll beispielhaft die Barcode-basierte
Lösung der FLUITEC GmbH erläutert werden /FLU 2003/. FLUITEC produziert
205
vollautomatische Abfüllanlagen, in denen zwecks Orientierung der zu füllenden
Stahlfässer an den Abfüllstationen Kamerasysteme angebracht sind. Mit Hilfe dieser Kameras können auch Barcodes, welche auf dem Oberboden der Fässer aufgebracht sind, ausgelesen werden, um so die Fässer einzeln der zugehörigen
Charge zuzuordnen. Aufgrund der für den Abfüllvorgang notwendigen Orientierung des Fasses können im speziellen Fall lineare Codes eingesetzt werden.
Nach der Abfüllung werden die Fässer im Rahmen der Palettierung erneut erfasst.
An dieser Stelle erfolgt eine direkte datentechnische Zuordnung von einzelnen
Fässern zu einer spezifischen Palette /FLU 2003/. Durch Anbindung an ein zentrales EDV-System kann so eine chargengenaue Rückverfolgung der einzelnen Fässer gewährleistet werden.
Für die Kennzeichnung von Stahl- und Kunststoffverpackungen im Rahmen der
Sonderabfallverbrennung werden ebenfalls Barcodes eingesetzt. Bei Anlieferung
in der Verbrennungsanlage werden die Gebinde erfasst und mit einem zweidimensionalen Barcode versehen /BCI 2004/, der mit den zugehörigen Lieferanteninformationen verknüpft und in einer Datenbank gespeichert wird. Bei der Zuführung zur Verbrennungsanlage werden die Barcodes dann erfasst und damit die
ordnungsgemäße Beseitigung der Abfälle wie vorgeschrieben dokumentiert. Die
Gebinde werden dabei ungeöffnet zusammen mit den Abfällen der Verbrennung
zugeführt. Da die Verpackungen mit einem zweidimensionalen Code ausgestattet
sind und darüber hinaus durch hochwertige Kamerasysteme eine omnidirektionale
Erfassung möglich ist, ist eine Orientierung zu Auslesungszwecken nicht erforderlich /BCI 2004/. Lesefehler aufgrund verschmutzter oder beschädigter Codes treten nur sehr selten auf, da die Verpackungen trocken gelagert werden und daher
kaum Verschmutzungen vorliegen.
Neben den beschriebenen, barcodebasierten Lösungen treten jedoch auch in diesem schwierigen Umfeld RFID-basierte Kennzeichnungssysteme zunehmend in
den Vordergrund. So wurde im Sommer 2006 eine von der SULO Emballagen
GmbH in Zusammenarbeit mit der Envicomp Systemlogistik GmbH entwickelte
Lösung zur dauerhaften Kennzeichnung von Stahl-Spundfässern mittels RFIDTechnologie vorgestellt. Für die Kennzeichnung werden einmal beschreibbare,
passive Transponder mit einer Arbeitsfrequenz von 125 kHz und einem Durchmesser von 30 mm eingesetzt, die mit Hilfe eines speziell entwickelten Chipnestes
an der Oberseite der Verpackung angebracht werden. Zum Schutz gegen Verschmutzung und mechanische Einflüsse ist der Transponder durch ein Kunststoffgehäuse geschützt. Die gesamte Hardware ist für explosionsgeschützte Bereiche
in den Zonen 1 und 2 geeignet. Genauere Informationen zu der Lösung lagen zum
Zeitpunkt der Projektdurchführung noch nicht vor. Nach Aussagen des Anbieters
besteht in Bezug auf die Reichweiteoptimierung jedoch noch erheblicher Entwicklungsbedarf /KNE 2006/. Auch ist die dauerhafte Anbringung des Transponders an
206
den Verpackungen kritisch zu werten, da der Transponder im Rahmen der Rekonditionierung, insbesondere bei der Strahlung der Gebinde, sehr großen Belastungen ausgesetzt ist. Materialabtrag und Verlust der Funktionsfähigkeit sind somit
nicht auszuschließen.
Für die Kennzeichnung und Identifikation von Intermediate Bulk Containern (IBC)
existieren ebenfalls bereits erste Lösungen auf Basis der RFID-Technologie
/KLE 2005/. So werden beispielsweise semiaktive Systeme mit einer Arbeitsfrequenz von 2,45 GHz eingesetzt, deren Reichweite je nach Ausführung zwischen
vier bis zwölf Metern beträgt /HES 2001/. Die Funktionsdauer der Transponder ist
aufgrund der integrierten Batterie beschränkt und beträgt in Abhängigkeit von der
Häufigkeit der Lese- bzw. Schreibvorgänge bis zu sechs Jahre. Um eine sichere
Identifikation des IBC auch bei ungünstiger Lagerung zur Antenne zu realisieren,
ist es zum Teil erforderlich, den IBC mit zwei Transpondern auf den gegenüberliegenden Seiten auszustatten, was mit zusätzlichen Kosten verbunden ist /HES
2001/. Eingesetzt wird dieses System beispielsweise bei der Firma Contek IBCService in Ellrich.
Darüber hinaus wurden auch von der Firma Henkel KGaA, Düsseldorf, Versuche
zur Umsetzung einer RFID-basierten Kennzeichnung bei Intermediate Bulk Containern vorgenommen. Diese sind allerdings über das Versuchsstadium bisher
nicht hinaus gekommen, da keine Lösung gefunden werden konnte, die alle Anforderungen abdeckt44.
Identifikation von Mehrweg-Ladungsträgern
Kombinations-IBC bestehen aus drei, voneinander abhängigen Komponenten. Der
Gitterkorb ist fest auf einem Ladungsträger (z. B. Chemiepalette C1) montiert,
während die innen liegende Kunststoffblase austauschbar ist. Im Hinblick auf eine
Kennzeichnung von Kombinations-IBC ist es daher sinnvoll, auch den Stand der
Forschung und Technik bei der Kennzeichnung von Mehrweg-Ladungsträgern
genauer zu betrachten.
Für die Identifikation von Mehrweg-Ladungsträgern existieren vielfältige Lösungsansätze. Verbreitet wird der Barcode eingesetzt, der gut sichtbar an der Ladeeinheit (z. B. Palette) angebracht wird und diese so mittels Barcodescanner identifizierbar macht. In zunehmendem Maße kommt jedoch auch die RFID-Technologie
zum Einsatz, wobei sich die technischen Lösungen vorrangig auf passive Systeme
im HF- und UHF-Frequenzbereich beschränken. So werden beispielsweise hochwertige Ladungsträger bereits herstellerseitig mit HF-Transpondern ausgestattet
(z. B. bei Kunststoffpaletten der Firma Craemer) /CRA 2004/. Allerdings zeichnet
sich in den letzten Jahren eine Tendenz zur UHF-Technologie ab, so dass neue
44
Information aus einem Telefonat mit Herrn Peter Menke, Henkel KGaA am 06.09.2005
207
Lösungen und Konzepte fast ausschließlich auf diese Technologie ausgerichtet
sind.
Die technischen Lösungen für die Anbringung der Tags an den Ladungsträgern
sind vielfältig. Wichtig ist bei der Integration der Transponder deren geschützte
Anbringung, so dass die Gefahr der mechanischen Zerstörung sowie des Eindringens von Flüssigkeiten mit eventueller Leistungsreduzierung vermieden werden.
Idealerweise kann dies durch Integration in ein Kunststoffgehäuse gewährleistet
werden /PAT 2002/.
Eine grundsätzliche Applikationsmöglichkeit besteht darin, ein UHF-Label beispielsweise durch Aufkleben an einem Mittelklotz zu befestigen, was insbesondere
bei Holzpaletten oft angewandt wird (vgl. Abbildung 4-14, PLUS ID RFID Palette
von Chep). Im Gegensatz zu Holzpaletten kann der Tags bei Kunststoffpaletten
auch direkt in die Blöcke integriert werden, z. B. im Rahmen des Herstellungsprozesses /PAT 1999/.
Abbildung 4-14:
Beispiel zur Kennzeichnung einer Holzpalette mit RFID /CHE 2006a/
Darüber hinaus existieren verschiedene Lösungen zur nachträglichen Integration
von Tags an nicht gekennzeichneten Paletten, z. B. mit Hilfe spezieller Dosen (bei
Holzpaletten) oder durch Nutzung einer patentierten Klammer, die in eine Öffnung
auf der Tragfläche eingesetzt werden kann (bei Kunststoffpaletten) /PAT 2004/.
Die Vorteile dieser Lösungen liegen in der einfachen und kostengünstigen Applizierbarkeit, allerdings auch verbunden mit der Gefahr des Verlustes von
Transponder und Daten (vgl. Abbildung 4-15).
208
Abbildung 4-15:
Vorrichtung zur Anbringung von Transpondern an Kunststoffpaletten
/PAT 2004/
Neben der Palettenkennzeichnung wird die RFID-Technologie aber auch in anderen Bereichen eingesetzt. So wird aktuell der Einsatz von RFID-Systemen für die
Kennzeichnung von Gitterboxen aus Stahl in verschiedenen Pilotprojekten (z. B. in
der Automobilindustrie) untersucht. Gleiches gilt für die Kennzeichnung der innerbetrieblich für den Transport von Montagefertigteilen (CKD) genutzten MehrwegBehälter. Die Projekte konzentrieren sich vorwiegend auf passive UHFTechnologien, die bei verhältnismäßig geringen Kosten hohe Reichweiten bieten
und außerdem durch zunehmende Standardisierung den Einsatz in unternehmensübergreifenden Anwendungen ermöglichen. Mit Hilfe der RFID-Kennzeichnung sollen Schwund vermieden, Logistikkosten besser zugeordnet, Umlaufgeschwindigkeiten der Behälter erhöht und gleichzeitig die Bestände an Behältern
gesenkt werden /LOG 2006/.
Aufgrund der Potenziale steht die UHF-Technologie derzeit auch im Fokus des
Handels. So erprobt die Metro AG den Einsatz den RFID-Technologie im Bereich
Logistik und Lagermanagement /FUT 2004/. Die Kennzeichnung der Ladeeinheiten erfolgt durch Aufkleben der RFID-Tags auf die umhüllende Stretchfolie. Aufgrund der technischen Problematik der Dämpfung (Wasser) und der Reflexion
(Metall) sowie der fehlenden Richtcharakteristik der Antennen erfolgt zusätzlich
eine Kennzeichnung der Ladungsträger mit UHF-Transpondern.
4.2.4.2
Zusammenfassende Bewertung
Bei abschließender Betrachtung der beschriebenen Beispiele lässt sich feststellen,
dass es bereits viele interessante Lösungen aus ähnlichen Bereichen gibt. Die
Eigenschaften der beschriebenen Systeme sind in der nachfolgenden Tabelle
nochmals übersichtlich zusammen gefasst.
209
Tabelle 4-9:
Einsatzbereiche unterschiedlicher Identifikationstechniken
Kegs
Gasflaschen
Entsorgungsbehälter
Wertstoffballen
Stahlfässer
IBC
Ladungsträger
ID-Technologie
RFID
RFID
RFID
RFID/
Barcode
Barcode/
RFID
RFID
RFID/
Barcode
Datenträger
Transponder
Transponder
Transponder
Transponder,
Etikett
Klebeetikett,
Transp.
Transponder
Transponder
Programmierbarkeit
nein
ja
nein
nein
Nein/
einmalig
nein
ja (RFID)
Energieversorgung
passiv
passiv
passiv
passiv
Passiv
(RFID)
aktiv
passiv
Frequenz
125 kHz
125 kHz
134,2
125 kHz
2,45 GHz
868/915
MHz
Art der Erfassung
manuell
und automatisiert
Manuell
(HLG)
manuell
manuell
und automatisiert
automatisch
manuell
und automatisiert
Befestigung
permanent
permanent
permanent
temporär
permanent
permanent
permanent
Applikationsuntergrund
Metall
Metall
Metall,
Kunststoff
Kunststoff
Metall
Metall,
Kunststoff
Kunststoff
Bauform,
Codeart
Coin
Coin,
Glaskapsel
Coin
Coin mit
Kunststoff
2D-Code,
RFID
Block
Label,
linearer
Code
125 bzw.
134,2
kHz
manuell
und automatisiert
Wie zu erkennen ist, erfüllt keine der bisherigen Lösungen und Konzepte die im
konkreten Fall - aufgrund der vorhandenen Rahmenbedingungen und Erfordernisse der Rekonditionierung - an das Identifikationssystem zu stellenden Anforderungen in vollem Umfang. Insbesondere der Aspekt der temporären innerbetrieblichen Kennzeichnung kann mit Hilfe der vorhandenen Lösungen nicht abgedeckt
werden. Ansätze dafür liefert allenfalls das im Entsorgungsbereich verwendete
Kennzeichnungssystem für Wertstoffballen aus Mischkunststoffen, das in ähnlicher Weise auch für die temporäre Kennzeichnung von IBC interessant sein könnte. Für die temporäre Kennzeichnung von Spundfässern aus Stahl existieren bisher keine Ansätze, so dass hier noch Forschungsbedarf besteht. Die dauerhafte
Kennzeichnung, wie von der der Firma SULO entwickelt, ist als Lösung aus den
bereits genannten Gründen nicht geeignet, insbesondere wegen der fehlenden
Beständigkeit gegenüber den im Rekonfitionierungsprozess unvermeidlichen Belastungen.
Insgesamt liefern die betrachteten Fälle verschiedene Ansatzpunkte für die im
Projekt zu bearbeitenden Thematik, die bei der Erarbeitung geeigneter Lösungen
berücksichtigt werden können (vgl. Tabelle 4-10).
210
Tabelle 4-10:
Bewertung der Lösungen im Hinblick auf die Aufgabenstellung
Kegs
Gasflaschen
Entsorgungsbehälter
Wertstoffballen
Stahlfässer
(RFID)
IBC
Ladungsträger
Ansatz für temporäre Kennzeichnung von Stahl-Spundfässern
Art der Kennzeichnung
z
z
z
z
z
z
z
Bauform
Transponder
Frequenzbereich
(RFID)
Applikationsmethode
{
z
{
{
}
{
{
z
z
z
z
z
{
}
{
{
{
{
{
{
{
Ansatz für temporäre Kennzeichnung von Kombinations-IBC
Art der Kennzeichnung
z
z
z
z
}
{
z
Bauform
Transponder
Frequenzbereich
(RFID)
Applikationsmethode
z
z
z
}
}
}
{
z
z
z
z
z
{
}
{
{
{
z
{
{
}
Die Rahmenbedingungen bei der Rekonditionierung sind sehr extrem und kaum
mit den bisher in der Praxis vorzufindenden Einsatzfällen vergleichbar. Angesichts
der im Rekonditionierungsprozess vorherrschenden Bedingungen, wie Verschmutzung, mechanische Belastungen, hohe Temperaturen, Befeuchtung und
chemische Einflüsse, ist die RFID-Technologie gegenüber anderen Kennzeichnungslösungen (z. B. Barcodes) prinzipiell zu bevorzugen. Besonders interessant
erscheinen - wegen der vorliegenden Erfahrungen - Systeme im Frequenzbereich
<135 kHz, da diese bei metallischen Kennzeichnungsobjekten einige Vorteile bieten. Allerdings sollte auch die Barcodetechnologie nicht ohne genauere Untersuchungen ausgeschlossen werden, da sie insbesondere vor dem Hintergrund der
Kosten deutliche Vorteile aufweist und ein Nachweis der Eignung von RFIDSystemen in der Rekonditionierung noch aussteht. Darüber hinaus ist zu beachten, dass der Einsatz von Barcodes gegebenenfalls eine Einweglösung ermöglichen würde. Dadurch sind erhebliche Aufwandsreduzierungen zu erreichen, da
eine Entfernung und Rückführung des Kennzeichnungselements nicht erforderlich
wäre. All diese Aspekte machen eingehende Untersuchungen erforderlich.
211
4.3
Erstellung eines Anforderungskatalogs
Die Entwicklung geeigneter Lösungen für die innerbetriebliche Kennzeichnung der
zu rekonditionierenden Verpackungen erfordert eine genaue Definition der an die
Systeme zu stellenden Anforderungen. In diesem Zusammenhang muss grundsätzlich zwischen Anforderungen an das Identifikationsmedium (Art, Befestigungsmethode etc.), Anforderungen an die Lesegeräte und Systemperipherie sowie prozessbezogenen Anforderungen unterschieden werden.
4.3.1
Anforderungen an das Identifikationsmedium
Unter die Anforderungen an das Identifikationsmedium fallen alle mechanischen,
chemischen, thermischen und sonstigen physikalischen Belastungen, die ein potenzieller Identifikationsträger ohne Verlust der Funktionsfähigkeit überstehen
muss. Diese Anforderungen ergeben sich im Wesentlichen aus den prozessbezogenen Rahmenbedingungen, die nachfolgend genauer beschrieben werden. Im
Verlauf des Rekonditionierungsprozesses unterliegen die Verpackungen extremen
mechanischen, chemischen und thermischen Belastungen. Die mechanischen
Belastungen sind insbesondere im Bereich der Stahlfässer von besonderer Bedeutung. So erfolgt die Zargenrichtung von Spundfässern aus Stahl mit einer mechanischen Vorrichtung (Spreizteller), der auf dem Oberboden aufgesetzt wird und
durch Spreizung zur Korrektur der Zargen und kleinerer Beschädigungen führt.
Anschließend erfolgt die Ausbeulung der Verpackungen mit Pressluft, die mit einem Druck von 3,8 bar in das Fass eingeblasen wird /BPM 2003/. Das Fass wird
während des Ausbeulungsvorgangs an der Oberseite mit einer luftdichten Abdeckung versehen. Damit das Fass durch die eingebrachte Druckluft nicht deformiert
wird, wird dieses während der Ausbeulung gedreht und durch Walkrollen in Form
gehalten. Dadurch ergeben sich zum Teil erhebliche mechanische Belastungen im
Bereich des Fassmantels. Bei der Entfernung des Deckels nach der Ausbeulung
tritt darüber hinaus ein Unterdruck im Bereich des Fass-Oberbodens auf.
Die nachfolgende Innenreinigung der Verpackungen zur Entfernung von Resten
ehemaliger Füllgüter erfolgt bei IBC und Spundfässern gleichermaßen mit verschiedenen Reinigungschemikalien, die mit Temperaturen zwischen 20°C bis
70°C in die Verpackungen eingebracht werden. In den meisten Fällen handelt es
sich um alkalische Medien. Darüber hinaus können während der Restentleerung
noch vorhandene Produktreste (Mineralöl, organische Säuren etc.) auslaufen und
somit auf den potenziellen Identifikationsträger einwirken. Daher muss die Kennzeichnungslösung beständig sein gegenüber allen verwendeten Reinigungschemikalien und möglichen Restinhalten. Zusätzlich kann es durch die Restinhalte (z.
B. Mineralöle) auch zu einer Beschmutzung der Kennzeichnungselemente kommen, was bei der Auswahl der Kennzeichnungstechnologien entsprechend zu berücksichtigen ist.
212
Nach der Innenreinigung erfolgt eine Trocknung der Verpackungen mittels Heißluft
aus der Nachverbrennung, die mit Temperaturen von bis zu 270°C mit einer Taktzeit von ca. 20 Sekunden eingeblasen wird. Diese hohen Temperaturen stellen
erhebliche Anforderungen an die Gestaltung des Kennzeichnungselements. Unter
der Voraussetzung, dass eine Anbringung der Kennzeichnung an der Außenseite
der Verpackung erfolgt, ist eine genaue Analyse der maßgeblichen Bemessungstemperaturen erforderlich.
Zusätzlich zu diesen Aspekten ist zu berücksichtigen, dass die Anbringung einer
Dauerkennzeichnung an den Verpackungen (Stahlfässer, IBC`s) aufgrund offener
Lieferanten- und Kundenstrukturen nicht sinnvoll bzw. nicht möglich ist, so dass
eine betriebsinterne, temporäre Kennzeichnung notwendig wird. Dies impliziert
eine Lösung, die prozessbedingt schnell und einfach anzubringen (z. B. bei der
Entladung) und auch wieder zu entfernen ist. In diesem Zusammenhang kommt
der Realisierung einer geeigneten Anbringungsmethode (Art der Anbringung, Ort
der Anbringung) eine besondere Bedeutung zu. Ideal ist in diesem Zusammenhang die Verwendung einer Einweglösung, bei der die Kennzeichnungselemente
ggf. an der Verpackung verbleiben und z. B. im Rahmen der Strahlung oder Etikettenentfernung beseitigt werden. Dies ist allerdings nur für Barcodes denkbar und
mit Transpondern aus Kostengründen kaum zu realisieren. Daher muss gegebenenfalls eine Mehrweglösung realisiert werden.
Der Datenträger selbst muss eine eindeutige Identifikation der Verpackung ermöglichen. Eine Lesbarkeit in metallischen Umgebungen muss ebenso gewährleistet
werden wie bei der Verschmutzung und Befeuchtung durch Chemikalien. Darüber
hinaus muss das Kennzeichnungselement aus Handling-Gründen relativ leicht und
von den Abmessungen klein gestaltet werden. Die Anbringung und Entfernung mit
Handschuhen muss mit Handschuhen durchgeführt werden können.
Im Hinblick auf die Speicherfähigkeit des verwendeten Datenträgers bestehen keine besonderen Anforderungen. Entscheidend ist die eindeutige Identifikationsnummer, so dass eine Read-Only-Lösung für den innerbetrieblichen Einsatz der
Kennzeichnungselemente ausreichend ist (zentrales Datenhaltungskonzept). In
der Regel ist eine eindeutige Kennzeichnung mit Hilfe der auf dem Datenträger
hinterlegten ID (z. B. 10-stellige Hexadezimalzahl) möglich.
4.3.2
Anforderungen an Lesegeräte und Systemperipherie
Neben den Anforderungen an den Identifikationsträger bestehen auch spezifische
Anforderungen an Lesegeräte und Systemperipherie. Diese beschreiben alle notwendigen Vorraussetzungen hinsichtlich der Beständigkeit und der Leistungseigenschaften der Lesegeräte sowie deren systemtechnische Anbindung. Wie die
Datenträger werden auch die Lese- und Peripheriegeräte durch die raue und in-
213
dustrielle Umgebung besonderen Belastungen ausgesetzt. Sie müssen daher entsprechend robust ausgeführt sein und mindestens die Schutzklasse IP 65 aufweisen. Die Geräte müssen Befeuchtung durch Spritzwasser oder Chemikalien eben
so schadlos überstehen wie - bei Nutzung mobile Geräte - einen Fall aus einer
Höhe von 1,2 Metern. Die Betriebstemperatur sollte zwischen -20°C und 50°C liegen. Über diese Forderungen hinaus müssen die Lese- bzw. Schreib-/Lesegeräte
robust konzipiert sein und kleinere Stöße oder Schläge unbeschadet überstehen.
Die Funktionsfähigkeit muss auch bei elektromagnetischen Einflüssen durch umgebende Anlagen gewährleistet sein.
An den Erfassungspunkten ist notwendige Hardware (Reader bzw. Scanner) vorzuhalten, die über ein kratzfestes Display ausreichender Größe und eine Tastatur
mit Funktions- und Bedientasten verfügen. Alternativ ist eine Workstation mit Monitor und Tastatur vorzusehen.
Bei Einsatz mobiler Geräte ist eine Betriebsdauer von mindestens einer Tagesschicht zu gewährleisten (im Falle der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co.
beträgt diese beispielsweise 10 Stunden). Zusätzlich ist, sofern das Gerät keinen
direkten Netzbetrieb ermöglicht, ein Ersatzakku vorzusehen. Aus Handhabungsgründen sollte das Gewicht von Handgeräten den Wert von 700 Gramm nicht
überschreiten. Die Geräte müssen über eine geeignete Schnittstelle zur Anbindung an ein übergeordnetes System verfügen (z. B. seriell, Ethernet, WLAN).
Hinsichtlich der Bedienbarkeit der Lesegeräte bzw. der angebundenen Peripheriegeräte ist Benutzerfreundlichkeit zu realisieren. Das bedeutet, dass alle Vorgänge,
die zur Erfassung des Datenträgers und zur Ausführung der Prozesse erforderlich
sind, für den Mitarbeiter verständlich und leicht auszuführen sein sollten. Die Bedienbarkeit muss auch mit Arbeitshandschuhen möglich sein.
Eine Pulkerfassung ist nicht erforderlich, da jede Verpackung einzeln identifiziert
wird. Die notwendige Leseentfernung beträgt im Falle der Spundfässer etwa 20
cm. Gleiche Forderungen können auch für den Bereich der Kombinations-IBC gestellt werden.
4.3.3
Prozessbezogene Anforderungen
Im Hinblick auf die prozessbezogenen Anforderungen sind insbesondere der
Kennzeichnungsumfang, die Art der Identifikation sowie der Zeitpunkt und die Art
der Anbringung der Transponder an den Verpackungen von Bedeutung. Der notwendige Kennzeichnungsumfang erstreckt sich im Wesentlichen von der Entladung, bei der die Zuordnung der Verpackungen zu einer Charge erfolgt, bis zur
Qualitätsbewertung nach erfolgter Reinigung. Zu diesem Zeitpunkt wird den Verpackungen eine spezifische Qualitätsinformation (Sorte) zugeordnet, die für die
spätere Auswertung erforderlich ist. Im Anschluss kann die Kennzeichnung aller-
214
dings noch für weitere Steuerungsprozesse verwendet werden, z. B. bei der Ausschleusung von Kettenfässern oder bei der Sortierung der Verpackungen nach
Qualitätsmerkmalen. Eine Entfernung der Kennzeichnungselemente ist bei Spundfässern jedoch spätestens vor der Lackierung und bei Kombinations-IBC spätestens vor der Verladung erforderlich. Sofern im Fassbereich Mehrweglösungen eingesetzt werden, müssen die Kennzeichnungselemente spätestens vor der Strahlung abgenommen werden, um eine Beschädigung zu vermeiden.
Grundsätzlich müssen die Prozesse der Anbringung und Entfernung des Kennzeichnungselements so gestaltet sein, dass die im Rahmen der Rekonditionierung
auszuführenden Tätigkeiten möglichst nicht behindert werden. Gleiches gilt für die
notwendigen Lesevorgänge und Dateneingaben. Vor dem Hintergrund eines möglichst geringen Aufwands sollten die Leseprozesse automatisiert erfolgen. Manuelle Lesevorgänge sollten so weit wie möglich vermieden werden.
4.3.4
Zusammenfassung
In der nachfolgenden Tabelle sind die beschriebenen Anforderungen noch einmal
zusammenfassend dargestellt.
Tabelle 4-11:
Anforderungen an die zu realisierenden Kennzeichnungssysteme
Anforderungen
Identifikationsmedium
Lesegeräte und
Systemperipherie
•
•
•
•
Eindeutige Kennzeichnung der Verpackungen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Resistenz gegenüber elektromagnetischen Einflüssen
•
Unempfindlichkeit des Displays, Monitors gegenüber Verkratzung
Beständigkeit gegenüber Vibration, Stoß und Reibung
Beständigkeit gegenüber TUL-Belastungen
Funktionsfähigkeit bei Anbringung auf Metall bzw. in metallischer
Umgebung
Kurzzeitige Beständigkeit gegen hohe Temperaturen (270°C)
Lagertemperatur von -30°C bis +70°C
Resistenz gegenüber Reinigungschemikalien
Resistenz gegenüber Restinhalten (Mineralöl, etc.)
Unempfindlichkeit gegenüber Befeuchtung
Sichere Lesbarkeit auch bei Einwirkung von Staub und Schmutz
Schnelle und einfache Entfernung und Anbringung des ID-Trägers
Anbringung auf verschmutzten und öligen Untergründen
Anbringung mit Handschuhen
Gute Handlingeigenschaften (Gewicht, Größe)
Benutzerfreundlichkeit bei der Bedienung
Display bzw. Monitor an den Identifikationspunkten
Ausreichende Größe des Displays/Monitors zur Darstellung aller
benötigten Informationen
215
Anforderungen
Prozesse
4.4
4.4.1
•
•
•
•
•
•
Bedienbarkeit mit Handschuhen
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Direkter Netzbetrieb des Readers oder Wechselakku
•
•
•
Möglichst Automatisierung der Erfassungsvorgänge
Resistenz gegenüber mechanischer Belastung (Stoß, Schlag)
Betriebsbereitschaft zwischen -20°C und +50°C
Lagertemperatur zwischen -30°C und +70°C
Resistenz gegenüber Schmutz, Feuchtigkeit, Öl (Schutzklasse IP 65)
Betriebsdauer des Readers bzw. Scanners mindestens 10 Stunden
(Schichtdauer)
Möglichst Windows-basierte Geräte
Im Falle von Handlesegeräten max. Gewicht von 700 g
Funktionssicherheit auch bei einem Fall aus einer Höhe von 1,2 m
Lesereichweite mit statischen Geräten von mindestens 20 cm
Eingabemöglichkeiten (Tastatur) an der Entladung / Qualitätsbewertung
Hardware (Reader, ggf. Workstation) an Entladung / Qualitätsbewertung
Schnittstellen zum zentralen System (WLAN; Ethernet, seriell)
Anbringung des ID-Trägers an der Entladung
Zuordnung der Verpackungs-ID zu einer Charge (Wechselbrücke) an
der Entladung
Zuordnung von Qualitätsinformationen an der Qualitätsbewertung
Entfernung des ID-Trägers vor der Lackierung
Entwicklung eines Systemkonzeptes
Eingrenzung und Bewertung technischer Alternativen
Zur Entwicklung geeigneter Kennzeichnungslösungen ist zunächst eine weitere
Eingrenzung der in Frage kommenden Technologien (RFID oder Barcode) mit Hilfe von Labor- und Praxistests erforderlich. Wie im vorherigen Kapitel beschrieben,
kann für die Kennzeichnung der Verpackungen im Rahmen der Rekonditionierung
aufgrund der Prozessbedingungen (z. B. hohe Drucke und Temperaturen, Chemikalieneinfluss und Feuchtigkeit) nur ein Identifikationsmedium verwendet werden,
das die mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen während des
Rekonditionierprozesses ohne Verlust oder Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit übersteht. Die RFID- bzw. Transpondertechnologie bietet dabei prinzipiell Vorteile gegenüber optischen Kennzeichnungstechnologien, hat allerdings angesichts
der metallischen Kennzeichnungsobjekte (Spundfässer aus Stahl) auch gewisse
Nachteile. Daher wurden konkrete Untersuchungen zur generellen Eignung von
Barcodes und Transpondern durchgeführt.
In Abhängigkeit von der Art der Kennzeichnung und der Applikationsmethode ist
bei der Realisierung des Kennzeichnungselements prinzipiell zwischen einer Ein-
216
weg- und einer Mehrweglösung zu unterscheiden. Eine Einweglösung ist nur bei
sehr kostengünstigen Identifikationsmedien wirtschaftlich, beispielsweise bei der
Verwendung auflackierter Codes oder einfach gestalteter, aufklebbarer BarcodeEtiketten. Diese könnten dann im Rahmen der durchzuführenden Rekonditionierungsprozesse ohne zusätzlichen Aufwand wieder von den Verpackungen entfernt
werden, z. B. bei der Etikettenentfernung oder Strahlung der Fässer vor der Lackierung. Allerdings erfordert dies eine Überprüfung der generellen Machbarkeit,
da die Applikationsfähigkeit und Haltbarkeit von Klebeetiketten aufgrund des Anlieferungszustands der Verpackungen (z. B. Verschmutzung, ölhaltige Rückstände)
und der Prozessbedingungen fragwürdig scheint. Das Auflackieren als Applikationsmethode scheidet aus, da aufgrund der Verschmutzung und Befeuchtung der
Fass-Oberflächen eine Lackierung erheblichen Zusatzaufwand für die Reinigung
und Trocknung der Oberflächen verursachen würde. Darüber hinaus ist es aufgrund der unterschiedlichen farblichen Lackierung der Verpackungen nicht möglich, in allen Fällen einen ausreichenden Kontrast herzustellen und so eine sichere
Lesbarkeit zu gewährleisten.
Bei Verwendung anderer Technologien bzw. Applikationsmethoden (z. B. RFIDLösungen, Sonderetiketten mit Magnetfolien) ist aufgrund der mit dem Identifikationsträger verbundenen Kosten eine Mehrweglösung erforderlich, die zusätzliche
Aufwendungen für die Entfernung, Rückführung und ggf. Reinigung der Kennzeichnungselemente verursacht.
Im Zusammenhang mit der Applikation von Auto-ID-Systemen an Spundfässern
kommt der Auswahl des Applikationsortes eine große Bedeutung zu. Für die Anbringung der Kennzeichnung ist grundsätzlich nur der Oberboden des Spundfasses geeignet, da am Fassmantel prozessbedingt hohe mechanische Belastungen
vorhanden sind. Eine Anbringung am Unterboden ist aus Gründen der Handhabung ungeeignet.
Unter Berücksichtigung der genannten Aspekte kommen für die Kennzeichnung
von Spundfässern aus Stahl grundsätzlich folgende Konzepte in Frage:
•
Aufkleben eines Barcode-Etiketts (Oberboden),
•
Anbringung eines magnetischen Barcodes (Oberboden),
•
Anbringung eines Transponders mit Magneten (Oberboden) und
•
Anbringung eines Transponders mit einer speziell konstruierten, kraftschlüssigen Verbindung (Oberboden, ggf. Zarge oder Spundöffnung).
Die Vorteile aufklebbarer Barcode-Etiketten liegen vor allem in der Nutzung eines
standardisierten Prinzips und der Realisierung einer Einweglösung, was deutliche
geringere Aufwendungen im Vergleich zu Mehrweglösungen ermöglichen würde.
Dabei sind allerdings lediglich Etiketten mit Folien als Obermaterial genauer zu
betrachten (aufgrund der Befeuchtung und Chemikalieneinflüsse). Die prinzipielle
217
Eignung von Klebeetiketten wurde daher in Labor- und Praxisversuchen überprüft
(vgl. Abbildung 4-16).
Abbildung 4-16:
Barcodeetiketten auf dem Fass-Oberboden
Im Rahmen der Untersuchungen konnte - wie bereits vermutet - bestätigt werden,
dass aufklebbare Etiketten für die Kennzeichnung von Spundfässern in Rekonditionierbetrieben ungeeignet sind. Die Gründe dafür liegen neben der mangelnden
Haltbarkeit auf verschmutzten oder öligen Untergründen vor allem in den kurzen
Taktzeiten an der Entladung. Die Klebstoffe können in der kurzen Zeit zwischen
Entladung und Eingang in die Zargenrichtungsanlagen nicht abbinden und daher
keine ausreichende Festigkeit gewährleisten. Eine Anbringung flexibler Klebeetiketten mit Handschuhen gestaltet sich sehr schwierig. Zudem zeigte sich, dass die
hohen Temperaturen in der Trocknung mit Heißluft dem Einsatz handelsüblicher
technischer Klebstoffe entgegenstehen und die meisten Obermaterialien diesen
Bedingungen nicht standhalten.
Eine andere Applikationsmöglichkeit besteht in der Verwendung von magnetischen Materialien zur Befestigung des Barcodes am Fass-Oberboden. Aufgrund
der Flexibilität sind dabei magnetische Folien, die mit Barcodes versehen sind
(aufgedruckt oder mit Laser eingebrannt), besser geeignet als starre Magnete.
Zur Durchführung von Eignungsuntersuchungen wurden Magnetfolien der Firma
Haas & Co. Magnettechnik GmbH mit Dicken von 0,85 mm bzw. 0,90 mm, 1,65
mm und 2,15 mm in verschiedenen Zuschnitten verwendet. Dazu wurden diese
vor der Zuführung zur Reinigungsanlage am Oberboden des Fasses angebracht.
Die Haftkraft ist dabei - neben der Stärke der Folien - vor allem abhängig von den
Abmessungen der verwendeten Zuschnitte. Besonders in der Ausbeulung mit
Druckluft werden die Magnetfolien extremen Belastungen ausgesetzt, da durch die
Absaugung der Luft bei Entfernung des Deckels ein Unterdruck entsteht. Dieser
führt bei unzureichender Haftkraft zur Ablösung und damit zum Verlust der Folien.
Daher zeigte sich, das zur Realisierung ausreichender magnetischer Kräfte je
218
nach Folie eine Größe erforderlich ist, die das Handling sehr schwierig macht (Folien besitzen ein hohes spezifisches Gewicht). Die Folien mit Stärken von 0,85
bzw. 0,90 mm erfüllten die gestellten Anforderungen nicht.
Die Magnetfolien, die die mechanische Bearbeitung und die Reinigungsprozesse
überstanden haben, wurden am Ausgang der Reinigung wieder entfernt und genauer untersucht. Dabei zeigte sich, dass die Oberflächen nach Durchlauf der
Magnetfoline deutliche Verschmutzungen aufweisen (vgl. Abbildung 4-17), welche
die sichere Lesbarkeit eines Barcodes oder anderer optischer Kennzeichnungen
verhindern. Im Rahmen von Leseversuchen konnte dies bestätigt werden.
Abbildung 4-17:
Magnetfolien nach der Nassreinigung
Auch bei Verwendung zweidimensionaler Codes, die mit entsprechenden Fehlerkorrekturverfahren arbeiten, konnte keine sichere Erfassung der Informationsinhalte realisiert werden. Darüber hinaus werden für die Erfassung von 2D-Codes
hochwertige Erfassungsgeräte, z. B. CCD-Kameras oder Flächenscanner benötigt, die kostenintensiv sind und in den meisten Fällen auch nicht für den Einsatz in
industrieller Umgebung geeignet sind. Die Verwendung von Kennzeichnungen auf
Basis der Barcode-Technologie konnte somit grundsätzlich ausgeschlossen werden.
Daher konzentrierten sich die weiteren Untersuchungen auf die Verwendung von
Transpondern als Identifikationsträger. Die Vorteile liegen neben der generellen
Unempfindlichkeit gegenüber den Prozessbedingungen vor allem darin, dass eine
Ausrichtung des Fasses zum Zwecke der Identifikation nicht erforderlich ist. Dies
ermöglicht bei Realisierung entsprechender Lesereichweiten eine automatisierte
Erfassung der ID-Nummern.
In Zusammenhang mit der Applikation eines Transponders am Oberboden des
Fasses kommen grundsätzlich die Anbringung mittels Magneten sowie die Ver-
219
wendung speziell konstruierter, kraftschlüssiger Lösungen in Frage, die beispielsweise an der Zarge oder an einem der beiden Spunde angebracht werden. Für die
Verwendung von Magneten zur Befestigung der Transponder sprechen im Wesentlichen die einfache Anbringung und Entfernung des Transponders. Allerdings
konnte im Rahmen von Versuchen festgestellt werden, dass zur Realisierung einer ausreichenden Haftkraft die Verwendung entsprechend großer und schwerer
Magnete erforderlich ist, deren Handling im Rahmen der Rückführungsprozesse
mit großem Aufwand verbunden ist.
Abbildung 4-18:
Anbringung von Transponder mit Magneten
Zusätzlich beeinflusst der Magnet die Leistungseigenschaften des RFID-Systems,
wie im Rahmen von Voruntersuchungen im Testlabor des Fachgebiets Logistik
festgestellt wurde. Daher wurde die Verwendung von Magneten zur Applikation
des Transponders für die weiteren Untersuchungen ausgeschlossen.
Schließlich kam für die Realisierung der Kennzeichnung von Stahl-Spundfässer im
Rahmen des Rekonditionierungsprozesses nur eine spezielle Lösung in Frage, bei
der das Kennzeichnungselement kraftschlüssig am Fass befestigt wird. Mögliche
Applikationsorte sind dabei die Zarge des Fasses sowie die im Fassoberboden
vorhandenen Spunde. An den Zargen sind allerdings im Rahmen der Zargenrichtung und Ausbeulung der Verpackungen extreme mechanische Belastungen zu
erwarten, so dass eine Anbringung des Kennzeichnungselements an einem der
beiden Spunde besser geeignet ist. In den meisten Fällen verfügen die Spundfässer über zwei Spunde mit unterschiedlichen Abmessungen (2“ und ¾“), die in den
Oberboden integriert sind und der Befüllung bzw. Entleerung sowie der Entlüftung
dienen. Da die Befüllung und Entleerung über die größere Spundöffnung erfolgt,
ist eine Befestigung an dem kleineren Spund zu bevorzugen. Die Belastungen
durch auslaufende Restinhalte und Chemikalien sind dort geringer.
Wichtig für die Umsetzung des beschriebenen Konzeptes war es, ein Kennzeichnungselement zu entwickeln, das gute Handling-Eigenschaften aufweist, schnell
220
und einfach anzubringen und wieder zu entfernen ist und darüber hinaus eine
Möglichkeit zur Integration eines Transponders bietet. Die Entwicklung einer entsprechenden Applikationslösung für Stahl-Spundfässer ist in Kapitel 4.4.2.1 ausführlich beschrieben.
Zusätzlich zu der Lösung für Spundfässer musste auch eine Lösung für die zu reinigenden Kombinations-IBC entwickelt werden. In diesem Zusammenhang bieten
sich prinzipiell - ebenso wie bei den Fässern - die Barcode- und RFID-Technologie
an, wobei auch hier die RFID-Technologie Vorteile gegenüber Barcodes bietet.
Allerdings sind bei den Kombinations-IBC die mechanischen Belastungen im Reinigungsprozess deutlich geringer als bei Stahlfässern, da keine Ausbeulung erforderlich ist. Daher waren im Falle der IBC weitere Untersuchungen zur Eingrenzung der in Frage kommenden technischen Alternativen erforderlich.
Bei der Analyse des Aufbaus eines Kombinations-IBC stellt sich grundsätzlich die
Frage nach dem geeigneten Applikationsort für die Kennzeichnung. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass sich der prozessbezogene Kennzeichnungsumfang
von der Entladung bis zur Qualitätsbewertung bzw. Zerlegung erstreckt, kommen
als Applikationsorte lediglich der Gitterkorb oder die Palette in Frage. Die Kunststoffblase (Innenbehälter) ist aus verschiedenen Gründen ungeeignet. Zum einen
ist sie aufgrund des umgebunden Gitterkorbs schwer zugänglich, zum anderen
führt das Metall des umgebenden Gitterkorbs ggf. zu einer Leistungsreduzierung
der eingesetzten Systeme (insbesondere bei Verwendung von RFID-Systemen).
Darüber hinaus werden die Kunststoffblasen beim Rebotteling teilweise ausgetauscht, wodurch der IBC dann nicht mehr eindeutig identifizierbar wäre.
Angesichts dieser Einschränkung stellen sich die grundsätzlich in Frage kommenden Alternativen folgendermaßen dar:
•
Aufkleben eines Barcode-Etiketts (Gitterkorb oder Palette),
•
Anbringung eines magnetischen Barcodes (Gitterkorb),
•
Anbringung eines Transponders mit Magneten (Gitterkorb) sowie
•
Anbringung eines Transponders mit einer speziellen Vorrichtung wie beispielsweise Palettenschuh o. ä. (Gitterkorb, Palette).
Für die Nutzung aufklebbarer Barcode-Etiketten sprechen vor allem die geringen
Kosten des Identifikationsmediums. Allerdings verursacht die Anbringung der Klebeetiketten erheblichen Aufwand, was durch die Handschuhe der Werker weiter
erschwert wird. Auch bezüglich der Aufbringung auf verschmutzten und feuchten
Oberflächen, der Chemikalieneinflüsse und Temperaturen bei der Reinigung und
anschließenden Trocknung etc. gelten die gleichen Aussagen wie bei Spundfässern. Da zudem eine Entfernung der Etiketten nach der Reinigung zwingend erforderlich ist und diese ebenfalls erheblichen Aufwand verursacht, ist die Verwen-
221
dung von Klebeetiketten für die Kennzeichnung vom Kombinations-IBC in Rekonditionierbetrieben ungeeignet.
Auch die Anbringung eines magnetischen Barcodes unter Verwendung starrer
Magnete oder Magnetfolien ist im betrachteten Fall nicht geeignet. Zum einen ist
das Handling der Magnete bzw. Magnetfolien sehr aufwendig und behindert die im
Rahmen der Rekonditionierung durchzuführenden Prozesse. Zum anderen ist aufgrund der Verschmutzung, Chemikalienwirkung etc. eine sichere Lesbarkeit nach
der Reinigung nicht gewährleistet, so dass auch dieses Prinzip nicht weiterverfolgt
wurde. Auch hier beschränkten sich die weiteren Untersuchungen daher auf den
Bereich der RFID-Technologie.
Im Hinblick auf die Bewertung der beiden oben genannten Lösungsansätze sind
die Prozessabläufe und -bedingungen bei der IBC-Reinigung von Bedeutung. Im
Gegensatz zu Fässern und Kleingebinden werden IBC nach der Entladung zunächst meistens zu Zwecken der Zwischenlagerung in größeren Blöcken übereinander gestapelt (vgl. Abbildung 4-19).
Abbildung 4-19:
IBC-Zwischenlager in einem Rekonditionierbetrieb /NN 2003/
Daher ist es notwendig, ein Kennzeichnungselement zu konzipieren, das aufgrund
der Anbringungsmethode den Lager-, Umschlag- und Transportbelastungen
standhält. Die Verwendung starrer Magnete zur Anbringung eines Transponders
ist in diesem Zusammenhang eher kritisch zu sehen, da ein Verlust des Informationsträgers nicht ausgeschlossen werden kann. Darüber hinaus beeinflusst der
Magnet - wie bereits bei den Fässern beschrieben - die Leseeigenschaften.
Letztlich bleibt also nur die Anbringung eines Transponders mit einem speziellen,
noch genauer zu spezifizierenden Konzept. In Anlehnung an die in Kapitel 4.2.4.1
beschriebene Lösung für die Kennzeichnung von Kunststoffballen aus Sortieranlagen ist insbesondere die Anbringung mittels Band und Karabiner ein viel versprechender Ansatz, der ausreichenden Schutz gegenüber Verlust bietet und eine
222
einfache und schnelle Anbringung und Entfernung am bzw. vom Kennzeichnungsobjekt gewährleistet.
Zusammen fassend stellen sich die beschriebenen Ansätze für die Kennzeichnung
von Kombinations-IBC wie folgt dar (vgl. Tabelle 4-12).
Tabelle 4-12:
Bewertung der Lösungsansätze zur Kennzeichnung von Kombinations-IBC
Aufkleben
Barcodeetikett
Anbringung
Barcode mit
Magnet
Anbringung
Transponder
mit Magnet
Anbringung
Transponder
mit Band /
Karabiner
Applikationsmethode
{
}
}
z
Resistenz gegenüber Prozessbedingungen
{
z
z
}
Beständigkeit gegenüber
TUL-Belastungen
{
}
}
z
Sichere Lesbarkeit nach
Reinigung
{
{
z
z
Die Möglichkeit der Applikation mittels Band und Karabiner ist von der Wahl des
Systems (z. B. Frequenzbereich, Bauform Transponder) abhängig und erfordert
eine genaue Analyse und Beschreibung der Rahmenbedingungen und Prozesse.
In den nachfolgenden Kapiteln wird die Gestaltung der Kennzeichnungssysteme
genauer beschrieben.
4.4.2
4.4.2.1
Entwicklung einer Applikationslösung für Stahl-Spundfässer und
Kombinations-IBC
Entwicklung einer Halterung für den Transponder (Spundfass)
Die Realisierung der beschriebenen Applikationslösung für Stahl-Spundfässer erfordert die genaue Definition und Beschreibung der Kennzeichnungsobjekte. Wie
in Kapitel 4.4.1 erläutert, erfolgt die Anbringung des Transponders am ¾“-Spund
der Stahlfässer mit Hilfe einer kraftschlüssigen Verbindung.
Aufgrund der mit dem zu entwickelnden Kennzeichnungselement verbundenen
Kosten (Transponder, Trägermaterial, etc.) ist eine Mehrweglösung zu konzipieren, die eine einfache Anbringung und Entfernung ermöglicht. Da der Transponder
als Datenträger in die Applikationslösung integriert werden muss, sollte das Trägermaterial aus Kunststoff bestehen.
223
Ein wichtiger Aspekt bei der Realisierung der Kennzeichnung besteht in der Anforderung, dass die Spundöffnung während der Reinigung durch das Kennzeichnungselement nicht verschlossen werden darf und außerdem das Einschrauben
eines Spundverschlusses auch bei angebrachter Kennzeichnung möglich sein
muss (wegen eventueller Kettenreinigung). Daher muss das Kennzeichnungselement an der Außenseite des Spundes befestigt werden. Bei genauer Betrachtung
der Spund-Konstruktion bietet es sich an, ein Element zu entwickeln, dass den
überstehenden, konstruktionsbedingten Rand des Spundes nutzt (vgl. /DIN EN
210/).
Der entsprechend dieser Erkenntnisse entwickelte erste Prototyp eines Kennzeichnungselements für genormte Spundfässer aus Stahl ist in Abbildung 4-20
dargestellt.
h1
M5
Integration des Transponders
d1
d2
Abbildung 4-20:
Federdruckstücke
mit Gewindesicherung
Erster Prototyp für die Spundfass-Kennzeichnung
Die kraftschlüssige Anbringung des aus Kunststoff hergestellten Trägermaterials
erfolgt mit Hilfe von Federdruckstücken, die das Element unter dem Rand des
Spundes fixieren. Somit kann das in der Abbildung dargestellte Kennzeichnungselement an der Entladung durch Druck mit geringem Aufwand befestigt und auch
einfach wieder entfernt werden. In den Kunststoff kann ein Transponder integriert
werden, der eine Identifizierung und Zuordnung der Verpackung ermöglicht. Aufgrund der relativ geringen Größe des Identifikationsträgers muss für die Umsetzung auch eine entsprechend kleine Transponder-Bauform gewählt werden (z. B.
Coin oder Glasröhrchen).
Die entwickelte Applikationslösung wurde im Rahmen von Labor- und Praxisversuchen auf ihre Eignung untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, dass sie in
224
der vorliegenden Form für die innerbetriebliche Kennzeichnung der StahlSpundfässer nur bedingt geeignet ist. Die Gründe dafür stellen sich folgendermaßen dar:
•
Der äußere Rand des Spundes ist nicht genormt. Die Toleranzen und Unterschiede zwischen verschiedenen Verpackungsherstellern sind zum Teil sehr
groß, so dass die Elemente teilweise nicht angebracht werden konnten bzw.
nicht ausreichende Haftkräfte aufgebracht werden konnten.
•
Die Anlagentechnik in der Zargenrichtung und Ausbeulung führt bei einzelnen
Elementen zu einer Ablösung vom Fass mit Verlust des Kennzeichnungselements. Der Grund liegt in der zu großen Bauhöhe des Kennteichnungselementes.
•
Die mechanische Belastbarkeit ist zu gering. Insbesondere an den Bohrungen
für die Gewindedruckstücke kommt es bereits bei mäßiger Belastung zu einem
Materialversagen.
Aus den genannten Gründen musste eine neue bzw. modifizierte Kennzeichnungslösung entwickelt werden. Entscheidend für die Neugestaltung bzw. Modifikation sind dabei die Abweichungen bei den Spundabmessungen, die im Rahmen
einer Vermessung stichprobenartig ermittelt wurden. Dabei wurden nur die Maße
des ¾“-Spundes aufgenommen, da der größere Spund für die Kennzeichnung
uninteressant ist. Die Vermessung mit Hilfe eines Messschiebers und die erfassten Maße sind der nachfolgenden Abbildung zu entnehmen.
d2
h
d1
Abbildung 4-21:
Vermessung des Spundes (3/4“-Spund)
Der Umfang der Untersuchung umfasste 50 Fässer. Dabei wurden im Rahmen der
Tagesproduktion gezielt Fässer verschiedener Hersteller ausgewählt, um eine
Repräsentativität der Stichprobe zu erreichen.
225
Die Vermessung des Spundes nach dem oben dargestellten Prinzip ergab Abweichungen der Außenmaße von mehreren Millimetern, die bei der Modifikation der
Lösung entsprechend berücksichtigt werden mussten (vgl. Tabelle 4-13). Die Verwendung der Federdruckstücke musste daher angesichts der erforderlichen Flexibilität ausgeschlossen werden.
Tabelle 4-13:
Ergebnisse der Spundvermessung (Stichprobe)
Durchmesser d1
Durchmesser d2
Höhe h
Maximum [mm]
32,9
34,1
4,0
Minimum [mm]
30,5
33,0
2,5
Spannweite [mm]
2,4
1,1
1,5
Spannweite [%]
7,3
3,2
37,5
Insbesondere auch die Abweichungen beim Abstand zwischen äußerem Rand
und Fass-Oberboden (Höhe h) verhinderten den Einsatz der beschriebenen Lösung. Daher ist eine Applikation erforderlich, mit denen diese Abweichungen ausgeglichen werden können.
Die im Rahmen der beschriebenen Untersuchung gewonnenen Erkenntnisse
konnten schließlich zur Entwicklung einer neuen Ansatzes verwendet werden, der
aus einem gebogenen Federdrahtelement mit einer Führung aus Kunststoff besteht, in die ein Transponder integriert werden kann (vgl. Abbildung 4-22).
Drahtelement (2 mm)
Führungselement aus Kunststoff /
Halterung für den Transponder
Abbildung 4-22:
226
Neu entwickelter Prototyp
Durch die zwei Griffe kann der Federdraht mühelos zusammengedrückt werden,
und so dem Durchmesser des Spundes angepasst werden. Durch entsprechende
Gestaltung des Drahtes konnte die Öffnungsweite so gewählt werden, dass sämtliche Toleranten und Abweichungen ausgeglichen werden können.
Der mit den neuen Prototypen durchgeführte Praxistest in den Rekonditionieranlagen der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. erwies sich als sehr positiv.
Keiner der getesteten Prototypen ging in den Prozessen der Zargenrichtung, Ausbeulung oder Reinigung verloren, so dass dieser Ansatz weiter verfolgt werden
konnte.
Für die notwendige Konkretisierung der Lösung mussten vor allem geeignete
Transponder und Schreib-/Lesegeräte (SLG) ausgewählt werden. Darüber hinaus
waren umfangreiche Untersuchungen zur Auswahl geeigneter Werkstoffe notwendig. Dies erforderte unter anderem chemische, thermische und mechanische Untersuchungen zur Ermittlung geeigneter Kunststoffe als Trägermaterial für den
Transponder sowie eines geeigneten Stahls bzw. einer Stahllegierung (Drahtelement). Die Ergebnisse dieser Arbeiten werden in den folgenden Kapiteln ausführlich beschrieben (vgl. Kapitel 4.4.3 ff.).
Darüber hinaus stellte sich die Frage der Integration des Transponders in das
Kunststoffelement. Da für Thermoplaste überwiegend das Verfahren des Spritzgießens zur Herstellung von Formteilen verwendet wird, mussten die dabei auftretenden Massetemperaturen genauer analysiert werden. Diese liegen je nach Art
des verwendeten Materials zwischen 180 °C und mehr als 300 °C (vgl. Tabelle
4-14).
Tabelle 4-14:
Beispiele für Massetemperaturen beim Spritzgießen
Mittlere Massetemperatur [°C]
Polyethylen (PE-HD)
200 - 280
Polypropylen (PP)
250 - 280
Polycarbonat (PC)
280 - 320
Acrynitril-Butadien-Styrol (ABS)
220 - 260
Polystyrol (PS)
180 - 280
Polyamid (PA)
240 - 270
Bei diesen hohen Temperaturen ist ein Funktionsverlust der Transponder sehr
wahrscheinlich, wie in früheren Untersuchungen des Fachgebiets Logistik festge-
227
stellt werden konnte. Daher ist ein direktes Einbringen des Transponders in die
Vergussmasse nicht zu empfehlen. Entsprechend ist eine nachträgliche Integration in das Kunststoff-Formteil erforderlich, z. B. durch Einkleben in eine Vertiefung.
Zum Schutz gegen die chemischen, mechanischen und thermischen Belastungen
der Rekonditionierprozesse muss der Transponder nachträglich mit einer Vergussmasse umschlossen werden. Die Auswahl geeigneter Vergussmassen war
daher ebenfalls Bestandteil der Untersuchungen.
4.4.2.2
Entwicklung einer Kennzeichnungslösung für Kombinations-IBC
Wie für Spundfässer aus Stahl wurden auch Lösungen für die innerbetriebliche,
temporäre Kennzeichnung von Kombinations-IBC entwickelt. Wie bereits in Kapitel
4.4.1 beschrieben, stellt insbesondere die Anbringung eines in Kunststoff verpackten Transponder mit Band und Karabiner einen interessanten Ansatz dar, dessen
Übertragbarkeit auf die Rekonditionierbranche - speziell für die Kennzeichnung
von Kombinations-IBC - im Rahmen der Projektarbeiten genauer untersucht wurde. Bei diesen Untersuchungen waren insbesondere die verschiedenen Bauformen von Kombinations-IBC von Bedeutung. Die zu entwickelnde Kennzeichnungslösung muss sich für alle relevanten Bauarten von Kombinations-IBC eignen. Daher wurden die Eigenschaften der zur Rekonditionierung angelieferten
IBC-Bauarten am Beispiel der Blagden Packaging Mendig GmbH genauer analysiert. Allein bei dem genannten Unternehmen ist zwischen Produkten von mindestens 10 verschiedenen Herstellern zu unterscheiden (z.B. Schütz, Mauser), die
sich insbesondere durch das Verpackungsvolumen und die Gestaltung des metallischen Außenbehälters (Gitterkorb) unterscheiden. Dies wird durch die nachfolgende Abbildung verdeutlicht, in der zwei Beispiele für Bauformen von Kombinations-IBC mit einem Füllvolumen von 1,1 m3 dargestellt sind.
Abbildung 4-23:
228
Beispiele für Bauformen von Kombinations-IBC
/SSCHU 2006/ /BLA 2006/
Bei dem auf der linken Seite dargestellte Kombinations-IBC besteht der metallische Außenbehälter aus dünnen, relativ engmaschigen Stäben, während auf der
rechten Seite dargestellte IBC wesentlich dickere und grobmaschigere Metallstreben besitzt.
Unter der Voraussetzung, dass eine Anbringung der temporären Kennzeichnung
am Gitterkorb des IBC erfolgt, muss die Applikation entsprechend so gestaltet
sein, dass sie bei beiden Bauformen gleichermaßen gut zu befestigen und auch
später wieder zu entfernen ist. Dies wird maßgeblich durch die Befestigungsmethode und deren konkrete Ausprägung bestimmt.
Neben der Applikationsmethode besteht eine weitere Herausforderung in der Festlegung des Applikationsortes am IBC. Aufgrund des seitlich eng an dem Innenbehälter aus Kunststoff anliegenden Außenkorbes und unter Berücksichtigung arbeitswissenschaftlicher Aspekte (Arbeitshöhe der Werker) kann eine Anbringung
nur in der Nähe der oberen Kanten erfolgen. Die Lösung zur Kennzeichnung der
Kombinations-IBC stellt sich folgendermaßen dar (vgl. Abbildung 4-24)
Abbildung 4-24:
Prototyp zur Kennzeichnung von Kombinations-IBC
Der Transponder wird an einem starren oder flexiblem Band befestigt, das mittels
Karabiner an der Verpackung befestigt werden kann. Entsprechend der Stabdicke
der Gitterkörbe ist ein Karabiner mit ausreichender Öffnungsweite zu wählen. Zum
Schutz gegen die transport- und lagerbedingten Belastungen sowie die prozessbedingten Einflüsse der Rekonditionierung ist eine Integration des Transponders
in ein Kunststoffelement erforderlich. Die Auswahl des dafür verwendeten Werkstoffs erfordert ein umfassendes Untersuchungsprogramm.
229
4.4.3
Auswahl geeigneter RFID-Systemkomponenten
4.4.3.1
Bewertung der Leistungseigenschaften verschiedener RFID-Systeme
Grundsätzlich lassen sich für RFID-Anwendungen vier Frequenzbereiche unterscheiden. Wie beschrieben, kommen für die Kennzeichnung von metallischen Objekten aktuell überwiegend niederfrequente Systeme im Frequenzband zwischen
120 kHz und 135 kHz zum Einsatz. Auch in Zusammenhang mit den hier zu betrachtenden Anwendungsfällen der Kennzeichnung von Stahl-Spundfässern und
Kombinations-IBC bieten dieses Frequenzband deutliche Vorteile, wie anhand der
nachfolgenden Tabelle dargestellt werden soll.
Tabelle 4-15:
Bewertung verschiedener RFID-Systeme
Anforderungen der
Rekonditionierung
Frequenzbereich
< 135 kHz
13,56 MHz
868/915 MHz
2,45 GHz
Metallischer
Applikationsuntergrund
Hohe Luftfeuchtigkeit in den
Anlagen
++
--
o/+
++
+
+
--
-
Kleine Bauformen
+
o
o/+
-
Befeuchtung des Transponders
Robuste Bauformen / Technologie (Tags, Reader)
Praxiserfahrung durch Pilotprojekt, Zuverlässigkeit
++
+
--
-
+
o
-
+
+
o
-
+
Geringe Kosten (Tags)
o
+
+ (passiv)
- (aktiv)
-
Standardisierung
o
o/+
+ (passiv)
-
Lesereichweite > 0,2 m
o
+
++
++
Zukunftsfähigkeit
+
-
++ (passiv)
o
++ sehr gut geeignet, + gut geeignet, o bedingt geeignet, - eher nicht geeignet, -- umgeeignet
Niederfrequente Systeme zeichnen sich vor allem durch geringe Anfälligkeit gegenüber metallischen Umgebungen und Applikationsuntergründen, Unempfindlichkeit gegenüber Befeuchtung, Verfügbarkeit kleiner robuster Bauformen und
geringe Tagkosten aus. Hochfrequente Systeme (13,56 MHz) sind vor allem wegen der Leistungsreduzierung in metallischen Umgebungen sowie die geringe
Auswahl an industrietauglichen Tag-Bauformen ungeeignet.
Im Gegensatz zu den HF-Systemen ist die Metallanfälligkeit passiver UHFSysteme (868 MHz in Europa, 915 MHz in den USA) deutlich geringer. Auch die
zu realisierenden Lesereichweiten sind größer als bei HF-Systemen. Allerdings ist
230
das Durchdringungsvermögen von Flüssigkeiten aufgrund der physikalischen
Funktionsweise sehr gering. Aufgrund der in den Reinigungsanlagen zu erwartenden Befeuchtung der Transponder ist die Verwendbarkeit sehr einschränkt. Auch
mangelt es aktuell an entsprechend robusten und kleinen Transponderbauformen,
die eine Integration in die bereits dargestellten Kennzeichnungssysteme ermöglichen würden.
Aktive bzw. semiaktive Systeme sind aufgrund der durch die integrierte Batterie
großen Transponderbauformen und der hohen Transponderkosten ungeeignet.
Daher kommt auch der Frequenzbereich um 2,45 GHz für die weiteren Untersuchungen nicht in Frage.
Aufgrund dieser Vorüberlegungen konnten die Systemvarianten bereits deutlich
eingegrenzt werden. Um die genannten Aussagen zu belegen, wurden im Rahmen der Vorauswahl aber auch erste Versuche im Labor des Fachgebiets Logistik
durchgeführt. Dabei wurden beispielsweise verschiedene niederfrequente RFIDSysteme getestet. Exemplarisch wurden aber auch HF- und im UHF-Systeme auf
Ihre Eignung überprüft. Während UHF-Systeme aufgrund der Größe und Bauform
der verfügbaren Transponder / Label sowie die Empfindlichkeit gegenüber Befeuchtung für die Spundfass-Kennzeichnung ungeeignet sind, können diese Systeme im Rahmen der IBC-Kennzeichnung durchaus eine Alternative darstellen.
Zur Konzipierung einer Lösung für die Spundfass-Kennzeichung wurden zwecks
weiterer Einschränkung der technischen Alternativen und zur Untersuchung des
Metalleinflusses auf die Funktionsfähigkeit die Reichweiten verschiedener
Transpondersysteme direkt auf der Metalloberfläche eines Spundfasses und bei
Verwendung einer Kunststoffunterlage mit einer Dicke von ca. 1 cm ermittelt. Dazu
wurden entsprechende Systemkomponenten in den Frequenzbereichen 125 kHz
bzw. 134,2 kHz sowie 13,56 MHz getestet. Die Lesevorgänge wurden dabei mit
einem Handlesegerät sowie stationären Reader mit externer Antennen durchgeführt (vgl. Tabelle 4-16).
231
Darstellung der Versuchsobjekte
Tabelle 4-16:
Getestete Transponder
Coin
Glastag
Coin
Coin
125 kHz
125 kHz
134,2 kHz
13,56 MHz
Abmessungen
Durchmesser 16
mm, Höhe 1,5
mm
Durchmesser 3
mm, Höhe 35 mm
Durchmesser 30
mm, Höhe 0,9 mm
Durchmesser 16
mm, Höhe 1,5 mm
Programmierbarkeit
Read-Only
Read-Only
Read/Write
Read/Write
Frequenzbereich
Handheld-Reader (PSION) mit wechselbaren
Aufsätzen für 125/134,2 kHz und 13,56 MHz
Handlesegerät
Reader, Antenne
Stationärer Reader mit Antenne für
125 kHz (scemtec)
--
Stationärer Reader
mit Antenne 13,56
MHz (scemtec)
Im Rahmen der Untersuchungen wurde überprüft, ob eine Auslesung der
Transponder möglich ist und welche Lesereichweiten gegebenenfalls zu erzielen
sind. Auch hier stellte sich heraus, dass die Verwendung von Systemen mit einer
Arbeitsfrequenz von 13,56 MHz für den betrachteten Fall nur sehr begrenzt geeignet ist. Bei direkter Applikation auf die Metalloberfläche des Fasses ist eine Auslesung der ID-Nummer nicht möglich. Erst bei Verwendung der Kunststoffunterlage
konnte eine Erfassung des Transponders festgestellt werden, wobei die erzielbaren Lesereichweiten in den meisten Fällen geringer waren als bei Verwendung
niederfrequenter Systeme (vgl. Abbildung 4-25).
300
Reichweite [mm]
250
200
Glastag 125 KHz
Cointag 125 KHz
150
Cointag 13,56 MHz
100
Cointag 125 KHz (Magnet)
50
0
Metall
Kunststoff
Handlesegerät
Abbildung 4-25:
232
Metall
Kunststoff
Stationärer Reader
Ermittelte Lesereichweiten für verschiedene Systeme
Darüber hinaus wird die Eignung hochfrequenter Systeme auch durch die fehlende Verfügbarkeit geeigneter Transponder-Bauformen eingeschränkt. Robuste
Bauformen sind nur vereinzelt vorhanden, da Label-Bauformen für kostengünstige
Massenanwendungen überwiegen.
Aus den genannten Gründen eignen sich für die Realisierung der SpundfassKennzeichnung nur niederfrequente Systeme mit Arbeitsfrequenzen < 135 kHz.
Die Empfindlichkeit dieser Systeme gegenüber Metall ist geringer als im Frequenzband 13,56 MHz. Auch bei direkter Applikation des Transponders auf die
Metalloberfläche ist eine Auslesung der ID-Nummer noch möglich, wenn auch mit
geringerer Lesereichweite. Zur weiteren Reduzierung des Metalleinflusses können
spezifische Maßnahmen vorgesehen werden. So verfügen Glasröhrchen-Transponder über Ferrit-Kerne, die eine Erhöhung der Induktivität bewirken. Daher
konnten mit dem in den Untersuchungen getesteten Glasröhrchen-Transponder
die größten Lesereichweiten erzielt werden.
Wie bei den Stahlfässern wurden auch für die Kennzeichnung der KombinationsIBC entsprechende Vorversuche durchgeführt. Die Untersuchungen beschränkten
sich dabei vorwiegend auf den NF- und den UHF-Bereich. Hochfrequente Systeme (13,56 MHz) konnten aufgrund der vorliegenden Erkenntnisse von Beginn an
ausgeschlossen werden.
Im Rahmen der Untersuchungen wurden also verschiedene HF- und UHFSysteme auf ihre Eignung getestet und die möglichen Lesereichweiten ermittelt.
Insbesondere wurde dabei untersucht, welchen Einfluss die metallische Umgebung sowie Befeuchtung des Transponders auf die Lesereichweite haben.
Grundsätzlich kamen für die Untersuchungen stationäre Lesegeräte mit externen
Antennen und Handlesegeräte in Frage. Angesichts der erforderlichen räumlichen
Flexibilität der Identifikationspunkte ist jedoch die Verwendung stationärer Reader
ungeeignet, so dass nur Handlesegeräte getestet wurden. Daher verliert der
Reichweitevorteil einer Systemvariante deutlich an Bedeutung.
Eine Übersicht über die getestete Hardware liefert Tabelle 4-17. Die Transponder
wurden zu Testzwecken auf einer Schaumstoffunterlage von etwa 1 cm Dicke befestigt, da sie im Zuge der späteren Systemumsetzung ebenfalls einen gewissen
Abstand zum Metall haben werden.
Mit den dargestellten Systemkomponenten wurden dann verschiedene Untersuchungen auf dem Freigelände des logistischen Demonstrations- und Versuchsfeld
des FLog durchgeführt. Dabei wurden die Transponder an einer definierten Stelle
des IBC angebracht und die Lesereichweiten mit Handlesegeräten und stationären
Leseeinheiten ermittelt.
233
Im Rahmen der Voruntersuchungen getestete Hardware
Tabelle 4-17:
Coin
Glastag
Label
Label
125 kHz
(UNIQUE)
125 kHz
(UNIQUE)
868 MHz
(U-Code 1.19)
868 MHz
(U-Code 1.19)
Abmessungen
Durchmesser 30
mm, Höhe 2,15
mm
Durchmesser 4
mm, Länge 34,5
mm
Höhe 70 mm,
Breite 70 mm
Höhe 97 mm,
Breite 17 mm
Programmierbarkeit
Read-Only
Read-Only
Read/Write
Read/Write
Handlesegerät
Handheld-Reader ARE H5 (AEG)
Frequenzbereich
TDS Recon mit integriertem
UHF-Reader (TRICON)
Bei den Untersuchungen zeigte sich, dass UHF-Systeme unter idealen Bedingungen bessere Lesereichweiten bieten als niederfrequente Systeme. Die unter optimalen Bedingungen erzielten Reichweiten sind in der nachfolgenden Abbildung
dargestellt.
Reichweite [in mm]
200
150
Cointag
Glastag
100
UHF 70x70
UHF 19x97
50
0
NF
Abbildung 4-26:
UHF
Lesereichweiten für unterschiedliche Transponder bei optimalen
Bedingungen
Allerdings zeigte sich bei den UHF-Systemen bei Befeuchtung der Transponder
eine deutliche Reichweiterreduzierung, die im Extremfall zum Verlust der Funktionsfähigkeit führte (Abbildung 4-27). Auch ist der Einfluss metallischer Umgebungen deutlich stärker als bei niederfrequenten Systemen, da die Wellen im UHFBereich durch Metall und Flüssigkeiten stark reflektiert werden. Darüber hinaus
sind die Lesereichweiten bei UHF-Systemen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen sehr starken Schwankungen unterworfen. Aufgrund der Reflektionen an metallischen Oberflächen oder Flüssigkeiten kommt es in einzelnen
234
Bereichen zu Überlagerungen, die im Extremfall eine Signalauslöschung zur Folge
haben.
Reichweite [in mm]
200
150
Cointag
Glastag
100
UHF 70x70
UHF 19x97
50
0
NF
Abbildung 4-27:
UHF
Ergebnisse bei Befeuchtung der Transponder
Unter Berücksichtigung dieser Ergebnisse sind UHF-Transponder für den betrachteten Fall nur eingeschränkt geeignet, da die Kombinations-IBC während der Lagerung im Freien ständig den Witterungsbelastungen (z. B. Regen, Eis) ausgesetzt sind und außerdem im Verlauf des Reinigungsprozesses ständig eine Befeuchtung der Transponder erfolgt.
Berücksichtigt man zusätzlich Kosten für die Transponder und Lesegeräte und die
am Markt verfügbare Bauformen der Transponder (z. B. Schutzklasse, Größe), so
zeigt sich eine deutliche Tendenz zu niederfrequenten RFID-Systemen. Daher
wurden die Auswahl der Systemkomponenten auch für Kombinations-IBC auf den
Frequenzbereich < 135 kHz konzentriert.
4.4.3.2
Wahl des Erfassungsprinzips
Ein wichtiger Aspekt bei der Realisierung und Auswahl der zu verwendenden Systemkomponenten besteht in der Wahl der Erfassungsprinzips. In diesem Zusammenhang ist grundsätzlich zwischen der manuellen Erfassung mit Handlesegeräten und der Erfassung mit stationären Antennen und Readern zu unterscheiden.
Mit der Zielstellung, die Erfassungs- und Lesevorgänge zur Aufwands- und Fehlerminimierung so weit wie möglich zu automatisieren, ist insbesondere bei der
Rekonditionierung von Spundfässern aufgrund der hohen Stückzahlen eine fest
installierte Lesestation notwendig, mit der die Fässer an den Identifikationspunkten
während des Transportes sicher identifiziert werden können. Darüber hinaus erfolgt die Identifikation der Fässer an definierten und ortsfesten Punkten im Rekonditionierungsprozess, so dass eine stationäre Lesevorrichtung sinnvoll ist.
235
Unter Berücksichtigung der entwickelten Kennzeichnungslösung (Anbringung am
Spund) ist eine Lesbarkeit von der Fass-Oberseite möglich. Daher ist eine Antenne zu konzipieren, die parallel zum Oberboden des Fasses angeordnet wird. Um
eine Ausrichtung und Orientierung des Fasses zu vermeiden, muss der Erfassungsbereich die gesamte Breite der Förderstrecke (i. d. R. automatische Rollenbahn) abdecken. Im Falle der Blagden Packaging Mendig GmbH beträgt die erforderliche Mindestbreite der Antenne 0,6 Meter und wurde als Basis für die weiteren
Untersuchungen angesetzt.
Darüber hinaus waren für die Auswahl und Umsetzung der RFID-Systemkomponenten folgende Aspekte zu beachten:
•
Die maximale Fördergeschwindigkeit der zu identifizierenden Fässer beträgt
bei der Blagden Packaging Mendig GmbH 0,3 m/s. Bei dieser Fördergeschwindigkeit muss eine Lesbarkeit der auf den Transpondern gespeicherten
Identifikationsnummern sichergestellt sein, so dass eine Reduzierung der Fördergeschwindigkeit oder eine Veränderung der Prozesse nicht erforderlich ist.
•
Eine sichere Lesbarkeit muss bei allen möglichen Orientierungen der Fässer
bzw. des Spundes zur Förderrichtung gewährleistet werden. Die erforderliche
Lesereichweite beträgt 15 bis 20 cm45.
Im Hinblick auf diese Anforderungen konnte ein Versuchsstand entwickelt und im
Labor des Fachgebiets Logistik umgesetzt werden, der in der nachfolgenden Abbildung dargestellt ist.
Antenne
Reader
Abbildung 4-28:
45
Versuchsstand für die Identifizierung von Stahl-Spundfässern
Aufgrund der einheitlichen Fasshöhe ist eine Lesereichweite von 15 cm ausreichend.
236
Die Befestigung der Antenne, die die gesamte Breite der Rollenbahn abdeckt, erfolgt an einem Aufbau, der seitlich an der Rollenbahn befestigt ist. Zur Durchführung der im Folgenden notwendigen Versuche zur Auswahl von Systemkomponenten wurde die Vorrichtung so realisiert, dass eine Höhenverstellung zur Variation des Abstands zwischen Fass-Oberboden und Antenne möglich ist. Aufgrund
der speziellen Abmessungen der Antennen und der Umgebungsbedingungen war
es nicht möglich, eine Standardantenne zu verwenden, so dass eine Sonderlösung konzipiert werden musste. Die Gestaltung der Antennen ist eine technisch
anspruchsvolle Aufgabe und wird im nachfolgenden Kapitel beschrieben.
Im Gegensatz zu den Fässern erfordert die Identifikation der Kombinations-IBC
eine größere Flexibilität im Hinblick auf die räumliche Anordnung der Identifikationspunkte. Bei den Kombinations-IBC existieren nur einzelne ortsfeste Identifikationspunkte, wie anhand des Prozessablaufs kurz erläutert werden soll: Die Entladung der IBC erfolgt mit Hilfe eines Staplers zwar in einem definierten Bereich des
Betriebsgeländes, allerdings ist die Anordnung einer festen Laderampe wie bei
den Fässern nicht vorgesehen und umsetzbar, so dass es keinen festen Entladeort gibt. Folglich müssen auch die Lesegeräte für die IBC-Kennzeichnung nicht
ortsgebunden, sondern flexibel einsetzbar sein. Die Anordnung stationärer Reader
und Antennen ist entsprechend nicht möglich, so dass alternativ die Verwendung
mobiler Lesegeräte oder im Stapler installierter Lesegeräte zur Auswahl steht. Die
Umsetzung einer Gate-Lösung zur Identifikation der Kombinations-IBC nach der
Entladung ist aufgrund des operativen Ablaufs ebenfalls nicht möglich, da bei
gleichzeitiger Entladung mehrerer Wechselbrücken durch einen Staplerfahrer, wie
in der Praxis häufig vorzufinden, eine sichere Zuordnung zwischen Charge und
Verpackung dann nicht mehr gewährleistet werden kann.
In den Reinigungsanlagen und im Rebotteling- bzw. Zerlegebereich handelt es
sich dagegen um weitgehend ortsfeste Identifikationspunkte (vgl. Kapitel 4.5.1), so
dass die Anordnung stationär verfügbarer Lesegeräte grundsätzlich möglich ist.
Allerdings erfordert die sichere Erfassung eine feste Position des Transponders
am IBC, die bei Verwendung der entwickelten Kennzeichnungslösung nicht gewährleistet werden kann (vgl. Kapitel 4.4.2.2). Daher ist an diesen Stellen eine
Identifikation mit Handlesegeräten erforderlich. Angesichts der bei KombinationsIBC zu verarbeitenden Stückzahlen ist der damit verbundene Aufwand ohne Weiteres zu leisten.
4.4.3.3
Eingrenzung geeigneter Transponder und Reader
Parallel zur konzeptionellen Gestaltung musste eine Eingrenzung der für die Umsetzung des Kennzeichnungssystems geeigneten Transponder und Reader
(Schreib-/Lesegeräte) vorgenommen werden. Zu diesem Zweck wurde - basierend
auf dem entwickelten Anforderungskatalog - eine detaillierte Bewertung der im
237
niederfrequenten Bereich (125 kHz bzw. 134,2 kHz) vorhandenen Systeme nach
folgenden Kriterien durchgeführt:
•
Bauform Transponder,
•
Abmessungen des Transponder,
•
Verpackungsmaterial (herstellerseitig),
•
Lageabhängigkeit bei der Erfassung,
•
Betriebs- und Lagertemperatur des Transponders,
•
Zukunftsfähigkeit bzgl. Chiptechnologie, Hersteller und Funktionsweise
(HDX, FDX)
•
Verbreitung / Marktanteile des Herstellers,
•
Transponderkosten,
•
verfügbare Reader (Hersteller, Leistung, Kosten, Schutzklasse, Betriebsund Lagertemperatur) sowie
•
erzielbare Reichweite und Relativgeschwindigkeit (Herstellerangaben).
Die beschriebene Analyse erfolgte durch Auswertung von Datenblättern und Informationen der Produkthersteller bzw. -vertreiber. In diesem Zusammenhang
wurde eine Übersicht über die im niederfrequenten Bereich am Markt vorhandenen Transponder mit den spezifischen Eigenschaften erstellt. Zusätzlich wurden
geeignete Reader ermittelt und die in diesem Marktsegment tätigen Unternehmen
nach ihrem Leistungs- bzw. Produktspektrum klassifiziert. Die Ergebnisse der beschriebenen Tätigkeiten befinden sich im Anhang (vgl. Anhang IV). Aufgrund der
großen Anzahl an Unternehmen und der hohen Marktdynamik erheben die Übersichten allerdings keinen Anspruch auf Vollständigkeit.
Durch die Auswertung der Untersuchungen und die bereits vorliegenden Erfahrungen konnte die Auswahl an Systemen auf wenige Transpondertypen, Reader
und Systemanbieter eingegrenzt werden. In diesem Zusammenhang sind im Hinblick auf die verwendeten Transpondertypen (Chip) insbesondere UNIQUE- und
TROVAN®-Tags genauer zu untersuchen. Insbesondere UNIQUE-Tags (ASK46,
Read-Only) zeichnen sich durch eine Vielzahl verfügbarer Bauformen (z. B. Coins
und Glasröhrchen verschiedener Größen) aus, besitzen ein gutes PreisLeistungsverhältnis und können mit der Mehrzahl der am Markt verfügbaren Reader (Schreib-/Lesegeräten) erfasst werden.
Transponder vom Typ TROVAN® sind phasenmodulierte (PSK47) Read-OnlyTransponder und werden in verschiedenen industriellen Anwendungen eingesetzt.
Sie zeichnen sich durch gute Leistungseigenschaften in metallischen Umgebungen aus. Als Bauformen überwiegen Coins in verschiedenen Größen, die mit oder
46
Amplitude Shift Keying (Amplitudenumtastung)
238
ohne Befestigungsbohrung ausgeführt sind. Darüber hinaus sind aber auch
Glastransponder verfügbar.
Die endgültige Auswahl der zu verwendenden Transponder erfolgte im Rahmen
von praktischen Versuchen. Zu diesem Zweck mussten auch geeignete Reader
(Schreib-/Lesegeräte) ausgewählt werden. Aufgrund fehlender Standardisierungen
im niederfrequenten Bereich existiert eine Vielzahl an verschiedenen Produkten,
die aufgrund unterschiedlicher Datenprotokolle und Modulationsverfahren nicht mit
allen Transpondertypen kombinierbar sind.
Für die TROVAN-Transponder eignen sich vorwiegend Reader der AEGIdentifikationssysteme GmbH, die von verschiedenen Vertriebspartnern am Markt
angeboten werden. Dabei stehen im Bereich der stationären Industrielesegeräte
grundsätzlich die Produkte ARE-I2 und ARE-K1 zur Verfügung. Der Reader AREK1 zeichnet sich vor allem durch eine gegenüber dem ARE-I2 größere Lesereichweite aus, während bei dem ARE-I2 die kompakte Bauweise und das geringe Gewicht hervorzuheben ist. Darüber hinaus ist der ARE-I2 im Gegensatz zu dem
ARE-K1 mit allen gängigen PSK- und ASK-Transpondertypen kombinierbar.
Zusätzlich bietet die Firma EURO-ID ein auf den AEG-Komponenten basierendes
Produkt an (EUR 4100), das sich ebenfalls für die Erfassung von TROVANTransponder eignet. Dieses wurde für die weiteren Untersuchungen verwendet.
Abbildung 4-29:
Stationäres Industrielesegerät EUR 4100 /EUR 2006/
Das Gerät verfügt über eine RS 232 Schnittstelle und es können bis zu 4 Antennen angeschlossen werden. Die Schutzart beträgt IP 65, die Lager- und Betriebstemperatur reicht von -20 °C bis +70 °C bei einer Luftfeuchtigkeit von bis zu 70 %
/EUR 2006/. Daher eignet sich das Gerät für den betrachteten Einsatzfall.
Zur Erfassung von UNIQUE-Transpondern bieten sich mehrere Alternativen an
Schreib-/Lesegeräten und zugehörigen Lieferanten. Unter Berücksichtigung von
Kriterien wie Leistungseigenschaften, Hersteller, Verbreitungsgrad des Produktes,
Schutzklasse, Lager- und Betriebstemperatur konnte die Auswahl auf zwei Geräte
47
Phase Shift Keying (Phasenmodulation, Phasenumtastung)
239
eingegrenzt werden. Bei diesen Systemen handelt es sich um den Reader TID32X der TECTUS Transponder Technology GmbH sowie den Reader SIL 1001
der Scemtec Transponder Technology GmbH. Beide erfüllen die Anforderungen
hinsichtlich Schutzklasse und haben sich in der Praxis in verschiedenen Anwendungsbereichen bewährt.
Der Reader TI-32X ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich (z. B. Schutzklassen IP 40 und IP 65) und verfügt über eine RS 232 und eine RS 485 Datenschnittstelle (alternativ: Ethernet). Er ist nach Herstellerangaben auch für hohe Luftfeuchtigkeiten geeignet und ermöglicht je nach Leistungsparametern, Antenne und verwendetem Transponder Reichweiten von bis zu 0,50 m. Die Betriebstemperatur
liegt zwischen -20 °C und +50 °C /TEC 2006/. Der Reader SIL 1100 verfügt ebenfalls über alle üblichen Datenschnittstellen und kann in Temperaturbereichen zwischen -15 °C bis +65 °C betrieben werden (Schutzklasse IP 65). Als speziell ausgebildeter Long-Range Reader ermöglicht er Lesereichweiten bis zu 0,75 Metern
/SCE 2005/. Zur weiteren Eingrenzung wurden mit beiden Geräten Versuche zur
Abschätzung des Metalleinflusses auf die Funktionseigenschaften durchgeführt.
Dabei zeigte der SIL 1001 deutliche Leistungsvorteile gegenüber dem TID-32 X,
so dass dieser im Rahmen der folgenden Untersuchungen verwendet wurde (für
UNIQUE-Transponder).
Abbildung 4-30:
Reader SIL 1001 mit Antenne
Ebenso wie für Spundfässer aus Stahl musste auch eine Auswahl der für die IBC
zu verwendenden Kennzeichnungselemente vorgenommen werden. Ein entscheidender Aspekt bestand in diesem Zusammenhang in der Auswahl der zu verwendenden Lesegeräte. Wie beschrieben, ist bei den Kombinations-IBC aufgrund der
notwendigen räumlichen Flexibilität der Identifikationspunkte sowie der nicht fest
definierten Position des Transponders am Behälter eine Identifikation mit Handlesegeräten erforderlich. Aus diesem Grund wurde durch Auswertung von Daten-
240
blättern und Herstellerinformationen eine Analyse der am Markt verfügbaren, industrietauglichen Handlesegeräte durchgeführt.
Entscheidend für die Durchführung der Prozesse ist die Verfügbarkeit eines Displays zur Darstellung von Informationen sowie eine Eingabemöglichkeit (Tastatur)
für weitere Daten. Zur Realisierung dieser Anforderungen gibt es grundsätzlich
zwei Möglichkeiten: Zum einen kann dies durch die Verwendung komplexer Handlesegeräte mit Display und Tastatur realisiert werden. Zum anderen besteht die
Möglichkeit, das verwendete Handlesegerät an eine industrietaugliche Workstation
anzuschließen, die über einen externen Monitor und eine ggf. speziell zu gestaltende Tastatur verfügt. In diesem Fall kann ein entsprechend einfaches Handlesegerät verwendet werden (ohne Display oder Tastatur). Das Lesegerät muss dabei
mittels geeigneter Schnittstellen (z. B. RS 232) an der Workstation angeschlossen
werden. Diese Alternative ist aufgrund der praktischen Anforderungen (z. B. Dateneingabe mit Arbeitshandschuhen, raue Umgebungsbedingungen) grundsätzlich
zu bevorzugen.
Für die Realisierung der Alternativen müssen die Lesegeräte verschiedene Anforderungen erfüllen. Während bei Variante 1 (Lesegerät mit Tastatur und Display)
die Lesegeräte über eine großes Display, eine alphanumerische Tastatur und Datenschnittstellen zur Anbindung an das übergeordnete System (RS 232 und
WLAN (802.11b) bzw. GSM / GPRS) verfügen müssen, ist bei Variante 2 (Anbindung an eine Workstation) lediglich eine RS 232-Datenschnittstelle sowie eine
Funktionstaste zur Durchführung des Lesevorgang erforderlich. Bei beiden Varianten müssen die Geräte über ausreichende Handlichkeit (z. B. geringes Gewicht,
kleine Abmessungen) verfügen, der Schutzklasse IP 65 entsprechen und eine
ausreichende Betriebsdauer gewährleisten. Die nachfolgende Tabelle zeigt beispielhaft die Merkmale verschiedener Handlesegeräte und beruht auf entsprechenden Herstellerangaben.
241
Tabelle 4-18:
Eigenschaften von Handlesegeräten im Frequenzbereich < 135 kHz
Gerätebezeichnung (Lieferant)
EUR 1358
(Euro-ID)
Trisp-LF
Industry
(Tectus)
Di-400
(DI Ltd.)
HLG H5
(AEG)
HLG H41I
(Assion)
pocket pc
(Timbatec)
¼ VGA
(320*240
dpi)
3,5“ TFT
(320*240
dpi)
¼ VGA
(320*240
dpi)
LCD, zweizeilig (4*20
Zeichen)
½ VGA
(640*240
dpi)
3,78“ TFT
(320*240
dpi)
ja
ja
ja
ja
ja
ja
nein
nein
ja
nein
nein
ja
Touchscreen
ja
nein
ja
nein
ja
ja
Schnittstellen
(optional)
RS 232,
USB, GSM/
GPRS,
WLAN,
Bluetooth
IrDA,
WLAN,
Bluetooth
USB, IrDA,
WLAN,
GSM/
GPRS,
Bluetooth
RS 232
RS 232,
USB, IrDA,
GSM/
GPRS,
Bluetooth,
GPS
RS 232,
USB, IrDA,
WLAN,
GSM/
GPRS,
Bluetooth
Schutzklasse
IP 67
IP 65
IP 65
IP 65
IP 54
IP 67
Abmessungen
220 x 95 x
45 mm
224 x 89 x
49 mm
k. A.
220x 140 x
120 mm
230 x 94 x
34 mm
217 x 92 x
46 mm
582 g
800 g
k. A.
k. A.
600 g
600 g
-20°C bis
+60°C
-40°C bis
+70°C
-10°C bis
+60°C
k. A.
k. A.
k. A.
0°C bis
+50°C
-20°C bis
+70°C
-10°C bis
+60°C
-30°C bis
+60°C
-20°C bis
+50°C
-20°C bis
+60°C
k. A.
k. A.
k. A.
k. A.
k. A.
10 Stunden
Display
Funktionstasten
Alphanumerische
Tastatur
Gewicht
Betriebstemperatur
Lagertemperatur
Betriebsdauer [h]
Für die Realisierung der Variante 1 (Lesegerät mit Tastatur und Display) eignen
sich lediglich das Di-400 der Diagnostic Instruments Ltd. sowie der pocket PC mit
integriertem RFID-Reader von der Timbatec All Wheater Electronics Latschbacher
GmbH, da diese über alle notwenigen Voraussetzungen verfügen. Allerdings sind
diese Produkte relativ teuer und mit Handschuhen nur schwer zu bedienen. Zur
Anbindung an eine fest installierte Workstation (Variante 2) eignet sich vor allem
das HLG H5 der AEG Identifikationssysteme GmbH, da es sehr kostengünstig ist
und alle notwendigen Funktionen bietet.
Bei der Bewertung der beiden Systemvarianten sprechen insbesondere die Bedienbarkeit und die erforderliche Dateneingabe mit Handschuhen für die Nutzung
einer fest installierten Workstation. Darüber hinaus eröffnet dies auch die Entwicklung einer speziell an die Bedürfnisse der Werker angepassten Industrietastatur,
die einfach und unkompliziert zu bedienen ist. Dadurch lassen sich Eingabefehler
weitgehend reduzieren.
242
Im Hinblick auf die zu verwendenden Transponder können die Ergebnisse der bei
den Stahlfässern durchgeführten Untersuchungen verwendet werden. Da auch bei
den Kombinations-IBC ein großer metallischer Anteil vorhanden ist, können für die
Realisierung des Kennzeichnungssystems vorrangig Transponder vom Typ
UNIQUE oder TROVAN verwendet werden. Die genaue Auswahl der zu verwendenden Systeme erforderte entsprechende Tests und wird in den nachfolgenden
Kapiteln beschrieben.
4.4.3.4
Gestaltung der Antennen für die Spundfass-Kennzeichnung
Die Kennzeichnungsbedingungen sind durch einen sehr hohen Anteil an metallischen Oberflächen und elektromagnetische Störeinflüsse durch die umgebenden
Anlagen charakterisiert, was eine genaue Abstimmung der zu verwendenden
Hardware erfordert. Insbesondere die für das Senden und Empfangen der Daten
verwendeten Antennen haben dabei erheblichen Einfluss auf das Identifikationsergebnis. Daher werden in den meisten Anwendungen speziell gefertigte und abgestimmte Antennen benötigt.
Auch in dem hier vorliegenden Fall können Standard-Antennen nicht verwendet
werden, da die erforderlichen Antennenabmessungen an die Identifikationsbedingungen angepasst werden müssen. Wie bereits beschrieben, ist eine Antenne
notwendig, die die gesamte Breite der Förderstrecke (i. d. R. automatische Rollenbahn) abdeckt. Bei einem Fass-Durchmesser von maximal 0,58 m beträgt die
erforderliche Antennenbreite mindestens 0,6 Meter. Daher wurden im Rahmen der
weiteren Untersuchungen zwei verschiedene Antennen realisiert und getestet,
deren Gestaltung nachfolgend genauer beschriebenen werden soll.
Zunächst wurde eine Antenne zur Identifizierung von TROVAN (PSK)Transpondern entwickelt. Um die Empfindlichkeit des Empfangteils zu erhöhen,
wurden Sende- und Empfangsspule voneinander getrennt. Die Kopplung der einund ausgehenden Signale verschlechtert sich dadurch, was den Eingangsteil weniger „taub“ macht. Je nach Anwendung können sich die Leseeigenschaften auch
noch dadurch erhöhen, dass die Spulen räumlich getrennt werden. Dies ist in dem
hier betrachteten Fall jedoch nicht notwendig.
Die entwickelte Antenne hat demzufolge getrennte Sende- und Empfangswicklungen, die einen Durchmesser von jeweils 60 cm x 15 cm haben. Anpassung und
Antennenspulen sind in einen Holzkasten montiert, der Außenmaße von
68 cm x 23 cm x 6 cm aufweist.
243
Spule 1
Spule 2
Abbildung 4-31:
Aufbau Antenne 1 für die Spundfass-Identifizerung
Die dargestellte Antenne wurde im Rahmen von Vorversuchen getestet. Mit
TROVAN-Transpondern konnten dabei gute Lesereichweiten erzielt werden. Aufgrund der Geometrie der Wicklungen konnten allerdings mit Coin-Transpondern
deutlich bessere Ergebnisse erzielt werden als mit Glasröhrchen. Dies ist durch
die Ausbildung des Magnetfeldes im Raum und die durch die Ausbildung des Antennenfeldes im Raum bedingte Lageabhängigkeit zu erklären. Im schlechtesten
Fall stehen die Spulen des Glasröhrchen-Transponders senkrecht zum Feld der
Leseantenne, was für den Identifikationsprozess sehr ist ungünstig ist.
Zur besseren Verdeutlichung bedarf es der kurzen Erläuterung der physikalischen
Zusammenhänge. Wird eine Spule (Transponder) von einem Magnetfeld durchflutet, dass um den Winkel υ zur Mittelachse der Spule gekippt ist, gilt folgender Zusammenhang /FIN 2002/:
u0υ = u0 ⋅ cos(υ )
(Gleichung 4)
Hierbei ist u0 jene Spannung, die bei senkrechtem Eintreten des Magnetfeldes in
der Spule des Transponders induziert würde (Maximalspannung). Bei einem Winkel υ von 90° wird in der Spule des Transponders keine Spannung mehr induziert.
Eine Erfassung wäre dann nicht mehr möglich.
In der Praxis wird der Verlauf der Feldlinien von zahlreichen Faktoren beeinflusst
(z. B. Metall, andere elektromagnetische Felder), so dass eine Prognose des Verlaufs und damit auch des Ansprechbereichs der Lesegeräte sehr schwierig ist.
Allerdings ergibt sich unter Berücksichtigung des - im Idealfall - gekrümmten Verlaufs der Feldlinien im Raum um die Spule des Lesegerätes ein charakteristischer
Ansprechbereich, der in der nachfolgenden Abbildung dargestellt ist.
244
Abbildung 4-32:
Ansprechbereich eines Lesegerätes bei unterschiedlicher
Ausrichtung der Antennenspule (aus /FIN 2002/, S. 89)
Wie in der Abbildung zu erkennen, ist die Position und die Lage des Transponders
zu den Feldlinien für die Lesereichweite von entscheidender Bedeutung. Je nach
Orientierung ergeben sich völlig unterschiedliche Ansprechbereiche, was bei der
Gestaltung der Leseantennen entsprechend zu berücksichtigen ist, um optimale
Ergebnisse zu erzielen. Daher müssen gerade für Glastransponder, deren Lage
zur Spule der Leseantenne bei Integration in das Kennzeichnungselement für
Spundfässer aus Stahl sehr ungünstig ist, Veränderungen gegenüber den üblichen symmetrischen Antennengeometrien vorgesehen werden.
Diesem Aspekt wurde bei der Gestaltung der zweiten Antenne für die UNIQUETransponder (ASK) entsprechend Rechnung getragen (vgl. Abbildung 4-33). Wie
zu erkennen, ist die Antennenspule an der oberen Seite gewinkelt. Im speziellen
Fall wurde ein Winkel von 45° gewählt, so dass eine ausreichende Feldstärke über
die gesamte Antennenbreite in allen Lagen und Positionen des Transponders erreicht werden kann.
245
Abbildung 4-33:
Aufbau der Antenne 2 für die Spundfass-Identifizierung
Die magnetische Feldstärke H ist darüber hinaus abhängig von der Windungszahl
der Antenne und der Induktivität des verwendeten Leiters /FIN 2002/. Im betrachteten Fall beträgt die Windungszahl der Antenne N = 40, die Induktivität
L = 1,85 mH.
Die Merkmale der beiden beschriebenen Antennen, die nachfolgend für die weiteren Untersuchungen verwendet wurden, sind in der nachfolgenden Tabelle noch
einmal zusammenfassend dargestellt.
Tabelle 4-19:
Außenmaße
Antennengehäuse
Abmessungen
Antennenspule(n)
Antennengehäuse
Besonderheiten
Antenne
Technische
Angaben
Entwickler
Antenne
Reader (Lieferant)
Technische Daten der entwickelten Antennen
Antenne 1
Antenne 2
Breite / Tiefe / Höhe =
68cm / 23 cm / 6 cm
Breite / Tiefe / Höhe =
65cm / 50 cm / 1,7 cm
Breite / Tiefe =
60cm / 15 cm
Breite / Tiefe =
60cm / 45 cm
Holz, lackiert
(zum Schutz gegen Befeuchtung)
Kunststoff (PVC)
Getrennte Spulen für Empfang und
Senden
Trapezförmiger Querschnitt
der Antennenspule
Empfangspulespule( N = 15 mit 0,22
2
mm Cu-Leitung, L = 150µH),
Sendespule (N = 12 mit 0,75mm² CuLeitung, L = 110µH)
2
N = 40 mit 0,5 mm Cu-Leitung,
L = 1,85 mH
AssionElectronic GmbH
AssionElectronic GmbH
Reader EUR4100 mit Anpassung
EUR3110-1 (EURO ID)
SIL 1001 (scemtec)
Im Rahmen der Projektarbeit erfolgte eine prototypische Realisierung der Leseantennen, um die generelle technische Machbarkeit zu untersuchen. Daher wurden
auch die für das Gehäuse verwendeten Werkstoffe (Holz und PVC) nicht explizit
246
an die Umgebungsbedingungen angepasst. Im Falle der späteren Umsetzung der
Kennzeichnungssysteme sind für die Antennengehäuse daher gegebenenfalls
andere Werkstoffe zu verwenden, die für die Bedingungen in den Rekonditionieranlagen geeignet sind. Üblicherweise bestehen die Antennen für industrielle Anwendungen aus Kunststoffen wie beispielsweise ABS oder ähnlichen Materialien
(z. B. Polycarbonat). Selten wird auch Polyvinylchlorid (PVC) eingesetzt. Da das
Verpackungsmaterial im niederfrequenten Bereich - sofern kein Metall verwendet
wird - kaum Einfluss auf die zu erzielenden Lesereichweiten hat, soll darauf an
dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden.
4.4.3.5
Auswahl von Systemkomponenten durch praktische Versuche
Zur endgültigen Auswahl der zu verwendenden Systemkomponenten wurden Versuche im Labor der Forschungsstelle durchgeführt. Zusätzlich zur Untersuchung
der zu realisierenden maximalen Lesereichweiten war es notwendig, auch den
Einfluss der Relativgeschwindigkeit und der Lage bzw. Orientierung des
Transponders zur Förderrichtung genauer zu untersuchen. Die Untersuchungen
beschränkten sich dabei zunächst weitgehend auf die Kennzeichnung der Stahlfässer, da bei den Kombinations-IBC keine systemtechnischen Einschränkungen
zu erwarten waren und eine Übertragung der Erkenntnisse auf diesen Bereich
möglich erschien.
In diesem wurden mit fünf verschiedenen Transpondern Leseversuche durchgeführt, bei denen einerseits die Relativgeschwindigkeit, andererseits die Lage bzw.
Orientierung des Transponders zur Förderrichtung variiert wurde. Die gewählten
Relativgeschwindigkeiten betrugen v1 = 0,05 m/s und v2 = 0,30 m/s, wobei v2 der
maximal auftretenden Fördergeschwindigkeit in den Rekonditionieranlagen entspricht. Bezüglich der Orientierung des Transponders bzw. Spundes wurden drei
Positionen ausgewählt, bei denen sich der Transponder relativ zur Förderrichtung
an der Vorderseite des Fasses, mittig an der Seite und an der Hinterseite des
Fasses befindet.
Die in den Tests verwendeten Transponder sind in Tabelle 4-20 dargestellt. Es
wurden verschiedene Coins mit TROVAN- bzw. UNIQUE-Chip und Durchmessern
zwischen 20 und 30 mm sowie Glastransponder verwendet. Coins mit größerem
Durchmesser wurden aufgrund der Anbringungsmethode nicht verwendet.
247
Tabelle 4-20:
Technischen Daten der getesteten Transponder
TROVAN
ID200
TROVAN
ID1000
(20 mm)
TROVAN
ID1000
(30 mm)
World TAG
20 UNIQUE
Glastag 4.0
UNIQUE
125 kHz
125 kHz
125 kHz
125 kHz
125 kHz
Bauform
Transponder
Coin
Coin
Coin
Coin
Glaskapsel
Abmessung
Transponder
Durchmesser
26mm,
Dicke 4,7 mm
Durchmesser
20 mm,
Dicke 2 mm
Durchmesser
30 mm,
Dicke 2 mm
Durchmesser
20 mm,
Dicke 2,15 mm
Durchmesser
4 mm,
Länge 34,5 mm
Read-Only
Read-Only
Read-Only
Read-Only
Read-Only
Material
Epoxy
Epoxy
Epoxy
Polycarbonat
Glas
Schutzklasse
Lager- /
Betriebstemperatur
Reader
(Lieferant)
Antenne
(Lieferant)
IP 67
IP 67
IP 67
IP 67
IP 68
-40 bis +220°C/
-20 bis +75°C
-40 bis +200°C/
-40 bis +85°C
-40 bis +200°C/
-40 bis +85°C
-40 bis +130°C/
-25 bis +70°C
-40 bis +90°C/ 40 bis +85°C
Frequenz
Programmierbarkeit
Reader EUR4100 mit Anpassung
EUR3110-1 (EURO ID)
Antenne 1
(Assion Electronic GmbH)
SIL 1001 (scemtec)
Antenne 2
(Assion Electronic GmbH)
Die mit Hilfe des entwickelten Versuchsstands durchgeführten Versuche lassen
sich folgendermaßen zusammenfassen (vgl. Abbildung 4-34 und Abbildung 4-35):
Die Lesereichweite ist abhängig von der Art und der Größe des verwendeten
Transponders, der Fördegeschwindigkeit und der Position des Transponders relativ zur Förderrichtung. Der Einfluss der Fördergeschwindigkeit ist relativ gering
und resultiert aus der notwendigen Identifikationszeit, die abhängig ist von der
Feldstärke. Im Grenzbereich (Feldstärke liegt gerade über der Ansprechfeldstärke
des Transponders) kann es vorkommen, dass die Aufenthaltszeit des Transponders nicht mehr ausreicht, um den Datensatz zu übertragen. Daher ist eine Reduzierung der Lesereichweiten bei höherer Fördergeschwindigkeit feststellbar.
248
Lesereichweite [mm]
600
500
400
ID 1000 Ø 20 mm
300
ID 1000 Ø 30 mm
200
Glastag 4.0 UN
ID 200
World Tag 20 UN
100
0
vorne
seitlich
hinten
Orientierung des Spundes bzw. Transponders
Abbildung 4-34:
Lageabhängige Lesereichweite unterschiedlicher Tranponder bei
vR = 0,05 m/s
600
Lesereichweite [mm]
500
ID 1000 Ø 20 mm
400
ID 1000 Ø 30 mm
ID 200
300
Glastag 4.0 UN
World Tag 20 UN
200
100
0
vorne
seitlich
hinten
Orientierung des Spundes bzw.Transponders
Abbildung 4-35:
Lageabhängige Lesereichweite unterschiedlicher Tranponder bei
vR = 0,30 m/s
Neben der Lesereichweite hat aber auch die Orientierung des ¾“-Spundes und
damit des Transponders zur Förderrichtung Auswirkungen auf die Lesereichweite,
da die Antenne durch das Metall des Fasses beeinflusst wird. In den Versuchen
konnte festgestellt werden, dass die Lesereichweite in den meisten Fällen bei seitlicher Orientierung am Kleinsten ist. In diesem Fall befindet sich am meisten Metall
unter den Leseantenne.
Die Erklärung dafür bedarf der kurzen Erläuterung der physikalischen Zusammenhänge. Zur Aktivierung des Transponders (Induktion) ist eine Mindestfeldstärke
249
erforderlich, bei der eine zum Betrieb des Datenträgers gerade noch ausreichende
Versorgungsspannung u2 zur Verfügung steht. Die Ansprechfeldstärke Hmin ist folgendermaßen definiert /FIN 2002/:
⎛L
R
⎞
2
⎛ ω 2 −ω 2
R ⎞
2
u 2 * ω 2 ⎜⎜ 2 + 2 ⎟⎟ +⎜⎜ 0 2 + 2 ⎟⎟
RL ⎠
⎝ RL ω0 L2 ⎠ ⎝ ω0
H min =
ωμ 0 * A * N
(Gleichung 5)
mit
A
Querschnittsfläche der Transponderspule
N
Windungszahl der Transponderspule
u2
Mindestversorgungsspannung Transponder
L2
Induktivität Transponder
R2
Eingangswiderstand Transponder
RL
Eigenwiderstand des Datenträgers
ω
Sendefrequenz des Lesegeräts
ω0
Resonanzfrequenz des Transponders
μ0
Permeabilitätskonstante
Eine Abweichung der Transponder-Resonanzfrequenz von der Sendefrequenz
des Lesegerätes bzw. der Antenne führt also zu einer höheren Ansprechfeldstärke
des Transponders und damit zu einer geringeren Lesereichweite.
Mit Hilfe geeigneter Messungen konnte festgestellt werden, dass sich die Resonanzfrequenz der Leseantenne durch das Metall des Fasses um bis zu 2,7 kHz
verschiebt (Verstimmung des Schwingkreises). Die Abweichung ist dabei umso
größer, je mehr Metall sich unter der Antenne befindet. Gemäß der obigen Formel
ergibt sich somit eine reduzierte Lesereichweite in mittiger Position.
Hinsichtlich Art und Größe des verwendeten Transponders ist bei den getesteten
Coins zunächst eine Zunahme der Lesereichweiten mit Zunahme des Durchmessers festzustellen, was durch die vergrößerte Antenne und die größeren Windungszahlen zu erklären ist. Darüber hinaus gibt es aber auch zwischen den
Transpondern bzw. den eingesetzten Systemen große Unterschiede. Die insgesamt besten Lesereichweiten konnten mit dem Glastransponder (Glastag 4.0
UNIQUE) erreicht werden. Die im Labormaßstab mit dem Reader SIL 1001 und
speziell angefertigter Antenne erreichten Lesereichweiten betrugen bis 48 cm und
lagen damit um ein Vielfaches über den mit den anderen Systemen erzielten Ergebnissen. Die gute Performance der Glastransponder resultiert dabei zum einen
aus der speziellen Antennengeometrie und zum anderen aus dem Ferritkern in250
nerhalb der Antennenspule des Transponders, der diesen relativ unempfindlich
gegenüber metallischen Umgebungen macht. Diese technischen Vorkehrungen
gleichen die bei Berücksichtigung der Integrationsposition des Glastransponders
in das Kennzeichnungselement (liegend) ungünstige Ausrichtung zum Feld der
Leseantenne aus, so dass entsprechend große Lesereichweiten erzielt werden
können.
Zur Überprüfung der im Labor erzielten Ergebnisse wurden zusätzlich praktische
Leseversuchen in den Anlagen der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co.
durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden mehrere Prototypen des Kennzeichnungselements für Spundfässer hergestellt. Ein besonderes Augenmerk lag dabei
auf der Überprüfung der in der Praxis zu realisierenden maximalen Lesereichweiten und in der Ermittlung der Erfassungsraten.
Die Eignung der verwendeten Hardware bestätigte sich in den Praxisversuchen. In
diesem Zusammenhang wurden an ausgewählten Punkten der Anlagen (z. B. Entladung, Ausgang der Reinigungsanlagen, Übergabe zur Kettenreinigung) Leseversuche durchgeführt. Es konnten bei Leseentfernungen von ca. 15 cm Erfassungsraten von 95-100 % realisiert werden (unabhängig von der Orientierung des
Transponders zur Antenne). Größere Leseentfernungen konnten zwar realisiert
werden, allerdings stieg dann der Anteil nicht erfasster Verpackung stark an. Die
meisten Fehlerfassungen wurden bei unbewegten Fässern festgestellt, während
bei bewegten Objekten die Erfassungsrate nahezu 100 % betrug. Am Übergabeband zur Kettenreinigung waren Leseentfernungen von 18,5 cm mit nahezu 100 %
Erfassungsrate messbar. Die in den Versuchen gegenüber dem Labormaßstab
deutlich reduzierte Lesereichweite resultiert aus den elektromagnetischen Einflüssen der umgebenden Anlagen und unterstreicht die Bedeutung praktischer Untersuchungen unter realen Bedingungen.
Auch für Kombinations-IBC wurden zwecks Endauswahl der verwendeten Systemkomponenten entsprechende Untersuchungen mit Coin-Transpondern und
Glastranspondern verschiedener Größen durchgeführt. Aufgrund der bereits vorliegenden Erkenntnisse erfolgte eine Beschränkung auf Transponder vom Typ
UNIQUE. Im Einzelnen wurden folgende Transponder untersucht:
•
World Tag-30-UN: 125 kHz, Read-only, Durchmesser 30 mm, Höhe 2,15
mm, Schutzklasse IP 67,
•
Glasstag 4.0-UN: 125 kHz, Read-only, Länge 34,5 mm, Durchmesser 4
mm, Schutzklasse IP 68 sowie
•
Glasstag 3.2-UN: 125 kHz, Read-only, Länge 13,3 mm, Durchmesser 3,15
mm, Schutzklasse IP 68.
251
Zur Durchführung der Versuche wurden zunächst verschiedene Prototypen hergestellt (5 Stück je Transponder-Bauform). Diese sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung 4-36:
Prototyp für die IBC-Kennzeichnung
Anschließend wurden die Prototypen an definierten Punkten des IBC befestigt und
die Lesereichweiten ermittelt, wobei die Untersuchungen ausschließlich mit dem
Handlesegerät HLG H5 der AEG Identifikationssysteme GmbH durchgeführt wurden.
Abbildung 4-37:
Leseversuche an einem Kombinations-IBCs
Insgesamt spielt die Lesereichweite zwar eine geringere Bedeutung als bei den zu
kennzeichnenden Fässern, da es sich um eine mobile Anwendung handelt. Im
Hinblick auf die Umsetzung und die Akzeptanz bei den Werkern ist die Reichweite
jedoch nicht bedeutungslos. Darüber hinaus spielt auch die Lageabhängigkeit eine
252
Rolle, um die Erfassung für den Werker so einfach wie möglich zu gestalten. Aus
Gründen der Akzeptanz war es daher erforderlich, einen Transponder zu wählen,
der aus größeren Entfernungen unabhängig von der Lage sicher gelesen werden
kann.
Im Rahmen der Versuchsdurchführung wurden fünf verschiedene Positionen für
die Anbringung der Kennzeichnungselemente getestet, um möglicht viele Einflüsse in die Untersuchungen einzubeziehen und eine optimale Anbringungsposition
zu ermitteln (vgl. Abbildung 4-38). Um den Metalleinfluss zu spezifizieren, wurden
die Transponder auch direkt auf der Metallplatte angebracht (Position 1). Zusätzlich wurde die Lage des Transponders zum Reader durch Drehung der Kennzeichnungselemente variiert, um eine Lageabhängigkeit zu ermitteln.
Position 1
Abbildung 4-38:
Position 2
Position 4
Position 3
Position 5
Messpositionen für den Transponder
Die erzielten Lesereichweiten hängen, neben der Position am IBC, von der Orientierung des Transponders bzw. des Kennzeichnungselementes zum Lesegerät
sowie der Größe des Transponders ab. Grundsätzlich konnten mit dem Glasstag
3.2-UN nur relativ geringe Reichweiten erzielt werden (z. T. unter 5 cm), so dass
dieser für die weiteren Untersuchungen nicht verwendet wurde.
Für die verbleibenden zwei Transponder wurden die fünf verschiedenen Positionen genauer untersucht. Bei paralleler Ausrichtung des Kennzeichnungselements
zur Antenne des Lesegerätes ergibt sich das in der nachfolgenden Abbildung dargestellte Bild48. Es können mit beiden Tags annähernd gleiche Lesereichweiten
erzielt werden, die je nach Position am Kombinations-IBC (Messpunkt) zwischen
15 und 20 cm liegen.
48
Es wurden jeweils drei Transponder getestet. Die dargestellten Werte symbolisieren Durchschnittswerte.
253
Lesereichweite [mm]
250
200
150
World Tag 30 UN
Glastag 4.0 UN
100
50
0
Position Position Position Position Position
1
2
3
4
5
Abbildung 4-39:
Versuchsergebnisse bei paralleler Ausrichtung des Transponders
zum Lesegerät (Antenne)
Anders stellt sich die Situation bei Verdrehung des Kennzeichnungselements und
damit auch des Transponders um 90° dar. Während sich die Reichweite beim
Glastransponder kaum verändert, ist bei Cointranspondern (World Tag 30 UN)
eine deutliche Reichweitereduzierung festzustellen (vgl. Abbildung 4-40).
Lesereichweite [mm]
250
200
150
World Tag 30 UN
Glastag 4.0 UN
100
50
0
Position Position Position Position Position
1
2
3
4
5
Abbildung 4-40:
Versuchsergebnisse bei Verdrehung des Transponders um 90°
horizontal
Die Erklärung dafür bedarf auch hier einer kurzen Erläuterung der physikalischen
Hintergründe. Wie bei allen induktiv gekoppelten RFID-Systemen bildet sich um
die Antennenspule des Transponders ein typisches Magnetfeld aus, bei dem die
Feldlinien vorwiegend in axialer Richtung ausgebildet werden. Daher sind die Le-
254
sereichweiten der Coin-Transponder bei axialer Ausrichtung des Transponders
zum Lesegerät sehr gut, während sie bei radialer Lage des Transponders zum
Lesegerät deutlich geringer sind. Bei der Verwendung von Glastranspondern sind
Lageabhängigkeiten nicht festzustellen, da sich die der Ausrichtung der
Transponderspule zum Lesegerät auch bei Verdrehung des Kennzeichnungselements nicht verändert. Bei Coin-Transpondern ist dies aber der Fall, weshalb sich
eine Lageabhängigkeit ergibt.
Unter Berücksichtigung dieser Tatsache wurden für die Kennzeichnung der Kombinations-IBC ebenfalls Glastransponder ausgewählt (Glastag 4.0-UN).
Ebenso wie bei den Fässern wurde auch die für das IBC-Kennzeichnungssystem
verwendete Hardware durch Praxisversuche bei der Blagden Packaging Mendig
GmbH verifiziert. Zu diesem Zweck wurden die Prototypen an definierten Punkten
der betrieblichen Anlagen (z. B. Zuführung zur Reinigung, Qualitätsbewertung
nach Reinigung) getestet. Es zeigte sich, dass die ausgewählte Hardware für den
betrachteten Anwendungsfall sehr gut geeignet ist. Die erzielbaren Lesereichweiten betragen unabhängig von der Lage und Position des Transponders zwischen
12 und 20 cm.
4.4.4
4.4.4.1
Auswahl geeigneter Werkstoffe für die Kennzeichnungselemente
Vorauswahl geeigneter Kunststoffe und Vergussmassen
Der Kunststoff dient dazu, den Transponder vor prozess- und umweltbedingten
Belastungen zu schützen und dessen Integration in das Kennzeichnungselement
zu ermöglichen. Der Transponder muss so umschlossen und geschützt sein, dass
auch im langfristigen Einsatz keine Funktionsbeeinträchtigung und Beschädigung
zu erwarten ist. Zu diesem Zweck muss der verwendete Kunststoff eine hohe Beständigkeit gegenüber den bei der Rekonditionierung vorherrschenden Medien
und Prozessbedingungen haben. Aufgrund der im Prozess vorherrschenden
Feuchtigkeit ist es wichtig, dass die zu wählenden Werkstoffe eine sehr geringe
Permeabilität und hohe Chemikalienbeständigkeit aufweisen. Des Weiteren muss
der Werkstoff den thermischen und mechanischen Belastungen des Prozesses
standhalten. Maßgeblich sind hier insbesondere die Temperaturen bei der Trocknung (Heißluft) und mechanischen Belastungen während der Reinigungs- und
Transportprozesse.
Zusätzlich mussten im Rahmen der Projektarbeiten aber auch geeignete Vergussmassen ausgewählt werden. Da eine direkte Integration des Transponders in
den Spitzguss aufgrund der hohen Massetemperaturen nicht zu empfehlen ist,
muss eine nachträgliche Einbringung in das Kunststoff-Formteil erfolgen, z. B.
durch Befestigung in einer Bohrung oder Vertiefung. Zum Schutz gegen die äußeren Einflüsse der Rekonditionierung ist eine nachträgliche Abdichtung des Kunst255
stoffs mit Hilfe einer geeigneten Vergussmasse erforderlich, die entsprechend der
Prozessbedingungen auszuwählen ist. Entscheidend war dabei die chemische
und thermische Beständigkeit des Materials, da eine mechanische Belastung nicht
zu erwarten war.
Darüber hinaus spielte auch die Auswahl eines geeigneten Stahls für die Herstellung der Drahtelemente eine wichtige Rolle. Insbesondere muss der Stahl eine
ausreichende Säure- und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und aufgrund seiner
Biege- und Verformungseigenschaften geeignet sein. Aufgrund der großen Auswahl am Markt verfügbarer und geeigneter Werkstoffe wurde allerdings auf genauere Untersuchungen verzichtet. Die Materialauswahl basiert auf Expertenempfehlungen sowie umfassenden Recherchen und hat sich im Praxistest bewährt.
Ziel der durchgeführten Untersuchungen war es, basierend auf einer Vorauswahl,
verschiedene Kunststoffe und Vergussmassen auf die vorhandenen Belastungen
zu testen und so die für die Anwendung am Besten geeigneten Werkstoffe auszuwählen. Zur genauen Definition der Anforderungen wurden zunächst die Prozessbedingungen der Rekonditionierung im Detail analysiert.
In diesem Zusammenhang wurde - am Beispiel der Blagden Packaging Mendig
GmbH & Co. - eine umfassende Analyse der chemischen Spezifikationen der verwendeten Reinigungs- und Passivierungsmedien durchgeführt. Die nachfolgende
Tabelle zeigt eine Übersicht über die bei dem betrachteten Unternehmen im Rahmen der Nassreinigung verwendeten Chemikalien und deren Eigenschaften.
Tabelle 4-21:
In der Nassreinigung verwendete Medien
Medien
Mischungsverhältnis
Konzentration
[%]
pH-Wert
Temperatur
[°C]
Vorreinigung
Reiniger 1048,
Emulsionsspalter
WS
5:1
1,5
12,5
40-60
Hauptreinigung
Hakupur 50-196,
Netzmittel 200/2
6:1
3
13-13,5
60-70
Passivierung
Antikor 30/11-2F
--
3
9-10
60-70
Reiniger 1048,
Emulsionsspalter W
25:3
5
13-14
60-70
Kettenreinigung
Wie der Tabelle zu entnehmen, müssen die verwendeten Kunststoffe insbesondere gegenüber verschiedenen alkalischen Medien beständig sein, die mit Temperaturen zwischen 40 °C und 70 °C in die Verpackungen eingebracht werden. Darüber hinaus werden die Kennzeichungselemente aber auch durch verschiedene
Restinhalte beansprucht, die durch Auswertung vorliegender Informationen und
256
Lieferantenangaben genauer definiert wurden. In diesem Zusammenhang muss
auch eine Resistenz gegenüber Mineralölen, Lösemitteln (z. B. Aceton), Mineralsäuren (z. B. wässrige Salzsäure), organischen Säuren wie z. B. Essigsäure,
schwachen Laugen (NaOH o. ä.) und Stickstoffverbindungen (Ammoniak) gegeben sein.
Im Zusammenhang mit der Untersuchung der Ausgangsbedingungen wurden
auch die maßgeblichen Temperaturbelastungen nochmals untersucht. Dabei sind
insbesondere die Temperaturbelastungen am Applikationsort von entscheidender
Bedeutung, die mit Hilfe von Temperaturmessstreifen ermittelt wurden. Dabei
zeigte sich, dass in diesem Bereich mit Temperaturbelastungen von maximal 100
°C zu rechnen ist. Die Lufttemperatur in der gekapselten Reinigungsanlage beträgt
46°C bei einer Luftfeuchtigkeit von mehr als 90 %. Dies muss bei der Auswahl
entsprechender Kunststoffe berücksichtigt werden. Darüber hinaus muss das
Kennzeichnungselement tiefe Temperaturen in den Wintermonaten ohne Beschädigungen überstehen (keine Rissbildung etc.). Als maßgebliche Belastungstemperatur wurde von -30°C ausgegangen.
Basierend auf diesen detaillierten Anforderungen wurde anschließend eine umfassende Recherche zur Vorauswahl der in Frage kommenden Kunststoffe durchgeführt. In diesem Zusammenhang wurde durch Auswertung von Datenblättern und
Informationen Kunststoff verarbeitender Unternehmen eine Analyse der Eigenschaften verschiedener Materialien durchgeführt. Neben „Standard“-Produkten
wurden dabei auch verschiedenen Sonderkunststoffe in die Betrachtungen einbezogen, wobei die Untersuchungen auf Thermoplaste beschränkt wurden. Die Ergebnisse der Analyse sind in der nachfolgenden Tabelle dargestellt (z. B. /AFF
2004, KER 2004/ /MUR 2004/ /OBE et. al. 2004/ /TIS 2004/ /WAT 2004/).
Wie zu erkennen, sind für die Anwendung in der Rekonditionierung verschiedene
Werkstoffe prinzipiell geeignet. Besonders hervorzuheben ist das Material Polyetheretherketon (PEEK), das sich durch besonders gute Beständigkeit gegenüber
Chemikalien, hohen Temperaturen und sehr gute mechanische Eigenschaften
auszeichnet. Da die Verwendung dieses Materials allerdings sehr kostenintensiv
ist, müssen auch andere Materialien in die Betrachtungen einbezogen werden,
beispielsweise POM (Polyoxymethylen) und PP (Polypropylen), die sich ebenfalls
durch gute Eigenschaften auszeichnen. Bei PP ist allerdings die in der Literatur
angegebene Versprödungstemperatur von 0 °C ein kritischer Aspekt, den es genauer zu untersuchen galt.
257
Tabelle 4-22:
Eigenschaften von ausgewählten technischen Kunststoffen
Standard-Kunststoffe
FR4
ABS
PEHD
PVC
PA
POM
Sonder-Kunststoffe
PC
PP
PA,
PPA,
PEI,
PEEK
PVDF
LGF 40
GF 33
GF 30
Maximale Dauertemperatur [°C]
130
70
bis
80
90**
60
bis
80
90**
k.A.
120130
100
150
250*
165*
*
150
180*
Maximale
kurzzeitige
Temperatur [°C]
k.A.
100
100
70
bis
80
150
bis
180
140
90
130
bis
140
240
300
280
160
200
Versprödungstemperatur [°C]
k.A.
-20
-50
bis 80
-20
bis
-30
0 bis
-40
k.A.
-50
bis 130
0
-40
-65
-30
-30
-100
Schwache Laugen
k.A.
-
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
+
Starke Laugen
k.A.
-
+
+
o
+
-
+
o
+
+
-
o
Mineralische
Schmierstoffe
k.A.
+
+
+
+
+
o
+
+
+
+
+
+
Aromatische
k.A.
Kohlenwasserstoffe
-
o
-
+
+
-
o
+
+
+
+
o
Aliphatische
k.A.
Kohlenwasserstoffe
+
+/o
+
+
+
+
+/o
+
+
+
+
+
Schwache
organische Säuren
k.A.
+
+
+
o
+
+
+
o
+
+
+
+
Starke organische
Säuren
k.A.
o
+
+
-
-
o
+
-
o
-
+
+
Schwache
Mineralsäuren
k.A.
+
+
+
o
+
+
+
o
+
+
+
+
Starke
Mineralsäuren
k.A.
-
+
+
-
-
o
+
-
-
o
+
+
Aceton
k.A.
o/-
+/o
-
+
+
-
+/o
+
+
+
-
o
Heißes Wasser
k.A.
+/o
+
-/o
-
+
o
+
o
+
o
+
+
Steifigkeit
k.A.
hoch
hoch
mittel
hoch
k.A.
hoch
hoch
hoch
sehr
hoch
hoch
k.A.
hoch
Festigkeit
k.A.
hoch mittel mittel
hoch
k.A.
mittel
hoch
hoch
sehr
mittel
hoch
hoch
hoch
Wasseraufnahme
in Normalklima [als
Massenanteil in %]
0,25
0
0
<0,1
2,5 3
0,2
0,3
0–
0,2
4,1
<0,1
4,4
<
0,04
0,7
Spritzgussgeeignet
k.A.
ja
ja
(ja)
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
ja
Preis [€/kg]
k.A.
k.A.
<5
k.A.
<5
k.A.
<5
<5
<5
>25
5-10
1025
1025
258
ABS
PE-HD:
PVC:
PA (6):
PA (66) LGF40:
PEEK:
POMK.
PPA GF33:
PVDF:
PEI GF30:
FR 4:
+:
o:
-:
*:
**:
k.A.:
Acrynitril-Butadien-Styrol
Polyethylen (Hohe Dichte)
Polyvinylchlorid
Polyamid 6
Polyamid 66 mit 40% Langglasfaser
Polyetheretherketon
Polyoxy-Methylen
Polyphthalamid mit 33% Glasfaser
Polyvinylidenflourid
Polyetherimid mit 30% Glasfaser
Glasfäserverstärkter Epoxyharz
beständig
bedingt beständig
unbeständig
Wärmealterung nach 20000 Arbeitsstunden
Wärmealterung nach 40000 Arbeitsstunden
keine Angabe
Auf Basis der im Rahmen der Vorauswahl gewonnenen Erkenntnisse wurden
dann detaillierte Untersuchungen verschiedener Werkstoffe durchgeführt. Dies
war insbesondere deswegen notwendig, da die in der Rekonditionierung verwendeten Chemikalien sehr speziell sind und eine direkte Übertragung der in der vorigen Tabelle Rechercheergebnisse auf die Situation der Rekonditionierung nicht
möglich war49. Daher wurden von den Materialien Polyetheretherketon (PEEK),
Polyoxymethylen (POM), Polypropylen (PP), Polyethylen hochdicht (PE-HD), Polyamid (PA), Polyninylchlorid (PVC) und einem speziellen, faserverstärkten Epoxidharz (FR 4) Proben beschafft und untersucht. Diese Untersuchungen werden
im nachfolgenden Kapitel beschrieben.
Ebenso wie für die Kunststoffe wurden auch Recherchen und Analysen im Hinblick auf die Auswahl der zu verwendenden Vergussmassen durchgeführt. Dabei
waren insbesondere die Temperaturbeständigkeit, hygroskopische Eigenschaften
sowie die Chemikalienbeständigkeit von Bedeutung. Unter Berücksichtigung dieser Kriterien wurden zwei Materialien identifiziert, die für den zu betrachtenden
Einsatzfall grundsätzlich geeignet erschienen. Dabei handelt es sich um die Produkte PD 4 sowie PU 309 der WEVO-Chemie GmbH /WEV 2004/. Bei PD 4 handelt es sich um einen Zweikomponenten-Gießharz, der in Einsatzbereichen zwischen -50 °C und +120 °C verwendet werden kann. Der Füllstoff zeichnet sich
durch gute hydrolytische Stabilität und chemische Beständigkeit aus. Darüber hinaus zeigt das Material nach Herstellerangaben eine hervorragende Haftung an
Kunststoffen und Glas, was für den hier zu betrachtenden Fall ebenfalls große
Bedeutung hat.
49
Es werden Spezialchemikalien, die in der Literatur nicht bewertet sind.
259
Das Material PU 309 ist ebenfalls ein Zweikomponenten-Gießharz auf Polyurethanbasis. Die Temperaturbeständigkeit des Materials beträgt von -40 °C bis
+120 °C. Nach Herstellerangaben ist das Material insbesondere geeignet zum
Verguss von elektrischen und elektronischen Bauteilen im Nieder- und Mittelspannungsbereich. Ebenso wie PD 4 zeichnet sich das Material durch eine sehr geringe Wasseraufnahme aus.
Diese beiden Produkte wurden - ebenso wie die Kunststoffe - weiteren Tests unterzogen. Dabei wurden insbesondere die chemische Beständigkeit und die Wasseraufnahme genauer untersucht.
4.4.4.2
Durchführung von Laborversuchen
Ziel der Laboruntersuchungen war es, unter Berücksichtigung der wesentlichen
Belastungen, geeignete Kunststoffe auszuwählen. Die Untersuchungen wurden
zum überwiegenden Teil im logistischen Demonstrations- und Versuchsfeld des
Fachgebiets Logistik durchgeführt. Für die chemischen Versuche wurden außerdem Labore und Einrichtungen des Fachbereichs Chemie an der Universität
Dortmund genutzt.
Chemische Tests
Ziel der chemischen Versuche war es, die Resistenz ausgewählter Kunststoffe
und Vergussmassen gegenüber den verwendeten Reinigungsmedien sowie möglichen Restinhalten zu analysieren. In diesem Zusammenhang wurde besonders
auf eine mögliche Quellung bzw. Massenzunahme infolge Feuchtigkeitsaufnahme
sowie eine Oberflächenveränderung bzw. Rissbildung der Kunststoffproben geachtet.
Zur Vorbereitung und Durchführung der Untersuchungen wurden neben Kunststoffproben vor allem folgende Materialien benötigt:
•
insgesamt zehn Probenbehälter aus Glas,
•
eine Pipette,
•
ein Messzylinder,
•
fünf Heizplatten,
•
Proben der verwendeten Reinigungsmedien (vgl. Tabelle 4-21),
•
Proben möglicher Restinhalte (z. B. Mineralöl),
•
ein Messschieber,
•
eine Waage und
•
ein Mikroskop.
260
Die Durchführung der Versuche erfolgte wie nachfolgend beschrieben: In vier der
Probenbehälter wurden mit Hilfe von Pipette und Messzylinder die bei der Blagden
Packaging Mendig GmbH & Co. zur Reinigung der Verpackungen verwendeten
Medien angesetzt. Die Bestandteile wurden nach ihren Volumenanteilen gemischt
(vgl. Tabelle 4-23).
Tabelle 4-23:
Bestandteile und Mischungsverhältnis der eingesetzten Reinigungsmedien
Bestandteile
Vorreinigung
Hauptreiniger
Kettenautomat
Passivierung
Volumen
Reiniger 1048
3 ml
Emulsionsspalter
6 ml
Wasser
191 ml
Hakupur
6 ml
Netzmittel
1 ml
Wasser
193 ml
Reiniger 1048
10 ml
Emulsionsspalter
1,2 ml
Wasser
188,8 ml
Antikor
6 ml
Wasser
194 ml
Gesamtvolumen
200 ml
200 ml
200 ml
200 ml
In weitere sechs Behältnisse wurden mögliche Restinhalte gegeben. Es wurden
dabei je 200 ml Wasser, Aceton, Kochsalzlösung (NaCl), Natriumhydroxid (NaOH
5%) oder verdünnte Salzsäure (HCL 3 %) angesetzt. Anschließend wurden die
vermessenen und verwogenen Kunststoffproben hinzu gegeben (eine Probe jedes
Kunststoffs pro Lösung).
Um die Bedingungen der Rekonditionierung zu simulieren, wurden die Probenbehälter, in denen sich Reinigungsmedien bzw. Wasser befanden, mittels Heizplatten konstant auf 60 °C bzw. 70 °C temperiert (vgl. Abbildung 4-41). Dies entspricht
der maximalen Temperatur der bei der Rekonditionierung verwendeten Medien.
Die Proben wurden nun für 28 Tage in den Flüssigkeiten belassen, um die Langzeitbeständigkeit der Probenmaterialien zu untersuchen. In festgelegten Abständen erfolgten Kontrollen, um mögliche sichtbare Veränderungen der Probematerialien erfassen und dokumentieren zu können. Dabei wurden die Proben visuell auf
erkennbare Schäden wie beispielsweise Auflösung und Rissbildung untersucht.
Zu Beginn wurden die Kontrollen in Abständen von 12 Stunden bzw. einem Tag
durchgeführt. Gegen Ende des Untersuchungszeitraums wurden die Abstände auf
mehrere Tage ausgedehnt. Nach Ablauf der 28 Tage wurden die Proben ent261
nommen und mikroskopisch analysiert. Zusätzlich wurden sie verwogen und vermessen, um eine mögliche Flüssigkeitsaufnahme und Quellung feststellen zu
können
Abbildung 4-41:
Glasbehälter mit Kunststoffproben, z. T. temperiert
Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen lassen sich wie folgt zusammenfassen: In den angesetzten Reinigungsmedien und in der Aceton-Lösung weisen alle Proben mehr oder minder starke Reaktionen auf, wohingegen die Veränderungen in den anderen Lösungen (z. B. Mineralöl) eher gering sind. Besonders
hervorzuheben ist, dass sich die PA- und PVC-Proben in dem Vor- bzw. Hauptreinigungsmedium, PE-HD im Medium für die Kettenreinigung teilweise auflösten.
Bei Polyamid (PA 6) lösten sich bereits nach sechs Stunden im Bad des Hauptreinigers Partikel ab, die eindeutig dem benannten Material zugeordnet werden
konnten. Nach Ende der Versuche waren im Rahmen der mikroskopischen Untersuchung deutliche Veränderungen der Probenoberfläche sichtbar.
Auch im Rahmen der Probenvermessung und -verwiegung konnten die beschriebenen Reaktionen des PA6 nachgewiesen werden. So war bei diesem Material
eine Gewichtsreduktion von bis zu 15 % feststellbar, die auf einen Materialverlust
hindeutet.
Auch das FR 4 zeigte in verschiedenen Lösungen (Vor- und Hauptreinigung, Kettenreinigung, Aceton) nach wenigen Tagen erste Oberflächenveränderungen, die
auf eine mangelnde Resistenz und Beständigkeit zurückzuführen sind. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Ergebnisse der nach Ablauf des Untersuchungszeitraums gemachten mikroskopischen Aufnahmen (vgl. Abbildung 4-42).
262
Vor Versuch
Abbildung 4-42:
Nach Versuch
FR4-Probe vor und nach Versuchsdurchführung im Vorreinigungsmedium
Wie FR4 zeigte auch PVC eine merkliche Unbeständigkeit gegenüber Aceton.
Das Material begann bereits nach 24 Stunden zu quellen und zeigte nach drei Tagen erste sichtbare Risse. Nach zehn Tagen waren die Risse so stark ausgeprägt,
dass sich die Probe in zwei Teile getrennt hatte.
Insgesamt gute chemische Resistenz zeigten die Materialien POM und PEEK.
Insbesondere bei PEEK konnten, mit Ausnahme des Hauptreinigungsmediums,
keinerlei Veränderungen festgestellt werden. Im Hauptreinigungsmedium waren
geringe Ablagerungen an der Probenoberfläche feststellbar. Gleiches gilt mit Einschränkungen auch für Polyoxymethylen (POM).
Im Hinblick auf die zu verwendenden Vergussmassen wurde die Chemikalienbeständigkeit ebenso untersucht. Die Ergebnisse lassen sich folgender maßen zusammenfassen: Mit Ausnahme der Proben in Aceton zeigten die Materialien keine
Veränderungen. In Aceton konnten bei beiden Proben jedoch Reaktionen festgestellt werden, die bei PD 4 jedoch deutlich geringer ausfielen als bei dem PU 309.
PU 309 zeigte in Aceton eine Quellung, die zu einer Gewichtszunahme von 14 %
führte. Darüber hinaus war eine starke Rissbildung innerhalb der Probe festzustellen. Bei PD 4 konnten in Aceton ebenfalls geringe Quellungen beobachtet werden,
die auf eine Flüssigkeitsaufnahme zurückzuführen sind. Rissbildung war auch
nach mikroskopischen Untersuchungen nicht feststellbar.
Insgesamt eignete sich daher das Material PD 4 besser als PU 309, so dass dieses für die Herstellung der Prototypen verwendet wurde. Die Reaktionen im Lösungsmittel Aceton konnten dabei vernachlässigt werden, da dieses eher selten
vorkommt und in stark verdünnter Form und bei kurzer Einwirkung keine entsprechenden Reaktionen hervorruft.
Ermittlung der Temperaturbeständigkeit
Im Rahmen der Temperaturtests sollten die Auswirkungen von Kälte- bzw. Hitzeeinwirkung auf die Kunststoffe bzw. deren Festigkeit analysiert werden. Hierbei
263
wurden vor allem optische Veränderungen (z. B. Rissbildung), Grössenänderung
und Veränderungen der Festigkeit genauer untersucht. Kälte- und Hitzeeinwirkungen wurden separat untersucht. Die Versuche werden nachfolgend dargestellt.
Zur Vorbereitung der Untersuchung von Kälteeinwirkungen wurden die Proben mit
einem Messschieber vermessen und anschließend in ein vortemperiertes Kühlaggregat (-30 °C) gegeben. Nach einem Zeitraum von 0,5 Stunden, 1 Stunde, 2
Stunden, 4 Stunden und 8 Stunden wurden die Proben auf sichtbare Beschädigungen untersucht. Nach insgesamt 20 Stunden wurden die Proben dann entnommen und vermessen. Zusätzlich erfolgte eine mikroskopische Analyse im Hinblick auf mögliche Haarrisse, die mit dem Auge nicht erkennbar sind.
Im Rahmen der Auswertung zeigte keine der untersuchten Proben nennenswerte
Veränderungen. Daher wurden die gefrorenen Proben auch hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften genauer untersucht.
Zur Untersuchung von Wärmeeinwirkungen wurden die einzelnen Kunststoffproben vor der Versuchsdurchführung vermessen und dann für die Dauer von sechs
Stunden in einem Umluftwärmeschrank einer Temperatur von 70 °C ausgesetzt.
Während dieser Zeit wurden die Proben stündlich auf sichtbare Veränderungen
beobachtet. Nach sechs Stunden wurden die Proben entnommen und konnten 10
Minuten bei Raumtemperatur abkühlen, um sie danach erneut zu vermessen.
Die Ergebnisse der Versuche stellen sich wie folgt dar: Keine der Kunststoffproben
zeigte eine optische Veränderungen oder eine deutliche Reduzierung der Festigkeit (durch Erweichung). Allerdings konnten bei den PVC-Proben mit 5 %, PA-6
mit 4 % und PE-HD mit 3 % zum Teil deutliche Volumenzunahmen festgestellt
werden. Bei den restlichen Proben gab es keine nennenswerten Veränderungen.
Mechanische Untersuchungen
Ziel der mechanischen Versuche war es, das Verhalten der ausgewählten Kunststoffproben unter mechanischen Belastungen genauer zu untersuchen. Darüber
hinaus sollte ermittelt werden, ob die Kälteeinwirkung eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften zu Folge hat (z. B. durch Versprödung). Als Testverfahren wurde die Dreipunktprüfung in Anlehnung an DIN EN ISO 899-2 gewählt.
Die Prüfungen erfolgten mit Hilfe einer Universalprüfmaschine im Labor des Fachgebiets Logistik. Die Versuchsanordnung demonstriert die nachfolgende Abbildung.
264
Keil
Probe
Abbildung 4-43:
Versuchsaufbau
Der Keil (Linienbelastung) wurde bei einem Abstand zwischen den äußeren Auflagepunkten von 30 mm mit einer Geschwindigkeit von 5 mm pro Sekunde abgesenkt. Im Rahmen der Untersuchungen wurde die Kraft-Weg-Relation gemessen
und aufgezeichnet, die Messwerte wurden hierbei mit einer Frequenz von 50 Hz
aufgenommen. Wie beschrieben wurden von jedem Kunststoff Proben mit Raumtemperatur und Proben der gleichen Größe mit einer Temperatur von -30°C getestet.
Die Versuchsbeobachtungen und Ergebnisse stellen sich wie folgt dar: Eine deutliche Abhängigkeit der Festigkeitswerte (mechanische Belastbarkeit) von der Probentemperatur konnte lediglich bei POM festgestellt werden. Hier führten niedrige
Temperaturen (30 °C) zu einer Zunahme der Belastungsgrenzen. Im Vergleich zur
Probe mit Raumtemperatur konnten höhere Kräfte aufgenommen werden. Dafür
änderte sich allerdings das Bruchverhalten von duktil zu spröde, so dass die gekühlte Probe bei Überschreitung der Belastungsgrenze zerbrach.
Insgesamt zeigten sich im Bezug auf die mechanische Beständigkeit (z. B. Zugfestigkeit) und das Bruchverhalten zwischen den Proben deutliche Unterschiede.
Die größte mechanische Belastbarkeit zeigte das Material PEEK, gefolgt von FR
4, das allerdings aufgrund seiner Struktur schon nach etwa einem Millimeter Belastungsstrecke zerbrach (PEEK erst nach 15 mm). PVC zerbrach während des
Versuches nicht, sondern verformte sich dauerhaft.
4.4.4.3
Zusammenfassung der Versuchsergebnisse
Betrachtet man die einzelnen Untersuchungen, so lässt sich bei Betrachtung der
Einzelergebnisse eine Rangfolge der Kunststoffe ermitteln. In diesem Zusammenhang wurden den Einzelergebnissen Punkte von 1 (ungeeignet) bis 5 (sehr gut
geeignet) zugeordnet. Unter Berücksichtigung der erreichten Ergebnisse und einer
Gewichtung der Einzelkriterien nach der folgenden Gleichung:
265
GP =
1
1
1
x1 + x 2 + x3
2
3
6
(Gleichung 6)
mit x1 als Punktezahl der chemischen Tests, x2 als Punktezahl der mechanischen
Untersuchungen und x3 als Punktewert aus den Temperaturversuchen ergibt sich
die in Tabelle 4-24 dargestellte Rangfolge der untersuchten Materialien. Wie zu
erkennen, wurde die chemische Beständigkeit als besonders bedeutend gewichtet
und trägt erheblich zur Auswahl der Kunststoffe bei. Ebenfalls große Bedeutung
haben die Ergebnisse der mechanischen Belastungstests. GP symbolisiert die
Gesamtpunktzahl.
Tabelle 4-24:
Gesamtwertung der Ergebnisse
Chemischer
Test
Mechanischer
Test
Temperaturversuche
Wert GP
Ranking
PEEK
++
++
+
4,83
1
POM
++
+
+
4,17
2
PP
+
--
o
3,17
3
FR 4
-
+
-
2,33
4
PE-HD
o
-
o
2,33
4
PVC
-
+
--
1,33
6
PA6
--
o
+
0,50
7
++ besonders geeignet (5 Punkte)
-- weitgehend ungeeignet (1 Punkt)
Insgesamt weisen die Kunststoffe PEEK und POM die besten Ergebnisse auf.
Aufgrund der mechanischen Eigenschaften nimmt POM allerdings nur den zweiten
Platz in der Rangfolge ein. Sowohl in Bezug auf die maximale Belastbarkeit als
auch das mechanische Verhalten unter Kälteeinfluss zeigt POM Nachteile gegenüber PEEK. Allerdings sind die mit dem Kunststoff POM erreichten Ergebnisse
ausreichend für eine Verwendung in dem betrachteten Fall. Da POM gegenüber
PEEK den Vorteil des deutlich geringeren Preises aufweist, sollte dieses Material
für die Herstellung der Kennzeichnungselemente verwendet werden.
4.5
4.5.1
Entwicklung eines Soll-Konzepts für die Implementierung der
Kennzeichnungslösungen in den Rekonditionierprozess
Definition der Identifikationspunkte
Die Umsetzung der technischen Lösung (RFID) erfordert eine Reorganisation der
Prozesse in Rekonditionierbetrieben. Entscheidende Bedeutung hat dabei die
Festlegung der innerbetrieblichen Identifikationspunkte, die die Gestaltung der
266
Prozesse maßgeblich beeinflusst. An diesen erfolgt eine Erfassung der ID50Nummern der einzelnen Verpackungen sowie gegebenenfalls die Zuordnung von
weiteren Informationen für Steuerungs- und Auswertungsprozesse (z. B. Wechselbrückennummer, Verpackungsqualität). Die sich im Idealfall ergebenden Identifikationspunkte werden nachfolgend beschrieben. Dabei ist zwischen der FassRekonditionierung und Reinigung bzw. Rebotteling von Kombinations-IBC zu unterscheiden.
Betrachtet man zunächst den Bereich der Fass-Rekonditionierung, so muss die
datentechnische Zuordnung der einzelnen Verpackungen zu einer Charge bzw. zu
einem Lieferanten an der Entladung erfolgen, z. B. durch Verknüpfung mit der für
die Abholung genutzten Wechselbrücke, die ihrerseits wiederum den entsprechenden Lieferantendaten zugeordnet ist. Daher ist an der Entladung eine Möglichkeit der Dateneingabe (z. B. Wechselbrückennummer) erforderlich. Zur Erfassung der rekonditionierfähigen und mit Transpondern versehenen Verpackungen
ist ein Schreib-/Lesegerät an den Entladestationen anzuordnen.
Wie bereits beschrieben, enthalten die Chargen in den meisten Fällen auch nicht
rekonditionierfähige Verpackungen, die keine Kennzeichnung erhalten. Um auch
diese Verpackungen der Charge und damit dem Lieferanten zuordnen zu können,
bedarf es zusätzlich einer manuellen Eingabemöglichkeit. Daher ist es erforderlich, eine Tastatur sowie einen Monitor zur Datenkontrolle im Entladebereich anzuordnen. Dies gilt ebenso für den Bereich der Qualitätsbewertung, an der eine
Zuordnung von Qualitätsmerkmalen (Sorte) zu den Verpackungen erfolgt.
Die an Entladung und Qualitätsbewertung zugeordneten Informationen können
dann für die weitere Steuerung der innerbetrieblichen Materialflüsse genutzt werden, z. B. zur Aussonderung von Fässern mit dem Qualitätsmerkmal „Kettenfass“51 oder zur weiteren Sortierung der Verpackungen. In diesem Zusammenhang sind entsprechende technische Einrichtungen erforderlich, die über die Verknüpfung mit der Transponder-ID eine Automatisierung der Ausschleusungs- und
Sortierungsprozesse ermöglichen (z. B. durch entsprechende Weichen).
Für die der IBC-Reinigung bzw. der IBC-Zerlegung ergeben sich feste Identifikationspunkte, die in Tabelle 4-25 dargestellt sind und an Entladung, Qualitätsbewertung sowie im Bereich Rebotelling / Zerlegung angeordnet sind. Eine Automatisierung von Sortierungs- und Ausschleusungsprozessen auf Basis der RFIDKennzeichnung in Kombination mit Qualitätsinformationen ist bei den Kombinations-IBC nicht vorgesehen.
50
Identifikationsnummer
Bei Kettenfässern handelt es sich um Fässer, die einer speziellen Behandlung, der so genannten Kettenreinigung, unterzogen werden, um feste Anhaftungen im Inneren zu entfernen. Die Fässer werden anschließend
erneut den Reinigungsanlagen zugeführt.
51
267
Die sich insgesamt in Fass- und IBC-Bereich ergebenden Identifikationspunkte
sind mit ihren wichtigsten Merkmalen noch einmal in der nachfolgenden Tabelle
zusammen gefasst. Die Tabelle stellt die für die Umsetzung wichtigsten Identifikationspunkte dar, erhebt allerdings keinen Anspruch auf Vollständigkeit, da die Anzahl und Anordnung der Identifikationspunkte in erheblichem Maße vom Layout
und Gestaltung des Materialflusses und der Ablauforganisation des Betriebs abhängig ist. In der Tabelle sind daher optionale I-Punkte angeben, die einen Mehrwert für den Rekonditionierer erzeugen, aber nicht zwangsläufig erforderlich sind.
Tabelle 4-25:
Identifikationspunkt
Entladung
Fässer
Übersicht zwecksmäßiger Identifikationspunkte
Aufgabe
Erfassung und
Kategorisierung
des Wareneingangs
Zuordnung der
Verpackungen zu
einem Lieferanten
Hardware
Fest installierte
Reader und
Antennen;
Seriell (RS 232);
Ethernet
Workstation mit
spezieller Tastatur
und Monitor
Bemerkungen
Manuelle Eingabe
der WB-Nr. bzw.
Bestell-Nr.;
manuelle Zuordnung nicht rekonditionierfähiger
Verpackungen
Ethernet
Optionaler
Identifikationspunkt; Erfassung
mit vmax=0,3 m/s
Fest installierter
Reader und
Antenne
Ethernet
Optionaler
Automatische
Ausschleusung
von Fässern, die
bei der mechanischen Prüfung
durchgefallen sind
Fest installierter
Reader und
Antenne;
Ethernet
Optionaler
Zuordnung von
Qualitätsmerkmalen (Sorten)
zu den Verpackungen
Fest installierte
Reader und
Antennen;
Seriell (RS 232);
Manuelle
Zuordnung der
Qualitätsmerkmale
Ausschleusung
Kettenfässer
Automatische
Ausschleusung
von Fässern mit
Qualitätsmerkmal
„Kettenfass“
Fest installierter
Reader und
Antenne;
Ausschleusung
Kettenfässer
Automatische
Ausschleusung
von Fässern mit
Qualitätsmerkmal
„Kettenfass“
Fest installierter
Reader und
Antenne;
Übergabe
Sortierbereich
Automatische
Ausschleusung
nicht rekonditionierfähiger Fässer
aus dem Materialstrom
Fest installierter
Reader und
Antenne;
Zuführung
Laserscanner
Spundfass
Automatische
Identifikation bei
der Zuführung
zum Laserscanner
Ausschleusung
verbeulter Fässer
Qualitätsbewertung
Fässer
268
Datentechnische
Anbindung
Weiche für Ausschleusung
Ethernet
Workstation mit
spezieller Tastatur
und Monitor
Ethernet
Optionaler
mit vmax=0,3 m/s
Ethernet
Optionaler
mit vmax=0,3 m/s
Weiche für
Ausschleusung
Aufgabe
Ausschleusung
Schrottfässer
Automatische
Ausschleusung
von Fässern mit
Qualitätsmerkmal
„Schrott“
Fest installierter
Reader und
Antenne;
Sortierung
Fässer
Erfassung und
automatische
Sortierung der
Fässer nach
Qualitätsmerkmalen
Fest installierter
Reader und
Antenne;
Sortierung Spundfass-Deckelfass
Erfassung und
automatische
Sortierung der
Fässer nach
weiterer
Verarbeitung
Fest installierter
Reader und
Antenne;
Entladung IBC
Erfassung des
Wareneingangs
Mobile Leseeinheit mit Display
und Tastatur;
Zuordnung der
IBC zu Lieferanten bzw. zu einer
Wechselbrücke
Qualitätsbewertung
IBC
Rebotteling,
Zerlegung IBC
Hardware
Besonderheiten
Ethernet
Optionaler
Ethernet
Optionaler
Ethernet
Optionaler
WLAN
(IEEE 802.11)
Manuelle Erfassung der IDNummern;
Weiche(n) für
Ausschleusung
Weiche(n) für
Ausschleusung
Alternativ: fest
installierte Leseeinheit auf Stapler
Zuordnung von
Qualitätsmerkmalen zu den IBC;
und Tastatur;
Festlegung der
weiteren
Verwendung
Alternativ: einfaches HLG mit
Anbindung an
Workstation
Zuordnung der
weiteren Verwendung (Komponenten) zu einer ID;
und Tastatur;
Zuordnung
Fabrikat
Datentechnische
Anbindung
Alternativ: einfaches HLG mit
Anbindung an
Workstation
Alternativ: GSM /
GPRS
Seriell (RS 232),
Ethernet
Alternativ: WLAN
(IEEE 802.11)
Seriell (RS 232),
Ethernet
Alternativ: WLAN
(IEEE 802.11)
Manuelle Zuordnung der WB-Nr.
bzw. Bestell-Nr.
Manuelle Erfassung der IDNummer (HLG);
Manuelle Zuordnung der Qualitätsmerkmale
(Tastatur)
Manuelle Erfassung der IDNummer (HLG);
Manuelle Zuordnung relevanter
Informationen
(Tastatur)
Während bei Fässern und Kleingebinden die Entladung an einem fest definierten
Ort (z. B. Entladerampe) erfolgt, ist dies bei den Kombinations-IBC nicht möglich.
Die Entladung erfolgt mit Hilfe eines Staplers in einem definierten Bereich des Betriebsgeländes. Daher sind hier mobile Leseinheiten notwendig, die eine örtliche
Flexibilität ermöglichen (vgl. Tabelle 4-25).
Bei Kombinations-IBC sind zusätzlich zwei Weiterbehandlungen zu unterscheiden.
Ein Teil der IBC gelangt über die Reinigungsanlagen zur Qualitätsbewertung und
wird nach weiteren Prüfungen ausgeschleust oder wieder verwendet. Ein anderer
Teil wird direkt dem Rebotteling- bzw. Zerlegebereich zugeführt. In diesem Bereich ist auch die Zuordnung herstellerbezogener Daten sehr wichtig, die den Wert
der Verpackungen für den Rekonditionierer maßgeblich bestimmt.
269
Die sich insgesamt ergebende Anordnung der Identifikationspunkte im Bereich
Entladung, IBC-Reinigung und Rebotteling / Zerlegung ist anhand des nachfolgenden Layout beispielhaft dargestellt.
Reinigungsbereich
Anbringung
Kennzeichnung
Reinigungsbecken
Heizöltank
Zerlegung,
Rebotteling
Klarspülbecken
Gebläse
Kompr .
Luftbehälter
ET
Luftbeh .
Brauchwasser
Rein.
Zerlegung
Klarsp .
Endbearbeitung
Entfernung
Kennzeichnung
Tor 2
Tor 3
Podest
Podest
ET
Büro
Tor 1
0 ,90
I-Punkte
Abbildung 4-44:
4.5.2
4.5.2.1
Steuerung
und Datenverarbeitung
Materialfluss und I-Punkte IBC-Reinigung
Entwicklung eines Prozessmodells für die Nutzung RFID-basierter
Identifikationssysteme in der Rekonditionierung
Identifikation und Kennzeichnung von Stahl-Spundfässern
Im Folgenden werden die Prozesse der Kennzeichnung und Identifikation der Verpackungen im Rahmen des Rekonditionierungsprozesses beschrieben. Einen
Überblick über die Prozesse von der Entladung bis zum Ende der Nassreinigung
zeigt Abbildung 4-45.
Zur detaillierten Darstellung der Prozesse wurde die Methodik der ereignisgesteuerten Prozessketten verwendet. Aufgrund der Komplexität der Abläufe wurde dazu
der Gesamtprozess zunächst in Teilprozesse unterteilt. So wurden die Prozesse
der Spundfass-Rekonditionierung in die Teilbereiche Entladung und Qualitätsbewertung / Sortierung unterteilt. Bei der Aufarbeitung von Kombinations-IBC wurde
eine Aufteilung in die Teilprozesse Entladung, Qualitätsbewertung und Zerlegung /
Rebotteling vorgenommen (vgl. Kapitel 4.5.2.2). Die Prozesse werden nachfolgend beschrieben.
270
Entladung und
Vorsortierung
Abbildung 4-45:
Schredder
Neutralisation
Rekonditionierung
Eingabe WBNummer
Extern / Sonstige
Bewertung
mechanischer
Zustand
Restentleerung
Restentleerung
Neutralisation
(reaktiver
Reststoffe)
Identifizierung der
Kennzeichnung
Sortierung
Zargenrichter
Ausbeuler
1
Abgabe
an Dritte
Qualitätsbewertung /
-zuordnung
Sortierung
Identifizierung der Identifizierung der
Kennzeichnung
Kennzeichnung
Reinigung
Entsorger/
Verwerter
Übersicht über die Prozesse der Entladung und Nassreinigung
Anbringung
Identifizierung der
Kennzeichnung
Sortierung
Behandlung
durch
Schredder
Zwischenlagerung
Kettenreinigung
Entrostung
Reinigung
Schreddergut
Entfernung
1
PE-/FETrennung
Ende
Reinigung
Verwerter
271
Entladung Spundfässer und Kleingebinde
Ein Entladeteam besteht aus zwei Mitarbeitern. Bereits während der Entladung
erfolgt eine erste Einschätzung der Rekonditionierfähigkeit der einzelnen Verpackungen anhand definierter Kriterien durch den ersten Entlademitarbeiter. An den
reinigungsfähigen Fässern wird ein Kennzeichnungselement mit Transponder befestigt, das im weiteren Prozess der eindeutigen Identifizierung der Verpackungen
dient. Die rekonditionierfähigen und mit Transponder versehenen Verpackungen
werden mit Hilfe einer über dem Förderband angeordneten Antenne, die an einen
Readers angeschlossen ist, erfasst und datentechnisch der zugehörigen Charge
zugeordnet. Zu diesem Zweck ist vor Beginn der Entladung eine Eingabe der
Wechselbrücken- bzw. Lieferantennummer durch den Werker erforderlich, um eine spätere Zuordnung vornehmen zu können.
Für den Fall, dass ein Einlesen der Verpackungs-ID nicht möglich ist, muss eine
Möglichkeit der manuellen Eingabe vorgesehen werden (z. B. bei Ausfall der
RFID-Lesetechnik). Zu diesem Zweck sind die Kennzeichnungselemente mit einer
lesbaren Nummer versehen, die in der Datenbank einer ID zugeordnet wird. Diese
Nummer kann mit Hilfe von Zifferntasten eingegeben und bestätigt werden, wofür
es der Installation einer Workstation mit Tastatur und Monitor im Entladebereich
bedarf. Die Gestaltung des Entladebereichs mit den erforderlichen Hardwarekomponenten ist in der nachfolgenden Abbildung dargestellt.
Nass-Reinigung
vorgereinigte
Fässer
Sperrfläche
Workstation
Antenne
und Reader
Abbildung 4-46:
272
Gestaltung des Entladebereichs
Entladung
Entladung
Entladung
Anbringung
Kennzeichnung
Entladung
Entsorger
Entsorger
Zur Sortierung
Über die reinigungsfähigen Verpackungen hinaus enthalten die Chargen in den
meisten Fällen aber auch Verpackungen, die nicht rekonditionierfähig sind und
daher nicht mit einem Transponder versehen werden (z. B. Kunststofffässer, stark
verbeulte Verpackungen). Diese müssen der Charge manuell zugeordnet werden,
um später eine vollständige Auswertung durchführen zu können. Zu diesem
Zweck ist ein Aufbau der Tastatur wie in Tabelle 4-26 erforderlich.
Tabelle 4-26:
Tastenbelegung für den Entladebereich (Spundfass)
Lfd. Nummer
Bezeichnung
Funktion
1
NEU
Eröffnung eines neuen Entladevorgangs
2
ENDE
Beendigung einer Entladung
3 bis 14
0, 1, 2, …, 9, ,, .
Zifferntasten und Sonderzeichen für
die manuelle Eingabe der ID
15
Löschen
Zurücksetzen einer Eingabe
16
ENT
Bestätigung einer Eingabe
17
↑ (nach oben)
Aufwärtsbewegen
innerhalb eines Menüs
18
↓ (nach unten)
Abwärtsbewegen
innerhalb eines Menüs
frei definierbare Funktionsfelder
für die Verpackungskategorien
(z. B. Kunststoffschredder)
Eindeutige Zuordnung einer Verpackungs-Kategorie zu einer Verpackung
19
…
n
Mit Hilfe der Tastatur kann der Entlademitarbeiter jede entladene Verpackung einzeln bewertet werden. Zur Kontrolle der Eingaben und des aktuellen Prozessstatus ist ein Monitor vorzusehen. Somit können Fehleingaben schnell und effizient
korrigiert werden. Nachdem alle Verpackungen entladen sind, beendet der Mitarbeiter die Charge mit der Taste „ENDE“. Damit ist die Entladung auch datentechnisch abgeschlossen.
Die Verpackungen werden anschließend auf dem Förderband in Richtung Reinigung weitergefördert. An der Übergabe zu den Reinigungsanlagen ist ein weiterer
RFID-Reader mit Antenne angeordnet. Über die Erfassung der Identifikationsnummern kann dann automatisiert eine Vorsortierung durchgeführt werden. Verpackungen mit Transponder („ID-Nummer erfasst“) werden direkt der Reinigung
273
zugeführt, während bei Verpackungen ohne Transponder („ID-Nummer nicht erkannt“) eine Ausschleusungsvorrichtung aktiviert wird, um die Verpackungen für
die weitere Sortierung auszusondern (vgl. Abbildung 4-46). Für die nicht mit
Transpondern gekennzeichneten Verpackungen ist der Prozess damit datentechnisch abgeschlossen. Die übrigen Verpackungen durchlaufen die mechanische
Bearbeitung und Nassreinigung und gelangen anschließend an die Qualitätsbewertung.
Qualitätsbewertung der Verpackungen
Der an der Qualitätsbewertung ablaufende Prozess gestaltet sich ähnlich dem an
der Entladung. An der Qualitätsbewertung ist jedoch nur ein Mitarbeiter erforderlich, der mit einer Workstation ausgestattet wird, um Eingaben vornehmen zu können. Nach einer Erfassung der Transponder-ID mit Hilfe einer stationären, über
der Rollenbahn angeordneten, Antenne und angeschlossenem Reader erfolgt
durch Abfrage in der Datenbank die Anzeige der zu dieser ID gehörigen Informationen auf dem Monitor. Der Werker ermittelt anschließend die Sorte bzw. Qualität
der Verpackungen mit Hilfe der Fasslampe und gibt die zugehörige Information
über eine Tastatur in das System ein. Somit kann jeder Verpackungs-ID eine Qualitätsinformation zugeordnet werden. Die Tastenbelegung der Tastatur stellt sich
folgendermaßen dar.
Tabelle 4-27:
Tastenbelegung für die Qualitätszuordnung (Spundfass)
Lfd. Nummer
Bezeichnung
Funktion
1
Eingabe o.k.
Bestätigen einer Eingabe
2
Zurücksetzen
Löschen und Zurücksetzen einer
Eingabe
3 bis 14
0, 1, 2, …, 9, ,, .
Zifferntasten und Sonderzeichen für die
manuelle Eingabe der ID
15
frei definierbare Funktionstasten
für Verpackungsqualitäten
(z. B. 1. Sorte, 2. Sorte, Deckelfass, Schrott, Kettenfass, Innenlack)
Eindeutige Zuordnung einer
Qualitätsbezeichnung / Sorte zu einer
Verpackung
…
n
Wie zu erkennen, handelt es sich um eine sehr einfach gestaltete Tastatur mit wenigen Tasten. Im Falle der Blagden Packaging Mendig GmbH wären insgesamt 20
Tasten erforderlich, demnach entsprechend sechs Sortentasten. Durch die Übersichtlichkeit ist eine einfache Bedienung gewährleistet, was die Akzeptanz bei den
Mitarbeitern fördert. Zu Kontrollzwecken wird die eingegebene Information auf
274
dem Monitor angezeigt und kann ggf. korrigiert werden. Erst nachdem der Werker
die Eingabe bestätigt hat (Taste „Eingabe o.k.“), wird das zugehörige Fass weitertransportiert. So können Verwechselungen vermieden werden.
Die Zifferntasten dienen der manuellen Eingabe der Transponder-ID für den Fall,
dass die Technik nicht zuverlässig funktioniert und ein Einlesen der TransponderID nicht möglich ist. Da es sich um eine hexadezimale Identifikationsnummer handelt, sind dafür zusätzlich bestimmte Sonderzeichen erforderlich (z. B. , .). Wichtig
ist, dass die Tranponder-ID gut lesbar auf dem Transponder aufgebracht ist, so
dass sie im Bedarfsfall schnell und einfach eingegeben werden kann.
Nach datentechnischer Zuordnung der Qualitätsinformation durch Tastendruck
kann diese nun zur Steuerung der weiteren Prozessschritte (z. B. Aussonderung
von Kettenfässern, Sortierung nach Qualitäten / Sorten) genutzt werden, wodurch
sich weitere Potenziale eröffnen. Dies erfordert die Anordnung entsprechender
Hardware an den erforderlichen Identifikationspunkten, die über eine Steuerungssoftware mit der Datenbank kommuniziert.
Spätestens vor der Strahlung der Gebinde ist eine Entfernung der Kennzeichnungselemente erforderlich, um eine Zerstörung des Transponders zu vermeiden.
Die Kennzeichnungselemente werden gesammelt und an die Entladung befördert,
um sie erneut zu verwenden.
4.5.2.2
Identifikation und Kennzeichnung von Kombinations-IBC
Auch im Bereich der Reinigung bzw. Aufarbeitung von Kombinations-IBC wurde
eine Unterteilung in verschiedene Teilprozesse vorgenommen, die entsprechend
aufbereitet wurden. Eine Übersicht über die Prozesse im Bereich der IBC gibt
Abbildung 4-47.
Entladung und Kennzeichnung der IBC
Bei der Reinigung und Aufbereitung der Intermediate Bulk Container (IBC) muss
bereits bei der Entladung durch den Staplerfahrer die Eingabe der Wechselbrücken- bzw. Lieferantennummer sowie die Zuordnung der Kennzeichnungselemente, die an den IBC befestigt werden, erfolgen. Zu diesem Zweck ist es erforderlich,
dass der Fahrer über ein entsprechendes Terminal (vgl. Abbildung 4-48) mit
Touchscreen für die Dateneingabe sowie ein RFID-Lesegerät für die Erfassung
der Verpackungstransponder (125 kHz) verfügt, die im Fahrerhaus angeordnet
sind. Der Fahrer eröffnet zunächst über Betätigung einer Taste eine neue Entladung und gibt anschließend die zugehörige Wechselbrücken- oder Bestellnummer
ein.
275
276
Entnahme
Kennzeichn.elemente
Anbringung
Abbildung 4-47:
Entladung
Zwischenlager
2
Durchführung
Nassreinigung
Ermittlung
Qualität
IBC
Identifizierung der
Kennzeichnung
2
Entfernung
Verladung
Bewertung
Zustand
Innenbehälter
Zuführung
Warenausgangslager
Bewertung
Zustand
Außenbehälter
Identifizierung der
Kennzeichnung
Zuführung
Reinigung
Entfernung
Prozesskette der Reinigung und Aufarbeitung von Kombinations-IBC
Zerlegung/ Rebotteling
Reinigung
Eingabe WBNummer
Identifizierung der
Kennzeichnung
Zerlegung
Komponenten
IBC
Rebotteling
Zuführung
zur
Entsorgung
Ende
Rebotteling
Entsorgung/
Abgabe
Abbildung 4-48:
Terminal für den Staplerfahrer /ASS 2006/
Zur Vermeidung von Fehleingaben ist eine Kontrolle und Bestätigung der Eingabe
erforderlich. Anschließend werden die zu der Wechselbrücken- bzw. Bestellnummer gehörigen Bestelldaten über eine WLAN-Verbindung geladen und auf dem
Display angezeigt.
Die Anzeige der zugehörigen Bestelldaten (z. B. Lieferant, Verpackungstypen,
Verpackungsanzahl) ist sehr wichtig, da der Fahrer anhand dieser die Verpackungszahl ermitteln muss. Der Fahrer entnimmt eine entsprechende Anzahl an
Kennzeichnungselementen und liest die zugehörigen ID-Nummern der Transponder mit einem im Fahrerhaus integrierten RFID-Reader (125 kHz) ein. Die IDNummern werden auf dem Display angezeigt, automatisch den Bestelldaten zugeordnet. Nach Erfassung aller benötigten Transponder bestätigt der Fahrer dies
mit Hilfe einer entsprechenden Funktion, so dass die Zuordnung datentechnisch
abgeschlossen ist. In diesem Falle erfolgt eine direkte Datenübertragung über
WLAN in die Datenbank, in der der veränderte Datensatz abgespeichert wird. Anschließend werden die Kennzeichnungselemente dann den Entlademitarbeitern
übergeben, die diese während der Entladung an den IBC anbringen. Somit kann
im folgenden Prozess eine eindeutige Identifikation der Verpackungen erfolgen.
In einzelnen Fällen kommt es vor, dass die in den Bestelldaten angegebene Verpackungszahl nicht der realen Anzahl entspricht. In diesen Fällen hat der Fahrer
die Möglichkeit, nach Auswahl der zugehörigen Wechselbrückennummer, Verpackungen zu ergänzen oder bereits erfasste ID-Nummern wieder zu löschen.
Durch Auswahl der entsprechenden Funktion („Verpackungstransponder erfassen“) und Erfassung der ID-Nummern mit einem in seinem Fahrerhaus installierten Lesegerät erfolgt eine Ergänzung bzw. Änderung des Datensatzes. Die geänderten Daten werden direkt über eine WLAN-Verbindung in die Datenbank übertragen.
Die entladenen IBC werden anschließend, sofern sie nicht direkt für die Weiterverarbeitung vorgesehen sind, zunächst in einem Wareneingangslager zwischengelagert, bei Bedarf entnommen und der Reinigung oder der Zerlegung / Rebotteling zugeführt. Dazu überprüft der Fahrer die Kombinations-IBC visuell auf Reinigungsfähigkeit, insbesondere durch Prüfung des Zustands von Außenbehälter und
277
Palette sowie Kategorisierung der Restinhalte. Anschließend werden die Verpackungen auf das entsprechende Förderband aufgegeben, dass sie zur Reinigung
oder zum Rebotteling bzw. in den Zerlegebereich transportiert.
Zuordnung von Qualitätsinformationen (Qualitätsbewertung)
An der Qualitätsbewertung erfolgt - ebenso wie bei den Fässern - eine Zuordnung
der Qualitätsinformationen zu der Verpackungs-ID für die spätere Auswertung. Zu
diesem Zweck ist es erforderlich, an der Prüfungsstation geeignete HandLesegeräte (HLG) und Dateneingabemöglichkeiten (Tastatur) zur Verfügung zu
stellen. Mit Hilfe des HLG werden zunächst die Verpackungstransponder (IDNummern) erfasst. Anschließend erfolgt eine datentechnische Abfrage der zugehörigen Informationen (z. B. Bestellnummer, Lieferant) in der Datenbank. Die entsprechenden Informationen werden auf dem Display des HLG bzw. auf einem
Monitor angezeigt52. Dann erfolgt die Qualitätsprüfung durch den Werker. Dieser
bewertet, ob die Verpackungen vollständig sauber geworden und somit erneut
verwendbar sind, ob gegebenenfalls eine zweite Reinigung oder ein Rebotteling
bzw. eine Zerlegung des IBC erforderlich ist. In diesem Zusammenhang ist zunächst noch nicht von Bedeutung, ob nur einzelne Komponenten des IBC oder der
gesamte Behälter zerlegt und entsorgt werden. Diese Informationen werden zu
einem späteren Zeitpunkt erfasst und eingegeben.
Die Tastenbelegung für die Eingaben stellt sich folgendermaßen dar, es kann eine
einfach gestaltete Industrietastatur verwendet werden.
Tabelle 4-28:
Tastenbelegung für die IBC-Bewertung nach der Nassreinigung
Lfd. Nummer
Bezeichnung
Funktion
1
Eingabe o.k.
2
Zurücksetzen
Löschen und Zurücksetzen einer
Eingabe
3 bis 14
0, 1, 2, …, 9, ,, .
15
Verpackung gereinigt
Zuordnen einer erfolgreich
durchgeführten Reinigung
16
Erneute Reinigung
Zuordnen eines Auftrags für einen
erneuten Reinigungsvorgang
17
Rebotteling / Zerlegung
Zuordnen eines Entsorgungs- bzw.
Rebottelingauftrags
52
Dies erfordert eine serielle Anbindung des HLG an eine Workstation mit Monitor.
278
Die eingegebenen Informationen werden zu Kontrollzwecken auf dem Monitor
oder Display angezeigt. Erst nach Bestätigung der Eingabe wird der Datensatz in
der Datenbank ergänzt. Bei falscher Eingabe kann diese zurückgesetzt und wiederholt werden.
Nach Klassifizierung der Verpackungen erfolgt eine Aufteilung des Massenstroms.
Die wieder verwendbaren Verpackungen werden dem Warenausgangslager zugeführt. Bei diesen Verpackungen können nach der Eingabe der Qualitätsinformationen die Transponder entfernt werden. Bei allen anderen Verpackungen, die erneut
der Reinigung oder dem Zerlege- bzw. Rebottelingbereich zugeführt werden, werden die Transponder nicht entfernt, da sie für die spätere Identifikation der IBC
erneut benötigt werden.
Zerlegung / Rebotteling
Die nicht wieder verwendbaren IBC werden in einem separaten Bereich der Anlage einer erneuten optischen Kontrolle unterzogen. Dabei wird geprüft, ob der gesamte IBC zerlegt werden muss oder ob ein Rebottling möglich ist. Dies hängt im
Wesentlichen vom Zustand des Außenbehälters und des Ladungsträgers, auf dem
dieser befestigt ist, ab. Anschließend müssen die zugehörigen Informationen mit
Hilfe einer speziellen Tastatur eingegeben und der ID-Nummer des IBC zugeordnet werden.
Zunächst erfolgt eine Erfassung der ID-Nummer des Transponders mit Hilfe eines
Handlesegerätes, das seriell an eine Workstation angebunden ist. Die zugehörigen Informationen werden auf dem Monitor angezeigt. Anschließend erfolgt zunächst eine optische Prüfung des Außenbehälters (Gitterkorb), die über die weitere Verwendung des IBC entscheidet. Erst dann erfolgt eine Bewertung der Recyclingfähigkeit des Innenbehälters (Kunststoffblase), die im Wesentlichen von Grad
der Verschmutzung und vom letzten Inhaltstoff abhängt.
Auf Basis dieser Informationen entscheidet der Mitarbeiter, ob eine Zerkleinerung
zu Zwecken des anschließenden Recycling, eine Teilverwertung oder eine komplette Entsorgung des Innenbehälters erforderlich ist. Die entsprechende Information wird über eine Tastatur in das System eingegeben (Tabelle 4-29).
Tabelle 4-29:
Tastenbelegung für den Bereich Zerlegung / Rebotteling
Lfd. Nummer
Bezeichnung
Funktion
1
Eingabe o.k.
2
Zurücksetzen
Löschen einer Eingabe
279
Lfd. Nummer
Bezeichnung
Funktion
3 bis 14
0, 1, 2, …, 9, ,, .
15
Korb i.O., Unterboden Blase entfernt
16
Korb i.O., Blase schreddern
17
Korb i.O., Blase entsorgen
18
Korb defekt, Unterboden Blase entfernt
19
Korb defekt, Blase schreddern
20
Korb defekt, Blase entsorgen
Zuordnen eines Auftrags für die Wiederverwendung des Außenbehälters
(Korb) und Defintion der weiteren Behandlung des Innenbehälters (Kunststoffblase)
Zuordnen eines Auftrags für die Komplettentsorgung des Kombinations-IBC,
Definition der weiteren Behand-lung des
Innenbehälters (Kunststoffblase)
21
…
frei definierbare Funktionstasten für
die Fabrikatseingabe
(z. B. Schütz, Mauser)
Zuordnen eines Fabrikats zu einem
Datensatz
n
Zusätzlich ist es erforderlich, das Fabrikat bzw. den Hersteller datentechnisch zu
erfassen, da sich der Wert des IBC für den Rekonditionierer je nach Hersteller
stark unterscheidet. Daher muss eine zweite Eingabe erfolgen.
Wie bei der Qualitätsbewertung werden die eingegebenen Daten auf einem Monitor oder Display angezeigt und müssen vom Werker entsprechend bestätigt werden. Anschließend können die Aufbereitungsprozesse (z. B. Blase entfernen)
durchgeführt und die Verpackungstransponder abgenommen werden.
4.6
4.6.1
Softwareseitige Integration der RFID-Technologie
Voraussetzungen sowie Entwicklungs- und Testumgebung
Die technischen Voraussetzungen für die Implementierung der Lösungen in den
betrieblichen Ablauf (Pilotanwendung) stellen sich wie folgt dar:
Die Anwendung bildet die Bedienoberfläche für die Eingabe-, Erfassungs- und
Prüfmechanismen, die im Rahmen der Rekonditionierung von den Mitarbeitern
auszuführen sind. Sie wurde in der Programmiersprache Microsoft® Visual C#
.NET unter Nutzung der Entwicklungsumgebung Microsoft® Visual Studio .NET
2003 erstellt. Damit wird die Weiterverarbeitung der erfassten Daten in Microsoft®Standardsoftware (z. B. Access, Excel) unterstützt.
280
4.6.2
Entwicklung von Benutzeroberflächen
Auf Basis der beschriebenen Prozesse wurde eine softwareseitige Umsetzung des
Modells realisiert, um so eine Erprobung der Systeme in der betrieblichen Praxis
durchführen zu können. Grundlage für die Umsetzung ist eine genaue Beschreibung der Benutzeroberflächen für die Durchführung der Eingabe-, Erfassungsund Prüfvorgänge. Bei deren Gestaltung war darauf zu achten, dass eine einfache
Bedienung und leichte Verständlichkeit gegeben ist. Dies bedeutet, dass nur die
Informationen angezeigt werden, die für die Durchführung der Prozesse zwingend
erforderlich sind. Am Beispiel der Spundfass-Rekonditionierung sollen die Oberflächen dargestellt und beschrieben werden. Die Benutzeroberflächen für den Bereich der Kombinations-IBC finden sich im Anhang.
Entladung Spundfass
Nach Eröffnung einer neuen Entladung erfolgt eine Eingabe der WechselbrückenNummer (WB-Nummer) mittels Tastatur, die entsprechenden Bestelldaten werden
aus der Datenbank geladen und angezeigt (vgl. Abbildung 4-49).
281
Abbildung 4-49:
Anzeige der Bestelldaten nach Eingabe und Bestätigung der
WB-Nummer
Alternativ kann eine WB-ID eingelesen werden, sofern ein Identifikationssystem
für die Wechselbrücken vorgesehen ist.
Nach Anzeige der Bestelldaten wird mit der Entladung begonnen. Der Mitarbeiter
bestätigt dazu die Daten mit dem Button „OK“. Alle mit einem Transponder gekennzeichneten Verpackungen werden mittels Reader automatisch erfasst und
der Charge zugeordnet. Alle anderen Verpackungen werden manuell durch Wahl
der entsprechenden Kategorien-Taste eingegeben, wobei jede Verpackung einzeln bewertet wird. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Anzeige am Monitor
während der Entladung und Zuordnung.
282
Abbildung 4-50:
Zuordnung der Verpackungen während der Entladung
Nach Entladung der gesamten Charge beendet der Werker diese durch Druck auf
die Taste „Ende“. Damit ist die Entladung datentechnisch abgeschlossen.
Qualitätsbewertung Spundfass
Zunächst wird die ID-Nummer des Transponders ausgelesen, der Mitarbeiter kann
die Erfassung kontrollieren und bestätigen. Die zugehörigen Bestelldaten werden
aus der Datenbank geladen und angezeigt (vgl. Abbildung 4-51).
283
Abbildung 4-51:
Erfassung ID und Anzeige der Bestelldaten am Monitor
Anschließend erfolgt die Zuordnung der Qualitätsinformation durch Betätigung der
entsprechenden Taste auf einer speziell gestalteten Tastatur. Die Anzeige der Eingabe erfolgt zu Kontrollzwecken am Monitor und muss bestätigt bzw. korrigiert
werden (vgl. Abbildung 4-52). Nach Bestätigung erscheint automatisch wieder die
Startmaske, eine neue Entladung kann begonnen werden. Damit ist die Zuordnung der Qualitätsinformation datentechnisch abgeschlossen. Diese Information
kann dann zur weiteren Prozesssteuerung verwendet werden, z. B. für die
Aussschleusung von so genannten Kettenfässern oder zur Sortierung der Verpackungen nach Qualitäten. Dazu ist eine Anbindung der RFID-Systeme an einen
Leitstand / SPS erforderlich.
284
Abbildung 4-52:
Anzeige der eingegebenen Qualitätsinformation (Sorte) am Monitor
Entladung, Qualitätsbewertung, Zerlegung IBC
Ebenso wie für die Spundfässer aus Stahl wurden auch für den Bereich der Kombinations-IBC geeignete Benutzeroberflächen entwickelt und programmiert. Prinzipiell entsprechen die Abläufe und Prozesse denen bei Spundfässern aus Stahl,
so dass auf die detaillierte Darstellung verzichtet wurde. Auszugsweise sind die
zugehörigen Benutzeroberflächen im Anhang dargestellt (vgl. Anhang V).
4.6.3
Datenmodell und Datenbankentwicklung
Die an den Identifikationspunkten erfassten bzw. eingegebenen Daten müssen
strukturiert in einer Datenbank abgelegt und mit den vorliegenden Informationen
(Lieferantendaten, Bestelldaten) verknüpft werden.
In den meisten Fällen werden relationale Datenbanken genutzt, die mit Hilfe von
Entity-Relationship-Modellen (ERM) dargestellt werden können. Eine Erweiterung
des ERM ist das so genannte Structured Entity Relationsship-Model (SERM).
285
Während beim ERM der Fokus allein auf den Beziehungen zwischen und den Eigenschaften von Datenobjekttypen liegt, liegt er beim SERM zusätzlich auch auf
den Existenzabhängigkeiten zwischen den Datenobjekttypen.
Mit Hilfe der beschriebenen SERM-Systematik können große Datenschemata
strukturiert werden. Die nachfolgende Abbildung stellt die Struktur der in diesem
Projekt zu betrachtenden Datenbank mit Hilfe der SERM-Systematik dar.
WB_
Bestellung
Wechselbrücke
WB-Nr, BestNr,
Datum Abholung
WB-Nr, Breite, Länge, Höhe,
Datum Zulassung, Datum letzte Inspektion
LNr, Name, Konditionen,
Rabatte
BestNr, LNr, Datum
APosNr, BestNr, ArtNr, Menge
Artikel
(Verpackung)
Verpackungstyp
VTNr, Verpackungsart
Bestellposition
Bestellung
Lieferant
ArtNr, VTNr,
Bezeichnung, Größe
VerpackungsKategorie
Kategorie
KatNr, Bezeichnung, Beschreibung, Kostensatz
VKNr, ArtNr, KatNr,
Transp.-ID
Sorte
ZuordNr, VKNr, SorNr
SorNr, Bezeichnung, Vergütungssatz
Legende
Abbildung 4-53:
Verpackungskategorie_
Sorte
WB-Nr = Wechselbrückennummer
LNr = Lieferantennummer
VTNr = Verpackungstypnummer
KatNr = Kategorienummer
SorNr = Sortennummer
BestNr = Bestellnummer
ArtNr = Artikelnummer
APosNr = Auftragspositionsnummer
VKNr = Verpackungskategorienummer
ZuordNr = Zuordnungsnummer
Darstellung der Datenstrukturen (SERM)
Jedes der dargestellten Felder repräsentiert eine Datentabelle in der Datenbank.
Auf der linken Seite stehen die Stammdaten, die nicht oder nur sehr selten verändert werden. Dies ist bei Wechselbrücken, Lieferantendaten, Verpackungstypen,
Kategorien und Sorten der Fall. Hier können die Daten über geeignete Schnittstellen aus den vorhandenen Anwendungssystemen (z. B. ERP-Systeme) übernom-
286
men werden bzw. müssen einmalig in die Datenbank eingegeben werden. Eine
Aktualisierung ist nur bei Änderungen erforderlich.
Die Datensätze werden über Primärschlüssel eindeutig identifizierbar, die in der
Abbildung unter dem jeweiligen Datensatz unterstrichen dargestellt sind. Beispielsweise erfolgt eine Identifizierung der Wechselbrücken über eine eindeutige
Wechselbrückennummer (WB-Nr). Weitere Attribute, die die Wechselbrücken beschreiben, sind Breite, Länge und Höhe der Wechselbrücke, das Datum der Zulassung sowie das Datum der letzten Inspektion.
Die anderen Datensätze unterliegen Veränderungen, da sie temporäre Ereignisse
abbilden. Dies kann beispielsweise die Zuordnung einer Bestellung zu einem bestimmten Lieferanten sein, die über das Datenobjekt Bestellung dargestellt und
über die Bestellnummer (BestNr) identifiziert wird. Diese Bestellungen werden im
Rahmen des Datenobjektes WB_Bestellung den zugehörigen Wechselbrücken
zugeordnet. Dies ist die Grundlage für die Zuordnung der Verpackungen zu den
einzelnen Lieferanten, die somit über die Nummer der für den Transport genutzten
Wechselbrücke durchgeführt werden kann.
Die Bestellungen bestehen aus verschiedenen Bestellpositionen, die sich aus Artikeln eines bestimmten Verpackungstyps zusammensetzen. Die Artikel können
andererseits einer bestimmten Verpackungskategorie zugeordnet werden. Mögliche Kategorien wären hier beispielsweise rekonditionierfähig (Kategorie A), rekonditionierfähig nach Vorbehandlung (Kategorie B), prozessfähig (Kategorie C),
prozessfähig nach Vorbehandlung (Kategorie D) oder nicht prozessfähig (Kategorie E). In diesem Zusammenhang müssen den Verpackungen der Kategorie A, an
denen Transponder angebracht werden, auch die entsprechenden ID-Nummern
der einzelnen Kennzeichungselemente zugeordnet werden. Dies erfolgt im Datenobjekt Verpackungskategorie.
Innerhalb der Kategorie A (rekonditionierfähig) gibt es darüber hinaus verschiedene Sorten, die den Verpackungen im Rahmen der Qualitätsbewertung zugeordnet
werden. Dies wird über das Datenobjekt Verpackungskategorie_Sorte abgebildet.
Mit Hilfe der dargestellten Methodik konnte eine Abbildung aller wesentlichen Zusammenhänge erfolgen, die die Grundlage für die Auswertung und Nutzung der
erfassten Daten sowie für die Realisierung der Datenbank bildete.
Zur Realisierung wurde die Datenbank PostgreSQL genutzt. PostgreSQL ist ein
objektrelationales Datenbanksystem, das als Open-Source-Programm frei verfügbar ist und ohne Lizensierung genutzt werden kann. Als objektrelationales Datenbanksystem implementiert PostgreSQL die Speicherung von Daten, Vererbung
und Objektidentitäten und erlaubt Benutzern, das System um selbst definierte Datentypen, Operatoren und Funktionen zu erweitern. Die Unterstützung der referentiellen Integrität und ein fortschrittliches Transaktionsmanagement gehören eben-
287
falls zu den Leistungsmerkmalen von PostgreSQL, wie die Definition von Triggern
und Regeln, mit denen Zugriffe auf Datenbankobjekte gesteuert werden können
/POS 2006/.
PostgreSQL basiert auf einem Client-Server-Modell: Ein Serverprozess verwaltet
die Datenbankdateien sowie die Verbindungen, die von Client-Programmen zum
Server aufgebaut werden und bearbeitet die Anfragen, die von diesen ClientProgrammen gestellt wurden. Alle diese Aufgaben basieren bei PostgreSQL auf
dem Serverprogramm "postmaster“. Um mit diesem zu kommunizieren, können
unterschiedlichste Client-Programme genutzt werden. Mit einem Client-Programm
werden Verbindungen zum Datenbankserver aufgebaut und Aktionen in der Datenbank ausgeführt. Zur Programmierung von Client-Programmen bietet
PostgreSQL Schnittstellen zu ODBC und JDBC sowie zu zahlreichen Programmiersprachen /POS 2006/.
4.6.4
Datentechnische Schnittstellen
Die Integration der neuen Technologien und die Nutzung der erfassten Daten erfordert eine Anbindung der Hardware an die im Betrieb vorhandenen Softwarelösungen. In den Betrieben sind unterschiedlichste Anwendungssysteme vorhanden, mit denen die Aufträge, die Lieferanten- und Kundenstammdaten etc. erfasst
und verwaltet werden. Um eine weitere Nutzung dieser Systeme zu ermöglichen
und Doppeleingaben zu vermeiden, ist es erforderlich, einen Datenaustausch zwischen den vorhandenen Systemen und den zu implementierenden Technologien
zu realisieren. Im Idealfall kann dies durch Programmierung einer offenen Schnittstelle zu den vorhandenen IT-Systemen (z. B. ERP-, Dispositionssoftware) erfolgen, über die Daten zwischen der neu geschaffenen und der vorhandenen Software ausgetauscht werden.
Die Realisierung einer entsprechenden Schnittstelle ist jedoch nicht bei allen betrieblichen Anwendungssystemen ohne Weiteres möglich. Das Problem bei der
Schnittstellenprogrammierung besteht im konkreten Fall - am Beispiel der Blagden
Packaging Mendig GmbH & Co. - darin, dass zwischen der Installation des vorhandenen Systems und der Projektsoftware mehr als zehn Jahre liegen. Die im
Betrieb vorhandene Software der Firma Siemens-Nixdorf basiert auf dem Betriebsystem Unix, auf dem ein Crossbase-Interpreter arbeitet. Unter CrossBasic läuft
Comet, ein sehr bekanntes Softwarepaket, das von Nixdorf entwickelt wurde. Die
Daten unter Comet werden als indexsequentielle Dateien abgelegt, auf die von
außen, d. h. von einem anderen Rechnersystem (z. B. über ODBC53-Treiber), nicht
direkt zugegriffen werden kann.
53
Open DataBase Connectivity
288
Zur Nutzung dieser Daten im Rahmen des Pilotprojektes wurden entsprechende
Routinen innerhalb des Comet-Paketes zum Import und Export von Daten implementiert. Hierbei kommt zum Tragen, dass sich Comet auf individuelle Anforderungen von Seiten des Unternehmens anpassen lässt. Dadurch war es möglich,
die in Comet erfassten Auftrags-, Bestell- und Stammdaten in die neu geschaffene
Datenbank zu exportieren und so Doppeleingaben und Aufwand zu vermeiden.
Im konkreten Fall werden so vor allem die mit Comet erfassten Lieferantenstammdaten sowie die Bestelldaten mit Hilfe der entwickelten Routinen in die Datenbank
übertragen. Eine erneute Eingabe ist somit nicht erforderlich. Gleichzeitig bleibt
der Prozess für die Mitarbeiter unverändert. Sie können weiterhin in ihrer gewohnten Systemumgebung arbeiten, was sich positiv auf die Akzeptanz und den Projekterfolg auswirkt.
4.7
Durchführung und Auswertung der Pilotanwendung
Die im Rahmen des Projekts entwickelten Lösungen mussten in der Praxis erprobt
werden. Zu diesem Zweck wurden die konzipierten Lösungen zunächst hard- und
softwareseitig umgesetzt, um sie dann im konkreten praktischen Ablauf erproben
zu können. Dabei musste unter anderem überprüft werden, ob die Kennzeichnungssysteme und Softwarelösungen den Praxisbedingungen genügen und die
erhofften Nutzeneffekte generieren. Darüber hinaus diente die Praxisphase der
Schaffung von Akzeptanz bei den Mitarbeitern und wurde durch einen Einführungsworkshop eröffnet, bei dem den gewerblichen Mitarbeitern die entwickelten
Systeme vorgestellt und eingehend erläutert wurden.
Beschreibung des Anwendungspartners
Die Erprobung erfolgte, ebenso wie die Entwicklung der zugehörigen Lösungen, in
Zusammenarbeit mit dem Projektpartner Blagden Packaging Mendig GmbH & Co.
Die Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. ist Teil der Blagden Packaging
Group N.V. mit Sitz in Rumbeke (Belgien), die in Europa Marktführer im Bereich
Rekonditionierung ist. Bei der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. werden
auf einer Betriebsfläche von ca. 40.000 m2 und einer Produktionsfläche von mehr
als 6500 m2 mehr als 1,5 Millionen Emballagen im Jahr rekonditioniert, wobei
Spundfässer aus Stahl den größten Teil ausmachen. Zunehmend werden aber
auch Kombinations-IBC aufgearbeitet. Die Blagden Packaging Mendig GmbH &
Co. beschäftigt aktuell etwa 140 Mitarbeiter.
Beschreibung der erforderlichen Hardware
Zur Umsetzung der entwickelten Lösungen war die datentechnische Anbindung
der Hardware (z. B. Reader, Antennen) an den zuvor beschriebenen Identifikationspunkten innerhalb der betrieblichen Anlagen erforderlich. Zu diesem Zweck
289
wurden entsprechende Geräte beschafft und im Betrieb installiert. Dabei mussten
stationäre Reader (125 kHz) mit Antennen an Fassentladung und Qualitätsbewertung, Handlesegeräte im IBC-Bereich sowie ein entsprechendes Terminal und ein
Reader im Stapler für die IBC-Entladung vorgesehen werden. Außerdem war es
erforderlich, spezielle Tastaturen für die Dateneingabe an den Erfassungspunkten
zu installieren. Da es aus Kostengründen zu aufwendig war, spezielle Tastaturen
herstellen zu lassen, wurden Standard-PC-Tastaturen verwendet und für den
betreffenden Zweck umgerüstet. Dabei wurden einzelne Tasten je nach Bedarf mit
spezifischen Funktionen belegt und neu beschriftet. Alle nicht benötigten Tasten
wurden entfernt und / oder abgedeckt (vgl. Abbildung 4-54).
Abbildung 4-54:
Tastatur für den Bereich Entladung Spundfass
Zusätzlich wurde zur Durchführung der Pilotversuche eine ausreichende Anzahl
an Kennzeichnungselementen (Prototypen) für Fässer und IBC hergestellt. Anschließend konnte dann mit der Durchführung der Pilotphase begonnen werden.
Vorbereitung und Durchführung der Pilotanwendung
Im Vorfeld der Pilotanwendung erfolgte eine umfassende Erläuterung der Systeme
und Schulung der Mitarbeiter. In diesem Zusammenhang wurde besonderer Wert
auf den Abbau von Hemmnissen und Ängsten gelegt, um die Akzeptanz der neuen Technologien bei den Mitarbeitern zu fördern.
Abschließend erfolgte die praktische Erprobung der Systeme im Rekonditionierungsprozess. Zunächst wurde dabei der Bereich der Spundfassrekonditionierung
genauer untersucht, bevor anschließend anschließend die Lösungen im Bereich
der IBC-Reinigung und der -Zerlegung eingesetzt wurden.
290
Abbildung 4-55:
Auslesen von Fass-Transpondern
Besonderer Wert wurde auf die Handhabung der Kennzeichnungselemente, die
Erfassungsraten sowie die Verständlichkeit und Praxistauglichkeit der Softwareanwendungen gelegt. Nach Durchführung der Pilotanwendungen wurden daher
auch die Mitarbeiter nach ihren Erfahrungen befragt.
Auswertung der Pilotanwendung
Die bei der Erprobung gewonnenen Erkenntnisse lassen sich folgendermaßen
zusammenfassen:
Die entwickelten Kennzeichnungslösungen entsprechen den betrieblichen Anforderungen, insbesondere in Bezug auf die Handhabung und Beständigkeit gegenüber den prozesstechnischen Anforderungen (z. B. Befeuchtung, Temperatureinflüsse, etc.). Auch hinsichtlich der Bedienung der Software und Gestaltung der
Dateneingaben mittels Spezialtastaturen war ein positives Feedback der Mitarbeiter festzustellen. Die anfängliche Zurückhaltung und Skepsis gegenüber den neuen Technologien konnte schnell abgebaut werden, da sich für den einzelnen Mitarbeiter der grundsätzliche Prozessablauf kaum verändert.
Einzig im Bereich der IBC-Entladung ist aufgrund zusätzlicher Prozesse, wie beispielsweise dem Einlesen der Verpackungstransponder, eine Mehrarbeit erforderlich, die zu Beginn zu größeren Akzeptanzproblemen führte. Im Laufe der Erprobungsphase wirkte sich die zunehmende Routine aber auch hier positiv aus.
Die durch die neuen Technologien gewonnenen Daten und Informationen können
dazu genutzt werden, ohne zusätzlichen Personaleinsatz umfangreiche Auswertungen zu generieren. Zu diesem Zweck können die gewonnenen Daten mit geringem Aufwand in MS Excel exportiert und grafisch oder tabellarisch ausgewertet
werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt eine solche Auswertung. Im speziellen
Fall handelt es sich um eine begonnene Monatsauswertung für einen bestimmten
Lieferanten. Ebenso können chargenbezogene Auswertungen erstellt werden, die
291
es ermöglichen, auf Basis genauer Verpackungsmengen die Lieferantenvergütungen zu ermitteln werden.
Lieferanten-Waren-Beurteilung
Qualitätsprofil
Datum WE Bemerkung
S1
S2
S3 oder D
IL
SF
1. Sorte
2. Sorte
Deckelfass
Innenlack
Kombifass
Neutral.
KG
Verkauf
AVV 150104 AVV 150110 AVV 150110 AVV 150110 Schredder
Poly / Stahl
Stahl
Poly <110 l Poly > 110 l
Stahl
Poly
Schredder
Brenn
IBC
gesamt
Stahl
Übertrag
0
21-Feb-06
2060
439
579
359
30
212
0
1
12
0
0
31
88
247
237
0
4295
22-Feb-06
1650
454
409
510
34
154
0
14
7
0
0
92
0
2
160
0
3486
23-Feb-06
1336
372
242
323
0
56
0
0
95
14
0
397
68
67
54
0
3024
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
gesamt
5046
Quote %
46,70%
1265
11,71%
1230
11,38%
1192
11,03%
Summe Schrott + Minderwertig (Spalte E-R):
64
0,59%
422
3,91%
0
0,00%
15
0,14%
114
1,06%
14
0,13%
0
0,00%
520
4,81%
156
316
1,44%
2,92%
Schredder
Schredder
0
0,00%
10805
100,00%
37,42%
6000
5000
Stück
4000
3000
2000
1000
0
S1
S2
Abbildung 4-56:
S3 oder D
IL
SF
Neutral.
KG
Verkauf
AVV 150104
AVV 150110
AVV 150110
AVV 150110
Brenn
IBC
Beispiel einer lieferantenspezifischen Auswertung
Erstmals steht den Unternehmen damit eine vollständige, beweissichere und personalarme Möglichkeit der Datenauswertung zur Verfügung, die dazu beitragen
kann, die Kosten im Bereich der Beschaffung und Verpackungsentsorgung deutlich zu reduzieren. Zusätzlich kann durch Beeinflussung des Lieferantenverhaltens
infolge der verursachungsgerechten Zuordnung von Qualitätsmängeln, Restinhalten etc. eine weitere Verbesserung erreicht werden.
4.8
Zusammenfassung und Bewertung der Erkenntnisse
Im Rahmen der Systementwicklung und -erprobung konnte gezeigt werden, dass
die Realisierung einer innerbetrieblichen, temporären Verpackungskennzeichung
durch Einsatz von RFID-Systemen große Nutzenpotenziale für die Unternehmen
generieren kann. Mit Hilfe des entwickelten Systems ist es möglich, den Personalaufwand insbesondere im Bereich der Datenerfassung und -auswertung bei
gleichzeitiger Verbesserung der Datenqualität deutlich zu reduzieren. Zusätzlich
können große Restmengen oder problematische Inhaltstoffe dem Verursacher
zugeordnet werden, was neben der Kostenreduzierung in den Rekonditionier-
292
betrieben auch eine steuernde Wirkung im Hinblick auf das Lieferantenverhalten
haben kann.
Im Hinblick auf die Systemtechnologie sind niederfrequente Systeme zu bevorzugen, die unter den gegebenen Kennzeichnungsbedingungen und unter Berücksichtigung der Systemkosten am Besten geeignet sind. Die Anforderungen an die
Zuverlässigkeit und Reichweite konnten voll erfüllt werden. Zur Anbringung der
Transponder im Rahmen der innerbetrieblichen, temporären Kennzeichnung sind
wurden spezielle Lösungen entwickelt, deren Einsatz sich im Rahmen der praktischen Erprobung bewährt hat.
Durch Entwicklung einer geeigneten Softwareumgebung konnte zusätzlich eine
Integration der Systemkomponenten in die Systemstruktur eines Rekonditionierbetriebs realisiert werden. Durch Anpassung der Software und Schnittstellen an
die betrieblichen EDV-Systeme ist eine Nutzung der Daten im Rahmen der betrieblichen Anwendungen möglich, so dass sich der innerbetriebliche Aufwand für
die Datenerfassung weiter reduziert.
Bei zusammenfassender Wertung der Ergebnisse ist festzustellen, dass die zu
Beginn des Projektes genannten Zielsetzungen erfüllt werden konnten. Den Unternehmen der Branche steht eine Lösung, bestehend aus Softwaretools und
Hardwareempfehlungen zur Verfügung, die bei entsprechender Anpassung an die
unternehmensinternen Prozesse auf viele Betriebe der Branche adaptierbar ist.
293
Entwicklung von Instrumenten zur Bewertung der Rekonditionierfähigkeit starrer Verpackungen
5 Entwicklung von Instrumenten zur Bewertung der Rekonditionierfähigkeit starrer Verpackungen
5.1
5.1.1
Berührungsloses Erkennungssystems zur Ermittlung des
Verformungs- und Verbeulungszustandes von Stahlfässern
Beschreibung der Zielsetzung und Aufgabenstellung
Stahlfässer weichen nach der Benutzung oftmals erheblich von ihrer im Neuzustand ideal zylindrischen Form ab. Vom erstmaligen Gebrauch bis zur Entleerung
und Rückgabe an einen Rekonditionierbetrieb können Monate, manchmal auch
Jahre vergehen. In dieser Zeit ist ein Fass den rauen Bedingungen in industrieller
Umgebung und unter freiem Himmel ausgesetzt. Neben den Witterungseinflüssen
können auch erhebliche Beschädigungen durch Transport-, Umschlag- und Lagervorgänge auftreten (vgl. Abbildung 5-1).
Abbildung 5-1:
Beispiele für TUL-Belastungen
Folge dieser Transport-, Umschlag- und Lagerbelastungen (TUL-Belastungen)
können erhebliche Deformationen und sonstige Schäden an den Verpackungen
sein. Die Praxis hat gezeigt, dass Beulen und andere Schäden (z. B. Stauchungen, Knicke) häufig in großer Anzahl sowie von erheblichen Ausmaßen über dem
gesamten Fassmantel einschließlich der Zargen verteilt sind (vgl. Abbildung 5-2).
Verformungen an Ober- und Unterboden kommen dagegen eher selten vor und
meist in Kombination mit anderen Schäden.
294
Abbildung 5-2:
Aufgrund von Stauchung bzw. Knick ausgesonderte Verpackungen
Die im Rahmen dieser Forschungsarbeit durchgeführten Untersuchungen haben
gezeigt, dass leichte Beulen ohne „scharfe“ Knicke, also mit einer nur geringen
Richtungsänderung des Bleches im elastischen Verformungsbereich, nahezu vollständig entfernt werden können. Ab einem größeren Verformungsgrad (im überwiegend platischen Verformungsbereich) bleiben nach der Rekonditionierung allerdings Restbeulen zurück, die den Wert der Verpackungen reduzieren und dazu
führen, dass eine Vermarktungsfähigkeit nicht mehr gegeben ist.
Aktuell erfolgt die Ermittlung der Rekonditionierfähigkeit durch visuelle Bewertung
der Verpackungen hinsichtlich ihres äußeren Zustands direkt bei der Entladung im
Rekonditionierbetrieb. Kriterien der Ausschleusung sind dabei im Wesentlichen die
Materialstärke, das Aussehen der Zargen, Stauchungen, Löcher im Blech, Knicke
in den Mantelflächen und der Verbeulungszustand. Während die Materialstärke
(anhand der Prägung bzw. Kennzeichnung), Stauchungen, Löcher und Knicke
eindeutig klassifiziert werden können, wird der Verbeulungszustand ausschließlich
nach dem Gefühl und nach der Erfahrung der Mitarbeiter subjektiv beurteilt. Diese
Inaugenscheinnahme in kurzer Zeit liefert daher nicht annähernd reproduzierbare
Ergebnisse.
Aus den genannten Gründen kommt es vor, dass ein größerer Anteil an Verpackungen in späteren Prozessstufen ausgeschleust werden muss, weil sie nicht
den Qualitätsanforderungen entsprechen und z. B. Restbeulen vorhanden sind. Es
mangelt daher insbesondere an Hilfsmitteln und Instrumenten zur objektiven Bewertung des mechanischen Zustands der Verpackungen, die eine sichere Ausschleusung nicht verwendbarer Verpackungen im Vorfeld des Rekonditionierungsprozesses ermöglichen und auf diese Weise dazu beitragen, unnötigen Bearbeitungsaufwand zu vermeiden.
Ein wichtiges Kriterium zur Beurteilung der Rekonditionierfähigkeit von Stahlverpackungen ist neben dem Verbeulungszustand aber auch die Materialstärke, die
die mechanische Stabilität maßgeblich beeinflusst. In diesem Zusammenhang
295
wurde zu Beginn der Forschungsarbeiten eine umfassende Analyse durchgeführt,
welchen Einfluss die Materialstärke auf die Rekonditionierfähigkeit hat. Dabei wurden Neufässer mit verschiedenen Materialstärken (Ober- und Unterboden zwischen 1,5 und 0,9 mm, Mantelstärken zwischen 1,0 und 0,7 mm) untersucht und
dem Rekonditionierungsprozess zugeführt. Es zeigte sich, dass Verpackungen mit
Blechstärken kleiner als 0,8 mm für die Rekonditionierung nicht geeignet sind, da
an diesem nach dem Ausbeulungsprozess mit Druckluft (bis zu 5 bar Druck) zum
Teil erhebliche Schäden vorhanden waren. Diese reichen von Deformationen infolge des Überdrucks im Inneren bis zu großen Rissen im Fassmantel.
Diese Feststellung deckt sich auch mit den Erfahrungen der Mitarbeiter am Wareneingang. In der Praxis werden Verpackungen mit Blechstärken kleiner als
0,8 mm direkt vom Prozess ausgeschleust, was neben der geringen Stabilität
auch an dem fehlenden Markt für dünnwandige rekonditionierte Stahlfässer begründet ist. Eine Identifikation der auszuschleusenden Verpackungen erfolgt dabei
durch die am Fass vorhandene Prägung bzw. Kennzeichnung (z. B. die Zulassungsnummer), aus der eindeutig die Materialstärke zu bestimmen ist.
Letztlich bleibt aber die Frage, in wie fern die Durchführung der Rekonditionierungsprozesse einen Einfluss auf die Materialstärke hat bzw. gegebenenfalls zur
Reduzierung der Materialstärke führt. In jedem Rekonditionierungsprozess ist ein
geringer Materialabtrag durch die Strahlung der Gebinde mit abrasivem Strahlmittel zu befürchten.
Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Neufässer (sauber, ohne Lack)
mehrfach gestrahlt und verwogen. Eine Materialstärkereduzierung war im Rahmen
der erforderlichen Messgenauigkeit jedoch nicht festzustellen. Daher wurde davon
ausgegangen, dass der Materialabtrag in Folge der Rekonditionierprozesse zu
vernachlässigen ist, so dass eine Materialstärkemessung nicht erforderlich ist. Mit
Hilfe magnetisch-induktiver Sensoren wäre diese allerdings relativ einfach realisierbar.
Ein weiterer Grund, warum von einer Materialstärkemessung abgesehen wurde,
besteht darin, dass die Anzahl der Umläufe in natürlicher Weise abhängig ist von
der Materialstärke. Verpackungen mit großer Materialstärke (z. B. 1,2 mm) sind
insgesamt wesentlich stabiler als Verpackungen mit geringen Wandstärken, so
dass die Verbeulung insgesamt weniger ausgeprägt ist als bei dünnwandigen
Verpackungen. Insofern kommt es oft vor, dass Verpackungen mit weniger als
1,0 mm Wandstärke bereits nach wenigen Umläufen so stark verbeult sind, dass
sie vom Rekonditionierungsprozess ausgeschlossen werden müssen.
Die Untersuchungen konzentrierten sich somit auf die Entwicklung eines Instruments zur Ermittlung kritischer Verbeulungs- und Verformungszustände bei Stahlfässern, die die Rekonditionierfähigkeit maßgeblich beeinflussen.
296
Die Forderung nach Objektivität und konstanter Qualität führte zu dem Ansatz, an
dieser Stelle ein automatisches Erkennungssystem einzusetzen. Mit diesem sollte
es erstmals möglich sein, den äußeren Zustand eines Fasses vollständig zu erfassen, zu protokollieren und somit kritische Abweichungen in Abhängigkeit wählbarer Parameter von der idealen zylindrischen Form zu erkennen. Ziel war es somit,
unter Berücksichtigung oben aufgeführter Forderungen, ein automatisches und
berührungsloses Erkennungssystem zu entwickeln, der es mittelständischen Unternehmen der Branche ermöglicht, ihre Prozess- und Verpackungsqualität nachhaltig zu optimieren.
Um Anschaffungs- und Betriebskosten dieses neuen Anlagenteils zu minimieren,
wurden im Folgenden nur Lösungen betrachtet, die einen geringen Wartungsaufwand aufweisen und deren Neuanschaffung sich schnell amortisiert. Ein niedriger
Wartungsaufwand wird in diesem Zusammenhang erreicht, in dem man Bauteile
verwendet, die sich im Anlagenbau bewährt haben, wenige Verschleißteile besitzen und leicht zu installieren sind.
5.1.2
Anforderungen an das System
Die Anforderungen an das zu entwickelnde Instrument bzw. die Anlage können
grundsätzlich in prozessbezogene, technische, qualitative und wirtschaftliche Anforderungen unterteilt werden.
Prozessbezogene Anforderungen
Bei einem Tagesdurchsatz von bis zu 5000 Fässern, die parallel auf drei Linien
verarbeitet werden, sowie einer Schichtdauer von 8 Stunden ergibt sich eine maximal zulässige Taktzeit von 17,28 Sekunden für die Vermessung eines Fasses.
Nach den bisherigen Untersuchungen im Rekonditionierungsprozess sollte die
Analyse eines Stahlfasses jedoch höchstens 15 Sekunden in Anspruch nehmen,
um Verzögerungen in den nachfolgenden Prozessstufen zu vermeiden. Die Vermessung ist dabei Teil der Eingangsprüfung, die unmittelbar nach der Entladung
und Restentleerung erfolgt.
Sollen Fässer unterschiedlicher Qualität angeboten werden, muss deren Verbeulungsgrad dokumentiert werden. Für eine optimale Organisation ist daher eine
Speicherung in einem Datenbanksystem empfehlenswert. Eine Identifikation ist
durch die Reihenfolge der Fässer von gegeben, da diese nacheinander bearbeitet
werden. Zusätzlich kann die Identifikation über das in Kapitel 4 beschriebene Identifikationssystem erfolgen.
297
Technische Anforderungen
Auf eine Anlage wirken in industrieller Umgebung unterschiedliche Einflüsse.
Staub und Schmutz sind von Anlagenteilen und der Steuerung fernzuhalten. Ein
spritzwassergeschützter Aufbau sensibler Komponenten ist im Hinblick auf Reinigungsarbeiten unbedingt erforderlich. Des Weiteren ist die Anlage so zu entwickeln, dass alle Grenzwerte der EMVG und der 26. BImSchV eingehalten werden.
Das heißt, dass die Anlage auch bei elektromagnetischen Emissionen anderen
Anlagen störungsfrei arbeiten muss und selbst keine zu hohen Störpegel aussenden darf.
Bei der Projektierung einer Anlage ist auf Betriebssicherheit zu achten. Hier sind
insbesondere die VDE-Vorschriften anzuwenden.
Qualitative Anforderungen
Aus den Anforderungen an die Verpackungsqualität lassen sich unmittelbar auch
weitere Anforderungen an das Erkennungssystem ableiten. Ermittelt werden müssen die Verbeulungstiefe (wie stark das Fass durch eine Beule verformt ist) und
der Verbeulungsgrad (Anzahl der Beulen pro Fass). Diese Parameter sollten möglichst frei definierbar sein, um so individuellen Anforderungen zu entsprechen.
Der Fassmantel besitzt eine Oberfläche von rund 15.000 cm². Um beispielsweise
Beulen mit einer Grundflächenoberfläche von 3 cm zu erkennen, muss das System eine Abtastrate von rund 1 mHz aufweisen. Damit das Abtasttheorem nicht
verletzt wird und notwendige Latenzzeiten für die Informationsverarbeitung ermöglicht werden, ist eine Abtastrate der Sensoren im kHz-Bereich sinnvoll.
Wirtschaftliche Anforderungen
Die Verschärfung von Umweltauflagen und ständige Veränderungen des Marktes
zwingen die Betreiber von Rekonditionierungsanlagen zu flexiblen und wirtschaftlichen Lösungen. Neuanlagen müssen demzufolge modern, aber auch kostengünstig in Anschaffung und Betrieb sein. Die Kosten der Eingangskontrolle bestehen
bei konventionellen Anlagen und einem Tagesdurchsatz von bis zu 5000 Fässern
pro 8-Stunden-Schicht nahezu vollständig aus den Kosten der Arbeitsplätze, also
aus Lohnkosten und den Kosten zur Bereitstellung des Arbeitsplatzes nach
ArbSchG und ArbStättV. Die Lohnkosten sind hierbei durch eine relativ geringe
Eingangsqualifikation, große Erfahrung und mittlere bis schwere körperliche Arbeit
bestimmt. Durch Verwendung eines automatischen Vermessungssystems können
die Belastungen des Arbeitnehmers durch die monotone und körperlich schwere
Arbeit reduziert werden, eine flexiblere Nutzung des humanen Kapitals wird somit
ermöglicht.
298
Um die Anschaffungskosten zu reduzieren und den Wartungsaufwand zu minimieren, ist die Verwendung standardisierter Komponenten und ein standardisierter
Aufbau der Anlage notwendig.
5.1.3
Stand der Technik
Ausgehend von diesen Anforderungen wurden nachfolgend verschiedene technische Varianten genauer analysiert. Die wichtigste Komponente der Vermessungsanlage stellt der sensorische Teil dar. Aus den wirtschaftlichen, technischen und
zum Teil auch prozessbezogenen Anforderungen ergibt sich, dass nur berührungslose Sensoren sinnvoll eingesetzt werden können. Die Funktionsweise verschiedener Lösungsmöglichkeiten wird im Folgenden vorgestellt.
5.1.3.1
Magnetisch / Induktive Systeme
Bei magnetischen Sensoren nutzt man die Natur des magnetischen Feldes. Wird
in ein magnetisches Feld ein ferromagnetisches Element, zum Beispiel eine Stahlplatte, eingeführt, so verändert sich der Verlauf des magnetischen Feldes. Diese
Änderung kann man durch Messspulen oder Hallsensoren messen /NIE 2001/.
Induktivitäten, die ein magnetisches Feld verursachen, kann sowohl mit Gleich- als
auch mit Wechselspannung betreiben werden. Beim Betrieb mit Gleichspannung
wird das resultierende Feld erfasst und Veränderungen interpretiert. Voraussetzung jedoch ist ein wirksames Magnetfeld auf der zu untersuchenden Oberfläche.
Dies soll kurz durch theoretische Überlegungen verdeutlicht werden:
Magnetfelder werden durch Ströme verursacht. Die Abhängigkeiten sind durch
das Gesetz von Biot-Savart beschrieben /NIE 2001/.
r µ 0 Id l × r r
dB =
4π
r²
(Gleichung 7)
mit
B
Magnetische Flussdichte
I
Leiterstrom
r
Abstand Leiterstück zu x - Koordinate
μ0
Magnetische Feldkonstante
Als Modell für eine Spule nehme man zunächst eine Leiterschleife, in der ein
Strom I fließt. Das resultierende Magnetfeld in Rotationsrichtung auf der Rotationsachse im Abstand x lässt sich nach Umstellen von (Gleichung 7) folgendermaßen angeben:
299
µ
R²
Bx = 0 I
2 ( x ² + R ²)3 / 2
(Gleichung 8)
mit
R
Radius der Leiterschleife
x
Abstand auf der x-Achse
Bei kritischer Betrachtung von (Gleichung 8) stellt man fest, dass das Magnetfeld
vom Abstand x bei hinreichend kleinem Radius mit 1 / x3 abhängt. Für die Realisierung einer ausreichenden Induktivität werden mehrere Leiterschleifen auf einen
Spulenkörper gewickelt. Diese Maßnahme verstärkt zwar das magnetische Feld,
die Abhängigkeit von x ist jedoch weiter gegeben, so dass sich gerade für größere
Abstände nur geringe Selektivität ergibt.
Ein bewährtes Verfahren bei induktiven Sensoren ist die Bestimmung der Güte Q
eines Schwingkreises, die sich folgendermaßen ergibt.
Q=
ωL
R
(Gleichung 9)
ω bezeichnet dabei die Frequenz, L die Induktivität und R den Widerstand des
Schwingkreises.
Ändert sich der Abstand des Prüflings zum Schwingkreis, so ändert sich die
Schwingungsamplitude. Ein Maximalwert ist einfach zu messen und ein Komparator kann ein Unter- oder Überschreiten feststellen. Bei Aufnahme einer Kennlinie
ist jedoch festzustellen, dass die Abhängigkeit der Schwingkreisgüte stark nichtlinear ist /SCHN 1998/. Auswertbare Daten lassen sich nur im Bereich weniger Millimeter ermitteln. Deshalb eignen sich solche Sensoren eher als Näherungsschalter denn als Messsysteme.
Um über einen größeren Messbereich annähernd konstante Messwerte zu erhalten, werden Drosselspulen mit Tauchanker verwendet (vgl. Abbildung 5-3). Solche
Sensoren haben sich bei vielen Anwendungen bewährt und werden am Markt zu
niedrigen Preisen bei hoher Qualität angeboten. Durch Einführen des Tauchankers wird der magnetische Widerstand verändert, da der Tauchanker eine wesentlich höhere Permeabilität hat als Luft. Der Messbereich wird hierbei vor allem
durch die Länge der Drosselspule bestimmt. In der Praxis haben sich aber auch
hier nur Messspannen von 1 bis 30 mm durchgesetzt /NIE 2001/.
300
Abbildung 5-3:
Drosselspule mit Tauchanker
Zusammengefasst bieten induktive Sensoren viele Vorteile, z. B. hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und geringen Preis. Zudem sind sehr kleine Sensorbauformen
möglich, wobei ihr Einsatz besonders für ferromagnetische Messobjekte optimiert
ist. Als Nachteil hat sich der geringe Messbereich erwiesen, der bei ferromagnetischen Werkstoffen 15 mm, bei nichtferromagnetischen sogar nur 10 mm beträgt
/SCHN 1998/.
5.1.3.2
Ultraschall-Sensoren
Das Prinzip der Distanzmessung mit Ultraschall basiert auf der Laufzeitmessung
elektromagnetischer Wellen. Bei der aktiven Distanzmessung wird die Welle von
einem Messgerät ausgesendet, am entfernt gelegenen Messpunkt reflektiert und
im Messgerät mit der ausgesandten Welle verglichen. Bei der passiven Distanzmessung wird das Wellensignal eines entfernten Senders empfangen und die
Laufzeit mit einer Uhr im Empfänger bestimmt.
Abbildung 5-4:
Prinzip der Ultraschall-Laufzeitmessung (nach /SCHN 1998/)
301
Wie bereits erwähnt, arbeiten Ultraschallsensoren nach dem Prinzip der Laufzeitmessung des Schalls, die in Luft ca. 344 m/s beträgt. Verglichen mit anderen
Messtechniken ist das Ultraschallverfahren sehr robust. Ultraschall durchdringt
auch schmutzige Umgebungen und wird von fast allen Oberflächen reflektiert. Dadurch ist es völlig unabhängig von Material, Farbe und Struktur des abzutastenden
Objektes.
Ultraschallsensoren werden vorwiegend im Maschinenbau und in der Verfahrenstechnik zur Distanzmessung, als Näherungsschalter sowie zur Raumüberwachung
eingesetzt. Sie haben bis Ende des 20. Jahrhunderts aber auch erhebliche
Verbreitung bis in den privaten Bereich erfahren. Sie finden z. B. Einsatz in Autofokus-Kameras, bei denen mittels Entfernungsmessung automatisch die Schärfe
eingestellt werden kann.
Ultraschall- und elektrooptischen Messgeräte mit geringen Genauigkeitsanforderungen arbeiten durch einfaches Anstrahlen eines Zielpunktes. Bei den elektrooptischen Entfernungsmessern werden zur Reichweitenerhöhung und zur Präzisionssteigerung Reflektoren am Zielpunkt angebracht. Als Reflektoren dienen Glasprismen, welche den Laserstrahl des Messgerätes in die gleiche Richtung zurückspiegeln. Das reflektierte Signal wird im Messgerät mit dem ausgesendeten Signal
verglichen: Beim Impulsverfahren wird die Laufzeit t des Signals gemessen. Die
Geräte bestehen aus Sender, Empfänger (mit Verstärker) und Zeitmesser (Intervallzähler). Die Distanz D folgt aus
D=
c⋅t
2
(Gleichung 10)
wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit c von der Brechzahl n des Mediums abhängt (für Licht in Bodennähe gilt in etwa n = 1,00027) /SCHN 1998/.
Das Phasenverfahren vergleicht stattdessen die Phasenlage der ausgesandten
und der zurücklaufenden Wellen. Ist D größer als deren Wellenlänge, wird das
Ergebnis mehrdeutig und durch mehrere Sendefrequenzen gelöst, wie beispielsweise beim Heterodynphasenschieben.
Schallwellen in Luft sind Longitudinalwellen, deren Ausbreitungsgeschwindigkeit in
Luft bei einer Temperatur von 20 °C und einem Luftdruck von 1 bar 344 m/s beträgt. Die Parameter Temperatur und Druck beeinflussen die Schallgeschwindigkeit wesentlich, wie Abbildung 5-5 zu entnehmen ist.
302
Abbildung 5-5:
Schallgeschwindigkeit in Abhängigkeit zu Druck und Temperatur
(aus /SCHN 1998/)
Als Kompensation von Luft- oder Druckschwankungen sind also weitere Sensoren
nötig, die ihre Messwerte einer analogen oder digitalen Auswertung zuführen. Eine
weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines ortsnahen Referenz-Ultraschallsensors. Hierbei ist bei der Installation aber sehr genau darauf zu achten, dass der
Messsensor nicht gestört wird. Sind Reflexionen nicht auszuschließen, z. B. in
kleinen Räumen, so müssen auch diese Sensoren durch eine intelligente Elektronik anzusprechen und auszulesen sein. Eine Möglichkeit bietet hier die Modulation
der Sensoren mit unterschiedlichem Puls-Pausenverhältnis.
Sind die oben genannten Fehlerquellen beseitigt, so eignen sich Ultraschallsensoren für weite Messbereiche von wenigen Millimetern bis zu 6 Meter /SCHN 1998/.
Ebenso wird die Schallgeschwindigkeit durch einzelne Fremdkörper in der Luft wie
Staub, Schmutz oder Nebel nicht beeinträchtigt.
Da auch Licht dieses Messprinzip nicht beeinflusst, können auch Messobjekte von
verschiedenem Material vermessen werden. Das betrifft auch unterschiedlich farbige, transparente und glänzende Objekte. Aufgrund der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen und der Auswerteelektronik sind Ultraschallsensoren relativ langsam, so dass die Abtastrate in vielen Katalogen erst gar nicht angegeben
wird.
Des Weiteren funktioniert die Temperaturkompensation nur in relativ kleinen Temperaturbereich von etwa 50°C. Das führt zu Problemen mit sehr heißen oder kalten Objekten. Bezogen auf die Fassvermessung bedeutet dies, dass Fässer erst
in einer Halle die Hallentemperatur annehmen müssen, wenn sie sich während
303
des Transportes im Sommer sehr aufgeheizt oder im Winter stark abgekühlt haben.
5.1.3.3
Optische Systeme
5.1.3.3.1
Laserscanner
Zur berührungslosen Abtastung einer Kontur bieten sich Laserscanner an. Sie bestehen aus einer Sende- und Empfangsoptik, die in einem gemeinsamen Sensorgehäuse von geringer Größe vereint sind sowie einer separaten Auswerteelektronik. Auf dem Markt erhältlich sind Laser-Punktscanner und Laser-Linienscanner.
Beide nutzen das Prinzip der optischen Triangulation, bei der Entfernungen und
Strecken über Winkelbeziehungen ermittelt werden.
Bei der automatischen Messung muss dafür gesorgt werden, dass die Reflexionseigenschaften des Objektes bekannt sind. Dies wird zum Beispiel bei der Geodäsie durch einen Spiegel erreicht. Bei unbekannten Objekten, die Licht diffus reflektieren, werden Lochblenden verwendet, die so die Auswertung nur eines reflektierten Lichtstrahls ermöglichen. Eine andere elegantere Lösung bietet die Lateraleffektdiode (position sensitive detector; PSD). Bei der PSD handelt es sich um eine
Fotodiode mit streifenförmigen, lichtempfindlichen Substrat (vgl. Abbildung 5-6).
Abbildung 5-6:
Position Sensitive Detector (PSD);
(oben: Ansicht, unten: Ersatzschaltbild)
Die Leitfähigkeit des Substrates hängt von dem Ort des Auftreffens des Lichtstrahls ab. Dabei ist es unerheblich, wie groß der Leuchtpunkt ist. Die Widerstandsverteilung kann aus Abbildung 5-6 abgeleitet werden. Messtechnisch können man die Widerstandswerte durch die Teilströme an den Klemmen X1 und X2
304
bestimmt werden. Der Punkt p1 lässt sich dann aus dem Widerstandsverhältnis
ermitteln. Besonders hervorzuheben ist, dass Fremdlicht bzw. Schwankungen der
Strahlungsleistung keinen Einfluss auf die Auswertung haben. Die Länge des
Substrates muss jedoch dem Messbereich angepasst sein. So erfordern große
Messbereiche große Substratflächen, die die Schaltgeschwindigkeit herabsetzen
können. Jedoch betragen die Schaltzeiten bei herkömmlichen Lateraleffektdioden
500 ns bis 50 µs /SCHN 1998/.
Eine aufwendigere Methode zur Bestimmung eines Leuchtpunktes ist das Auslesen eines CCD-Arrays (charged-coupled-devices). Prinzipiell funktioniert ein CCDSensor wie eine Fotodiode mit ausgedehnter Substratfläche. Durch Licht angeregte Elektronen werden seriell mittels Elektroden durch das Substrat geführt und am
Substratende ausgelesen. Ein CCD-Array besteht aus mehreren Elektrodenreihen
wie sie in Abbildung 5-7 dargestellt sind /SCHN 1998/.
Abbildung 5-7:
Funktionsweise eines CCD-Arrays (charged-coupled-devices)
Auf diese Weise wird eine lichtempfindliche Substratoberfläche realisiert, die seriell auslesbar ist. Es eignet sich somit eine Integration in ein digitales System mit
Signalprozessor. CCD-Sensoren werden sehr häufig in digitalen Kameras verwendet. Sie werden in großen Stückzahlen hergestellt und sind dadurch in den
letzten Jahren sehr kostengünstig geworden.
305
5.1.3.3.2
Bildverarbeitung
Die Bildverarbeitung stellt eine Schlüsseltechnologie in der Automatisierungstechnik dar, die durch immer schnellere Rechnersysteme ab Mitte der Neunziger Jahre
steigende Bedeutung errang und mittlerweile besonders in der Automobil- und
Elektroindustrie angewendet wird /VDMA 2001/. So begann die damalige DaimlerBenz AG im Jahre 1994 mit der Erforschung eines optischen Messsystems, „das
die Rückführung von realen Bauteilen in digitale Daten unter Werksbedingungen
bei geringem apparativem Aufwand und mit hoher Genauigkeit ermöglicht“ /WIO
2001/ /DAI 2006/. Die Einsatzmöglichkeiten erstrecken sich hierbei hauptsächlich
über die Bereiche Qualitätssicherung und Fertigungsautomatisierung. Dabei können die Aufgabenstellungen sehr variieren, zum Beispiel Messungen in 2D / 3D,
Lage- und Positionserkennung, Werkstückidentifikation und Vollständigkeitsanalyse.
Die bei der Bildverarbeitung verwendeten Messverfahren lassen sich in Interferometrie, Flugzeitmessung und Triangulation einteilen /WIO 2001/.
Bei der Interferometrie wird einen Lichtstrahl über ein Strahlteiler in ein Objektund einem Referenzlichtstrahl aufgeteilt. Der Referenzstrahl wird über eine bekannte Strecke auf einen Detektor geleitet, der Objektstrahl wird vom Objekt reflektiert und ebenfalls auf den Detektor geleitet. Die Phasenverschiebung beider
Teilwellen gibt den Abstand an. Das Verfahren ist bis in den Mikrometerbereich
sehr genau. Der hohe Kalibrierungsaufwand und die Forderung nach hoher Stabilität des Aufbaus wirken sich nachteilig auf den Preis und die Robustheit der Systeme aus /WIO 2001/.
Die Flugzeitmessung funktioniert ähnlich der Abstandsmessung mit Ultraschall. Da
es sich um einen Lichtpunkt handelt, ist die flächenhafte Abstandsmessung sehr
zeitaufwendig. Aktuell existiert kein System kein System gefunden werden, welches diese Prinzip in der Abstandsmessung durch Bildverarbeitung nutzt
/WIO 2001/.
Die Triangulation wird unterschieden in aktive und passive Triangulation. Der Abstand wird dabei durch Winkelbeziehungen ermittelt. Bei der passiven Triangulation wird die Entfernung zu einem Objekt durch eine bekannte Basislinie und die
Orientierung der Kameras ermittelt. Diese Methode funktioniert genauso wie das
sphärische Sehen beim Menschen. Bei der aktiven Triangulation hingegen wird
das Messobjekt mit bestimmten Lichtmustern beleuchtet. Die Streifenprojektion
wird hierbei zur Reduzierung von Messfehlern und Störungen genutzt. Die Tiefenformation bei dieser Methode wird durch die Koordinaten im Bild und der Streifennummer ermittelt. Zur Kalibrierung bei der aktiven Triangulation werden, da auf
Referenzmarken verzichtet wird, Kalibrierungsmessungen durchgeführt. So werden Toleranzen der Kameras und der Aufnahmevorrichtung ausgeglichen. Nach
306
der Messung liegt für jeden Bildpunkt die Lage / Abstandsinformation vor. Eine
Gut / Schlecht-Anzeige ist somit möglich. Ebenso kann das Messobjekt mit einem
Referenzobjekt verglichen werden /WIO 2001/.
Da die Aufgaben für die Bildverarbeitung variieren können, unterscheiden sich
auch die Anforderungen und Leistungsparameter am Markt verfügbarer Bildverarbeitungssysteme stark. In der Praxis hat sich folgende Einteilung etabliert (nach
/VDI 1998/):
•
Einfache Prüfaufgaben: keine spezielle Auswertung , modulare Standardsysteme;
•
Mittelschwere Aufgaben: spezielle Systemkomponenten, mehrstufige Auswertungsverfahren;
•
Komplexe Prüfungen: exakt auf Anwendung abgestimmt, hoher Informationsaustausch mit Fertigungsprozess.
Bei den Anforderungen an das Bildverarbeitungssystem ist zu beachten, dass die
Automatisierungstiefe stets die Flexibilität beeinflusst. So ist ein System für komplexe Prüfungen selten für andere Aufgaben als die Ursprüngliche geeignet.
Ein Bildverarbeitungssystem besteht prinzipiell aus den Komponenten Beleuchtung, Aufnahmesystem, Framegrabber und Auswerterechner. Durch eine geeignete Beleuchtung können bestimmte Merkmale in einem Bild hervorgehoben werden, während durch ungeeignete Beleuchtung Messaufgaben unlösbar werden
können. So ist z. B. immer für eine entsprechende Helligkeit zu sorgen. Im Allgemeinen wird eine homogene und diffuse Auflichtbeleuchtung genutzt /GLO 2004/.
Bei einer Aufnahmeappertur bzw. umgangssprachlich einem Aufnahmesystem
handelt es sich um Kameras. Sie werden als Röhren-, CMOS- oder CCD-Kameras
angeboten. CMOS- und CCD-Kameras bieten sich besonders an, da sie volle Bilder in genau definierten Zeitabständen liefern. Ihre Funktionsweise ähnelt sehr
dem Prinzip des CCD-Arrays /WIO 2001/.
Röhrenkameras hingegen, die ihren Ursprung in der Fernsehtechnik der 30`iger
Jahre des vergangenen Jahrhunderts haben, liefern nur Halbbilder pro 40 ms. Ein
volles Fernsehbild besteht aus 625 Zeilen. Ein Halbbild setzt sich dann aus den
geraden oder ungeraden Zeilen zusammen. Auf diesem Weg konnte die Übertragungskapazität soweit gesenkt werden, dass die damals genutzten Röhren die
Fernsehsignale verarbeiten konnten. Für die Bildverarbeitung sind aber Vollbilder
vorteilhaft, da sie nicht aus zwei Halbbildern zusammengesetzt werden müssen
/GLO 2004/.
307
Abbildung 5-8:
Prinzip eines Vollbildes; gestrichelte Linie: 1.Halbbild, durchgezogene
Linie: 2.Halbbild /GLO 2004/
Darüber hinaus muss für die eigentliche Bildverarbeitung das Bild digitalisiert werden. Diese Funktion übernimmt der Framegrabber. Bei Röhren-Kameras wird dies
über ein CCD- oder CMOS-Array realisiert, die in CCD- oder CMOS-Kameras integriert sind.
Als Auswerterechner werden in der Praxis gewöhnliche PC mit MS-Windows oder
Linux-Betriebssystemen eingesetzt. Ihr Vorteil ist, dass die Auswertesoftware eine
Integration in Datenbanken oder IT-Konzepte ermöglicht. Der Aufwand für die
Programmierung der Software ist abhängig von der Komplexität der Prüfaufgabe.
So stehen bei vielen kommerziellen Lösungen Routinen und Klassen zur Verfügung, so dass die Implementierung sehr einfach zu gestalten ist. Als Programmiersprache hat sich vor allem C++ durchgesetzt. Somit ist die Programmierung
nicht nur objektorientiert, sondern auch maschinennah. Nachdem das Bild durch
die Aufnahmeappertur aufgenommen und mit dem Framegrabber digitalisiert wurde, steht es der Software zur Verarbeitung zur Verfügung. Dabei werden folgende
Arbeitsschritte durchgeführt; die Vorverarbeitung, die Segmentierung, die Merkmalsextraktion und die Klassifikation /GLO 2004/. Zur Reduzierung von Rauschen
werden die Bilder in der Vorverarbeitung gefiltert. Dabei handelt es sich um eine
zweidimensionale Faltung des Bildes mit einem Hoch-, Tief- oder Bandpass. So
können z. B. Interferenzen von Leuchtstofflampen oder Lasern reduziert werden.
Durch die optimale Verwendung von Filtern können auch Kanten hervorgehoben
werden /GLO 2004/.
In der Segmentierung werden Bildteile in wichtige und unwichtige Segmente unterteilt. Das reduziert den Speicherbedarf und erhöht die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Zur Segmentierung werden verschiedene Verfahren eingesetzt, z. B. punktorientierte Verfahren, kantenorientierte Verfahren, Template Matching /SCHR
2006/. Ein optimales Verfahren für die Segmentierung existiert jedoch nicht. Entscheidend für die Auswahl ist das Messobjekt, z. B. wie ausgeprägt Konturen sind.
308
Die Merkmalsextraktion dient dem Erkennen wesentlicher Merkmale auf dem Bild,
die nötig sind, um die Prüfaufgabe durchzuführen. Solche Merkmale können sehr
unterschiedlich sein, z. B. der Flächenschwerpunkt oder ein bestimmtes Muster,
das auf das Objekt projiziert wurde. Die Klassifikation dient dann durch Vergleich
mit Musterwerten oder durch Algorithmen zur Benennung des Objektes oder zur
Angabe von Messwerten.
5.1.3.4
Zusammenfassende Wertung
Es existieren eine Vielzahl von Sensoren bzw. Verfahren, die jeweils ihre spezifischen Eigenschaften aufweisen. Durch Vergleich der Systeme mit den zuvor den
definierten Anforderungen kann eine erste Einschätzung der Eignung der Technologien für den betrachteten Anwendungsfall erfolgen (vgl. Tabelle 5-1).
Es wird deutlich, dass insbesondere Laserscanner für die zu betrachtende Aufgabe geeignet sind, auch wenn die Beschaltung durch eine zusätzliche ScannBewegung aufwendig ist. Bildverarbeitende Systeme bieten die besten Messergebnisse. Die zugehörigen Softwareprogramme können sehr bedienungsfreundlich realisiert werden. Die Kosten sind zwar gegenwärtig sehr hoch, werden in Zukunft aber noch deutlich sinken.
Tabelle 5-1:
Vergleich der vorgestellten Systemalternativen
Magnetisch/
Induktive
Sensoren
UltraschallSensoren
Laserscanner
Bildverarbeitende
Systeme
Verarbeitungsgeschwindigkeit
Geeigneter
Meßbereich
}
}
}
z
{
z
z
z
Beschaltungsaufwand
}
{
}
z
EMV-Sicherheit
{
z
z
z
Geringe Personalkosten
Niedrige Betriebskosten
Niedriger Wartungsaufwand
z
z
z
{
z
z
}
{
z
z
z
z
}
}
}
z
Hohe Zuverlässigkeit
}
}
z
z
Geringe Anforderungen
an Bedienung
z
{
z
z
309
Magnetisch-Induktive Sensoren und Ultraschallsensoren werden bei den Projektarbeiten nicht weiter berücksichtigt. Der Messbereich für magnetisch-induktive
Sensoren beträgt nur wenige Zentimeter. Die Erkennung größerer Beulen wird
somit erschwert. Ultraschallsensoren besitzen zwar einen großen Messbereich,
jedoch ist auf störende Einflüsse verschiedenster Art, z. B. andere Ultraschallsensoren oder eine veränderte Anordnung in der Halle sehr genau zu achten. Für weitere Untersuchungen werden daher nur Laserscanner und bildverarbeitende Systeme betrachtet. Interessant für die Bewertung und den Vergleich der Ansätze
sind insbesondere die Kriterien Ergebnisqualität, Prozessgeschwindigkeit, Installationsaufwand und -kosten sowie Betriebskosten. Die entsprechenden Untersuchungen werden nachfolgend beschrieben.
5.1.4
5.1.4.1
Konzeption und Erprobung von Versuchsanlagen
Bewertung von Verformungszuständen mit Vorversuchen
Bezug nehmend auf die Zielsetzung, den äußeren Zustand eines Fasses objektiv
zu erfassen, zu protokollieren und kritische Abweichungen in Abhängigkeit wählbarer Parameter von der idealen zylindrischen Form zu erkennen, wurden Versuchsanlagen entwickelt und im Rahmen von Pilotversuchen erprobt. Kriterien für
die Bewertung der Verfahren waren dabei insbesondere die technische Machbarkeit, die Prozessgeschwindigkeit, die Ergebnisqualität sowie die Kosten (Investitions- und Betriebskosten). Entscheidend für die Untersuchungen waren Deformationen im Fassmantel. Größere Verformungen an den Zargen wurden nicht weiter
betrachtet, da diese zu einem Ausschluss vom Rekonditionierungsprozess führen
und relativ gut erkannt werden können.
Um generell eine Einschätzung vornehmen zu können, welche Deformationen reparabel sind und welche nicht, wurden Versuchsfässer mit unterschiedlichem Verformungsgrad und unterschiedlicher Verformungstiefe verwendet. Wichtig war in
diesem Zusammenhang insbesondere die Erzeugung reproduzierbarer Verformungszustände. Dafür wurde eigens eine Vorrichtung entwickelt. Grundlage der
Vorrichtung ist ein hydraulischer Wagenheber für Kraftfahrzeuge (max. Last 5
Tonnen), auf dem ein balliges Aufsatzstück befestigt wurde. Mit diesem Eindrückstempel konnten Verbeulungszustände an der Eindrückstelle gezielt und punktgenau ohne Beschädigung erzeugt werden (vgl. Abbildung 5-9).
310
Abbildung 5-9:
Versuchsstand zur Erzeugung gezielter Verbeulungen an den
Verpackungen
Die Anlage wurde im Rekonditionierbetrieb eingesetzt, um eine erste Einschätzung bezüglich behandelbarer Deformationen zu gewinnen. Nach dem gezielten
Verbeulen wurden dazu die Versuchsfässer dem Rekonditionierprozess zugeführt
und im Anschluss an die Zargenricht- und Ausbeulanlage ausgeschleust und im
Hinblick auf die Restbeulen bewertet. Damit konnte ermittelt werden, welche Deformationszustände einen Ausschluss von der Rekonditionierung erfordern. Dies
bildete die Grundlage für die spätere Systementwicklung.
Zur genauen Ermittlung tolerierbarer und reparabler Verformungszustände wurde
folgende Vorgehensweise verwendet:
•
Die Fässer wurden eindeutig mit einer fortlaufenden Nummer gekennzeichnet.
•
Der Fassmantel wurde in 3 Segmente eingeteilt, so dass keine gegenseitige
Beeinflussung der Beulen erfolgen konnte. Es wurden insgesamt werden 6
Beulen pro Fass aufgebracht.
•
Der Eindrückstempel hatte eine ballige Form, so dass keine Beschädigung der
Fassoberfläche an der Eindrückstelle erfolgte.
•
Das Einspannen des Fasses und das Verbeulen erfolgte bis zur maximal möglichen Tiefe von 100 mm. Das Fass und die Kraftangriffspunkte (jeweils 250
mm vom Falz) wurden farblich markiert.
•
Das Fass wurde anschließend der Zargenricht- und Ausbeulanlage des Projektpartners Blagden Packaging Mendig zugeführt und vor der Nassreinigung
von Hand wieder ausgeschleust. Anschließend erfolgt die Begutachtung der
Oberfläche.
•
Der Fasszustand vor und nach der Ausbeulung wurde dokumentiert.
311
Die nachfolgende Abbildung zeigt einige der verwendeten Versuchsfässer. Gut zu
erkennen sind Beschriftung und Verformungen (Beulen) in der Fassoberfläche.
Abbildung 5-10:
Versuchsfässer mit gezielt aufgebrachten Verbeulungen
Bei der Versuchsdurchführung wurden die Eigenschaften des Fasses und die Materialstärke des Mantels als Parameter dokumentiert. Die nachfolgende Tabelle
gibt einen Überblick über die Untersuchungsergebnisse.
Ergebnisse der Rekonditionierung von Musterfässern
Tabelle 5-2:
Mantelstärke
(mm)
Manteloberfläche
Ausbeulung
möglich
Restbeulentiefe
akzeptabel*
Fass 1
1,0
glatt
ja
nein
sichelförmige Beulen
Fass 2
0,8
glatt
nein
nein
starke Materialverwerfungen
Fass 3
1,2
glatt
ja
nein
sichelförmige Beulen
Fass 4
0,8
geriffelt
ja
nein
leichte Knickstellen
Fass 5
0,9
glatt
ja
nein
leichte Verformung an den Eindrückstellen
Fass 6
0,9
glatt
ja
nein
linsenförmige Restverformung
Fass 7
0,8
glatt
ja
nein
leichte Verformung an den Eindrückstellen
Bemerkung
* Aussage der Mitarbeiter im Rekonditionierbetrieb
312
Diese Untersuchungen haben gezeigt, dass leichte Beulen ohne „scharfe“ Knicke,
also mit einer nur geringen Richtungsänderung des Bleches, nahezu vollständig
entfernt werden können. Weiterhin war zu sehen, dass ab einem bestimmten Verformungsgrad Restbeulen zurückbleiben. Verkantet sich das Fass in der Ausbeulanlage, so kann es zu irreparablen Beschädigungen kommen (vgl. Abbildung
5-11).
Abbildung 5-11:
Restbeulen nach dem Ausbeulen (links), irreparable Verformungen
(rechts)
Wie Tabelle 5-2 zu entnehmen ist, ist die Ausbeulung bei jeder Mantelstärke und
Manteloberfläche prinzipiell möglich, auch wenn bei den Versuchsfässern Restbeulen zurückgeblieben sind. Diese konnten durch erneute Ausbeulung weitgehend beseitigt werden. Einzig bei Verkanten eines Fasses in der Ausbeulanlage
entstehen so starke Materialverwerfungen, dass eine Ausbeulung nicht mehr möglich ist, da sich weitere Schäden an der Verpackungsoberfläche ergeben (z. B.
Risse).
Insgesamt zeigten die Untersuchungen, dass die Bewertung der Schädigung im
Hinblick auf die generelle Rekonditionierfähigkeit sehr schwierig ist und von sehr
vielen Parametern abhängt. So spielen auch die Materialstärke, die Temperatur
des Materials oder die Qualität der Ausbeulanlage eine große Rolle. In den meisten Fällen ist daher eine theoretische Bewertung der Rekonditionierfähigkeit im
Vorfeld des Prozesses - bezogen auf die mechanischen Aspekte - aufgrund der
Komplexität der Parameter kaum möglich. Daher scheint es sinnvoll und praktikabel, die Verpackungen vor und nach der Ausbeulung zu bewerten. Dadurch können Verpackungen mit nicht tolerierbaren Restbeulen noch vor der Nassreinigung
ausgeschleust werden. Es ergibt sich der in Abbildung 5-12 dargestellte Prozessablauf.
313
Abbildung 5-12:
Integration des Bewertungsverfahrens in den Rekonditionierungsprozess von Stahl-Spundfässern
Ingesamt kann die Integration einer Bewertungsanlage zur Ermittlung der Rekonditionierbarkeit bezüglich der mechanischen Eigenschaften so einen großen Beitrag für die Realisierung der Projektziele leisten. Für die Umsetzung kommen prinzipiell sowohl Bildverarbeitungssysteme als auch Laserscanner in Frage. Daher
wurden beide Verfahren umfassend bewertet und im Rahmen von praktischen
Versuchen erprobt. Die entsprechenden Arbeiten werden nachfolgend beschrieben.
5.1.4.2
Bildverarbeitungssysteme
Mit Hilfe des zu entwickelnden Systems sollen die Verpackungen erfasst, vermessen und bewertet werden, so dass eine Aussage getroffen werden kann, ob das
Fass noch rekonditionierbar oder irreparabel verformt ist bzw. ob es generell den
Qualitätsanforderungen entspricht. Ausgehend von den definierten Anforderungen
an das zu entwickelnde Verfahren könnte eine mögliche Darstellung der Messergebnisse wie in Abbildung 5-13 dargestellt aussehen.
Zur Umsetzung und Erprobung eines entsprechenden Systems wurden zunächst
die Anforderungen ausgearbeitet. Bei einem Fass handelt es sich geometrisch
314
gesehen um einen Zylinder. Um diesen optimal zu erfassen, gibt es mehrere Möglichkeiten:
•
die Aufnahme mehrerer Pixelbilder, z. B. 3 Bilder vom Fassmantel um 120°
versetzt bzw. 4 Bilder vom Fassmantel jeweils um 90° versetzt und
•
die Aufnahme einer Filmsequenz von dem Fassmantel.
Abbildung 5-13:
Bildliche Darstellung des Verbeulungsgrads / Verbeulungsintensität
Die genannten Alternativen sind in der nachfolgenden Abbildung dargestellt. Wichtig für die Umsetzung des Bewertungssystems mit Hilfe von Bildverarbeitungsverfahren ist die Rotation des Fasses um seine eigene Achse, damit der gesamte
Mantel erfasst und bewertet werden kann.
Abbildung 5-14:
Alternativen zur Erfassung des Fassmantels
315
Die Bilder oder die Filmsequenz müssen nach der Aufnahme an ein EDV-System
übermittelt werden und mit Hilfe einer Software ausgewertet werden. Zur Anpassung an die vor Ort gegebenen Lichtverhältnisse und zur Verbesserung der Ergebnisqualität müssen die Parameter Kontrast und Helligkeit über die Software
einstellbar sein. Beispielhaft sei dies an Abbildung 5-15 verdeutlicht.
Abbildung 5-15:
Darstellung der Verformungen in Abhängigkeit vom Kontrast (links
Originalaufnahme, rechts mit stärkerem Kontrast)
Für eine ausgewogene Beleuchtung und damit gute Erkennbarkeit von Schäden
muss die Anzeige der Helligkeit durch eine Häufigkeitsverteilung der Beleuchtungsintensität (ein Histogramm) definierbar sein. Die Intensität wird dabei in
Grauwerten auf einer Skala von 0 bis 255 angegeben, hierbei bedeutet 0 weiß und
255 schwarz. Für farbige Bilder wird ein Histogramm für jeweils Rot, Grün und
Blau ermittelt. Eine Verschiebung der Häufigkeitsverteilung erhöht damit den Kontrast und die Helligkeit, so dass Details besser erkannt werden können. Die nachfolgende Abbildung zeigt ein in diesem Zusammenhang sehr häufig verwendetes
Beispiel /LEN 2006/.
316
Abbildung 5-16:
Bildverarbeitung - Verschieben der Häufigkeitsverteilung am Beispiel
Lena /LEN 2006/
Speziell zur Merkmalsextraktion müssen in der Software digitale Filter genutzt
werden, mit denen Reflektionen unterdrückt und Kanten und Relief erhöht werden
können (vgl. Abbildung 5-17).
Abbildung 5-17:
Veränderung von Bildern durch unterschiedliche Bearbeitungsfunktionen (links: Relief, rechts: Solarisation)
Mit Hilfe der beschriebenen Verfahren und Einstellungsmöglichkeiten muss die
Software aufgrund der Einstellungen in der Lage sei, eine Klassifizierung in gut
oder schlecht vorzunehmen und dies ggf. dem Mitarbeiter anzuzeigen, der dann
die Ausschleusung steuern kann. Wichtig ist dabei die einfache Variation der relevanten Parameter (z. B. Anzahl und der Tiefe der Beulen), um so eine schnelle
Anpassung an die Nutzeranforderungen sowie größtmögliche Flexibilität zu gewährleisten.
Zur Umsetzung der dargestellten Forderungen sind am Markt eine Vielzahl verschiedener Systeme der optischen 2D/3D-Messtechnik verfügbar, die sich im Wesentlichen in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise unterscheiden (vgl. Kapitel
317
5.1.3.4). Viele dieser Anbieter bieten komplette Lösungen für spezielle Messaufgaben an. Da eine Standardisierung von optischer Messaufgabe und der entsprechenden Realisierung nicht gegeben ist, war eine aufwendige Recherche nach
einem geeigneten Bildverarbeitungssystem für die Durchführung der Versuche
notwendig. Dieses sollte sich durch die Möglichkeit der Erfassung einer kompletten Objektoberfläche auszeichnen, wobei die Messung unabhängig von der Temperatur des Messobjektes sein sollte. Darüber hinaus wurde besonderer Wert auf
Kosten und vorhandene Praxiserfahrungen gelegt.
Letztlich wurde die Firma INB Vision AG, Magdeburg als Spezialanbieter optischer
Systeme für die Industrie für eine Zusammenarbeit ausgewählt. Diese Firma bietet
Komponenten für einen Messaufbau einschließlich Software an. INB Vision bietet
Referenzen in verschiedenen Branchen, z. B. bei der Erfassung und Vermessung
von Karosserieteilen für die Volkswagen AG. Daher wurde, in enger Zusammenarbeit mit der INB Vision AG, eine Versuchsanlage im Betrieb bei der Blagden Packaging Mendig GmbH & Co. installiert und das Verfahren auf generelle Eignung
untersucht.
Das „3D-Vision-System“ der INB Vision AG arbeitet nach dem Prinzip der aktiven
Triangulation. Es werden 2 digitale Kameras verwendet. Die Projektion des Streifenmusters wird durch einen handelsüblichen Video-Beamer realisiert. Die Daten
können in einem PC oder einem Embedded-System mit Mikrokontrollern durch
eine spezielle Software (DefMap3D) ausgewertet werden /INB 2006/.
In Abbildung 5-18 ist der Aufbau der Versuchsanlage dargestellt. Zu erkennen
sind die Kameras und der verwendete Beamer zur Projektion der Fehlstellen sowie der für die Datenverarbeitung und -auswertung benötigte PC, auf dem eine
spezielle Software installiert ist. Alle Komponenten des Systems sind auf einem
Rahmen aus Aluminiumprofilen installiert.
Kamera 1
Beamer
Kamera 2
Abbildung 5-18:
Aufbau des ausgewählten Bildverarbeitungssystems
Die Implementierung der Software auf Standardsystemen wie PC oder Mikrocontroller ermöglicht eine Integration in eine IT- und Automatisierungsinfrastruktur, so
318
dass die Messdaten in eine Datenbank eingelesen werden und von weiteren Sensoren ausgewertet werden können (z. B. für die SPS).
Abbildung 5-19:
Systemintegration des ausgewählten Systems /INB 2006/
Die Software des 3D-Vision-Systems arbeitet mittels Teach-In-Verfahren. Das
Messobjekt wird dabei mit einem virtuellen Referenzobjekt verglichen. Das bedeutet, dass nach dem Kalibrieren zunächst einige fehlerfreie Fässer vermessen werden müssen, durch die in der Software Sollwerte generiert werden. Diese werden
dann mit den gemessenen Daten der zu prüfenden Fässer verglichen. Auf diese
Weise wird eine Objekterkennung ermöglicht und die Abweichung der zu messenden Oberfläche von der idealen Oberfläche unabhängig von dem Abstand der
Kameras zum Objekt erfasst. Eine Kalibrierung vor jeder einzelnen Messung ist so
nicht mehr nötig. Durch den verwendeten Beamer können die Fehlstellen auf das
Fass projiziert werden. Zusätzlich erfolgt eine Anzeige der Fassoberflächen auf
dem Monitor.
Zur Durchführung der Vermessung wird der Fassmantel in drei Segmente aufgeteilt, wobei das Fass für jede Aufnahme um je 120° gedreht wird. Die Aufnahme
und Verarbeitung einer kompletten Filmsequenz, in der sich das Fass einmal um
die eigene Achse dreht, wurde wegen der redundanten Informationen und der
großen Datenmengen nicht weiter verfolgt, da damit auch die Prozessgeschwindigkeit sinken würde.
Im Rahmen der Versuche im Rekonditionierbetrieb musste zunächst eine Kalibrierung durchgeführt werden, um die Orientierung von Kameras und Beamer vornehmen zu können (vgl. Abbildung 5-20). Dazu wurden spezielle Messtafeln genutzt.
319
Abbildung 5-20:
Kalibrierung der Messeinrichtung mit Messtafeln
Diese aufwendige Kalibrierung war jedoch nur einmalig bei der Installation notwendig. Da die Software die Messwerte und somit die Oberfläche des Fasses mit
einem virtuellen Referenzobjekt vergleicht, ist bei der Messung die Position des
Fasses nicht relevant. Das zu vermessende Fass muss also nicht an exakt der
gleichen Stelle stehen wie die bereits vermessenen Fässer. Um den Prozess ein
wenig zu vereinfachen, wurden einzelne Fässer im Rahmen der Tests von Hand
vor den Kameras platziert und die Messung für ein Bild durchgeführt. Danach wurde das Fass um 120° gedreht, um wiederum eine Messung durchzuführen. Nach
der Aufnahme aller drei Bilder konnten dann mittels Beamer die Fehlstellen projiziert werden (vgl. Abbildung 5-21, links). Ebenso wurden die Ergebnisse in der
Software dargestellt.
Wie in den Abbildungen zu erkennen, konnten so die Fehlstellen eindeutig und
schnell identifiziert werden. In der linken Abbildung sind die Fehlstellen durch rote
bzw. blaue Farben zu erkennen. Rote Farben symbolisieren eine Abweichung
nach außen, blaue eine nach innen. Ähnlich funktioniert dies in der SoftwareDarstellung (rechts). Alle akzeptablen Bereiche innerhalb der Toleranz werden auf
dem Monitor grün dargestellt, während Anweichungen in anderen Farben gut erkennbar sind (vgl. Abbildung 5-21).
320
Abbildung 5-21:
Darstellung der Verformungen
(links: Beamerprojektion, rechts: Grafik in der Software)
Wie beschrieben wurden verschiedene Fässer bewertet. Die im Rahmen der Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse zum Einsatz der Bildverarbeitung in der
Rekonditionierung lassen sich folgendermaßen zusammenfassen:
Die Erkennung von Beulen, Dellen und anderen geometrischen Abweichungen
von der optimalen Oberfläche mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen ist technisch möglich. Die Bildaufnahmezeit liegt - mit Ausnahme schwarz lackierter Verpackungen - bei 2 s und für die schwarz glänzenden Oberflächen bei ca. 4,5 s. In
dieser Zeit darf das Fass nicht bewegt werden. Die Auswertezeit nach der Aufnahme beträgt ca. 1,5 s. Während dieser Zeit kann das Fass weiter bewegt werden. Somit kann bereits mit einer Aufnahmeeinheit (2 Kameras, 1 Projektor) die
geforderte Taktzeit von 15 s eingehalten werden.
Das bildverarbeitende System arbeitete in der rauen Umgebung einer Betriebshalle zuverlässig. Störungen durch starke elektromagnetische Felder, etwa durch große Motoren, konnten nicht festgestellt werden. Es ist demnach für den Einsatz in
der betrachteten Umgebung gut geeignet. Das Personal konnte sehr schnell in die
Bedienung der Software eingewiesen werden.
In der Höhe kann das Fass voll vermessen werden. In der Breite wurde ein Winkel
von 116° erreicht, was knapp unter dem gewünschten Winkel von 120° (drei Aufnahmen pro Fass wären ausreichend) liegt. Es besteht aber nach Aussagen des
Systemanbieters die Möglichkeit, den Winkel auf 120° zu vergrößern.
Problematisch ist die bei einigen Fässern vorhandene Riffelung am Mantel. Diese
wurde zum Teil als Fehler erkannt, wenn zuvor ein Fass mit glattem Mantel als
Referenz gespeichert wurde. Hier kann ein Training mit entsprechender Vielfalt,
ein Spezialfilter oder eine Kombination aus beidem Abhilfe schaffen.
321
Insgesamt können die Anforderungen mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen in
technischer Hinsicht erfüllt werden. In wirtschaftlicher Hinsicht ist die Technologie
jedoch aktuell eher kritisch zu werten. Die Anschaffungskosten für das das 3DVision-System lagen zum Zeitpunkt der Versuchsdurchführung bei etwa 30.000 €.
Zusätzlich wurden für die Software Lizenzgebühren von 3.000 € pro Monat veranschlagt.
Das System ist nahezu wartungsfrei, da nur bewährte elektronische Systeme verwendet werden. Trotz der geringen Ausfallwahrscheinlichkeit muss abgeschätzt
werden, welcher Aufwand bei Ausfall betrieben werden muss, da es sich um eine
sehr innovative Technologie handelt. Es wird daher empfohlen, mit dem Anbieter
unter Berücksichtigung der Kosten einen Service-Vertrag auszuhandeln, wobei
hier darauf zu achten ist, dass der Anbieter seine Leistungen auch in Zukunft erfüllen kann.
5.1.4.3
Laserscanner
Die im voran gegangenen Kapitel vorgestellte Bildverarbeitung zur Beulenerkennung stellt eine technologisch sehr spezielle Lösung dar. Die Bildverarbeitung ist
für mittelschwere Messaufgaben mit speziellen Systemkomponenten und mehrstufige Auswertungsverfahren geeignet /VDI 1998/. Die Systemkomponenten ermöglichen zwar hervorragende Messwerte, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie
nur für eine spezielle Messaufgabe geeignet sind und sehr hohe Anschaffungskosten verursachen. Dies reduziert die Flexibilität, wenn sich z. B. die Messaufgabe ändert.
Eine Alternative stellen Laserscanner dar, die aus preisgünstigen, standardisierten
Bauteilen bestehen. Die Eignung von Laserscannern im Praxiseinsatz wurde daher im Folgenden genauer untersucht. Die mit Hilfe von Laserscannern zu realisierende Messaufgabe stellt sich folgendermaßen dar:
•
Scannen der Manteloberfläche von Spundbehältern,
•
Detektion von Beulen mit den variablen Parametern Größe und Tiefe sowie
•
Speicherung und Auswertung der Messwerte.
Gestaltung der Versuchsanlage
Kernstück der zu entwickelnden Anlage sind die Sensoren, die den Abstand zwischen der Oberfläche und einem bekannten Punkt detektieren. Der Abstand wird
dabei durch Triangulation bestimmt.
Auf dem Markt gibt es eine Vielzahl an Unternehmen, die entsprechende Sensoren anbieten (vgl. z. B. /MEL 2006/ /TEM 2006/ /LAP 2006/). Daher war es erforderlich, den für die Durchführung der Messaufgabe geeigneten Sensor zu ermit-
322
teln, was eine umfangreiche Recherche erforderlich machte. Die Wahl fiel nach
umfassender Analyse auf ein Produkt der MIKRO-EPSILON MESSTECHNIK
GmbH & Co. KG. Das Modell ILD-1401-100 hat einen Messbereich bis 100 mm
und erfüllt alle zu stellenden Anforderungen /MIC 2006/.
Der anschließende Aufbau der Anlage und die Integration des Sensors erfolgten
durch eigene Mitarbeiter der Forschungsstellen. Beim Aufbau war Folgendes zu
beachten: mit Hilfe des Lasersensors kann der Abstand zu einem bestimmten
Punkt ermittelt werden. Daher ist für die Erfassung des gesamten Fassmantels
eine Relativbewegung des Sensor und/oder des Fasses erforderlich. Aufgrund der
einfacheren Realisierbarkeit wurde die Anlage so konzipiert, dass das Fass gedreht wird, während der Sensor seitlich in einer linearen Bewegung über die Fassoberfläche geführt wird. Es ergibt sich ein spiralförmiger Verlauf der Messpunkte
entlang der Fassoberfläche.
Der mechanische Aufbau wurde derart gestaltet, dass das Fass in eine Vorrichtung gelegt wird. Als Lager dienen schmale Gummirollen, die von einem 24-VoltMotor angetrieben werden. Somit rotiert das Fass während der Messung um seine
eigene Achse. Seitlich zum Fass ist die Führungsschiene für die Sensoren installiert, die, ebenfalls mit einem 24-Volt-Motor, entlang der Fassmantels bewegt werden.
Für die Vermessung werden zwei Sensoren verwendet, so dass die Manteloberfläche aufgeteilt und die geforderte Taktzeit von 15 Sekunden eingehalten werden
kann. Abbildung 5-22 stellt eine frühe Versuchanordnung (Prototyp) dar, mit dem
erste Testläufe für die generelle Eignung und die Überprüfung des Messprinzips
durchgeführt wurden.
Abbildung 5-22:
Versuchsstand zur Erfassung der Verformungen mit Laser
(links: Lasersensoren, rechts: Detail)
Da es in der Praxis deutlich häufiger vorkommt, dass der Fassmantel nach innen
verformt ist als nach außen, wurde der Abstand Lasersensor Fass so gewählt,
323
dass 80 % des Messbereiches für diesen Messbereich nutzbar sind und 20 % für
Verformungen des Fassmantels nach außen.
Das Fass wird mit Hilfe von zwei Laser-Sensoren in einer Wendelbahn abgetastet.
Der Abstand der Kurven liegt bei 42,5 mm. Bei einer Fassdrehzahl von 7,95 min-1
ergibt sich eine Taktzeit von 13,6 s. Bezüglich des Messbereiches von 0 bis 100
mm liefern die Modelle ILD-1401-100 am Ausgang ein proportionales Spannungssignal zwischen 0 und 5 Volt.
Für eine Anbindung an einen PC zur Auswertung der Signale bietet der Sensor
ILD-1401-100 eine serielle Schnittstelle. Unter Beachtung der notwendigen Protokolle konnte so eine entsprechende Auswertesoftware entwickelt werden. Da bei
der Anlage aber zwei Sensoren verwendet werden und viele PC keine seriellen
Schnittstellen unterstützen, wird das analoge Spannungssignal in einem Analog/Digital-Wandler umgeformt und durch eine USB-Schnittstelle weitergeleitet.
Aufgrund der guten Ergebnisse mit dem ersten Prototyp wurde beschlossen, die
Vermessungsanlage mit Standardkomponenten aufzubauen, d. h. es wurden nur
Komponeten verwendet, die den DIN-Normen und VDE-Vorschriften entsprechen.
Es wurde kein Bauteil der Messanlage individuell für diese Anlage entwickelt. Da
viele Bauteile, besonders in der Elektroindustrie, oftmals von Herstellern abgekündigt werden (und dann nicht mehr verfügbar sind), war darauf zu achten, dass die
verwendeten Bauteile auch durch andere mit gleicher Funktionalität ersetzt werden können (Herstellerunabhängigkeit). Auch Wartungsarbeiten und Reparaturen
lassen sich dann schnell und preisgünstig durchführen.
Für den mechanischen Aufbau konnten im Gegensatz zum Messsystem keine
Standardkomponenten verwendet werden. Mechanische Komponenten besitzen
im Allgemeinen herstellerspezifische Maße. Daher erfolgte ein individueller Aufbau
des Gestells. Kleinteile mit Standardmaßen, wie z. B. Lager, wurden zugekauft.
Die nachfolgende Abbildung stellt das Prinzip der Vermessungsanlage dar.
324
Abbildung 5-23:
Prinzip der Vermessungsanlage
In Abbildung 5-24 ist die gesamte Anlage dargestellt. Wie zu erkennen, ist der elektronische Teil in einem Schaltschrank untergebracht.
Abbildung 5-24:
Gesamtansicht des Prüfstands zur lasergestützten Erfassung von
Verformungen
325
Die Installation ist so ausgeführt, dass eine einfache und sichere Bedienung möglich ist. Alle Teile mit hoher Spannung sind aus Gründen des Arbeitsschutzes nicht
zugänglich. Außerhalb des Schaltschrankes befinden sich nur Motoren, Sensoren
und Endtaster, die alle mit Schutzkleinspannung betrieben werden.
Die Steuerung für die Motoren, die Stromversorgung und auch eine Platine, die
den Analog/Digitalwandler und die USB-Schnittstelle enthält, befinden sich in dem
Schaltschrank. Elektromagnetische Störungen anderer Anlagen sind durch die
Bauweise des Schaltschrankes ausgeschlossen. In Abbildung 5-25 ist der Aufbau
des Schaltschrankes zu sehen.
Abbildung 5-25:
Schaltschrank des Prüfstands
Im unteren Teil befindet sich die Steuerung für die Motoren. Diese Steuerung und
entsprechende Verriegelung ist durch Schütze und Zeitglieder realisiert. In der Tür
befinden sich die Taster und Leuchtmelder. Da die Platine für den Analog/Digitalwandler zusätzlich weitere digitale Aus- und Eingänge besitzt, können
auch weitere Informationen an den Rechner übertragen werden. Messkarten für
die Umwandlung analoger in digitale Signale sind auf dem Markt in großer Zahl
vertreten. Die Anbindung an einen PC durch eine USB-Schnittstelle ist außerdem
für eine Vielzahl dieser Karten vorgesehen. Namhafte Hersteller solcher USBMesskarten sind National Instruments, Goldammer, Plug-In oder auch Velleman.
Bei den Karten werden zur Softwareunterstützung Treiber und Bibliotheken mitgeliefert. Die Bibliotheken beinhalten Funktionen, die es erlauben, die Karten gezielt
auszulesen und anzusteuern.
Für den Versuchsaufbau wurde eine Messkarte von der Firma Velleman ausgewählt (vgl. Abbildung 5-26). Die Abtastrate beträgt nur 50 Hz und die Signale sind
lediglich mit 8 Bit aufgelöst. Für den Versuchsaufbau ist dies ausreichend, so dass
326
unter Berücksichtigung der Kosten diese einfache Messkarte ausgewählt wurde
(ca. 30 Euro, zum Vergleich: National Instruments und Goldammer ca. 600 bis
1500 Euro).
Abbildung 5-26:
Platine mit Analog und Digitalen Aus- und Eingängen und USBInterface für Computer
Die Auswertung der über die USB-Schnittstelle übertragenen Daten wird auf einem Computer realisiert, der in ein Netzwerk integriert ist. Zur Speicherung und für
den Datenaustausch wird im Netzwerk auf einem Server eine Datenbank installiert.
Entwicklung einer Auswertesoftware
Während einer Messung erfassen die Abstandssensoren kontinuierlich den Abstand zum Fass. Man erhält zwei analoge Messsignale, die im Analog/Digitalwandler digitalisiert werden und über eine USB-Schnittstelle an einen
PC weitergeleitet werden. Für die Auswertung, Verarbeitung und Speicherung dieser Daten musste eine spezielle Software entwickelt werden, mit der z. B. eine
optische Darstellung der Messergebnisse am Bildschirm erfolgen kann. Darüber
hinaus war es erforderlich, eine Datenbank zu programmieren. Im speziellen Fall
wurde MS Access verwendet.
Während einer Messung werden die Messwerte erfasst und in der Datenbank gespeichert. Zur Auswertung kann kontinuierlich ein Vergleich der Daten mit einem
Sollwert durchgeführt werden. Ein Über- oder Unterschreiten dieses Wertes wird
sofort angezeigt und in der Datenbank dokumentiert. Unter Berücksichtigung der
geringen Abtastrate der Messkarte und der Kapazität der Datenbank wird pro
100 ms ein Wert eingelesen. Werte zwischen diesen Abtastpunkten können durch
verschiedene Methoden abgeschätzt werden, zum Beispiel Interpolation oder Faltung mit einer Verteilungsdichtefunktion. Als zusätzliche Funktion enthält das ent-
327
wickelte Softwareprogramm noch eine grafische Darstellung der Manteloberfläche.
Abbildung 5-27 dient als Übersicht aller wichtigen Funktionen des Programms.
Das Programm wurde in der Programmiersprache VisualBasic .Net realisiert.
Abbildung 5-27:
Prinzip des Auswertesystems
Als Speicherort für das Messprotokoll wird eine Access-Datenbank genutzt. Der
Vorteil liegt darin, dass sie als Standardanwendung auf jedem Windows-basierten
PC verwendet werden kann. Darüber hinaus ist die Vewendung der Datenbank
aufgrund des großen Verbreitungsgrades und der einfachen Bedienung sehr
schnell und mit geringem Aufwand zu erlernen.
Eine Access-Datenbank ist eine relationale Datenbank. Es werden Datentabellen
anlegt, die in Beziehung zueinander stehen. Die Datenbank des entwickelten Programms enthält zwei Datentabellen. In der ersten Tabelle werden die vermessenen Fässer mit Datum der Messung und Ergebnis (in Ordnung, nicht in Ordnung)
gelistet. Die zweite Tabelle enthält die einzelnen Messwerte (Spannungswerte)
(vgl. Abbildung 5-28).
328
Abbildung 5-28:
Struktur der Datenbank (Datentabellen)
Die Datenbank lässt sich auf einfache Weise in MS-Access erstellen und modifizieren. Für die Verwendung des Messprogramms ist die Verfügbarkeit von MS
Access nicht zangsläufig erforderlich, das Microsoft-Betriebssystem Windows XP
reicht aus. Ein Öffnen und Editieren der Datenbank ist dann zwar nicht möglich,
ein Einsehen der Messwerte kann jedoch erfolgen. Zu diesem Zweck bietet das
entwickelte Programm die Möglichkeit, die Ergebnisse in einem separaten Fenster
darzustellen.
In Abbildung 5-29 ist ein Screenshot (Benutzeroberfläche „Datenbank“) des entwickelten Programms zu sehen. Da diese Benutzeroberfläche Teil des Messprogramms ist, wird nach dem Starten der Anwendung die Datentabelle für die Fässer angezeigt. Sollen die einzelnen Messwerte eingesehen werden, so muss dies
durch entsprechende Auswahl erfolgen.
329
Im Anzeigefeld darunter werden die einzelnen Fässer gelistet (vgl. Abbildung
5-29). Die entsprechenden Werte können durch Anklicken der jeweiligen Tabelle
und Auswahl des Button SELECT-Command ausführen und ResultSet anzeigen
angezeigt. Um die Komplexität zu reduzieren, wurden nicht für jede mögliche Anzeigeoption weitere Buttons integriert. Sortierungen o. ä. können durch direkte
Eingabe in das Textfeld SQL-Befehl ausgeführt werden. Dabei sind alle Optionen
möglich, die durch die Verwendung der SQL-Befehle realisierbar sind.
Hat der Nutzer die für ihn wichtigen Daten eingesehen, so kann er die oben gezeigte Oberfläche schließen. Die Verbindung zur Datentabelle „Fässer“ wird dabei
nicht unterbrochen, so dass parallel weitere Messungen durchgeführt werden
können.
Abbildung 5-29:
330
Screenshot der Benutzeroberfläche „Datenbank“
Zur Steuerung der Anlage, Kalibrierung und für Statusanzeigen besitzt das Programm eine eigene Benutzeroberfläche. Sie öffnet sich automatisch mit dem Start
des Messprogramms (vgl. Abbildung 5-30).
Abbildung 5-30:
Screenshot der Benutzeroberfläche für die Steuerung der Anlage,
Kalibrierung und für Statusanzeigen
Bevor eine Messung durchgeführt werden kann, muss eine Verbindung mit der
Messkarte hergestellt werden, wobei auf die richtige Adressierung zu achten ist.
Bei der verwendeten USB-Messkarte wird die Adresse auf der Karte durch die
Jumper SK5 und SK6 festgelegt. Entsprechend sind die Kontroll-Elemente unter
der Card Address zu setzen. Erst dann wird eine Verbindung durch Anklicken des
Buttons Verbinden aufgebaut. Der Status der Verbindung wird unterhalb des Buttons angezeigt.
Zur Messung eines neuen Fasses, wird dieses in die Anlage befördert und durch
Betätigung des Buttons neues Fass der Datensatz angelegt. In der Datenbank
wird der Datensatz zusätzlich mit Datum und Uhrzeit versehen. Die Messung beginnt, wenn der Startknopf am Schaltschrank gedrückt wird. Optional kann der
Button neues Fass weggelassen werden, wenn man dessen Funktion mit einem
digitalen Eingang verknüpft, der am Startknopf angeschlossen ist.
Wie in Abbildung 5-30 zu sehen, werden die aktuell gemessenen Werte durch die
Balken AD1 und AD2 angezeigt. Mit den Balken DA1 und DA2 kann der Sollwert
(Referenzwert bezüglich der Beulentiefe) eingestellt werden. Während der Mes331
sung können die erfasste Qualität und Störungen grafisch angezeigt werden. Um
den Programmcode überschaubar zu halten, wurde dafür jedoch kein zusätzliches
Menü in der Benutzeroberfläche implementiert. Modifikationen sind direkt im Code
durchzuführen.
Sollen die gewonnenen Messwerte im Einzelnen oder einen Überblick über alle
vermessenen Fässer angezeigt werden, kann dies durch Betätigung des Button
Datenbank erfolgen, der die in Abbildung 5-29 beschriebene Benutzeroberfläche
öffnet.
Um eine Visualisierung der Messwerte zu erreichen und damit dem Nutzer die
Erkennung fehlerhafter Verpackungen zu erleichtern, wurde eine separate Funktion in die Software integriert. Ein Klick auf 2D-Ansicht öffnet das entsprechende
Fenster. Da zwei Sensoren verwendet werden, wird die Programmobverfläche
geteilt und zweidimensional dargestellt (Abbildung 5-31).
Abbildung 5-31:
Screenshot mit grafischer Darstellung der Messwerte
Die weißen Flächen symbolisieren die zwei Mantelteilflächen. Die Höhe des Fasses entspricht dabei der Vertikalen, der abgerollte Umfang der Horizontalen. Die
Punkte auf den Flächen sind die Messwerte, die durch Farben kategorisiert sind.
Entsprechend der Farbskala (s. rechts im Bild) sind dann diese Punkte zu interpretieren. So sind in der Mitte und an den äußeren Rändern der beiden Mantelflächen
viele blaue Punkte in einer waagerechten Linie zu sehen. Dabei handelt es sich
um die Rollsicken, die nach außen gewölbt sind. Die roten Punkte, die zum Teil
über der Fläche verteilt sind, sind Verbeulungen von mindestens 30 Millimeter Tiefe. Der Nutzer kann so auf einem Blick die Schwere der Beulen und die Größe der
deformierten Fläche erkennen.
Zur Anzeige der Werte eines bestimmten Fasses muss in dem Textfeld die Fassnummer eingegeben werden. Die Positionen des Messprogramms, die Anzeige
der Datenbank und die grafische Darstellung sind dabei so angeordnet, dass sie
sich nicht überdecken. Der Anwender ist so in der Lage, Messungen zu überwachen und gleichzeitig die Daten aller Fässer darzustellen.
332
Abbildung 5-32:
Screenshot mit Darstellung des gesamten Programms auf dem
Bildschirm
Die grafische Darstellung basiert nicht auf abgespeicherten Bildern, sondern ist
eine zweidimensionale Matrix, deren Einträge berechnet werden. Die Sicherung
der Bilder kann durch einen Screenshot erfolgen. Die Bilder können dann mit Bildverarbeitungssoftware bearbeitet werden.
Zum Test der Anlage und der Software wurde Probefass mit definierter Deformation in die Anlage gelegt und das Programm gestartet. Um die Reproduzierbarkeit
der Daten zu interpretieren, wurde die Fässer mehrmals gescannt und die Ergebnisse verglichen. In Abbildung 5-33 sind die Ergebnisse verschiedener Messungen
dargestellt.
333
1. Messung
2. Messung
3. Messung
4. Messung
5. Messung
Abbildung 5-33:
Messergebnisse eines Probefasses
Die Verbeulungen sind durch rote Kreise bzw. Ellipsen hervorgehoben. Bei der
kleinen Deformation handelt es sich um eine Beule von 30mm Tiefe, deren Durch334
messer etwa 5 cm beträgt. Die große Verbeulung erstreckt sich in der Mitte des
Mantels über einen Durchmesser von 28 cm (Abbildung 5-34).
Abbildung 5-34:
Versuchsfass mit Deformationen (rote Kreise)
In der Abbildung zu erkennen ist, dass die große Deformation in jeder Messung
sicher detektiert wird. Die kleinere der beiden Beulen wird jedoch in einer Messung nicht bzw. nur schwach erkannt. Weitere Messungen mit anderen Fässern
bestätigten diese Messergebnisse. Ebenso ist es sehr schwierig, aufgrund der
wenigen Abtastwerte nur aus den Daten den Zustand des Fasses zu ermitteln. Die
Abtastwerte liegen dafür zu weit auseinander, ca. 59 mm vertikal und ca. 133 mm
horizontal. Eine Erhöhung der Abtastrate würde eine Verbesserung der Auflösung
bewirken, ist mit der verwendeten Messkarte aber nicht möglich. Mit leistungsfähigeren Messkarten ist dies Problem schnell zu beheben.
Zusammenfassend kamen die Untersuchungen zu dem Schluss, dass Laserscanner zur Detektion von Deformationen an Fässern geeignet sind. Die Qualität der
Beulenerkennung ist wesentlich von der Geschwindigkeit der Datenverarbeitung
abhängig, daher sollten leistungsstarke USB-Messkarten verwendet werden. Die
im Test verwendete Messkarte ist nur bedingt geeignet.
Abschließend war es jedoch noch wichtig, die Kosten für die Anschaffung und den
Betrieb einer solchen Laser-Anlage abzuschätzen. Diese setzen sich aus den Materialkosten und den Arbeitskosten zusammen. Nicht betrachtet wurden ggf. erforderliche Softwareentwicklungskosten.
Es zeigte sich, dass Laserscanner deutlich weniger Kosten verursachen als bildverarbeitende Systeme. Die Installations- und Anschaffungskosten liegen nur etwas mehr als 7000 Euro (Tabelle 5-3).
335
Tabelle 5-3:
Kostenkalkulation für den Laserscanner
Materialkosten
2 Sensoren + Netzteil und Kabel
3300 €
Motoren in der Anlage
580 €
Schaltschrank und Steuerung inkl. Messkarte
1050 €
Sonstiges Material, Halbzeuge usw.
350 €
Material insgesamt
5280 €
Personalkosten für den Aufbau der Anlage
30 Facharbeiterstunden a´ 50 €/h
1500 €
4 Stunden für Inbetriebnahme Ingenieur a´100 €/h
400 €
Arbeitskosten insgesamt
1900 €
Summe
7180 €
Auch die Betriebskosten sind deutlich geringer als bei bildverarbeitenden Systemen. Zusätzliche Kosten für Lizenzen oder andere Gebühren entstehen nicht. Zur
Wartung der Anlage ist kein Spezialist nötig, so dass diese leicht in den Wartungsplan des Unternehmens integrierbar ist und kaum zusätzliche Wartungskosten entstehen.
5.1.5
Zusammenfassung und Ableitung von Erkenntnissen für die
Umsetzung in der betrieblichen Praxis
Im Rahmen der abschließenden Bewertung werden noch einmal die wichtigsten
Eigenschaften der untersuchten Systeme miteinander verglichen. Prinzipiell ist
eine Lösung der Aufgabenstellung mit beiden Techniken möglich. Unter dem Aspekt der Beulenerkennung von Stahlfässern und der Integration der Anlage in die
betrieblichen Anlagen sind die wichtigsten Eigenschaften in der Tabelle 5-4 aufgeführt.
Bei Laserscannern handelt es sich im Vergleich mit Bildverarbeitungssystemen
um eine sehr erprobte und praxisbewährte Technologie, was sich vor allem in den
geringen Kosten widerspiegelt. Diese liegen um ein Vielfaches unter den Kosten
für ein Bildverarbeitungssystem, das allerdings bessere Messergebnisse liefert.
Unter Berücksichtigung dieser Aspekte ist die Verwendung von Laserscannern
aktuell die beste Lösung zur Detektierung von Beulen in Stahlfässern, auch wenn
die Justierung und Kalibrierung der Messeinrichtung sehr viel Aufwand erfordert.
336
Die Übermittlung der einzelnen Messwerte erfordert ebenso relativ großen Zeitaufwand bzw. hochwertige und damit kostenintensive Messkarten. Jedoch sind
sehr viele Anbieter für Lasersensoren und Messkarten auf dem Markt positioniert,
so dass breites Angebot herrscht und keine weiteren Abhängigkeiten zwischen
Anbieter und Kunde entstehen.
Tabelle 5-4:
Vergleich der untersuchten Systeme
Anschaffungskosten
Betriebskosten
Installationsaufwand
Genauigkeit
Geschwindigkeit
Verfügbarkeit auf dem Markt
Zukunftsfähigkeit
Laserscanner
Bildverarbeitende Systeme
z
z
z
}
}
z
}
}
{
}
z
z
}
z
Bei bildverarbeitenden Systemen ist eine weitere Verbreitung auf dem Markt anzunehmen. So bieten schon jetzt BMW und Daimler/Chrysler Bilderkennungssysteme in ihren Oberklasselimousinen an /Quelle/. Siemens-VDO entwickelt weiterhin Fahrerassistenzsysteme, die auf Bildverarbeitung beruhen /SIE 2006/. Zurzeit
sind die monatlichen Lizenzgebühren für die Software jedoch noch zu hoch, so
dass bildverarbeitende Systeme für mittelschwere Aufgaben, wie es sich bei der
Beulenerkennung handelt, nicht geeignet sind. Aufgrund des Potenzials der Technik ist es aber notwendig, die Entwicklung bei bildverarbeitenden Systemen für
zukünftige Investitionen zu beobachten.
5.2
5.2.1
Stoffdatenbank zur Bewertung der Rekonditionierfähigkeit auf Basis
von Herkunft und Restinhalten
Beschreibung der Zielsetzung und Aufgabenstellung
Neben dem mechanischen Zustand der Verpackungen und der Verpackungsart
bestimmen insbesondere ehemalige Füllgüter (Restinhalte) die weitere Verwendbarkeit. Diese sind in erheblichem Maße von der Herkunft der Verpackungen abhängig. Ziel war es daher, ein Informationssystem (Datenbank) zu konzipieren und
softwareseitig umzusetzen, welches die speziellen Anforderungen der Rekonditio-
337
nierbranche berücksichtigt und als Hilfsmittel für die Ermittlung der Rekonditionierfähigkeit bzw. des weiteren Behandlungsweges auf Basis von Restinhalt und Herkunft dient. Dieses Informationssystem soll branchenspezifische Prozessabläufe
unterstützen. Die Aufgabe der zu entwickelnden Datenbank besteht darin, zum
Zeitpunkt der Entladung bzw. Sortierung für die weitere Behandlung der Verpackungen relevante Informationen zentral bereitzustellen und so den Entscheidungsprozess der Entlademitarbeiter zu unterstützen.
Bei der Warenannahme sollen den Mitarbeitern die Richtlinien für den Umgang mit
einem spezifischen Produkt angezeigt werden, um Fehleinschätzungen zu vermeiden und so den Arbeitsschutz zu erhöhen. Das Suchen schriftlicher Dokumentationen und Rückfragen entfällt somit und führt neben zeitlicher Optimierung vor
allem zu einer Verbesserung der Sicherheit im Umgang mit den Restinhalten. Informationen zu Gefahren eines Produktes, Reaktivitätseigenschaften, Zusammensetzung sowie mögliche Behandlungswege und -medien sollen unmittelbar einsehbar und verfügbar sein. Die Kategorisierung der angenommenen Behälter aufgrund des letzten Inhaltstoffes, des Verpackungstyps oder des Verpackungslieferanten soll mit Hilfe des Systems stark vereinfacht werden.
Zusätzlich sollen auch dem Vertrieb Informationen über die Kombination von Füllgut und Verpackungstyp eines spezifischen Lieferanten sowie die Behandlungskosten zur Verfügung gestellt werden, um diesen bei seiner täglichen Arbeit zu
unterstützen. Auch das Qualitätsmanagement kann durch Zugriff auf zentralisierte
Daten Verbesserungspotenziale gezielter feststellen und die Wirtschaftlichkeit der
Leistungserbringung steigern.
Insgesamt soll durch die zu erreichende Zentralisierung und Verknüpfung der relevanten Informationen die Gefahr von Fehlentscheidungen aufgrund von Informationsmangel deutlich verringert werden, um Kosten zu reduzieren und Gefahren
für Maschinen und Mitarbeiter zu vermeiden.
5.2.2
Anforderungen an das System
Die Stoffdatenbank soll insbesondere die Prozesse unterstützen, welche nicht bereits durch branchenübergreifende Softwarelösungen abgedeckt sind. Ein Hauptaugenmerk wird dabei auf den Umgang mit ehemaligen Füllgütern (Restinhalten)
gelegt. Die sicherheitsrelevanten Daten sollen den Mitarbeitern an allen Arbeitsplätzen zeitnah zur Verfügung stehen. Schwerpunkte des zu entwickelnden Systems sind die Unterstützung des Vertriebs bei der Kostenermittlung für neue Verpackungen sowie die Unterstützung der Warenannahme und Entladung beim Umgang mit und Kategorisierung eingehender Verpackungen. Die zu entwickelnde
Stoffdatenbank hat den Charakter eines rein informativen Systems.
338
Die Stoffdatenbank soll von drei verschiedenen Gruppen genutzt werden. Dies
sind die betrieblichen Funktionseinheiten Warenannahme / Entladung (Produktion), Qualitätsmanagement und Vertrieb. Die Anforderungen der einzelnen Nutzergruppen werden nachfolgend beschrieben.
5.2.2.1
Anforderungen der Warenannahme / Entladung
Die Warenannahme findet an zwei innerbetrieblichen Standorten statt. Sämtliche
Fässer werden an einer festen Laderampe entladen, die IBC auf einer separaten
Fläche auf dem Betriebsgelände. Beide Standorte werden innerhalb der Stoffdatenbank zu einer Gruppe, der Warenannahme bzw. Entladung, zusammengefasst.
Die Aufgabe der Warenannahme besteht darin, anhand der relevanten Informationen eine Kategorisierung der Verpackungen vorzunehmen und so den weiteren
Behandlungsweg zu ermitteln und einzuleiten (vgl. Abbildung 5-35).
Bei einer Verpackung des Typs A oder B ist es Aufgabe des Entladers, das angelieferte Verpackung zu entladen und der Rekonditionierungsanlage zuzuführen.
Der Mitarbeiter muss hierbei zuerst über die Rekonditionierfähigkeit der Verpackung entscheiden. Dies geschieht durch eine Sichtprüfung, wobei nach Beulen,
Löchern oder großen Rostflächen gesucht wird. Ist die Sichtprüfung negativ, wird
das Fass verwertet. Weiterhin ist zu prüfen, ob eine Vorbehandlung nötig ist und
welche Gefahren von Resten des zuletzt beförderten Füllguts ausgehen können.
Die notwendigen Informationen, mit denen man die vom Produkt ausgehenden
Gefahren aufgrund des letzten Füllgutes ermitteln und die Art der Behandlung
bestimmen kann, befinden sich beispielsweise auf dem Etikett, den Begleitpapieren oder Unterlagen über frühere Chargen des Lieferanten.
Bei der letzten Variante muss der Entlademitarbeiter Zugriff auf Infoprmationen zu
früheren Lieferungen eines bestimmten Lieferanten haben. Die Stoffdatenbank soll
es ihm ermöglichen, einen Lieferanten auszuwählen und dann eine Liste möglicher Restinhaltsprodukte einzusehen. Durch die Auswahl des gelieferten Verpackungstyps kann der Entlademitarbeiter diese Liste weiter eingrenzen. Wenn dasdas Produkt ermittelt ist, müssen weitere Informationen zum Umgang mit der Verpackung angezeigt werden. Im Einzelnen sind dabei von Bedeutung
•
ob das Produkt sich reaktiv verhält;
•
welche Gefahren von dem Produkt ausgehen können;
•
welche R-Sätze zugeordnet sind und
•
welche Inhaltsstoffe in dem Produkt enthalten sind.
Diese Angaben soll die zu konzipierende Stoffdatenbank liefern. Zusätzlich müssen dem Entlademitarbeiter im Fall einer notwendigen Vorbehandlung die entsprechende Behandlungsart und das Behandlungsmedium angezeigt werden.
339
Fässer auf
Lagerrampe
eingetroffen
Einordnung nach
Verpackungsart,
-inhalt, ggf.
Lieferant
Kategorie
A oder B
Kategorie
C und D
Kategorie
E
Prüfung auf
Vorbehandlung
Prüfung auf
Vorbehandlung
Fass einem
Entsorger
zuführen
Fass an
Entsorger
Keine
Vorbehandlung
notwendig
Vorbehandlung
notwendig
Art der
Vorbehandlung
ermitteln
Art der
Vorbehandlung
ermitteln
Vorbehandlung
ermitteln
Vorbehandlung
ermitteln
Vorbehandlung
durchführen
Vorbehandlung
durchführen
Vorbehandlung
durchgeführen
Vorbehandlung
durchgeführen
Keine
Vorbehandlung
notwendig
Fass der
Rekonditionierung zuführen
Fass der
Verwertung
zuführen
Fass der
Rekonditionierung
zugeführt
Fass der
Verwertung
zugeführt
Abbildung 5-35:
340
Vorbehandlung
notwendig
EPK zur Verpackungskategorisierung an der Entladung
Grundlegend für die Anwendung der Stoffdatenbank innerhalb der Warenannahme ist eine übersichtliche Darstellung der benötigten Informationen und eine einfache Bedienbarkeit der Datenbank. Der Mitarbeiter muss möglichst alle relevanten Informationen in einer Bildschirmmaske erhalten, um unnötiges Wechseln der
Masken zu verhindern, was die Nutzung erschweren würde. Der hierfür nötige
Clientrechner muss an einem Ort in der Nähe der Laderampe aufgestellt werden
und so für die Mitarbeiter der Warenannahme schnell erreichbar sein.
So ist eine Anforderung an die Stoffdatenbank, dass ein Benutzer in einer Bildschirmmaske wichtige Kategorisierungsmerkmale, wie Produkt und Lieferant,
auswählen kann, um alle weiteren relevanten Informationen angezeigt zu bekommen. Zusätzlich ergibt sich aus den möglichst kurzen Bedienzeiten der Anwendung in der Warenannahme / Entladung der Bedarf, wichtige Informationen hervorzuheben, damit diese nicht übersehen werden können. Dies können beispielsweise alle sicherheitsrelevanten Informationen sowie Angaben zu Behandlungsarten eines Füllgutes sein. Die Bildschirmmaske muss also konzipiert sein, dass der
Mitarbeiter bei einem kurzen Blick auf dem Bildschirm alle wichtigen Informationen
sofort erkennt.
5.2.2.2
Anforderungen des Vertriebs
Der Vertrieb ist zuständig für Angebotserstellung, Auftragsbearbeitung und Kundenpflege. Die zu entwickelnde Stoffdatenbank muss diese Tätigkeiten in geeigneter Weise unterstützen.
Der Schwerpunkt der Nutzung soll in der Angebotserstellung liegen, da der Informationsbedarf des Vertriebs im Moment der Angebotserstellung von herkömmlichen ERP-Systemen nicht vollständig gedeckt werden kann. Es fehlen bisher
Möglichkeiten, wichtige Informationen, wie z. B. R-Sätze, Gefahren und Behandlungsarten, die die Kosten maßgeblich beeinflussen, abzubilden. Aus den Kosten
ergeben sich die Preise für die Rekonditionierung sowie die Vergütung für den
Lieferanten.
341
Anfrageposition
eines
Lieferanten
Verpackungstyp
ermitteln
Füllgut ermitteln
Verpackungstyp
ermittelt
Füllgut
ermittelt
Kategorie
ermitteln
Kategorie
ermittelt
Kostensatz aus
Kategorie
ableiten
Kostensatz
abgeleitet
Angebotsposition
erstellen
Angebotsposition
erstellt
Abbildung 5-36:
EPK der Angebotserstellung
In der Stoffdatenbank kann der Vertriebsmitarbeiter abfragen, welche Verpackungen mit welchen Füllgütern von welchen Lieferanten angeliefert werden können.
Dies ist nötig, falls der Lieferant kein Produkt bei der Angebotsanfrage angegeben
hat. Aufwendige Überprüfungen von alten Unterlagen und Angeboten sind so nicht
mehr erforderlich.
342
Abbildung 5-37:
EPK zur Ermittlung des Füllgutes
Durch Eingabe des Produktes und der Verpackung kann der Vertriebsmitarbeiter
die Kategorie ermitteln, aus welcher sich der Kostensatz ergibt. Der geplante Verkaufspreis (VKP) abzüglich des Kostensatzes (K) und eines geplanten Gewinns
(G) ergibt den Einkaufspreis (EPK) einer Verpackungsart bzw. -kategorie i
(Gleichung 11).
EKPi = VKPi − Ki − Gi
(Gleichung 11)
Die Darstellung der Bildschirmmasken muss eine schnelle Abfrage der relevanten
Informationen ermöglichen. Zusätzlich muss eine einfache und schnelle Bedienbarkeit der Datenbank möglich sein.
Damit der Benutzer auch beim häufigen Wechseln zwischen verschiedenen Anwendungen schnell die relevanten Informationen einsehen kann, müssen alle erforderlichen Daten kompakt in einer Maske dargestellt werden können. Für jedes
Suchkriterium, wie beispielsweise Kostensatz und Füllgut, muss eine Bildschirmmaske geöffnet werden, auf der die Abfrage stattfindet und die Ergebnisse angezeigt werden.
343
5.2.2.3
Anforderungen des Qualitätsmanagement
Das Qualitätsmanagement hat die Aufgabe die Prozesse bei der Rekonditionierung zu überwachen und kontinuierlich zu verbessern. Aus diesem Grunde ist es
auch verantwortlich für die Informationsqualität in der Stoffdatenbank. Daher muss
die Möglichkeit gegeben sein, Daten einzufügen, zu ändern oder zu löschen. Das
Qualitätsmanagement liefert und verwaltet die Informationen, die von der Warenannahme bzw. Entladung und vom Vertrieb benötigt werden.
Die Stoffdatenbank muss so beschaffen sein, dass die Mitarbeiter des Qualitätsmanagement schnell und einfach relevante Informationen einsehen und eingeben
können. Daher bedarf es entsprechend übersichtlich und strukturiert gestalteter
Benutzeroberflächen und Datenstrukturen. Die Daten müssen in Stammdaten und
Bestandsdaten untergliedert werden. Stammdaten sind dabei alle Daten, die sich
nicht oder nur sehr selten ändern. Bestandsdaten hingegen bilden Verknüpfungen
der Stammdaten ab.
Der Benutzer muss sich zunächst entscheiden können, welche der beiden Datenkategorien er bearbeiten möchte. Nachfolgend bekommt er innerhalb einer Bildschirmmaske eine Auswahl über alle Datenobjekte dieser Kategorie. Bei den
Stammdaten wären dies etwa R-Sätze, Gefahren, usw. Bei der Bearbeitung der
Datenobjekte muss der Benutzer alle Datensätze dieses Objektes in einer Liste
einsehen können. Falls die Anzahl der Datensätze sehr groß ist, ist eine Filterung
nach selbst definierbaren Kriterien erforderlich. Bei der Markierung müssen Datensatzes Detailinformationen dargestellt werden. Der Benutzer muss diese Daten
dann bearbeiten und Änderungen speichern können.
Zusätzlich ist für das Qualitätsmanagement ein Berichtswesen von großer Bedeutung. Die Benutzer müssen daher Berichte nach selbst definierbaren Kriterien sowie standardisierte Berichte erstellen können.
5.2.3
5.2.3.1
Konzeptionelle Gestaltung der Stoffdatenbank
Datenmodell
Das Datenmodell untergliedert sich grundsätzlich in Stamm- und Bestandsdaten.
Daten, die einer stündlichen oder täglichen Änderung unterliegen und Bewegungen der Bestandsdaten dokumentieren, so genannte Bewegungsdaten, werden im
Informationssystem nicht erfasst. Diese wären z. B. Lagerbestände und Aufträge
/STAH 2002/. Die Abbildung der Daten erfolgt in Tabellen, die im SERMDatenkonzept als Relationen bezeichnet werden. Zusätzlich werden Tabellen für
die Zugriffsteuerung und für administrative Zwecke angelegt (vgl. Abbildung 5-38).
344
Lieferant
Zuordnung_
Lieferant_
Produkt
LNR, Name
Stoff
LNR, PNR
Gefahr
SNR, CAS, Stoffname, GefahrNR
GefahrNR, Bezeichnung, Symbol
Zuordnung_
Produkt_Stoff
SNR, PNR, Anteil
Reaktiv
ReaktivNR, Bezeichnung
Zuordnung_
Produkt_
Gefahr
Produkt
PNR, Name, Beschreibung,
ReaktivNR
R-Satz
R_Satz, Beschreibung
R-SatzZuordnung
PNR, R_Satz
Verpackungstyp
Zuordnung_
Verpackung_
Produkt
VNR, Verpackungsart, Größe
Kategorie
C, Beschreibung
VNR, PNR
Zuordnung_
Verpackung_
Kategorie
C, VNR, BNR, Kostensatz
Behandlung
BNR, Anlage, Medium
Gruppe
Zuordnung_
Kategorie_
Produkt_
Verpackung
C, PNR, VNR
Mitarbeiter
GruppenNR, Gruppenname,
Bemerkungen, Schreibrecht
MNR, Mitarbeitername, GruppenNR
Legende
Version
VersionsId, Datum, Bemerkungen
Abbildung 5-38:
PNR, GefahrNR
BNR = Behandlungsnummer
C = Kategoriekürzel
CAS = Chemical Abstract Service Nummer
GefahrNR = Gefahrkürzel
LNR = Lieferantennummer
PNR = Produktnummer
R_Satz = R-Satz Nummer
ReaktivNR = Nummer der Reaktivitätseigenschaft
SNR = Stoffnummer
VersionsID = Versionsnummer
VNR = Verpackungsnummer
Datenmodell der Stoffdatenbank
Stammdaten
Stammdaten sind alle Daten, die sich nicht bzw. nur sehr selten ändern./STAH
2002/ Hierzu zählen Gefahrenklassen, R-Sätze, Verpackungsarten und mögliche
Inhaltstoffe. Nachfolgend werden die wichtigsten Gruppen von Stammdaten beschrieben.
345
Inhaltsstoffe
Inhaltsstoffe sind alle chemischen Stoffe, unabhängig davon, ob von ihnen eine
Gefahr ausgeht oder nicht. Falls ein Stoff gefährlich ist, wird die Hauptgefahr, die
von ihm ausgeht, im Informationssystem gespeichert. Als Merkmal eines Stoffes
wird zusätzlich zur Bezeichnung auch die Chemical Abstract Service Nummer
(CAS-Nummer) gespeichert. Die CAS-Nummer wurde von der American Chemical
Society eingeführt, um Stoffe eindeutig zu identifizieren. Sie besteht aus drei Teilen, wobei der letzte Teil eine Prüfnummer darstellt. Die ersten beiden Teile haben
keinen inhaltlichen Bezug zum Stoff. Es erfolgt also keine Klassifizierung /CAS/. In
der Datenbank wird die CAS-Nummer nicht als Identifikationsmerkmal genutzt, da
nicht jedem Stoff eine solche Nummer zugeordnet ist. Stattdessen wird eine laufende Nummer „SNR“ eingeführt, die als Identifikationsmerkmal dient, aber keinen
inhaltlichen Bezug zu dem jeweiligen Inhaltsstoff aufweist. In der Stoffdatenbank
werden Stoffe als Bestandteile von Produkten abgebildet.
Produkte
Produkte setzen sich aus verschiedenen Inhaltstoffen zusammen. Diese gehen
mit einem bestimmten Prozentanteil in ein Produkt ein. Produkte, die aus nur einem Stoff bestehen, sind ebenfalls möglich. Das Informationssystem ermöglicht
es, einem Produkt eine beliebige Anzahl von Inhaltsstoffen zuzuordnen. Im Informationssystem werden genau die Produkte gespeichert, die in den gelieferten
Verpackungen enthalten sein können.
Für den Umgang mit Restinhalten bzw. Produkten ist die Einstufung der Gefährlichkeit eines Stoffes wichtig. Drei Sicherheitshinweise sollen dies erleichtern. Zum
einen werden zu jedem Produkt die zugehörigen R-Sätze gespeichert, welche vor
allem den Mitarbeitern bei der Warenannahme den Umgang mit den Fässern erleichtern, weil sie ihnen direkte Sicherheitsratschläge vermitteln. Die entsprechenden Mitarbeiter sind mit den Sicherheitsmaßnahmen und Umgangsregeln bei den
jeweiligen R-Sätzen vertraut. Bis zu fünf R-Sätze können einem Produkt zugeordnet werden. Ein weiterer Aspekt der Sicherheitsvorkehrungen ist die Angabe der
Gefahrensymbole /EU-RL 67/. Diese bestehen aus einer kurzen Beschreibung in
Form eines Adjektivs sowie aus einem standardisierten Grafiksymbol. Dieses Grafiksymbol weist eindeutig und prägnant auf eine Gefahr hin. Einem Produkt können mehrere Gefahren zugewiesen werden, maximal jedoch drei. Die dritte Sicherheitsinformation ist die Angabe, ob sich das Produkt reaktiv verhält, falls es
einem bestimmten Umwelteinfluss ausgesetzt wird. Zu solchen Umwelteinflüssen
kann der Kontakt mit Wasser, Säure oder Gasen gehören. Die Reaktivitätseigenschaft ist wichtig für die Entsorgung und Behandlung des Restinhalts.
346
Ein Produkt wird über einen fünfstelligen Code eindeutig identifiziert. Neben der
Angabe des Namens besteht die Möglichkeit, eine Beschreibung von speziellen
Anmerkungen oder Eigenschaften zu einem Produkt hinzuzufügen.
Lieferantendaten
Die Lieferantendaten bestehen aus allen für die Anforderungen an die Stoffdatenbank relevanten Informationen zum Datenobjekt Lieferant. Die eindeutige Lieferantennummer (Bezeichnung in der Datenbank: LNR), die aus dem im Unternehmen implementierten ERP-System bezogen wird, ist unternehmensweit eindeutig.
Zusätzlich wird ein Attribut „Bezeichnung“, welches die eigentliche Firmenbezeichnung beinhaltet, und eine Ortsangabe, die den Standort des Unternehmens
kennzeichnet, gespeichert. Die Ortsangabe ist notwendig, weil Lieferanten mehrere Standorte besitzen können und an den einzelnen Standorten verschiedene
Produkte in die Verpackungen gefüllt worden sein können. Weitere Angaben wie
Ansprechpartner, E-Mail und genaue Anschrift sind für die Funktionalität des Informationssystems nicht erforderlich. Sie werden aus Gründen der Übersicht nicht
verwendet.
Gefahrenklassen
Inhalt des Datenobjekts Gefahrenklassen sind die Gefahrensymbole gemäß EURichtlinie /EU-RL 1/. In der Datenbank wird das Gefahrenkürzel hinterlegt. Dieses
besteht aus maximal zwei Buchstaben sowie einer Gefahrenbezeichnung. Um
eine zugeordnete Gefahrenklasse hervorzuheben, werden die entsprechenden
Symbole als Grafik im Informationssystem gespeichert und dem Nutzer angezeigt.
Reaktivität von Stoffen
Die Reaktivität bestimmt, bei welchen Umweltbedingungen ein Stoff eine bestimmte chemische Reaktion zeigt. Diese Eigenschaft wird im Attribut „Bezeichnung“
gespeichert, z. B. „Reagiert heftig mit Wasser unter Bildung von Chlorwasserstoff“.
Eine Reaktivitätseigenschaft wird über einen dreistelligen Code identifiziert.
R-Sätze
Die R-Sätze sollen im Informationssystem den Umgang mit einem bestimmten
Produkt hinsichtlich definierter Gefahren unterstützen. Die Mitarbeiter einer Rekonditionieranlage sind in der Interpretation und Anwendung von R-Sätzen geschult. Die verbale Beschreibung laut EU-Richtlinie 67/548/EWG Anhang VI erleichtert die Umsetzung eines R-Satzes zusätzlich und verhindert Verwechslungen, weil dort die Anweisungen in einem Fließtext wiedergegeben werden /EU-RL
2/. Im Informationssystem werden die R-Sätze mit Produkten verbunden. Die
zweistellige Identifikationsnummer eines R-Satzes stimmt mit der entsprechenden
347
Nummer in der EU-Richtlinie überein. Die Beschreibung wurde ebenso übernommen.
Verpackungen
Im Informationssystem werden die Verpackungen als Verpackungstypen abgelegt.
Ein Verpackungstyp besteht aus der Kombination „Verpackungsart und -größe“.
Zur Vereinfachung wurde auf eine Referenztabelle mit den einzelnen Verpackungsarten verzichtet. Dies erfolgt einerseits, um einen höheren administrativen
Aufwand zu vermeiden und andererseits, um die Anzahl der möglichen Kombinationen auf ein überschaubares Maß zu reduzieren.
Ein Verpackungstyp wird über einen dreistelligen Code identifiziert. Dieser Code
besteht aus einer fortlaufenden Nummer und hat keinen inhaltlichen Bezug zum
Verpackungstyp. Die Verpackungsart unterscheidet die Verpackungen z. B. nach
IBC oder Spundfass. Die Größenkategorien sind auf Größenintervalle, z. B.
„Spundfass >200 Liter“ bezogen. Verpackungen eines Verpackungstyps in einer
Größenkategorie werden der gleichen Behandlung unterzogen (z. B. Kanister mit
30 Liter Inhalt und 50 Liter Inhalt).
Verpackungs- und Behandlungskategorien
Bei Lieferanten eingekaufte Verpackungen werden jeweils nach Rekonditionierund Prozessfähigkeit kategorisiert. Diese Kategorisierung erfolgt durch die Kriterien Verpackungstyp und letztes Füllgut. Die Kombination beider Kriterien ergibt
die Kategorie. Im Informationssystem werden die einzelnen Kategorien durch einen einzelnen Buchstaben identifiziert. Zu jeder Kategorie gehört eine kurze Beschreibung, z. B. Kategorie „B“ mit der Beschreibung „Prozessfähig und rekonditionierfähig nach Vorbehandlung“.
Behandlungsarten
Die Entscheidung, ob und welche Behandlung notwendig ist, wird durch die Kategorisierung der Verpackung und durch den Verpackungstyp definiert. Zu dieser
Kombination gehört entweder keine oder genau eine Behandlung.
Eine Behandlung besteht aus der Anlage, auf der die Behandlung stattfindet und
dem Medium, mit dem die Behandlung durchgeführt wird. Das Informationssystem
speichert so zu jeder Behandlung einen dreistelligen Identifikationscode, sowie die
Angaben zu Anlage und Medium im Fließtext. Auf eine Aufsplittung des Mediums
in einer Referenztabelle wurde aus Gründen der Vereinfachung verzichtet.
Bestandsdaten
Bestanddaten geben definitionsgemäß nur Bestände wieder /STAH 2002/. Die
Zuordnungen Verpackungen, Lieferanten und Produkte (Füllgüter) untereinander,
348
sowie die Verknüpfungen zu Kategorien und Behandlungen fallen im weitesten
Sinne in diese Kategorie.
Zuordnungen des Lieferanten
Im Informationssystem werden einem Lieferant bestimmte Füllgüter (Restinhalte)
zugeordnet. Die Information, welche Produkte bei einem Lieferanten als Restinhalt
vorhanden sein können, wird gespeichert und an der Warenannahme bzw. Entladung genutzt. Bei einer ankommenden Lieferung kann der Bearbeiter in einer
Maske den Lieferanten auswählen und bekommt so eine Übersicht über alle möglichen Produkte. Daraus kann er die möglichen Füllgüter sowie deren Gefahren
und entsprechende Sicherheitsanweisungen ablesen.
Zuordnungen der Produkte
Neben den Lieferanten werden die Produkte zusätzlich mit mehreren anderen Objekten verbunden. Das mögliche Zuordnen mehrerer R-Sätze und Gefahren zu
einem Produkt verknüpft dieses mit den jeweiligen Informationen durch spezielle
Zuordnungstabellen. Ebenso kann ein Produkt mit beliebig vielen Inhaltsstoffen
verknüpft werden. Bei der Angabe dieser Verbindung wird der prozentuale Anteil
eines Stoffes im Produkt angegeben.
Für die Filtermöglichkeit bei der Warenannahme ist es relevant, dass im Informationssystem abgelegt wird, in welcher Verpackung ein Produkt enthalten sein kann.
So kann der Bearbeiter bei der Warenannahme durch die Angabe des Verpackungstyps die Liste der möglichen Produkte einschränken. Aus dieser Kombination ergibt sich zudem die für die Behandlungsart und die Kosten relevante Kategorie. Im Informationssystem werden deshalb die Verbindung der Verpackungsart
und des Produktes zusammen mit der Kategorie abgespeichert.
Zuordnung der Behandlung und der Kosten
Aus der Kombination der Kategorie und des Verpackungstyps ergeben sich die
Behandlungsart und die Kosten der Rekonditionierung. Dieser Zusammenhang
wird in einer gemeinsamen Tabelle gespeichert.
Daten für die Zugriffssteuerung
In der Zugriffssteuerung werden die Zugriffsmöglichkeiten auf das System festgesetzt. In der zugehörigen Tabelle werden Benutzer und deren Rechten definiert.
Auf dieser Ebene werden Daten für die Objekte Mitarbeitergruppe und Mitarbeiter
erfasst.
349
Benutzergruppen
Im Informationssystem werden die Nutzergruppen bzw. Abteilungen als Benutzergruppen gespeichert. Sie haben Zugriff auf die Stoffdatenbank und werden über
eine Gruppennummer eindeutig identifiziert. Zusätzlich wird ein Gruppenname
erfasst. Für zusätzliche Bemerkungen steht ein weiteres Textfeld zur Verfügung.
Schreibrechte werden mit Hilfe eines bool’schen Attributs geregelt. Nimmt dieses
den Wert „wahr“ an, hat die Gruppe die Berechtigung, Daten zu ändern. Anderenfalls existieren nur Leserechte.
Mitarbeiterdaten
Ein Mitarbeiter wird über eine dreistellige Mitarbeiternummer gekennzeichnet. Es
werden nur die Mitarbeiter erfasst, welche auf die Stoffdatenbank zugreifen sollen.
Der Eintrag des Mitarbeiternamens muss dem Anmeldenamen des Benutzers am
Betriebssystem entsprechen, um eine korrekte Authentifizierung zu ermöglichen.
Die Zugriffsrechte innerhalb der Datenbank regeln die Zugehörigkeit zu einer Benutzergruppe. Zu jedem Mitarbeiter wird eine Gruppennummer gespeichert, um so
den Zusammenhang zur Benutzergruppe herzustellen.
Versionskontrolle
Die Tabelle „Version“ hat den Zweck, den aktuellen Stand der gerade genutzten
Clientdatei zu bestimmen. Dieser wird durch den Eintrag einer Versionsnummer
bestimmt, welcher von Version zu Version um einen Zähler erhöht wird. Zusätzlich
werden das Veröffentlichungsdatum einer Version und eventuelle Bemerkungen
gespeichert.
5.2.3.2
Zugriffskontrollen und Zugriffsrechte
Zugriffskontrollen sollen den unbefugten Zugriff auf Daten verhindern /STAH
2002/. Diese werden auf der Ebene von Gruppen festgesetzt. So werden einzelne
Berechtigungen oder Masken an Gruppen von Benutzern geknüpft und nicht an
einzelne Mitarbeiter. Die Gruppen lehnen sich an die Nutzergruppen der Stoffdatenbank an. Die Abteilungen Qualitätsmanagement und Vertrieb wurden somit als
Gruppen definiert. Abweichend ist der Eintrag der Gruppe Warenannahme bzw.
Entladung, die weniger einer Abteilung als mehr einer Aufgabenposition entspricht.
Die Anmeldung in der Stoffdatenbank erfolgt automatisch. Der Benutzer wird weder nach seinem Namen noch nach einem Kennwort gefragt. Beim Start sieht er
die Startmaske, welche sich aus seiner Gruppenzugehörigkeit ergibt. Die Identifikation erfolgt über den Anmeldenamen beim Betriebssystem. Daher entsprechen
die Mitarbeiternamen im Informationssystem dem Anmeldenamen im Betriebssystem.
350
Die Zugriffobjekte bilden im Datenbanksystem die Masken. Je nach Gruppenzugehörigkeit werden andere Startmasken geöffnet. Der Nutzer bekommt so durch
eine angepasste Navigationsfläche und ein individuelles Menü nur Zugriff auf die
Masken und Informationen, die für ihn wichtig sind. Ein Zugriff auf Masken anderer
Gruppen ist nicht möglich. Eine Rechteverwaltung für jede einzelne Maske ist
durch die geringe Anzahl von Gruppen und die spätere Konvertierung in das
MDE-Format54 nicht nötig. So hat der Benutzer keine Möglichkeit, Masken aufzurufen, die nicht für ihn bestimmt sind.
Die Zugriffsrechte regeln, wer welche Daten, Masken und Berichte einsehen oder
manipulieren darf /STAH 2002/. In der Stoffdatenbank sind sie aufgeteilt in Leserechte und Vollzugriff. Während der Bereich der Warenannahme / Entladung
ausschließlich Leserechte für bestimmte Informationen genießt, erhält der Vertrieb
eingeschränkten Zugriff auf die Daten. Er darf alle Daten einsehen, hat aber kein
Recht zur Manipulation. Wenn sich Gruppen ohne Manipulationsrechte anmelden,
wird die globale Variable „Schreibschutz“ auf den Wert „wahr“ gesetzt. Bei Aufruf
der Routinen für Datenmanipulation wird diese Variable abgefragt und sollte ihr
Wert „wahr“ sein, so werden Manipulationen nicht gestattet.
5.2.3.3
Bildschirmmasken
Es wurden drei Gruppen von Bildschirmmasken erstellt. Die erste Gruppe orientiert sich an den Bedürfnissen der Nutzergruppe Warenannahme. Die zweite bezieht sich auf die Stammdaten und die dritte auf die operativen Aufgaben des
Qualitätsmanagements und des Vertriebs.
Qualitätsmanagement/
Vertrieb
Warenannahme
Stammdaten
Operative Aufgaben
Suche nach Lieferant
Behandlungen
Wer liefert was
Suche nach Produkt
Gefahren
In welcher Verpackung
Kategorien
Kosten
Lieferanten
Mitarbeiter
Mitarbeitergruppen
Produkte
Reaktivität
R-Sätze
Stoffe
Verpackungstypen
Abbildung 5-39:
54
Struktur der Bildschirmmasken
MDE-Format = Verschlüsselte Version von Microsoft Access Datenbanken
351
Um eine einheitliche Navigationsstruktur im Informationssystem zu schaffen, ist
der grundsätzliche Aufbau der Bildschirmmasken gleich gestaltet. Der Benutzer
navigiert sich entsprechend der Lesegewohnheit von links nach rechts. Anhand
der nachfolgenden Abbildung wird diese Struktur erläutert.
Abbildung 5-40:
Beispiel für die Navigationsstruktur im Informationssystem
Der Benutzer beginnt auf der linken Seite (Punkt eins) in der Abbildung. Hier kann
er den Bereich auswählen, den er einsehen möchte. Durch die Benutzung der jeweiligen Schaltfläche ändern sich die Objekte unter Punkt zwei und drei. Im gewählten Beispiel wurde durch die Betätigung der Schaltfläche „Lieferantendaten“
die Liste der Lieferanten (Punkt zwei) und die Datenanzeige unter Punkt drei entsprechend den Eigenschaften eines Lieferanten geändert. Wenn der Benutzer nun
im Datenauswahlbereich (Punkt zwei) einen Lieferanten auswählt, erscheinen die
zum gewählten Lieferanten gehörenden Detaildaten in der Datenanzeige. Farbliche Hervorhebungen sollen diese Struktur visuell unterstützen.
Filtermöglichkeiten
Verschiedenen Auswahllisten können während der Anwendung des Informationssystems unübersichtlich werden. Dies gilt beispielsweise für die Auswahl von Produkten und Inhaltsstoffen. Um die Auswahlliste einschränken zu können, wurden
verschiedene Filtermöglichkeiten definiert (vgl. Abbildung 5-41).
352
Abbildung 5-41:
Beispiel für Filtermöglichkeiten
Der Filter kann folgendermaßen angewendet werden. Zuerst wird der Wert angegeben, nach welchem gefiltert werden soll. Zu unterscheiden ist hierbei, ob es sich
um Auswahlfelder (Punkt eins) oder um Textfelder (Punkt zwei) handelt. Bei Auswahlfeldern muss aus einer Liste ein Wert ausgewählt werden. Für Textfelder gilt,
dass nur ein Teil des Wertes eingegeben werden muss. Das Programm beschränkt die Auswahl auf die Datensätze, bei denen der Filterwert als Teil vorkommt. Wenn beispielsweise als Filter für den Produktnamen der Wert „Saba“ eingegeben wird, erscheint in der Auswahlliste auch das Produkt mit dem Namen
„Sabaspray PP1505ON“.
Bildschirmmasken für die Nutzergruppe Warenannahme
Die Nutzergruppe Warenannahme hat grundsätzlich zwei Bildschirmmasken zur
Auswahl. Der Bearbeiter kann wählen, ob er seine Suche nach Informationen mit
der Angabe des Produktes oder mit der Angabe des Lieferanten beginnen möchte.
In der in Abbildung 5-42 dargestellten Maske beginnt der Bearbeiter an der Warenannahme mit der Auswahl eines Lieferanten (Punkt eins). Er kann seine Auswahl auch weiter einschränken, z. B. auf die angelieferte Verpackung. In der Produktliste (Punkt zwei) erscheinen nun alle Produkte, die von dem gewählten Lieferanten als Füllgut enthalten sein können. Bei Einschränkung über eine bestimmte
Verpackung verringert sich die Anzahl der hier dargestellten Datensätze. Nach der
Auswahl eines Produktes werden dessen Detaildaten angezeigt (Punkt fünf). Zu
den angezeigten Detaildaten gehören Produktname, die zugehörigen R-Sätze, die
Reaktivitätseigenschaft, die Inhaltsstoffe und die vom Produkt ausgehenden Gefahren. Um den Mitarbeiter sicherheitsrelevante Daten prägnant aufzuzeigen,
werden mögliche Gefahren als Symbol mit Beschriftung angezeigt. Ebenfalls sind
353
die R-Sätze in Fettdruck mit der gesamten Bezeichnung abgebildet, um Verwechselungen und Fehleinschätzungen zu vermeiden.
Abbildung 5-42:
Bildschirmmaske für die Produktsuche über den Lieferanten
Nach der Auswahl des Produktes muss der Mitarbeiter die angelieferte Verpackungsart wählen (Punkt drei). Die Verpackungsliste ist so gefiltert, dass nur die
Verpackungsarten angezeigt werden, welche die gewählte Produktart beinhalten
können. Nach der Auswahl der Verpackungsart kann der Bearbeiter die ggf. nötige
Behandlungsart ablesen (Punkt vier). In Fettdruck werden die Behandlungsanlage
und das Behandlungsmedium dem Bearbeiter angezeigt.
Bei der „Suche nach Produkt“ entfällt die Auswahl des Lieferanten (Abbildung
5-43). Diese Maske wird genutzt, falls der Bearbeiter nicht den Lieferanten, dafür
aber das Füllgut, welches auf an dem Fass angebrachten Zetteln vermerkt ist,
kennt. Um die Anzeige in der Produktliste einzuschränken, hat der Bearbeiter zwei
Filtermöglichkeiten (Punkt eins). Als erstes kann er die Auswahl über den Verpackungstyp einschränken. Es werden dann nur noch die Produkte angezeigt, die
in der gewählten Verpackungsart als Füllgut in Betracht kommen. Bei der zweiten
Filtermöglichkeit kann der Benutzer mit Hilfe eines Teils des Produktnamens die
Auswahl begrenzen. Alle anderen Objekte und Abläufe entsprechen der Maske für
die „Suche nach Lieferanten“ in der Warenannahme.
354
Abbildung 5-43:
Bildschirmmaske für die Suche über das Produkt
Bildschirmmasken für die Benutzergruppen Vertrieb und Qualitätsmanagement
Die Nutzergruppen Vertrieb und Qualitätsmanagement verfügen über zwei
Hauptmasken, eine für die Stammdatenpflege und eine zur Unterstützung der operativen Tätigkeiten. Die Stammdatenpflege bezieht sich auf die Objekte Behandlungsarten, Gefahren, Kategorien, Lieferanten, Mitarbeiter, Mitarbeitergruppen, Produkte, Reaktivität, R-Sätze, Stoffe und Verpackungstypen.
Im Bereich der Stammdatenpflege kann der Benutzer durch die Auswahl des Objektes auf der linken Schaltflächenleiste zunächst seine Auswahl treffen
(Abbildung 5-44). Es erscheint eine Liste der Datensätze im mittleren Bereich der
Oberfläche. Durch die Auswahl eines Datensatzes kann dieser nun verändert
werden. Durch die beiden Schaltflächen „Neu“ und „Löschen“ kann ein neuer Datensatz angelegt oder der ausgewählte Datensatz gelöscht werden. Änderungen
am ausgewählten Datensatz erfolgen im rechten Bereich und müssen durch die
Schaltfläche „Speichern“ bestätigt werden. Die Bearbeitung aller Stammdatenobjekte erfolgt nach diesem Prinzip. Für den Vertrieb werden die Schaltflächen für
das Hinzufügen, Löschen und Speichern ausgeblendet, da hier keine Änderungen
ausgeführt werden dürfen.
355
Abbildung 5-44:
Bildschirmmaske der Stammdatenpflege
Auch die Bildschirmmasken für die Unterstützung der operativen Tätigkeiten des
Qualitätsmanagements und des Vertriebs sind vielfältig.
Die Zuordnung von Produkten zu Lieferanten erfolgt über die Funktion „Wer liefert
was“ (vgl. Abbildung 5-45). Hier können den Lieferanten einzelne Produkte (mögliche Inhaltstoffe) zugeordnet werden. Mit Hilfe der Schaltfläche „In welcher Verpackung“ kann die Zuordnung der Produkte zu einzelnen Verpackungstypen sowie
die Bestimmung der daraus folgenden Kategorie erfolgen. Unter „Kosten“ können
für die Verbindung von Verpackungstyp und Kategorie die Kosten abgerufen und
angegeben werden.
Zunächst muss der Lieferant ausgewählt werden. Daraufhin erscheint unter „liefert
Produkt“ eine Liste der dem Lieferanten bisher zugeordneten Produkte. Über die
Schaltfläche „Hinzufügen“ kann nun ein neues Produkt der Liste hinzugefügt und
über „Löschen“ wieder entfernt werden. Die Schaltfläche „Produktinfos“ dient dazu, die Eigenschaften eines ausgewählten Produkts abzurufen.
356
Abbildung 5-45:
Bildschirmmaske "Wer liefert was"
Die Zuordnung von Produkten zu Verpackungstypen erfolgt durch Betätigung der
Schaltfläche „in welcher Verpackung“. Das Produkt kann aus einer Auswahlliste
lieferantenspezifisch gewählt werden. Um die Produktanzahl zu begrenzen, gibt es
die Möglichkeit, über einen Filter die Auswahl im Produktnamen einzuschränken.
Nun können über die Schaltflächen „hinzufügen“ und „löschen“ Verpackungen mit
dem Produkt verknüpft bzw. diese Verknüpfung wieder aufgelöst werden. Bei der
Markierung einer Verpackung erscheint auf der rechten Seite die Auswahl der Kategorie. Falls dieser Kombination aus Verpackungstyp und Produkt bereits eine
Kategorie zugeordnet wurde, erscheint diese als Vorauswahl zusammen mit dem
gesetzten Kostensatz. Die Kategorie kann nun geändert werden, wobei die Änderung durch die Schaltfläche „Speichern“ bestätigt werden muss (vgl. Abbildung
5-46).
357
Abbildung 5-46:
Bildschirmmaske „In welcher Verpackung“
In der Bildschirmmaske „Kosten“ können die Kostensätze und Behandlungsarten
eingesehen und eingetragen werden (vgl. Abbildung 5-47). Die Bildschirmdarstellung folgt dabei der Logik, dass sich aus Verpackungstyp und Kategorie die Kostensätze und Behandlungsarten ergeben. Zuerst werden eine Verpackung und die
entsprechende Kategorie gewählt. Existiert bereits ein Datensatz für die gewählte
Kombination, so werden die weiteren Felder automatisch gefüllt. Nach dieser
Auswahl erhält man das Eingabefeld für den Kostensatz. Zusätzlich kann der aktuellen Auswahl eine Behandlung zugewiesen werden. Sollten Änderungen durchgeführt oder Daten für eine neue Kombination aus Verpackungstyp und Kategorie
eingegeben werden, müssen diese durch die Schaltfläche „Speichern“ bestätigt
werden.
Eine Liste aller Kostensätze befindet sich im unteren Feld. Bei der Auswahl eines
Datensatzes in dieser Liste werden die Daten in die Eingabefelder übertragen.
358
Abbildung 5-47:
5.2.3.4
Bildschirmmaske "Kosten"
Berichtswesen
Zur Auswertung und Ablage bestimmter Informationen ist es notwendig, Daten in
Form von Berichten aufzubereiten. Vor allem für den Bereich des Qualitätsmanagement sind zur Dokumentation Berichte in Papierform notwendig. Diese Berichte
können auch vom Vertrieb ausgedruckt werden. Im Bereich Warenannahme bzw.
Entladung sind Berichte nicht erforderlich, da die kurzfristige Informationsanfrage
im Vordergrund steht.
Es wurden folgende Berichte implementiert:
•
Daten eines einzelnen Produktes,
•
Übersicht über alle Produkte,
•
Liste aller Produkte, die von einem bestimmten Lieferanten geliefert werden,
•
Liste aller Lieferanten, die ein bestimmtes Produkt liefern,
•
Liste aller Verpackungen, die ein bestimmtes Produkt beinhalten können,
•
Liste aller Produkte, die in einer bestimmten Verpackung als Restinhaltstoff
sein können und
•
eine Gesamtliste aller Kostensätze.
Jeder Bericht enthält zur späteren Rückverfolgung das Datum des Ausdrucks.
359
Abbildung 5-48:
5.2.4
5.2.4.1
Beispiel des Berichts „Details zum gewählten Produkt“
Realisierung und Erprobung der Stoffdatenbank
Technische Richtlinien
Nachfolgend werden die Anforderungen an das Server- und Clientsystem sowie
die Betriebsysteme vorgestellt.
Betriebssystem
Das Systemumfeld der Stoffdatenbank besteht ausschließlich aus Microsoftbasierten Betriebssystemen. Es kann für Server- und Clientebene Microsoft Windows® NT 4.0 und Microsoft Windows® 2000 eingesetzt werden. Als Office-Paket
wird Microsoft Office 2000 verwendet. Der Einsatz anderer Versionen ist ebenso
möglich, setzt allerdings eine Konvertierung und ggf. eine Anpassung voraus. Da
in den meisten Betrieben Microsoft Office in der Professional Variante eingesetzt
wird, ist sichergestellt, dass auf allen betreffenden Clientrechnern eine Microsoft
Access®-Installation vorhanden ist.
Datenbanksystem
Die Wahl von Microsoft Access® als Datenbanksystem hat ökonomische Gründe.
In den meisten Betrieben ist eine Access®-Version im Rahmen des Office-Paketes
standardmäßig vorhanden, wodurch zusätzliche Lizenz- und Installationskosten
entfallen.
360
Die Angestellten von Betrieben sind zumeist erfahren in der Anwendung von
Microsoft Office Produkten und deren Handhabung. Dies erleichtert die Einarbeitung in das neue System. Die einzelnen Komponenten von Microsoft Office haben
eine durchgehende Philosophie im Bezug auf Darstellung, Tastaturkürzel, Symbolik und Navigationsstruktur, so dass bei vielen Mitarbeitern Wiedererkennungseffekte auftreten. Das Vorhandensein anderer auf Microsoft Access® basierender
Systeme innerhalb des Betriebes ist ebenso hilfreich und fördert die Akzeptanz55.
Dass Microsoft Access® gegenüber herkömmlichen SQL-Datenbanksystemen eine geringere Datenverarbeitungsgeschwindigkeit aufweist, spielt bei diesem Projekt aufgrund der relativ geringen Datenmenge, die innerhalb der Tabellen anfallen, keine Rolle. Die meisten Tabellen enthalten weniger als 100 Datensätze. Lediglich die Tabellen für Stoffe und Produkte verfügen über bis zu 10.000 Datensätze. Zugriffe laufen unter Access in einer Geschwindigkeit ab, die minimal unter der
von SQL-Datenbanksystemen liegt. Ebenfalls können die Geschwindigkeitsunterschiede bei Datenmanipulationen vernachlässigt werden, da diese größtenteils nur
bei der ersten Datenerfassung anfallen. Im weiteren Verlauf werden Veränderungen an Daten selten durchgeführt, weil keine Bewegungsdaten, wie z. B. Aufträge
oder Rechnungen, erfasst werden.
Benutzerschnittstelle
Als Benutzerschnittstelle wurde Microsoft Access® gewählt. Dies hat neben den
bereits dargestellten Aspekten zusätzliche Vorteile in der späteren Wartung oder
Erweiterung. Die bei Microsoft Access® benutzte Programmiersprache „Visual Basic for Applications“ ist relativ einfach erlernbar. Ferner verfügt das Paket über einfache Formular- und Berichtserstellungstools sowie über viele so genannte Wizards. Wizards sind kleine Tools, die dem Benutzer durch Vorgaben und einfache
Auswahlmöglichkeiten den Entwurf von Objekten, wie z. B. Formulare und Berichte, erleichtern. Durch die weite Verbreitung des Microsoft Office Pakets existieren
viele Fachkräfte, die über Kenntnisse in der Programmiersprache „Visual Basic for
Applications“ verfügen.
5.2.4.2
Implementierung
Das Informationssystem besteht aus drei Dateien. Einer Serverdatei, einer Clientdatei und einer Startdatei für den Client.
Serverdatei
Die Datei Stoff_daten.mdb bildet die eigentliche Datenbank. In ihr sind alle Tabellen des Informationssystems gespeichert. Einzige Ausnahme ist die Tabelle „Version“, die für die Clientdatei wichtig ist.
55
z. B. „WEKA-Datenbank Inhaltsstoffe“
361
Die Serverdatei ist eine Microsoft Access® Datei, die nur Tabellen beinhaltet. Sie
wird auf den Standardöffnungsmodus „Freigegeben“ gestellt, d. h. es ist ein mehrfacher Zugriff auf die Datenbank möglich. Gleichzeitig erfolgt eine Datensatzsperrung nur auf Ebene eines Datensatzes. Dies bedeutet, dass mehrere Benutzer
gleichzeitig Daten im Informationssystem ändern können. Nur auf der Ebene eines
Datensatzes erfolgt bei der Bearbeitung durch einen Benutzer eine Schreibsperrung für alle anderen Benutzer dieses Objekt. Alternativ wäre eine Sperrung auf
Seitenebene möglich.
Als Sperrverfahren wird das Konzept des „optimistischen Sperrverfahrens“ /ALB
1997/ genutzt. Hierbei wird der Datensatz nur bei direkter Datenmanipulation, also
dem Speichervorgang, gesperrt. Während der Bearbeitung können andere Benutzer auf diesen Datensatz zugreifen und mit ihm arbeiten. Der Grund für die Wahl
dieses Sperrverfahrens liegt darin, dass Konflikte durch mehrfache gleichzeitige
Bearbeitung eines einzelnen Datensatzes so gut wie ausgeschlossen sind. Da nur
die Abteilung Qualitätsmanagement das Recht hat, Daten zu ändern, sind Änderungen von Daten an mehreren Arbeitsplätzen zugleich weitgehend auszuschließen.
Die Serverdatei wird unternehmensintern auf einem von allen relevanten Abteilungen erreichbaren Server hinterlegt.
Clientdatei
Die Clientdatei „Stoff_Benutzer.mdb“ wird lokal auf den Client-Systemen installiert.
Sie wird in das Verzeichnis „C:\Stoffdatenbank\“ gespeichert. Innerhalb der Datei
finden sich alle Masken, Berichte und Abfragen. Die Daten werden aus Verknüpfungen zu den Tabellen innerhalb der Serverdatei bezogen. Die Clientdatei ist die
Datei, mit welcher der Benutzer arbeitet. Sie ist für alle Benutzer gleich, da sich
die benutzerspezifischen Masken aus dem Anmeldenamen unter Windows ergeben. Es existiert folglich nur eine Clientdatei, die für verschiedene Nutzergruppen
ein jeweils anderes Erscheinungsbild hat.
Startdatei
Die Startdatei hat den Zweck, die Clientdatei auf dem aktuellen Stand zu halten.
Bei der Benutzung des Informationssystems ruft der Benutzer immer diese Datei
auf. Die eigentliche Clientdatei sieht der Benutzer nicht. Beim Startvorgang öffnet
die Startdatei die Tabelle „Version“ der lokalen Clientdatei und der Clientdatei auf
dem Server liegt. In beiden Tabellen wird der höchste Wert des Attributs „VersionsID“ gesucht. Ist dieser bei der Clientdatei auf dem Server größer, bedeutet dies,
dass auf dem Server eine aktuellere Version verfügbar ist. Ist dies der Fall, wird
diese Datei auf das Clientsystem kopiert und ausgeführt. Ist die höchste Versionsnummer bei beiden Dateien gleich, wird die lokale Clientdatei ausgeführt.
362
Abbildung 5-49:
EPK zur Startroutine
363
5.2.4.3
Netzwerkstruktur
Die Anforderungen an die Netzwerkstruktur sind gering. Auf dem Server muss für
die Benutzer der Stoffdatenbank ein Verzeichnis freigegeben werden, in dem die
Datenbankdatei abgelegt wird. Alle Benutzer der Stoffdatenbank müssen Rechte
für dieses Verzeichnis besitzen, die sich nach den spezifischen Anforderungen in
Lese-, Änderungs-, Erstellungs- und Löschrechte unterteilen lassen.
5.2.4.4
Erstellung eines Handbuchs für die Nutzung der Stoffdatenbank
Zur Einweisung der Benutzer in die Möglichkeiten und die Funktionsweise des
Informationssystems wurde ein entsprechendes Handbuch erstellt. Das Handbuch
ist als Anhang beigefügt.
Das Handbuch beginnt mit einer kurzen Einführung in die Thematik. Anschließend
werden die einzelnen Informationsobjekte in der Datenbank im Hinblick auf ihren
Zusammenhang zur Rekonditionierung und ihre Einbettung ins Informationssystem aufgezeigt. Die Nutzung des Programms wird durch die detaillierte Darstellung der Navigationsstruktur, der Filtermöglichkeiten sowie des Aufbaus der Bildschirmmasken erläutert. Nachfolgend werden die einzelnen Bildschirmmasken mit
ihren Funktionalitäten dargestellt. Am Schluss befinden sich Hinweise zur Implementierung des Systems im Netzwerk.
5.2.4.5
Erprobung der Stoffdatenbank und Zusammenfassung der
Erkenntnisse
Die entwickelte Stoffdatenbank wurde nach Fertigstellung in Zusammenarbeit mit
der Blagden Packaging Mendig GmbH erprobt. In diesem Zusammenhang erfolgt
zunächst eine Einweisung und Schulung der Mitarbeiter im Qualitätsmanagement,
da diese die Datenbank zunächst mit den notwendigen Daten füllen mussten. Zusätzlich wurden auch die Vertriebsmitarbeiter in das Programm eingewiesen.
Anschließend wurde ein Workshop mit den betroffenen Mitarbeitern aus dem Bereich Produktion / Wareneingang durchgeführt, um diesen das Softwaretool zu
erläutern und Hemmnisse abzubauen. Anschließend wurden umfassende Schulungsmaßnahmen durchgeführt. Grundlage dafür bildete das entwickelte Handbuch.
Im Rahmen der anschließenden praktischen Umsetzung zeigte sich, dass das
Programm den Anforderungen der Praxis gerecht wird. Es stellten sich keine
Probleme ein. Zugriffszeiten und Systemaufbau sind so konzipiert, dass auch an
der Entladung eine schnelle und einfache Nutzung möglich ist. Die Mitarbeiter
zeigten nach der erforderlichen Eingewöhnungsphase große Zufriedenheit und
bestätigten die positiven Effekte des neuen Hilfsmittels. Zusätzlich konnte die Fehlerquote bei der Zuordnung der Verpackungen reduziert werden. Aufgrund dieser
364
guten Erprobungsergebnisse wurde die entwickelte Stoffdatenbank voll in den Betrieb integriert und wird auch nach Ablauf des Vorhabens weiter genutzt.
Abschließend soll jedoch auch noch mal auf die Grenzen des Systems hingewiesen werden. Trotzt erheblicher positiver Effekte ist die Stoffdatenbank ein System,
dessen Nutzung auf der Deklaration der ehemaligen Inhaltstoffe durch den Verpackungsnutzer gemäß der Gefahrgutrichtlinien erforderlich ist. Es kommt jedoch,
wie bereits beschrieben, auch vor, dass in den Verpackungen Restinhalte enthalten sind, die nicht der Deklaration entsprechen. In diesen Fällen kann auch die
Stoffdatenbank nur sehr begrenzt Hilfestellung leisten, indem beispielsweise Informationen zu Lieferanten abgespeichert werden, bei denen ein solcher Fall
schon einmal bzw. öfter auftrat. Somit können die Mitarbeiter angehalten werden,
ggf. etwas genauer zu prüfen. Eine Garantie für die Erkennung problematischer
Restinhalte ist dies jedoch nicht. Dazu wäre eine an den Prozess angepasste Analysetechnik erforderlich, die eine schnelle Erfassung der chemischen Parameter
an der Eingangskontrolle und so eine sichere Deklaration der Inhaltstoffe ermöglicht. Klassische chemische Analyseverfahren sind an dieser Stelle ungeeignet, da
die Informationen zeitnah zur Verfügung stehen müssen. Daher wird ein sensorisches System benötigt, mit dem in Echtzeit verschiedene chemische Parameter
gemessen werden können, was angesichts der Vielzahl an möglichen Inhaltstoffen
eine sehr komplexe Thematik darstellt. Hier liegen jedoch interessante Ansatzmöglichkeiten, die Projektergebnisse sinnvoll zu erweitern.
365
Untersuchungen zur Schwingfestigkeit von Stahlverpackungen
6 Untersuchungen zur Schwingfestigkeit von Stahlverpackungen
6.1
Problemstellung und Zielsetzung
Der mechanische Zustand der Verpackungen hat erhebliche Auswirkungen auf die
Rekonditionierfähigkeit. Die während der Nutzung auftretenden TUL-Belastungen
verursachen teilweise erhebliche Deformationen an den Verpackungen, die zum
Ausschluss vom Rekonditionierprozess führen.
Darüber hinaus können aber auch durch Transporte bedingte Schwingungsschäden an den Verpackungen auftreten, die andere Schadensbilder verursachen und
für die Werker am Wareneingang nicht unmittelbar erkennbar sind. Typische
Transportschäden an den zu betrachtenden Verpackungen zeigt die nachfolgende
Abbildung.
a)
c)
b)
d)
Bilder oben: Verformung des Unterbodens (a), Riss am Unterboden (b)
unten: Ermüdungsbruch Stützrahmen (c), Schwingungsschaden Blase (d)
Abbildung 6-1:
Typische Schäden an Fässern und Kombinations-IBC
Wie in der Abbildung oben rechts zu sehen, sind insbesondere die durch den Gütertransport an Stahlfässern verursachten Schäden für den Werker nur sehr
schwer zu erkennen, da sich Ausfälle infolge von Schwingungsbelastungen in den
366
meisten Fällen durch Risse am Unterboden oder im unteren Bereich des Mantels
– beginnend als mit bloßem Auge nicht zu erkennenden Haarrissen - bemerkbar
machen /OHL 2001/. Dies kann vom Werker nur schwer kontrolliert werden mit der
Folge, dass die Verpackungen in nachfolgenden Kontrollen „durchfallen“ bzw. undicht werden. Bei Kombinations-IBC sind die Schwachstellen insbesondere die
Innenblase aus Kunststoff – beginnende Risse sind hier in der Regel an der
Weissverfärbung des Kunststoffs zu erkennen - sowie der Außenkorb aus Stahl
und daher für den Werker gut zu erkennen (vgl. Abbildung 6-1). Schäden an den
Ladungsträgern (Paletten) treten eher selten auf.
Aber nicht nur die Schwingungsbelastungen führen zu einer Materialermüdung,
auch der Prozess der Rekonditionierung und die entsprechenden Ausbeulungsprozesse haben, insbesondere bei Stahlverpackungen, Auswirkungen auf die mechanische Stabilität. Jeder Rekonditioniervorgang führt zu einer Materialschwächung. Daher haben Qualitätssicherungs- und -überwachungsmaßnahmen im Bereich der Rekonditionierung eine erhebliche Bedeutung.
Ziel der Untersuchungen war es folglich, die Schwingfestigkeit starrer Verpackungen genauer zu untersuchen und gegebenenfalls Maßnahmen zur Optimierung
der Zeitfestigkeit von Stahlverpackungen, im Speziellen von Spundfässern nach
DIN EN 210, zu definieren. In diesem Zusammenhang sollte auch der Einfluss der
Materialstärke sowie der Rekonditionierprozesse auf die Schwingfestigkeit genauer untersucht werden. Kombinations-IBC wurden in die Untersuchungen nicht einbezogen, da Schwingungsschäden bei diesen deutlich seltener auftreten. Darüber
hinaus ist in den meisten Fällen die Kunststoffblase betroffen, die im Rahmen eines Rebotteling leicht ausgetauscht werden kann.
6.2
Transport-, Umschlag- und Lagerbelastungen
Fässer sind in voll befüllten Zustand erheblichen Beanspruchungen ausgesetzt.
Insbesondere durch die durch schlechte Straßen hervorgerufenen Vertikalbeschleunigungen des Füllgutes müssen vom Fassunterboden große Kräfte aufgenommen werden, die nach gewisser Zeit zur Materialermüdung in Form von
Schwingungsrissen und damit zum Verlust der Dichtigkeit führen.
Transport-, Umschlag- und Lagerbelastungen (TUL-Belastungen) lassen sich in
mechanische, klimatische, chemische, biologische und sonstige Belastungen unterteilen (Abbildung 6-2). Diese Belastungen treten in der Regel nicht einzeln,
sondern kombiniert als so genanntes Belastungskollektiv auf. Neben den klimatischen Belastungen müssen insbesondere die mechanischen Belastungen berücksichtigt werden, da sie einen Schaden an einer Gefahrgutumschließung verursachen können und damit ggf. einen Austritt von Gefahrstoffen.
367
Abbildung 6-2:
Übersicht über TUL-Belastungen /VDI 3968/ /SOW 1998/
Mechanische TUL-Belastungen, die für Transportschäden ursählich sind, können
in statische und dynamische Belastungen unterteilt werden. In Abbildung 6-3 sind
einige charakteristische mechanische TUL-Belastungen und deren Ursachen dargestellt. Statische Beanspruchungen treten beispielsweise durch Übereinanderstapeln von Gütern in Lagern und Laderäumen (Stapeldruck) oder durch Druckkräfte an Angriffsstellen von Seilen, Gabeln usw. (Manipulationskräfte) auf. Bei der
Stapelbildung sind es Stauchdruckbelastungen, die je nach Krafteinleitung und weiterleitung zu Druck- und damit, in Abhängigkeit der Bauteilgestaltung, auch zu
Knick- und Biegebelastungen auf Verpackungen führen.
Dynamische Belastungen resultieren aus Bewegungsänderungen (z. B. Kurvenfahrt, Lkw-Fahrwerksreaktionen) und sind im Allgemeinen nur sehr schwer im Vorfeld zu bestimmen. Sie werden in vermeidbare und unvermeidbare Belastungen
unterschieden, wobei insbesondere die unvermeidbaren Belastungen, z. B.
Schwingungen und Stöße auf der Ladefläche eines Transportmittels, im Rahmen
des vorliegenden Vorhabens von besonderem Interesse sind.
368
Abbildung 6-3:
Mechanische TUL-Belastungen und deren Ursachen /SOW 1998/
In Abbildung 6-4 sind erfahrungsgemäß im Straßengüterverkehr auftretende Belastungsgrößen für singuläre Belastungen mit ihren Amplitudenwerten angegeben.
Abbildung 6-4:
Beschleunigungen auf das Transportgut /VDI 3968/ /SOW 1998/
Schwingungsbelastungen werden nach ihrem zeitlichen Verlauf in periodische und
stochastische - zulässig verteilter Schwingverlauf - unterteilt, wobei periodische
sinusförmige Schwingungen in Reinform nur sehr selten in der Praxis auftreten.
Überwiegend sind es stochastische Schwingungen, die sich mit unterschiedlichen
Amplituden-, Frequenzen- und Richtungsgrößen überlagern. Beim Transport von
369
Gütern sind als Einflussfaktoren für eine Schwingungsanregung im Wesentlichen
die Fahrbahn- bzw. Streckenbeschaffenheit sowie das Fahrwerk des Fahrzeugs
zu nennen. Durch diese werden während eines Transports Schwingungsbelastungen auf die Ladung eines Transportmittels ausgeübt, die nicht selten zu unvorhersehbaren Schäden oder Phänomenen führen, z. B. Ermüdungsbrüche an Packmitteln und -hilfsmitteln, Verschiebung bzw. Wandern von Ladungsteilen.
Zur möglichst realistischen Abbildung von Transportvorgängen haben sich aus
zahlreichen Versuchen mit unterschiedlichsten Objekten (z. B. palettierte Ladeeinheiten, Einzelpackmittel, diverse Packgüter) stochastische Schwingungen bzw.
Zufallsschwingungen als Anregungssignal am Besten bewährt. Je nach eingesetztem Signalspektrum lassen sich somit auf einer Schwingprüfanlage die Verhältnisse auf Ladeflächen von Transportmitteln (z. B. Lkw, Eisenbahn oder Flugzeug)
relativ praxisnah nachstellen.
Ziel der Untersuchungen war es, die Schwachstellen an den Verpackungen experimentell zu analysieren, um konstruktive Verbesserungsvorschläge entwickeln
und testen zu können. Grundlage dafür bildet die Durchführung von Schwingversuchen nach ASTM 416956.
6.3
Grundlagen der Zeit- und Dauerfestigkeitsproblematik
Bauteile, Maschinenelemente sowie Verpackungen, die Erschütterungen ausgesetzt sind, können zu Bruch gehen, auch wenn die wechselnde Belastung weit
unterhalb der Zugfestigkeit des Werkstoffes liegt. Man spricht bei diesem Phänomen von Dauerbruch (auch Dauerschwingbruch oder Ermüdungsbruch). Meist
bilden sich dabei von der Oberfläche ausgehend zunächst viele Mikrorisse in Richtung der größten Schubspannung. Ab einer gewissen Größe wächst nur noch einer dieser Mikrorisse weiter, wobei er sich dann in einer Ebene senkrecht zur
größten Normalspannung ausbreitet. Der Restbruch des Bauteiles tritt ein, wenn
der Restquerschnitt die aufgebrachte (Zug-)Beanspruchung nicht mehr tragen
kann. Die makroskopisch glatte Schwingbruchfläche weist so genannte Rastlinien
auf, die durch Belastungsänderungen entstehen (vgl. Abbildung 6-5).
Aufgrund der Rissausbreitung beginnen Brüche sind zumeist an materialbedingten
Fehl- oder Schwachstellen. Fehlstellen sind zum Beispiel Entkohlung an der Oberfläche, Schlackeneinschlüsse, Risse oder Gefügeanomalien. Im Falle einer Entkohlung wirkt der Ferrit aufgrund schlechterer Wechselfestigkeit als Auslöser. Im
Verlauf der Bruchentstehung reduziert sich zunehmend die Materialquerschnittsfläche (Rastlinien). Schließlich kommt es durch Überbelastung zum Bruch (Restbruch, Gewaltbruch) des Bauteils.
370
Abbildung 6-5:
Dauerbruchfläche
Bei der Dauerfestigkeitsbeanspruchung sind verschiedene Beanspruchungsbereiche zu unterscheiden: Bei einer Wechselbelastung schwankt die Belastung um
den Nullpunkt. Bei der Druckschwellbelastung wirken in der Größe veränderliche
Druckspannungen auf das Bauteil ein. Schließlich wirken bei der Zugschwellbelastung in der Größe veränderliche Zugspannungen auf das Bauteil ein.
Um die Auswirkungen von schwingenden Beanspruchungen auf ein Bauteil zu
messen, können unterschiedliche Verfahren angewandt werden. Vor allem die
Weibull-Analyse, aus der sich das Wöhlerdiagramm ableiten lässt, und die Versuchsdurchführung nach ASTM 4169 bieten die Möglichkeit, Zuverlässigkeitsanalysen im Bereich der Dauerschwingfestigkeit durchzuführen und zu analysieren
Versuchsdurchführung nach ASTM 4169
ASTM International, auch bekannt als „American Society for Testing and Materials“, ist eine der weltweit größten freiwilligen, Normen entwickelnden Organisationen. ASTM hat eine bedeutende Rolle in der Fertigung und im Handel. So wurden
unter anderem Normen für die Simulation von Schwingungsprofilen im Transportprozess erarbeitet, die nach ASTM 4728 und/oder ASTM 4169 durchgeführt werden.
Die ASTM-Normen ASTM D 4728 (Random Vibration Test Of Shipping Containers) und ASTM D 4169 (Standard Practice for Performance Testing of Shipping
Containers and Systems) sind zur Zeit die einzigen auch auf europäische Verhältnisse anwendbaren Normen für Schwingungs-Prüfungen von transportierten Gü56
American Society for Testing and Materials
371
tern. Bei diesen Prüfungen wird das Versuchsobjekt so auf einen Schwingtisch
gestellt, dass es sich in der vertikalen Schwingungsachse frei bewegen kann und
in der horizontalen Achse durch entsprechende Ränder, Führungen oder Vorrichtungen an einer seitlichen Bewegung gehindert wird.
Die hierbei erzeugten Schwingungsprofile simulieren realitätsnah das Schwingungsverhalten von Lkw auf Straßen. Wie auch in der Realität entstehen dabei
durch Überlagerungen von Frequenzen unterschiedlicher Beschleunigungsintensität Stöße und Schocks, die bis zu 3,5 g Beschleunigung erreichen können. Testspektren werden als spektrale Leistungsdichten (PSD = Power Spectral Density)
in [g2/Hz] über der Frequenz angegeben und können somit auf einfache Weise in
die Steuerung einer Schwingprüfeinrichtung eingegeben werden.
Empfehlungen für anzuwendende Schärfegrade und Prüfdauern sowie eine genaue Spezifizierung des Frequenzspektrums werden jedoch nur in ASTM D 4169
gegeben /ASTM 4169/. Zudem ist in ASTM 4169 eine Vorgehensweise zur Durchführung von Schwingprüfungen dargestellt, die in 11 Schritte unterteilt ist.
Tabelle 6-1:
Testprozedur nach ASTM 4169 /ASTM 4169/
Nummer
Bezeichnung
1.
Transporteinheit bestimmen
2.
Grad der Testintensität spezifizieren
3.
Akzeptanzkriterium festlegen
4.
Distributionskreislauf auswählen
5.
Testplan schreiben
6.
Proben auswählen
7.
Proben klimatisieren
8.
Tests durchführen
9.
Ergebnisse bewerten
10.
Ergebnisse dokumentieren
11.
Sendungen beobachten
Die einzelnen Schritte werden, bezogen auf den zu betrachtenden Testfall, kurz
dargestellt und erläutert:
1. Die zu betrachtenden Transporteinheiten sind Stahlfässer mit einem Volumen
von 216,5 Litern. Die Handhabung der Transporteinheiten erfolgt zum großen
Teil manuell.
2. Drei verschiedene Testintensitäten sind seitens der ASTM für Lkw-Transporte
wie folgt vorgegeben:
•
372
Level I: Beschleunigung aeff = 0,73 g, Testdauer t = 180 min
•
Level II: Beschleunigung aeff = 0,52 g, Testdauer t = 180 min
•
Level III: Beschleunigung aeff = 0,37 g, Testdauer t = 180 min
Für die Versuche soll Level II benutzt werden. Dieser Wert entspricht relativ
genau dem Median der Beschleunigungen auf das Transportgut während eines
Lkw Transportes.
3. Als Akzeptanzkriterium wird der Austrittszeitpunkt der Flüssigkeit gewählt. Das
Akzeptanzkriterium steht somit in direkter Beziehung zu dem gewünschten Zustand am Ende des Distributionskreislaufs.
4. Die Auswahl des Distributionskreislaufes erfolgt über die Tabelle 1 der ASTM
4169-99. Der Versuch sollte hier nach dem Distributionskreislauf 5 erfolgen.
Dieser beinhaltet verschiedene „Performance Test Schedule Sequences“. Äußerst wichtig ist der Test nach „Schedule E“. In diesem Test werden Fahrzeugvibrationen simuliert und Standzeiten gemessen.
5. Das Schreiben eines Testplans beinhaltet das Eingliedern der vorher festgelegten Testintensität und des Akzeptanzkriteriums. Zudem wird im Testplan bereits das Equipment definiert. Hier wird ein Schwingtisch der Firma MTS, Modell 458.10, verwendet um vertikale Beschleunigungen eines Straßentransportes zu simulieren.
6. Als Inhalt der Fässer wird Wasser als „Dummy load“ benutzt. Dies weist ähnliche Eigenschaften wie die zu transportierenden Flüssigkeiten auf und ist somit
problemlos einzusetzen.
7. Zur Klimatisierung der Proben werden diese über 72 Stunden auf eine Temperatur von 23 °C ± 1 °C und eine Luftfeuchtigkeit von 50 ± 2 % konditioniert.
8. Die Durchführung der Tests ist ausführlich in den nachfolgenden Kapiteln beschrieben.
9. Die Bewertung der Ergebnisse dient dazu, festzustellen ob die Verpackungen
das Akzeptanzkriterium treffen.
10. Die Dokumentation der Tests wird durchgeführt, indem jeder einzelne Schritt
dokumentiert wird.
11. Die Sendungsbeobachtung wird hier nicht vollzogen. Dies ist nicht zwingend
von ASTM vorgeschrieben und dient zur Kontrolle der ermittelten Ergebnisse.
Die Normen ASTM 4169 und ASTM 4728 beinhaltetn sowohl die Versuchsvorbereitung, -durchführung und -analyse als auch die Versuchsüberprüfung. Allerdings
lassen sie offen, mit welchen Mitteln die Versuchsauswertung durchgeführt wird.
Im Maschinenbau hat sich insbesondere die Weibull-Analyse durchgesetzt
/WEI 2006/. Diese soll nachfolgend kurz erläutert werden.
373
Weibull-Analyse
Die Weibull-Analyse ist die klassische Zuverlässigkeitsanalyse oder das klassische Lebensdauerdiagramm und hat besonders in der Automobilindustrie eine
große Bedeutung. Aus dem so genannten Weilbull-Netz lassen sich die "Charakteristische Lebensdauer", sowie eine bestimmte Ausfallwahrscheinlichkeit von bestimmten Bauteilen oder Komponenten ablesen /WEI 2006/.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Summenverteilung der Ausfälle als Basis
anzunehmen. Die Weibull - Verteilung ist eine spezielle Verteilungsform, die für
diesen Anwendungsfall besonders geeignet ist. Verallgemeinert handelt es sich
bei der Weibull - Verteilung um eine Exponentialverteilung. Mit dieser Darstellung
wird gearbeitet, weil sehr viele Verteilungsformen mit der Weibull - Analyse dargestellt werden können, die Weibull - Funktion mathematisch leicht zu handhaben
ist, zeitabhängige Ausfallmechanismen als Gerade erscheinen und weil sie sich in
der Praxis bewährt hat. Wenn die Ausfallwahrscheinlichkeit im linearen Diagramm
dargestellt wird, erhält man eine über den gesamten Verlauf relativ unübersichtliche S-förmige Kurve. Durch Verzerrung des Ordinatenmaßstabes (doppellogarithmisch) und der Abszisse (logarithmisch) wird die S-förmige Linie zu einer Geraden
(linearisierte Ausgleichsgerade).
Die Weibull - Verteilungsfunktion lautet in der vereinfachten 2-parametrigen Form:
H = 1− e
⎛t ⎞
−⎜ ⎟
⎝T ⎠
b
(Gleichung 12)
mit
H
t
T
b
Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. Ausfallhäufigkeit (normiert auf 1,
in % mal 100)
Lebensdauervariable (Fahrstrecke, Einsatzdauer, Lastwechsel
usw.)
Charakteristische Lebensdauer, bei der 63.2% der Einheiten ausgefallen sind (für t = T gilt H = 100%, (1 - 1/e) = 63.2 %)
Formparameter, Steigung der Ausgleichsgeraden im Weibull-Netz
Die 3-parametrigen Form der Gleichung stellt sich folgendermaßen dar:
H =1− e
⎛ t −t0
− ⎜⎜
⎝ T −t0
⎞
⎟⎟
⎠
b
(Gleichung 13)
mit
to
Ausfallfreie Zeit
Für Versuche, deren Probenzahl unterhalb von 50 Stück liegt, kann eine Näherungsformel genutzt werden. Diese lautet:
374
H=
i − 0,3
n + 0,4
(Gleichung 14)
mit
i
Ordnungszahl der sortierten Schadteile
n
Stichprobenumfang oder Anzahl Schadteile
In vielen Fällen kann mit to = 0 gerechnet werden, was der 2-parametrigen Form
entspricht. Bei einigen Bauteilen treten jedoch trotz erheblicher Beanspruchung
erst nach einer Betriebszeit to Ausfälle bzw. Schäden auf. Bei diesem Verhalten
liegen die Punkte über dem Lebensdauermerkmal meist nach rechts gekrümmt im
Weibull-Netz. Bei der links steil abfallenden Kurve kann man sich mit to den
Schnittpunkt der Kurve mit der Nulllinie vorstellen, die im logarithmischen Maßstab
im Unendlichen liegt.
In den weiteren Ausführungen wurde für die Versuchsauswertung ausschließlich
die 3-parametrigen Form betrachtet, da diese genauere Ergebnisse liefert. Die
einzelnen Versuche und die Ergebnisse der Weibull-Analyse werden nachfolgend
beschrieben.
6.4
6.4.1
Ermittlung der Schwachstellen an Stahlfässern mit Hilfe von Schwingversuchen
Versuchsaufbau
Es wurden Schwingversuche zur Ermittlung der Schwachstellen an Stahlfässern
durchgeführt. Bei den zu untersuchenden Verpackungen handelte es sich um
Spundbehälter aus Stahl mit festem Oberboden (DIN EN 210) in verschiedenen
Materialstärken. Das Material ist Stahl ST-12 03 mit einer minimalen Zugfestigkeit
von Rm= 260 N/mm2 und kaltgewalzter Oberfläche (DIN 1623, Teil 1). Die MantelBoden-Verbindung ist gefalzt /DIN 1623/.
Der verwendete Schwingtisch der Firma MTS, Modell 458.10, ist ein gleichmäßig
angetriebener, servo-zwangsgesteuerter Rütteltisch mit ebener, verwindungssteifer Tischplatte auf einem der Masse entsprechenden Fundament (vgl. Abbildung
6-6).
Das Erregersystem kann vertikale Bewegungen (z. B. Sägezahn, rechteckige sowie sinusförmige Auslenkungen) der Tischplatte um die Ruhelage erzeugen. Um
stochastische Schwingungen auf den Tisch zu übertragen, besitzt das Erregersystem einen externen Eingang. Daran ist ein Steuerungsgerät der Firma Schlumberger Technologies, Modell SI 1209/10, angeschlossen. Dieser Random Vibration
Controller (RVC) generiert ein Zufallssignal, das über einen Leistungsverstärker
375
und einen elektromechanischen Rüttler die Schwingung anregt. Damit der RVC
ein stochastisches Signal generieren kann, müssen die Informationen der spektralen Leistungsdichte (die Verteilung der Amplituden über die Frequenzen) und die
geforderte effektive Beschleunigung dem Generator vorliegen.
Die spektrale Leistungsdichte wird als „Forderungsprofil“ dem RVC mit Hilfe einer
numerischen Tastatur übermittelt und auf dem Bildschirm dargestellt. Zusätzlich
wird ein Wert für die effektive Beschleunigung festgelegt, so dass der Random
Vibration Controller das „Forderungsprofil“ selbstständig in vertikaler Richtung verschieben kann, um beide Vorgaben zu erfüllen. Die vom RVC erzeugten und anschließend überlagerten Sinusschwingungen erfüllen damit die geforderte Leistungsverteilung über die Frequenzen.
Der stochastische Charakter des so definierten Signals, welches an den Leistungsverstärker weitergegeben wird, wird durch die Phasenverschiebung der Einzelschwingungen realisiert. Diese Information (Phasenverschiebung der Einzelschwingungen) ist im „Forderungsprofil“ nicht enthalten und kann somit dazu verwendet werden, einen zufälligen Schwankungsvorgang zu erzeugen. Dabei
schwankt die Phasenverschiebung der ES um die Nullphase.
Der Random Vibration Controller verfügt über einen adaptiven Schleifenregler, d.
h. er überwacht die erzeugte stochastische Schwingung mit Hilfe eines Beschleunigungsaufnehmers und einem schnellen Fourier-Transformationsverfahren zur
Schätzung der Leistungsspektraldichte selbständig.
Als Beschleunigungsaufnehmer wurde ein System der Firma PCB Piezotronics
verwendet, das direkt auf den Schwingtisch mit Hilfe einer Halterung verschraubt
wurde. Bei dem verwendeten piezo-elektronischen Aufnehmer handelt es sich um
ein Modell der Serie 321A. Er gibt bei einer Beschleunigung von 1,0 g eine Spannung von 96 mV ab und ist in einem Frequenzbereich von 1 - 3.000 Hz sowie bis
zu einer maximalen Beschleunigung von 50 g einsetzbar.
Das zu untersuchende, mit Wasser gefüllte Stahlfass wurde auf den Schwingtisch
gestellt und zentral positioniert. Anschließend wurde es mit Hilfe einer quadratischen Holzplatte und zwei Querstreben aus Stahl an der Oberkante eingespannt.
Hierzu dienten vier Gewindestangen, die im 90° Winkel um das Fass verteilt waren und von den Gewindebuchsen im Tisch durch die Platten / Streben geführt
wurden. Jede Stange wurde mit einer Mutter festgezogen und durch Konterung
gesichert (vgl. Abbildung 6-6).
376
Abbildung 6-6:
6.4.2
6.4.2.1
Versuchsaufbau eines Stahlfasses auf dem Schwingungsprüfstand
Versuchsdurchführung
Schwingfestigkeit bei Resonanz
Für die Durchführung der Versuche wurden Neufässer und rekonditionierte Fässer
mit verschiedenen Mantelstärken (0,8 bis 1,0 mm) und Ober- bzw. Unterbodenstärken (1.0 und 1.2 mm) verwendet. Wichtige Voraussetzung bei der Verwendung rekonditionierten Fässer war vor allem, dass es sich um Fässer im ersten
Rücklauf mit reproduzierbarer Belastungsvorgeschichte handelt. So sollte der generelle Einfluss der Nutzung und Rekonditionierung auf die Schwingfestigkeit untersucht werden.
Die Versuchsdurchführung stellte sich folgendermaßen dar: Das Fass wird im ersten Durchgang mit einem Gleitsinus (Sweep) in Schwingung versetzt, der zunächst kontinuierlich von 4 bis 100 Hz ansteigt und anschließend kontinuierlich
fällt von 100 bis 4 Hz.
Es stellte sich heraus, dass die größte Amplitude zwischen 10 und 20 Hz liegt.
Daher wurde dieser Bereich in einem zweiten Durchgang genauer untersucht
(Gleitsinus 10 bis 20 Hz / 20 bis 10 Hz). Ergebnis der Untersuchungen ist, dass
die Resonanzfrequenz fRes unabhängig von der Mantelstärke zwischen 15,5 und
16,5 Hz liegt. Die Zeitdauer bis zum Materialversagen (Austritt des Inhaltsstoffes)
beträgt bei Anregung mit fRes zwischen 8 und 10 Minuten.
6.4.2.2
Schwingfestigkeit bei variablem Schwingungsprofil
Nach der Ermittlung der Resonanzfrequenz wurden weitere Versuche zur Analyse
der konstruktiven Schwachstellen unter Realbedingungen im Straßentransport
durchgeführt. Das Versuchsziel war die Ermittlung der Zeitdauer bis zum Materialversagen, welches sich durch Austreten des Inhaltsstoffes bemerkbar macht. Die
377
Simulation von Schwingungsprofilen im Transportprozess erfolgte nach dem
ASTM 4169 (Stufe II) /ASTM 4169/.
Bei der Durchführung der Versuche traten ausschließlich Rissschäden am Unterboden nach Faltenbildung (plastische Verformung) auf. Die Rissform war bei den
meisten untersuchten Fässern gleich (I-Form) und bildete sich radial aus. Die Risse hatten eine Länge von 5 bis 20 mm. Damit bestätigte sich die in der Literatur
angegebene Aussage, dass der Fassunterboden die mit Abstand schwächste
Stelle ist /OHL 2001/. Tangentiale Risse traten nur in zwei Fällen bei Neufässern
mit Materialstärken von Unterboden/Mantel/Oberboden = 1,2 / 1,0 / 1,2 mm auf
und lassen darauf schließen, dass der Unterboden mit einer Stärke von 1,2 mm so
große Festigkeit besitzt, dass sich der Riss nicht radial ausbilden kann.
Abbildung 6-7:
Typischer Rissschaden am Fass-Unterboden
Ingesamt zeigten die Versuche aber auch, dass das Materialversagen bereits
nach sehr kurzer Zeit auftritt. Schon nach Zeiträumen von weniger als 20 Minuten
traten vereinzelt erste Rissschäden auf (vgl. Abbildung 6-8). Die Mantelstärke der
Fässer hat kaum Einfluss auf die Versuchsergebnisse. Dies ist aber auch leicht
verständlich, da die Schäden ausschließlich am Unterboden auftreten. So ist die
Versuchsdauer bei Fässern mit einer Mantelstärke von 0,8 mm zum Teil sogar
größer als bei Fässern mit 1,0 mm Mantelstärke. In Abbildung 6-7 sind die Versuchsergebnisse für rekonditonierte Fässer (erster Umlauf, reproduzierbare Vorbelastungen) dargestellt. Abgebildet ist die Versuchsdauer bis zum Versagen mit
Angabe der jeweiligen Materialstärke. Es wurden je vier Verpackungen getestet.
378
120
1,0/0,8/1,0
1,0/1,0/1,0
1,2/1,0/1,2
Ausfalldauer [min]
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Fass
Abbildung 6-8:
Ergebnisse der Schwingversuche (Rekofässer)
Vor allem bei Verpackungen in den Ausführungen 1,0 / 0,8 / 1,0 mm und
1,0 / 1,0 / 1,0 mm weisen die Ergebnisse eine sehr große Streuung auf. Dies legt
die Vermutung nahe, dass die Fässer unterschiedlichen Belastungen während der
Nutzungsphase ausgesetzt waren und demzufolge differierende Vorschädigungen
aufweisen.
Interessant sind die oben dargestellten Versuchsergebnisse vor allem beim Vergleich mit Neufässern, um eventuelle Einflüsse der Nutzung und Rekonditionierung zu überprüfen. Daher wurden Versuche mit entsprechenden Neufässern
durchgeführt, deren Ergebnisse in Abbildung 6-9 dargestellt sind.
Die Neufässer weisen eine im Vergleich zu rekonditionierten Fässer insgesamt
geringere Streuung auf, die aber dennoch relativ groß ist. Dies ist im Rahmen dieser Forschungsarbeit wissenschaftlich nicht erklärbar, da alle Versuchsfässer neu
waren und aus einer Herstellungscharge stammten. Es besteht die Vermutung,
dass die Ronden für die Unterböden aus verschiedenen Blechbändern ausgestanzt wurden und sich somit unterschiedliche Materialeigenschaften ergeben.
379
120
1,2/1,0/1,2
Ausfalldauer [min]
100
80
1,0/0,8/1,0
1,0/1,0/1,0
60
40
20
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Fass
Abbildung 6-9:
Ergebnisse der Schwingversuche (Neufässer)
Im Gegensatz zur ursprünglichen Vermutung konnte im Rahmen der Versuche
nicht nachgewiesen werden, dass die Nutzung und Rekonditionierung zu einer
Materialschwächung und damit Reduzierung der Schwingfestigkeit führt. Die Ergebnisse mit rekonditionierten Fässern sind mit denen der Neufässer vergleichbar.
Allerdings kann ein direkter Einfluss der Rekonditionierungs- und Nutzungsbelastungen auf die Schwingfestigkeit dadurch nicht ausgeschlossen werden, da zum
einen die untersuchte Verpackungszahl zu gering ist und zum anderen unklar ist,
wie sich die Werte bei mehrmaliger Rekonditionierung verändern. Ingesamt
scheint der Einfluss der Rekonditionierprozesse jedoch geringer als vermutet.
Weitere Untersuchungen wurden aufgrund der schlechten Reproduzierbarkeit der
Ergebnisse nicht durchgeführt.
Interessant ist aus wissenschaftlicher Sicht die Ursache für die Bildung der Risse.
Verantwortlich dafür ist die Flüssigkeit im Fass. Die oszillierende Flüssigkeitssäule
schlägt auf den Unterboden, der so durch die kinetische Energie plastisch verformt
wird. Es bilden sich ca. 9 bis 10 Falten am Unterboden, aus denen nachfolgend
die Risse entstehen.
Die bereits erwähnte Faltenbildung am Unterboden führt unmittelbar zu der Frage,
wie sich der Unterboden bei Belastung verhält. Bereits die statische Belastung,
hervorgerufen durch die Gewichtskraft des Inhaltsstoffes, ist erheblich, wenn man
bei einem klassischen 216 Liter-Fass von Produktgewichten zwischen 150 kg bei
Mineralöl und weit über 200 kg bei Tensiden ausgeht. Die daraus resultierende
Spannung in Höhe von bis zu 9.000 N/m² führt zu einer deutlichen Durchbiegung
des Fassbodens. Um diese bei statischer und dynamischer Belastung zu messen,
380
wurde dauerplastische Knetmasse zwischen der Mitte des Unterbodens und dem
Grund angebracht. Die verbleibende Dicke der Knetmasse konnte nach Versuchsdurchführung gemessen werden. Die Abstände zwischen Fassboden und
Auflage betragen im unbefüllten Zustand etwa 23 mm. Bei Befüllung des Fasses
mit Wasser (Füllgrad 98 %) reduziert sich dieser Abstand auf 11 mm. Das Aufbringen einer Schwingungsbelastung führt zu einer weiteren Reduzierung. Nach
einer Zeitdauer von 15 Minuten unter schwingender Belastung ist der der konstruktiv vorgegebene Abstand vom Fassunterboden bis zum Grund durch das
Einwirken von Masse sowie Schwingungen und Stößen vollständig aufgebraucht,
so dass sich der Fassboden und der Grund berühren.
6.4.3
Ergebnisauswertung
Die Auswertung der Versuchsergebnisse erfolgte mit Hilfe der Weibull-Analyse.
Dazu musste zunächst die Ausfallhäufigkeit berechnet werden (vgl. auch Gleichungen 11 und 12). Die nachfolgende Tabelle zeigt die ermittelte Ausfallhäufigkeit am Beispiel eines Neufasses mit Materialstärken von 1,0/0,8/1,0 mm.
Tabelle 6-2:
Dauer bis zum Ausfall
[min]
Ausfallhäufigkeit
Beispiel für die Ausfallhäufigkeit nach Weibull (Neufass 1.0/0.8/1.0)
10
15
23
23
25
31
34
41
51
60
82
10%
20%
51%
51%
54%
62%
65%
72%
80%
85%
90%
Mit Hilfe dieser Daten konnte eine grafische Darstellung der Versuchsergebnisse
erfolgen, Zwischenwerte wurden durch Interpolieren ermittelt (vgl. Abbildung
6-10). Mit Hilfe der Grafik kann nun bestimmt werden, wie hoch die Ausfallhäufigkeit des Fasses nach beliebigen Zeiträumen (in diesem Fall bei Werten zwischen
0 und 70 Minuten) ist. Eine Extrapolation ist nicht möglich, da sich in der Praxis die
Steigung der Kurve ab einer bestimmten Lebensdauer signifikant verändert.
Bei der häufig sehr starken Streuung des Lebensdauermerkmals ist leicht verständlich, dass es nicht zweckmäßig ist, nur den Mittelwert der Ausfallzeit anzugeben. Erst die Weibull-Auswertung ermöglicht eine hinreichende Aussage über
das Ausfallverhalten der betrachteten Fässer. Anstelle des Mittelwertes wird üblicherweise die so genannte charakteristische Lebensdauer T angegeben, bei der
63,2 % aller Bauteile ausgefallen sind. Im betrachteten Fall liegt sie bei ca. 39 Minuten (vgl. Abbildung 6-10).
381
100%
Ausfallhäufigkeit
80%
60%
40%
20%
0%
20
30
40
50
60
70
Ausfallzeit [min]
Abbildung 6-10:
Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse
(Neufass 1,0 / 0,8 / 1,0 mm)
Die in Abbildung 6-10 dargestellte Weibull-Kurve kann zu einer linearisierten Ausgleichsgeraden konvertiert werden, um Ausfallzeiten einfacher ablesen zu können.
Zu diesem Zweck muss die Ordinate doppellogarithmisch und die Abszisse logarithmisch aufgetragen werden. Das Ausfallverhalten ist dann durch eine verschobene Gerade gekennzeichnet. Die Schwingfestigkeit der Verpackungen ist umso
größer, je weiter die Gerade nach rechts verschoben ist. In Abbildung 6-11 ist das
Ergebnis für Neufässer mit den Blechstärken 1,0 / 0,8 / 1,0 mm dargestellt. Die
berechneten Ergebnisse für alle anderen Verpackungen sowie die entsprechenden Grafiken sind im Anhang zu finden (vgl. Anhang VI).
ln(ln(1/(1Ausfallwahrscheinlichkeit))
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
3,0
3,5
4,0
4,5
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
Abbildung 6-11:
382
Linearisierte Ausgleichsgerade der Weibull-Analyse
(Neufass 1,0 / 0,8 / 1,0 mm)
5,0
Insgesamt konnte im Rahmen der Untersuchungen festgestellt werden, dass besonders die Veränderung der Ober- und Unterbodenstärke einen wesentlichen
Einfluss auf die Schwingfestigkeit hat. Größere Materialstärken führen teilweise zu
einer deutlich verbesserten Schwingfestigkeit bzw. größeren Ausfallzeiten (vgl.
Abbildung 6-12). Die Mantelstärke hat dagegen kaum eine Auswirkung auf die
Versuchsdauer, was angesichts der Schadensbilder - Risse treten vorwiegend am
Unterboden auf - auch gut nachvollziehbar ist.
3,0
2,0
1,0
1,2/1,0/1,2
1,0/0,8/1,0
1,0/1,0/1,0
0,0
-1,0
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
Abbildung 6-12:
Einfluss der Materialstärke auf die Versuchsdauer bis zum
Materialversagen (Weibull-Analysen)
Betrachtet man die Ergebnisse, so fällt auf, dass eine Erhöhung der Materialstärke
um 20 % (von 1,0 mm auf 1,2 mm) eine deutliche Reduzierung der Ausfallwahrscheinlichkeit bewirkt. Somit ist eine Materialeinsparung, insbesondere im Bereich
des Ober- und Unterbodens, im Hinblick auf die Sicherheit gegen das unkontrollierte Austreten von Flüssigkeiten sehr kritisch zu werten. Da eine Verkürzung der
Versuchsdauer direkt auf eine Verkürzung des Lebenszyklus im Einsatzfall schließen lässt, muss die Material- und damit Kosteneinsparung einer deutlich verkürzten Nutzungsdauer gleichgesetzt werden.
Basierend auf diesen Erkenntnissen erschien es sinnvoll, Möglichkeiten zur Erhöhung der Schwingfestigkeit zu untersuchen, die es dem Rekonditionierer ermöglichen, die Verpackungsqualität zu verbessern. Die entsprechenden Untersuchungen werden nachfolgend beschrieben.
383
6.5
Entwicklung von Gegenmaßnahmen und Überprüfung der Wirksamkeit mit Hilfe von Schwingversuchen
Die Schadensbilder am Unterboden resultieren, wie bereits beschrieben, aus der
oszillierende Flüssigkeitssäule, die den Fassunterboden durch die kinetische
Energie plastisch verformt. Eine Vermutung lag daher darin, durch Reduzierung
der Durchbiegung des Unterbodens eine Erhöhung der Schwingfestigkeit zu erreichen. Um dies zu untersuchen, wurden Schwingversuche mit einer Gummiunterlage (Maße 250 mm x 250 mm x 15 mm) durchgeführt. Dazu wurde das Fass auf
dem Schwingtisch aufgespannt und wie bereits beschrieben mit dem Testprofil
nach ASTM-4169, Stufe II (geff=0,52g) angeregt. Um die generelle Eignung von
Gummiunterlagen einschätzen zu können, wurden im ersten Versuch zwei Fässer
(Materialstärken 1,0 / 1,0 / 1,0 mm) getestet.
Abbildung 6-13:
Verwendete Gummiunterlage
Es stellte sich heraus, dass durch die Unterlage eine Schwingfestigkeitserhöhung
(Zeitdauer bis zum Versagen) um den Faktor 6 gegenüber den ursprünglich durchgeführten Versuchen ohne Unterlagen erreicht werden kann. Erste Undichtigkeiten
traten erst nach 175 bzw. 200 Minuten auf. Die dargestellte Vermutung, dass eine
Verminderung der Durchbiegung des Fassbodens zu einer beträchtlichen Steigerung der Schwingfestigkeit führt, konnte somit bestätigt werden.
Die in den ersten Versuchen angebrachte Unterlage in der Größe 250 mm x
250 mm x 15 mm hat zwar den gewünschten Effekt erzielt, Größe und Gewicht
sind aber für den Masseneinsatz zu hoch. Daher wurden weitere Versuche mit
Verpackungen gleicher Materialstärke und kleineren Unterlagen durchgeführt
(Größe 50 mm x 50 mm x 15 mm). Die Dauer bis zum Versagen der Unterlagen
lag in diesen Versuchen bei durchschnittlich 158 Minuten, lag also wie zu erwarten
unter dem Ergebnis der größeren Unterlage. Die Schwingdauer ist damit abhängig
von der Unterlagengröße. Es war zusätzlich zu beobachten, dass sich bei kleineren Unterlagen ein anderes Schadensbild ergab. Risse bildeten sich nicht mehr
384
senkrecht zur Zarge, sondern parallel dazu. Weiterhin kam es wie bei den Versuchen ohne Unterlage zur Faltenbildung, allerdings in abgeschwächter Form. Die
Ursache dafür liegt darin, dass nur ein kleiner Teil des Bodens schwingungsdämpfend unterstützt wurde, so dass weiterhin Schwingungen stattfinden.
Um neben der Unterlagengröße auch den Einfluss der Unterlagenform auf die
Stabilität der Verpackungen gegenüber Schwingungsbelastungen zu untersuchen,
wurden statt quadratischen Unterlagen in weiteren Versuchen runde Unterlagen
verwendet. Zusätzlich wurde die Größe der Unterlagen variiert. So wurden Unterlagen von 100 mm Durchmesser, 150 mm Durchmesser und 200 mm Durchmesser verwendet. Je Unterlage wurden vier Fässer getestet, deren Materialstärke
den bisher Verwendeten entsprach (1,0 / 1,0 / 1,0 mm). Die Ergebnisse der Untersuchungen sind in Tabelle 6-3 dargestellt
Tabelle 6-3:
Ausfallhäufigkeit nach Weibull mit Unterlage
Unterlagendurchmesser 100mm
Dauer bis zum
106
140
155
Ausfall [min]
Ausfallhäufigkeit
50 %
59 %
63 %
Dauer bis zum
81
126
159
Ausfall [min]
Ausfallhäufigkeit
40 %
55 %
63 %
Dauer bis zum
134
156
175
Ausfall [min]
Ausfallhäufigkeit
51 %
59 %
63 %
157
64 %
226
76 %
240
75 %
Durch den Einsatz der runden Unterlagen erhöht sich, ebenso wie bei Fässern mit
quadratischer Unterlage, die Dauer bis zum Ausfall gegenüber Fässern ohne Unterlage erheblich. Ohne Unterlage wurde als Maximalwert eine Versuchsdauer von
107 Minuten gemessen. Bei Verwendung einer Unterlage wurde ein Maximalwert
von 240 Minuten gemessen. Die Ergebnisse spiegeln also die bei quadratischen
Unterlagen getroffene Aussage wider.
Darüber hinaus ist die Schwingfestigkeit auch bei runden Unterlagen von der Unterlagenfläche abhängig. Die Entwicklung der Ausfallwahrscheinlichkeit nach Weibull in Abhängigkeit vom Unterlagendurchmesser kann Abbildung 6-14 entnommen werden. Wie zu erkennen, reduziert sich die Ausfallwahrscheinlichkeit mit
385
zunehmender Unterlagenfläche, auch wenn die Auswirkungen relativ gering ausfallen.
Die Unterlagenform hat im Gegensatz zu der Unterlagenfläche kaum eine Auswirkung. Bei kleinen Unterlagen wurden mit quadratischen Formen jedoch insgesamt
bessere Ergebnisse erzielt, so dass diese unter dem Aspekt der Materialreduzierung grundsätzlich zu bevorzugen sind.
100%
Ausfallhäufigkeit
80%
60%
100 mm
150 mm
200 mm
40%
20%
0%
0
50
100
150
200
250
300
Ausfallzeit [min]
Abbildung 6-14:
6.6
Graphische Darstellung der Versuchsergebnisse nach Weibull
Zusammenfassung und Ableitung von Empfehlungen
Die Versuchsergebnisse der Schwingfestigkeitsuntersuchungen zeigen deutlich
die Schwachstelle von Stahlfässern. Transportbeanspruchungen in Form von
Schwingungsbelastungen führen dazu, dass sich speziell am Rand des Unterbodens radiale Risse bilden, die zu Undichtigkeit und damit zum Verlust der Funktionsfähigkeit führen. Dies bestätigt auch die Aussagen früherer Untersuchungen
(vgl. /OHL 2001/). Darüber hinaus zeigte sich, dass die Schwingfestigkeit der Verpackungen insbesondere abhängig ist von der Materialstärke des Ober- und Unterbodens, während die Mantelstärke kaum Einfluss auf die Schwingfestigkeit hat.
Ebenso konnte ein Einfluss der Nutzungs- und Rekonditionierungsprozesse im
Rahmen der durchgeführten Untersuchungen nicht nachgewiesen werden. Dies ist
jedoch mit Vorsicht zu genießen, da angesichts der geringen Probenzahl im Rahmen dieser Forschungsarbeit keine allgemeingültige Aussage getroffen werden
kann.
Zur Erhöhung der Schwingfestigkeit und damit zur Verbesserung der Verpackungseigenschaften ist es erforderlich, ein Durchbiegen des Unterbodens unter
der vertikal schwingenden Last des Füllgutes zu verhindern bzw. zu reduzieren.
386
Dies kann durch Anbringung von Gummiunterlagen am Fassunterboden erreicht
werden, so dass der Rekonditionierer die Schwingungseigenschaften und damit
die Verpackungsqualität im Hinblick auf den unkontrollierten Austritt von Füllgütern
direkt beeinflussen kann. Vor dem Hintergrund der praktischen Einsatzbedingungen ist die Verwendung dieser Unterlagen jedoch durchaus kritisch zu werten. Bei
aufgeklebten Unterlagen besteht die Gefahr, dass diese sich leicht lösen, wenn
Fässer verschoben oder mittels Hubwagen transportiert werden. Gegebenenfalls
bietet das temporäre Anbringen von Unterlagen während des Transportes eine
mögliche Lösung, wobei auch hier die Gefahr des Verlustes besteht. Ebenso muss
die Anbringung im Tagesgeschäft als nicht zweckmäßig und praktikabel bewertet
werden.
Als nicht praxisgerecht erweist sich in diesem Zusammenhang der Gedanke, den
Unterboden schon bei der Herstellung mit einer Auswölbung zu versehen, so dass
sich dieser auf einer Höhe mit der Zarge befindet und auf dem Grund aufliegt. Der
Grund ist die starke Korrosionsneigung bei Lagerung im Freien.
387
Fazit und Ausblick
7 Fazit und Ausblick
7.1
Zusammenfassung der Erkenntnisse
Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden neue Erkenntnisse zur Gestaltung
von Rekonditionierprozessen für starre Industrieverpackungen erarbeitet, die dazu
beitragen können, Umweltbelastungen durch die Verpackungsrekonditionierung
nachhaltig zu reduzieren. Beispielsweise konnten durch die Integration innovativer
Anlagenkomponenten Energieverbrauch und Abfallmengen reduziert sowie der
Frischwasserbedarf in den Reinigungsanlagen minimiert werden. Den Betrieben
der Branche stehen somit Lösungen und Konzepte zur Verfügung, die in geeigneter Weise die Reduzierung von Umweltbelastungen mit der Erschließung von
Kosteneinsparungs- und Umsatzpotenzialen ermöglichen. Dies kann zur Stärkung
der Wettbewerbsposition beitragen. Darüber hinaus leisten die Ergebnisse des
Vorhabens einen wichtigen Beitrag zur Umsetzung der Kreislaufwirtschaft in der
Verpackungsindustrie, indem hochwertige Materialkreisläufe umweltschonend realisiert werden.
Basierend auf einer Einleitung in die Thematik und einer Beschreibung der Zielstellung der Untersuchungen in Kapitel 1 wurden in Kapitel 2 die Grundlagen der
Rekonditionierung starrer Verpackungen detailliert beschrieben. In diesem Zusammenhang wurden insbesondere die rechtlichen Rahmenbedingungen und die
zu betrachtenden Verpackungstypen erläutert, die Prozesse der Rekonditionierung dargestellt sowie die Besonderheiten der Branche im Einzelnen erläutert.
Anschließend erfolgt in Kapitel 3 die Entwicklung eines innovativen Musterprozesses für die Rekonditionierung starrer Verpackungen. Schwerpunkt der Ausführungen bildet die Darstellung von Anlagenkomponenten zur technischen Optimierung
des Rekonditionierungsprozesses vor dem Hintergrund der Reduzierung der Umweltbelastungen. In diesem Zusammenhang werden verschiedene technische Lösungen entwickelt, umgesetzt und erprobt. Im Speziellen werden dabei die Aufbereitung von Öl-Wasser-Gemischen, die Neutralisation reaktiver Verpackungen, die
Etikettenentfernung von Spundfässern aus Stahl sowie die Vorbehandlung nicht
rekonditionierfähiger Verpackungen aus Kunststoff behandelt. Neben der Realisierung der Lösungen und Konzepte erfolgte eine umfassende Bewertung der Umweltwirkungen und der ökonomischen Potenziale.
Wie die Untersuchungen zeigten, kann in fast allen Bereichen eine deutliche Reduzierung der Umweltbelastungen und Ressourcenverbräuche erreicht werden.
So konnte z. B. durch die Installation einer Anlage zur Aufbereitung von ÖlWasser-Gemischen aus den Reinigungsanlagen sowie unterstützende Maßnahmen der Frischwasserbedarf in der Fassreinigung um 41 %, in der IBC-Reinigung
388
Fazit und Ausblick
um bis zu 50 % gesenkt werden. Zusätzlich wurde eine deutliche Reduzierung der
Entsorgungsmengen an flüssigen Abfällen erreicht.
Auch bei den anderen Teilprojekten konnten sehr gute Projektwirkungen erzielt
werden. Da es sich zusätzlich um praxistaugliche und wirtschaftlich sehr rentable
Projekte handelt, hat bereits ein Großteil der Erkenntnisse und Lösungen Eingang
in die betriebliche Praxis gefunden.
Einzig im Bereich der Etikettenentfernung konnte jedoch bisher keine umsetzungsfähige Lösung gefunden werden. Im Rahmen des Projekts wurden jedoch die
Grundlagen dazu geschaffen, in dem verschiedene Verfahren und Ansätze auf
ihre Praxistauglichkeit untersucht wurden. Es zeigte sich, dass Bürstenschleifmaschinen ungeeignet sind. Die Wasserstrahltechnik hingegen bietet großes Potenzial, wobei die Umsetzung einer entsprechenden Lösung noch weiterer Forschungsarbeiten bedarf (z. B. im Hinblick auf die verwendeten Komponenten und
optimale Prozessparameter).
Den Schwerpunkt von Kapitel 4 bildet die Beschreibung von Lösungen zur innerbetrieblichen Kennzeichnung der zu rekonditionierenden Verpackungen. Nach
einer generellen Untersuchung der technischen Alternativen wurde eine Lösung
auf Basis der RFID-Technologie entwickelt, die eine deutliche Verbesserung der
Datenqualität und der Auswertungsmöglichkeiten eröffnet. Somit ist es erstmalig
möglich, die Vergütungen für die Lieferanten auf Basis fundierter Daten zu ermitteln. Darüber hinaus ermöglicht die Lösung eine verursachungsgerechte Zuordnung von Minderqualitäten und Restmengen und kann damit zur Beeinflussung
bzw. Steuerung des Lieferantenverhaltens beitragen.
Schließlich erfolgt in Kapitel 5 die Darstellung von Lösungen zur Bewertung der
Rekonditionier- bzw. Prozessfähigkeit, die neben dem Verpackungstyp vor allem
vom mechanischen Zustand der Verpackungen sowie dem letzten Füllgut abhängt. Durch diese Instrumente kann eine Reduzierung des Prozessenergie- und
Ressourcenbedarfs bei gleichzeitiger Verbesserung der Verpackungsqualität erreicht werden.
Zur Bewertung der mechanischen Eigenschaften wurde ein Verfahren entwickelt,
mit dem der Verbeulungszustand von Stahlfässern berührungslos, sicher und
schnell ermittelt werden kann. Dazu können sowohl Laserscanner als auch Bildverarbeitungssysteme genutzt werden, wobei Laserscanner zum aktuellen Zeitpunkt aus Kostengründen zu bevorzugen sind.
Parallel dazu wurde ein Hilfsmittel für die Mitarbeiter am Wareneingang bzw. an
den Entladung erarbeitet, die eine Einschätzung der Rekonditionier- bzw. Prozessfähigkeit auf Basis von Herkunft und Restinhalten ermöglicht. Dazu wurde eine
Datenbank programmiert, in der die Werker, gesteuert über einfache Suchmasken, schnell und einfach prüfen können, welche weiteren Behandlungsschritte bei
389
Fazit und Ausblick
den betreffenden Verpackungen anzuwenden sind (z. B. Reinigung, Aussortierung). Zusätzlich ergibt sich durch die Anzeige von Gefahren- und Sicherheitshinweisen auch eine deutliche Verbesserung des Arbeitsschutzes.
Neben den genannten Aspekten konnten weitere Erkenntnisse zur Schwingfestigkeit starrer Verpackungen aus Stahl gewonnen werden (vgl. Kapitel 6). Es zeigte
sich, dass die Schwingfestigkeit der Verpackungen insbesondere abhängig ist von
der Materialstärke des Ober- und Unterbodens, während die Mantelstärke kaum
Einfluss auf die Schwingfestigkeit hat. Ebenso konnte ein Einfluss der Rekonditionierung nicht nachgewiesen werden. Die Ausfallzeiten rekonditionierter Verpackungen waren im Rahmen der durchgeführten Versuche mit denen von Neuverpackungen gleicher Materialstärken insgesamt vergleichbar, wobei dies aufgrund
der begrenzten Prüfobjektzahlen nur relative Rückschlüsse auf den generellen
Einfluss der Rekonditionierungs- und Nutzungsprozesse erlaubt.
Zur Erhöhung der Sicherheit gegenüber dem unkontrollierten Austritt von Gefahrstoffen und anderen Flüssigkeiten kann es jedoch bei dünnwandigen Verpackungen sinnvoll sein, Unterlagen am Unterboden anzubringen, um die Schwingfestigkeit zu verbessern. Damit kann der Rekontionierer gezielt Einfluss auf die Verpackungsqualität nehmen.
Insgesamt konnten im Projekt Ergebnisse erarbeitet werden, die die Erschließung
von Innovationen im Bereich der Verpackungsindustrie ermöglichen und dazu beitragen, hochwertige Mehrwegkreisläufe wirtschaftlich und umweltgerecht zu
schließen. Die Zielstellungen des Vorhabens konnten somit voll erreicht werden.
7.2
Ausblick
Der Responsible-Care-Gedanken wird in der Chemie-Industrie bereits seit vielen
Jahren diskutiert und hat bereits vielfältige Impulse für die gesamte deutsche Industrie gesetzt. Die Nutzung von wieder verwendeten und wieder verwendbaren
Verpackungen bildet dabei einen wichtigen Baustein der Umsetzung dieser freiwilligen Selbstverpflichtung, wobei der Rekonditionierung eine Schlüsselrolle zukommt, da diese die Realisierung hochwertiger Packmittelkreisläufe bei Industrieverpackungen überhaupt erst ermöglicht.
Durch das Projekt konnten wichtige Voraussetzungen geschaffen werden, die
Umweltbelastungen und die Wirtschaftlichkeit der Rekonditionierung deutlich zu
verbessern und so einen Beitrag zur Umsetzung des Responsible-CareGedankens zu leisten. So können die entwickelten Verfahren und Instrumente dazu beitragen, branchenweit einen neuen Standard zu setzen, der die deutsche
Spitzenposition in der Umwelttechnik weiter ausbauen, Umweltbelastungen reduzieren und die Kreislaufwirtschaft und Abfallvermeidung in der Verpackungsindust-
390
Fazit und Ausblick
rie weiter vorantreiben wird. Damit kommt dem Vorhaben auch umweltpolitisch
eine große Bedeutung zu.
Das Vorhaben verspricht insgesamt einen wirtschaftlichen und ökologischen Erfolg, der sich durch konkrete Einsparungen beim Prozessenergieverbrauch und
bei den Entsorgungskosten, in der Verbesserung der internen Logistikprozesse, in
der Optimierung der Qualität der rekonditionierten Verpackungen sowie in der
Verbesserung der Prozesstransparenz, Prozesssteuerung und -auswertung niederschlägt.
In wissenschaftlicher Hinsicht bietet das Vorhaben neue Ansätze zur logistischen
Optimierung von Rekonditioniersystemen, die über den Betrachtungsansatz dieses Vorhabens hinausgehen. Somit können die gewonnenen Erkenntnisse dazu
genutzt werden, in anderen Forschungsarbeiten und Projekten weitere Lösungen
für die Branche zu konzipieren, die auch in anderen Wirtschaftszeigen großen
Nutzen haben werden. Beispielhaft sei an dieser Stelle das angesprochene
Wechselbrücken-Kennzeichnungssystem auf Basis der RFID-Technologie zu
nennen, das - neben den positiven Effekten für den Rekonditionierer - auch für
dessen Kunden und Lieferanten durch Verbesserung der Transparenz und
Servicequalität einen großen Nutzen bringen kann. Ein solches Kennzeichnungssystem könnte für die gesamte Speditions- und Logistikbranche von großem Interesse sein.
Auch die Entwicklung einer Schnell-Analytik zur Identifizierung und Detektion
problematischer Inhaltstoffe direkt am Wareneingang ermöglicht weitere Potenziale zur Kostenreduzierung und Umweltentlastung durch frühzeitige Ausschleusung
nicht rekonditionierfähiger Verpackungen. Allerdings erfordert dies einen erheblichen Forschungsbedarf, der im Rahmen des vorliegenden Projektes nicht abgedeckt werden konnte. Es sind an dieser Stelle weiterführende Forschungsarbeiten
notwendig.
Insgesamt konnten im Rahmen des Forschungsvorhabens Ergebnisse erarbeitet
werden, die sowohl den wissenschaftlichen Ansprüchen gerecht werden und damit
die wissenschaftliche Anschlussfähigkeit und Übertragbarkeit sicherstellen, als
auch großen wirtschaftlichen Nutzen für die im Projekt beteiligten Unternehmen
ermöglichen. Gleichzeitig wird die Umwelt entlastet, indem Ressourcen eingespart
und Abfälle vermieden werden.
391
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Wasser Wissen: Das Internetportal für Wasser und Abwasser.
Institut für Umweltverfahrenstechnik – Universität Bremen.URL:
www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/u/ultrafiltration.htm;
24.11.2005
WAS 2006A
Institut für Umweltverfahrenstechnik – Universität Bremen. URL:
http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/c/
chemischeabwasserbehandlung.htm; 11.05.2006
WAS 2006B
http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/k/komplexbildner.htm;
11.05.2006
WAS 2006C
Wasser Wissen: Das Internetportal für Wasser und Abwasser
http://www.wasser-wissen.de/abwasserlexikon/k/koaleszenz.htm;
11.05.2006
409
Literatur
WAT 2004
Watercool e.K: Chemikalienbeständigkeit von Kunststoffen. URL:
http://www.watercool.de/wissenswertes/korrosion/Kunststoffe;
06.02.2004
WEI 2006
N.N.: Weibull-Analyse. URL: http://www.weibull.de/WeibullHTML.htm;
11.07.2006
WEV 2004
WEVO Chemie GmbH: Produktinformationen. Ostfildern-Kemnat;
2004
WIM 2006
Wirtschaftsministerium Baden Württemberg. URL:
http://www.wm.baden-wuerttemberg.de/sixcms/media.php/
1106/Abfaelle_Stuckateure.pdf; 02.05.2006
WIN 1996
Winkler, G.: Transporteignungsprüfungen: Prüfmethoden; -einrichtung
und Spezifikation; VVL-Seminar: Simulation von Transportbelastungen; Dortmund 1996
WIN 2006
Winkel GmbH. URL:
http://www.winkel.de/product-overview.php?category=8&lang=;
04.04.2006
WIO 2001
Wiora, Georg: Optische 3D-Messtechnik - Präzise Gestaltvermessung mit einem erweiterten Streifenprojektionsverfahren;
Dissertation; Universitätsbibliothek Ruprechts-Karls-Universität;
Heidelberg; 2001
410
Anhang
9 Anhang
411
Anhang
Anhang I:
Kriterien für die Annahme von Industrieverpackungen
1. Beschreibung der Industrieverpackungen:
Stahlblechfässer > 200 l
Spundfässer, Inhalt 216,5 l, müssen in ihren Abmessungen der DIN-Norm 6643 oder EN 210 entsprechen, eine UN-Zulassungsprägung haben und 2 Sicherheits-Schraubverschlüsse entsprechend DIN 6642
im Oberboden besitzen.
Analog haben Deckelfässer mit abnehmbaren Deckel und Spannring, Inhalt größer als 200 l, der DINNorm 6644 oder EN 209 zu entsprechen.
Für beide Fasstypen beträgt die Blechstärke minimal 0,9 mm im Mantel und 1,0 mm in den Böden oder im
Deckel, sie können innen roh oder lackiert sein.
Kunststoff-Deckelfässer Inhalt 220, 150, 120 und 60 l
Kunststoff-Spundfässer Inhalt 120 l und > 200 l
Kunststoff-Deckelfässer müssen dem VCI-Standard (DIN 6131) entsprechen, blau eingefärbte Fasskörper
und schwarz eingefärbte Deckel haben.
Kunststoff-Spundfässer („L-Ring“) müssen dem VCI-Standard entsprechen, blau eingefärbte Fasskörper
haben, restentleerbar sein nach DIN°6131,°Teil°III, mit 2"- und 3/4"-Verschlüssen K70x6 mm und K38x6
mm sowie 2"-S56x4 mm oder mit Inhalt 210 -228 l ähnlich dieser Bauart sein.
Kunststoff-IBC Inhalt 600, 800 und 1.000 l (Kombinations-IBC)
Container mit seitlichem Auslauf, montiert auf Palette, mit einer Gitterummantelung entsprechend den
Standardformen ( z. B. Fustiplast, Mamor, Mauser, Roth, Schütz, Sotralentz, VanLeer, Werit ).
Kleingebinde aus Kunststoff oder Blech ( 60 l oder kleiner ) zur Verwertung ohne Spezifikation.
2. Grundsätzlich sollen die Industrieverpackungen keine gravierenden Deformationen oder Beschädigungen aufweisen, damit sie nach ihrer Rekonditionierung einer Wiederverwendung zugeführt
werden können.
3. Die Industrieverpackungen müssen nach dem Stand der Technik restentleert sein,
d. h. tropffrei, spachtelrein und/oder rieselfrei -. Der Transport nach dem Gefahrgutrecht (z. B.
ADR) als „Leere Verpackung“ ist ansonsten ausgeschlossen.
Sofern das Füllgut es erfordert (z. B.toxisch,stark riechend), muss die Verpackung chemisch neutralisiert bzw. vorbehandelt (produktfrei/geruchsfrei) sein.
Dem Rekonditionierer sind auf Verlangen Beschreibungen bzw. Sicherheitsdatenblätter der letzten
Füllgüter zur Verfügung zu stellen.
4. Die Industrieverpackungen müssen nach ihrer Entleerung oder Vorbehandlung fest verschlossen
sein. Spundbehälter sind liegend, Deckelbehälter stehend zu lagern.
Für den Transport sind alle Verpackungen stehend und mit der Öffnung nach oben zu verladen.
Kleingebinde Inhalt 30 l oder kleiner sind in transparente Polysäcke ca.200 l abzupacken.
5. Die Kennzeichnungen der verkehrsrechtlichen Zulassungen (UN-Markierungen) müssen den Vorschriften entsprechen.
Die Etikettierung (Produkt-Label) hat dem letzten Füllgut zu entsprechen und darf nicht entfernt
sein. Befüllungen mit Fremdstoffen sind unter keinen Umständen statthaft.
Vorgespülte oder neutralisierte Gebinde sind als solche zu kennzeichnen.
6. Industrieverpackungen, die die vorstehend genannten Voraussetzungen nicht erfüllen, oder nicht
rekonditionierbar sind, können, sofern nicht anders vereinbart, zurückgewiesen werden, oder werden gegen Erstattung der im Einzelfall vorab zu vereinbarenden Transport-, ReststoffEntsorgungs-, Behandlungs- sowie stofflichen Verwertungskosten entgegengenommen. Industrieverpackungen, die unter falschen Angaben abgegeben worden sind, werden unter Vorbehalt weitergehender Ansprüche an den Abgeber auf dessen Kosten (incl. der anteiligen Transportkosten
für die Abholung/Rücklieferung bzw. vergebliche Anfahrten) und Gefahren zurückgesandt. Durch
vergebliche Anfahrten entstandene Transportkosten trägt generell der Abgeber.
7. Der Abgeber bestätigt die Einhaltung der Bedingungen vor Erstabgabe in einer Verantwortlichen Erklärung.
412
Anhang
Anhang II:
Sorten bei Spundfässern aus Stahl (Bsp. BPM)
Die nachfolgenden Tabellen stellen beispielhaft sieben Qualitätsstufen bzw. Sorten dar, in die Sicken-Spundfässer aus Stahl nach der Innenreinigung (Nassreinigung) eingestuft werden können. Dadurch wird die weitere Behandlung der Verpackungen festgelegt.
Merkmale Qualität „1. Sorte“
1. Sorte
UN-Fass ohne jede Einschränkung einsetzbar, Normfass
Beschaffenheit
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
UN-Prägung
• mindestens UN 1A1 / Y / ...
Blechstärke
• 0,8 – 1,2 mm zzgl. 6% Toleranz
Innen blank und rostfrei
Intakter, unverfärbter Innenbehälter (wenn Combifass)
Keine Produktreste oder Fremdkörper
Trocken
Leichte Kettennarben möglich
Minimale Knicke und Beulen zulässig
Keine Stauchungen oder Verformungen
Oberboden glatt
Flansche intakt und sauber
Keine Schweißstellen außer der Längsfalz
Merkmale Qualität „2. Sorte“
2. S o rte
U N -F ass m it E in sch rän ku n g ein setzb ar, N o rm fass
B eschaffenheit
•
•
•
•
•
•
•
•
•
U N -P rägung
• m indestens U N 1A 1 / Y / ...
B lechstärke
• 0,8 – 1,2 m m zzgl. 6% T o leranz
Innen blank und rostfrei
K eine P roduktreste oder F rem dk örper
T rock en
Leichte K ettennarben m öglich
M inim ale K nicke und B eulen zulässig
K eine S tauchungen oder V erform ungen
O berboden glatt
F lansche intakt und sauber
K eine S chw eiß stellen au ß er der Längsfalz
413
Anhang
Merkmale Qualität „3. Sorte oder D“
3 . S o rte o d e r D
F a s s m it E in s c h rä n k u n g o d e r a ls D e c k e lfa s s
B e s c h a ffe n h e it
•
•
•
•
•
•
U N -P rä g u n g
• m in d e ste n s 1 A 1 / Y / ...
B le c h stä rk e
• 0 ,8 – 1 ,2 m m zzg l. 6 % T o le ra n z
In n e n ro s tig , d e fe k te r In n e n la ck
F e ste P ro d u k tre s te o d e r F re m dk ö rp e r
T ro ck e n
K n ick e u n d B e u le n zu lä s sig
K e in e S ta u c h u n g e n o d e r V e rfo rm u n g e n
K e in e S c h w e iß s te lle n a u ß e r d e r L ä n g sfa lz
Merkmale Qualität „Innenlack“
In n e n la c k
U N -F a s s o h n e je d e E in s c h rä n k u n g e in s e tz b a r, N o rm fa s s
•
•
•
•
•
•
•
•
U N -P rä g u n g
• m in d e ste n s U N 1 A 1 / X / ...
B le c h stä rk e
• 0 ,8 – 1 ,0 m m zzg l. 6 % T o le ra n z
In n e n la ck ie rt
K e in e P ro d u k tre ste o d e r F re m dk ö rp e r
T ro ck e n
M in im a le K n ick e u n d B e ule n zu lä ss ig
O b e rb o d e n g la tt
F la n s ch e in ta k t u n d s a u be r
Merkmale Qualität „Kettenfass“
K ettenfass
B eschaffenheit
U N -Fass n ach K ettenb ehand lun g als 1. oder 2. S orte
verw endb ar, N orm fass
•
•
•
•
•
•
•
Innen leicht rostig oder leichte A nhaftungen
K eine Frem dkörper
Leichte K nicke und B eulen zulässig
K eine S tauchungen oder V erform ungen
O berboden glatt
F lansche intakt und sauber
K eine S chw eißstellen außer der Längsfalz
U N -P rägung
• m indestens U N 1A 1 / Y / ...
B lechstärke
• 0,8 – 1,2 m m zzgl. 6% Toleranz
414
Anhang
Merkmale Qualität „Vorreinigung“
V o rre in ig u n g
U N -F a s s n a c h 2 . R e in ig u n g s d u rc h la u f a ls 1 . o d e r 2 . S o rte
ve rw e n d b a r, N o rm fa s s
•
•
•
•
•
•
•
In n e n le ic h te A n h a ftu n g en
K e in e F re m dk ö rp e r
L e ich te K n ick e u n d B e u len zu lä s sig
O b e rb o d e n g la tt
F la n s ch e in ta k t u n d s a u be r
U N -P rä g u n g
• m in d e ste n s U N 1 A 1 / Y / ...
B le c h stä rk e
• 0 ,8 – 1 ,2 m m zzg l. 6 % T o le ra n z
Merkmale Qualität „Schrottfass“
S ch ro ttfass
F ass, n ich t verw en d u n gsfäh ig
B eschaffenheit
• erfüllt die K riterien der anderen Q ualitätsstufen nicht
415
Anhang
Anhang III:
Rechtskataster
a. Gewässerschutz / Wasserrecht
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
Bemerkungen
80/68/EWG
ABl. Nr. L 20
Schutz des Grundwassers
Betrieb allgemein
17.12.1979 /
31.12.1991
Gültig bis
22.12.2013
91/271/EWG
ABl. Nr. L
155 S. 40
Behandlung kommunalen
Abwassers
Abwasser
21.05.1991 /
27.02.1998
98/83/EG
ABl. Nr. L
330
Trinkwasser-RL
Trinkwasser
03.11.1998
2000/60/EG
ABl. Nr. L
327
Wasser-Rahmenrichtlinie
Schutz der Binnenoberflächengewässer und
des Grundwassers
23.10.2000 /
20.11.2001
Wasserhaushaltsgesetz
(WHG)
Gesetz
Gesetz zur Ordnung der
Wasserhaushalte 7. Novelle
Abwasser, Niederschlagswasser, Roh-,
Hilfs- und Betriebsstoffe
19.08.2002 /
25.06.2005
AbwAG
Gesetz nach
§1 Abs.1
WHG
Gesetz über Abgaben für das
Ein-leiten von Abwasser in
Gewässer
Einleitung von Niederschlagswasser
18.01.2005
3. AbwasserschädlichkeitsVO
§ 5 Abs. 3
Nr. 1 BGBl. I
S. 1908
Verordnung nach § 5 Abs. 3
Nr. 1 des Gesetzes über
Umwelt-statistiken (Dritte
Abwasserschädlichkeitsverordnung)
Abwasser
11.11.1979
AVBWasserV
BGBl. I S.
750
Verordnung über Allgemeine
Bedingungen für die Versorgung mit Wasser
Wasserversorgung
20.06.1980 /
09.12.2004
AbwV
Verordnung,
Anhänge 28,
31, 45
Verordnung über die Anforderungen an das Einleiten von
Abwasser in Gewässer
Abwassereinleitung
17.06.2004
Grundwasserverordnung
80/68/EWG
BGBl. I S.
542
Verordnung zur Umsetzung
der Richtlinie 80/68/EWG des
Rates vom 17. Dezember
1979 über den Schutz des
Grundwassers gegen Verschmutzung durch bestimmte
gefährliche Stoffe
Mineralöllagerung,
Biozide
28.03.1997
Siehe VAwS
GMBl. S. 175
Katalog wassergefährdender
Stoffe
Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe
01.03.1985
Siehe VAwS
B.Anz.
S.8491
Verordnung zum WHG über
Einstufung in WGK
17.05.1999
Richtlinie für Rohrleitungsanlagen zum Befördern wassergefährdender Stoffe
Roh-, Hilfs- und Betriebs-stoffe, LAU/HBVAnlagen
04.03.1987
Richtlinie
Gesetzliche Grundlage für
WVER und Gebührenfestsetzung
Wasserentnahme,
Abwassereinleitung
12.02.1991
22.05.2002
1. Gewässerschutzrecht
1a EU
1b BRD
Katalog wassergefährdender Stoffe
1b BRD
VwVwS
RRwS
WVG
Merkblatt wassergefährdender Stoffe
Bek. d. BMU
WA 13 23074/3 (GMBl. S.
358)
Anträge zur Einstufung wassergefährdender Stoffe
222.04.1996
Liste wasserverunreinigender Stoffe
VkBl. Nr. 18
v.30.09.2003
Bekanntmachung der Liste
wasserverunreinigender
Stoffe, Lösungen und Gemische
29.08.2003
Niederschlagswasserbeseitigung, Zulassung von Stellen
zur Untersuchung von Abwasser bei genehmigungspflichtigen Indirekt-einleitungen,
Zusammenstellung der Bauartzulassungen,
Abwasser, Niederschlagswasser, Entnahme von Abwasserproben, Auffangwannen / Transportbehälter
22.01.2004 /
05.04.2005
S. 574
1c Land RHEINLAND-PFALZ
LWG Rheinland-Pfalz
416
§1 Abs.1
Nr.1+2, §18,
§51a, §58
Abs. 2 Satz
3, §60 a
Aufgehoben, in
BetrSichV
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
IndVO
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
Bemerkungen
Indirekteinleiterverordnung
Einleiten von Wasser
mit gefährlichen Inhaltsstoffen
13.08.1992
Informativ,
aufgehoben
durch Änd.-G.
vom 05.11.2003
VAwS
Verordnung
Anlagen zum Umgang mit
wassergefährdenden Stoffen
und über Fachbetriebe
Roh-, Hilfs- und Betriebs-stoffe, LAU/HBVAnlagen
01.02.1996 /
04.11.2005
VV-VAwS
6, 11
Verwaltungsverordnung zum
Vollzug der Verordnung über
Anlagen zum Umgang mit
wassergefährdenden Stoffen
und über Fachbetriebe
Roh-, Hilfs- und Betriebsstoffe, LAU/HBVAnlagen (Öltank, Läger,
Beschichtungsanlagen)
16.08.2001
EÜVOA
Eigenüberwachung von
Abwasseranlagen
Abwasseranlagen
27.08.1999 /
17.03.2006
Gewässerprogramm- und
Qualitätsziel-Verordnung
Qualitätsziele für bestimmte
gefährliche Stoffe und zur
Verringerung der Gewässerverschmutzung
Abwassereinleitung
13.02.2001 /
10.11.2004
LWBÜVO
Landesgewässerbestandsaufnahme und zustandsüberwachung
Oberflächengewässer
06.10.2004
LAbwAG
Ausführung des AbwAG
Abwassereinleitung
22.12.1980 /
02.03.2006
KomAbwV
Beseitigung kommunaler
Abwässer
Abwassereinleitung
27.11.1997 /
16.06.1999
Emissionserklärungsverordnung - Abwasser
Erklärung der Art und Menge
von Abwasser
Abwasseranfall und
Abwassereinleitun
04.11.2002
Abwasserbehandlungsanlagen – Abscheideranlagen
nach DIN 1999
Öl- und Benzinabscheider
24.09.2005 /
30.05.2005
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
2003/105/EG
Änderung der Richtlinie
96/82/EG: Beherrschung der
Gefahren bei Unfällen mit
gefährlichen Stoffen
Betrieb allgemein
16.12.2003
2003/87/EG
Handel mit Treibhausgasemissions-zertifikaten
Nachverbrennung
13.10.2003
2004/42/EG
Änderung der RL 1999/13/EG
2000/14/EG
Geräuschemissionen von
Geräten und Maschinen im
Freien
Gabelstapler
08.05.2000
2000/479/EG
Integrierte Vermeidung und
Ver-minderung der Umweltverschmutzung
2000/69/EG
Grenzwerte für Benzol und
Kohlenmonoxid in der Luft
Nachverbrennung
16.11.2000
1999/30/EG
Grenzwerte für Schwefeldioxid, Stickstoffdioxid und
Stickstoffoxide, Partikel und
Blei in der Luft
Nachverbrennung
22.04.1999
1999/13/EG
Begrenzung von Emissionen
flüchtiger organischer Verbindungen
Nachverbrennung
11.03.1999
DIN 1999
ABl. Schl.-H.
Nr. 40/41
b. Immissionsschutzrecht
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Bemerkungen
2. Immissionsschutzrecht
2a EU
21.04.2004
28.07.2000
2005/78/EG
2005/55/EG
Durchführung der Richtlinie
2005/55/EG
Gabelstapler
14.11.2005
2006/51/EG
2005/78/EG
&
2005/55/EG
Änderung der Richtlinie
2005/78/EG und 2005/55/EG
Gabelstapler
06.06.2006
Maßnahmen gegen die Emission gasförmiger Schadstoffe
und luftverunreinigender
Gabelstapler
28.09.2005
2005/55/EG
417
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
Partikel aus Selbstzündungsmotoren zum Antrieb von
Fahrzeugen und die Emission
gasförmiger Schadstoffe aus
mit Erdgas oder Flüssiggas
be-triebenen Fremdzündungsmotoren zum Antrieb
von Fahrzeugen
87/404/EWG
Richtlinie des Rates zur
Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten
für einfache Druckbehälter
Druckbehälter
25.06.1987
97/23/EG
für einfache Druckbehälter
Druckbehälter
29.05.1997
96/61/EG
integrierte Vermeidung und
Vermin-derung der Umweltverschmutzung, in
2003/87/EG geändert
Nachverbrennung
24.09.1996 /
31.10.2003
Beherrschung der Gefahren
bei schweren Unfällen mit
Betrieb allgemein
09.12.1996
2006/32/EG
Endenergieeffizienz und
Energiedienstleistungen
Nachverbrennung
27.04.2006
2003/10/EG
Richtlinie des Rates zum
Schutz vor Lärm am Arbeitsplatz
Maschinen
06.02.2003
82/501/EWG
Richtlinie des Rates über die
Gefahren schwerer Unfälle bei
bestimmten Industrietätigkeiten
Umgang mit gefährlichen Stoffen
24.06.1982
Gesetz zum Schutz vor
schädlichen Umwelteinwirkungen durch Luftverunreinigungen, Geräusche, Erschütterungen und ähnliche Vorgänge
Betrieb allgemein, FaßRekonditionierung
26.09.2002 /
25.06.2005
96/82/EG
Seweso-IIRichtlinie
2b BRD
BImSchG
1.Allg. Verwaltungsverordnung zum BImSchG
§48 des
BImSchG
Technische Anleitung zur
Reinhaltung der Luft (TA-Luft)
Nachverbrennung,
Neuanlagen
24.07.2002
4.BImSchV
§§10+19 des
BImSchG
Genehmigungsverfahren von
Anlagen
Nachverbrennung,
Faß-Rekonditionierung
23.02.1999 /
15.07.2006
5.BImSchV
Verordnung über Immissionsschutz- und Störfallbeauftragte
Betrieb allgemein
30.07.1993 /
09.11.2001
9.BImSchV
Verordnung über das Genehmigungsverfahren
Nachverbrennung
29.05.1992 /
21.06.2005
Emissionserklärungsverordnung - 11. BImSchV
Emissionserklärung,
Emissionsberichte
29.04.2004
12. BImSchV (StörfallVerordnung)
Umgang mit gefährlichen
Stoffen
Nachverbrennung,
Faß-Rekonditionierung,
Instandhaltung
08.06.2005
13. BImSchV
Verordnung über Großfeuerungs-anlagen - 13. BImSchV
Nachverbrennung
20.07.2004
§48 des
BImSchG
Einhaltung der Grenzwerte für
Schadstoffe in der Luft
Nachverbrennung
11.09.2002
Nachverbrennung
16.12.1996
31. BImSchV
Lösemittelverordnung
Verordnung über elektromagnetische Felder
Umgang mit lösemittelhaltigen
Stoffen
Nachverbrennung
21.08.2001
32. BImSchV
Umsetzung
BImSchG,
2000/14/EG
Geräte- und Maschinenlärmschutzverordnung
Gabelstapler
29.08.2002
11. GSGV
Verordnung
zum Gerätesicherheitsgesetz
Verordnung über das Inverkehr-bringen von Geräten und
Schutz-systemen für explosionsgefährdete Bereiche ExplosionsschutzVO -
Gastank
12.12.1996 /
06.01.2004
1.StörfallVwV
§48 des
BImSchG
Genehmigungsbedürftige
Anlagen nach §4 BimSchG
bzw. BimSchVm §1 Abs.2+3
Nachverbrennung,
Werk
20.09.1993
11.BImSchV
22.BImSchV
§27 Abs.4 &
§48a
26. BImSchV
418
Bemerkungen
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
Bemerkungen
2.StörfallVwV
§48
BImSchG
Sicherheitsanalyse nach §7
Betrieb allgemein
27.04.1982
siehe 12.
BImSchV
3.StörfallVwV
§48 des
BImSchG
Anforderungen an die Aufstellung & Fortschreibung betrieblicher Alarm- & Gefahrenabwehrpläne
Betrieb allgemein
23.10.1995
In Bearbeitung
3.GSGV
§4 Abs.1
Nr.1 des
GSG
Maschinenlärminformationsverordnung
Maschinen
27.01.1991 /
06.01.2004
Messungen
liegen vor
6.Allg. Verwaltungsverordnung zum BImSchG
§48 des
BImSchG
Technische Anleitung zum
Schutz gegen Lärm (TA-Lärm)
Maschinen
26.08.1998
Arbeitslärmschutzrichtlinie
Arbeitsschutz
Nr.12
Richtlinien über Maßnahmen
gegen Lärm am Arbeitsplatz
Maschinen
10.11.1970
TEHG
Umsetzung
der Richtlinie
2003/87/EG
Genehmigung und Überwachung von Emissionen,
Berechtigungen und Zuteilungen von Emissionszertifikaten,
Handel mit den Zertifikaten
Emissionsmessung,
-erklärung und Handel
mit Zertifikaten
08.07.2004 /
22.09.2005
informativ
Zuteilungsgesetz 2007
Zuteilung für 2005-2007 der
Treibhausgasemissionsberechtigungen, Allokationsplan
Nachverbrennung,
Geschäftsführung
26.08.2004
informativ
ZuV 2007
Zuteilungsverordnung für
Emissionsberechtigungen
Nachverbrennung,
Geschäftsführung
31.08.2004
DruckbehV
Verordnung über Druckbehälter, Druckgasbehälter und
Füllanlagen
Druckbehälter
23.06.1999
ElexV
Verordnung über elektrische
Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen
Silo
LImSchG
Luftverunreinigungen, Geräuschen und ähnlichen Umwelteinwirkungen
Betrieb
20.12.2000 /
02.03.2006
Verordnung über Zuständigkeiten nach TEHG
Zuständigkeiten nach TEHG
Nachverbrennung
06.07.2005
ImSchZuVO
Landesverordnung über
Zuständigkeiten auf dem
Gebiet des Immissionsschutzes
Nachverbrennung,
Lärm, andere Immissionen
14.06.2002
Aufgehoben, in
BetrSichV
Aufgehoben, in
BetrSichV
informativ
c. Arbeitsschutz / Gefahrstoffrecht
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage
Tätigkeiten
/
Gültig seit
/ aktualis.
Bemerkungen
3. Arbeitsschutzrecht / Gefahrstoffrecht
3a EU
2000/39/EG
RL 98/24/EG
Richtlinie zur Festlegung von
Richt-grenzwerten für die
Gefährdung durch chemische
Arbeitsstoffe
Roh-, Hilfs-, und Betriebsstoffe
08.06.2000
2005/90/EG
Änderungsrichtlinie
76/769/EWG
Richtlinie zur Festlegung von
Richt-grenzwerten für die
Gefährdung durch chemische
Arbeitsstoffe
18.01.2006
2003/36/EG
76/769/EWG
Beschränkungen des Inverkehrbringens und der Verwendung gewisser gefährlicher Stoffe und Zubereitungen
26.05.2003
2001/45/EG
ÄRL
89/655/EWG
Mindestvorschriften für Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Benutzung von
Arbeitsmitteln
Betrieb allgemein
27.06.2001
2003/34/EG
76/769/EWG
Beschränkungen des Inverkehrbringens und der Verwendung gewisser gefährlicher Stoffe und Zubereitungen
26.05.2003
419
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage
Tätigkeiten
2003/105/EG
96/82/EG
bei schweren Unfällen mit
23.12.2003
67/548/EWG
Artikel 2,3
Angleichung der Rechts- und
Verwaltungsvorschriften für
die Einstufung, Verpackung
und Kennzeichnung gefährlicher Stoffe
Roh-, Hilfs-, und Betriebsstoffe, gefährliche
Stoffe
27.06.1967
2003/88/EG
Ersetzt RL
93/102/EWG
Aspekte der Arbeitszeitgestaltung
Betrieb allgemein,
Personalabteilung
04.11.2003
2004/73/EG
Anpassung
der
67/548/EWG
Angleichung der Rechts- und
Verwaltungsvorschriften für
die Einstufung, Verpackung
und Kennzeichnung gefährlicher Stoffe
Roh-, Hilfs-, und Betriebsstoffe, gefährliche
Stoffe
29.04.2004
1999/314/EG
ABl.EG vom
8.05.1999
bei Unfällen, Fragebogenerstellung
98/24/EWG
Art. 16 Abs.
1
89/391/EWG
Richtlinie zum Schutz der
Arbeitnehmer vor Gefahr
durch chemische Arbeitsstoffe
25.05.1998
Schutz von Arbeitnehmern vor
Lärm
Kraftwerk, Anlagen
06.02.2003
Druckgeräte
Rohrleitungen, Sprinkleranlage, Behälter,
Teile mit Sicherheitsfunktion (Sicherheitsventile etc.)
29.05.1997 /
31.10.2003
Mindestvorschriften für Arbeiten in explosionsfähigen
Atmosphären
Silos, Gastank
16.12.1999
2003/10/EG
97/23/EG
Abl. Nr. L
181
99/92/EG
/
Gültig seit
/ aktualis.
09.04.1999
96/82/EG
ABl. EG Nr.
L10/13
Richtlinie zur Gefahrenkontrolle bei Unfällen mit gefährlichen Stoffen
Roh-, Hilfs-, und
Betriebsstoffe
09.12.1996
2006/42/EG
Neufassung
der 95/16/EG
Dauerhafte Aufzüge
Aufzüge
17.05.2006
94/9/EG
Abl. Nr. L
100
Anlagen und Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen
Heizöltank, Silo, Gastank
23.03.1994 /
26.01.2000
94/C106/4
ABl. Nr.
C106/4
Abwehr von Gefahren bei
Unfällen mit Gefahrstoffen
Roh-, Hilfs-, und
Betriebsstoffe
4.03.1994
93/C77/02
ABl. EG vom
18.03.1993
Roh-, Hilfs-, und
Betriebsstoffe
8.02.1993
Nr. C77/12
Mindestvorschriften/ Gefährdung der Arbeitnehmer durch
physikalische Einwirkung
92/58/EWG
Artikel 16
Abs.1 der
Richtlinie
89/391/EWG
Mindestvorschriften über
Sicherheits- und Gesundheitsschutzkennzeichnung am
Arbeitsplatz
Roh-, Hilfs-, und
Betriebsstoffe
24.06.1992
91/322/EWG
Richtlinie
80/1107/EW
G
Festsetzung der Richtgrenzwerte über Schutz für Arbeitnehmer vor chemischen und
physikalischen Stoffen
Roh-, Hilfs-, und
Betriebsstoffe
29.05.1991
89/C 106/05
ABl. EG
Mindestvorschriften für die Benutzung von Arbeitsausrüstungen durch Arbeitnehmer
Schutzausrüstung
26.04.1989
Angleichung der Rechtsvorschriften für persönliche
Schutzausrüstung
Schutzausrüstung
21.12.1989
Nr. L106/13/
89/686/EWG
ABl. EG
Nr. L399/18
89/656/EWG
3.EinzelRL
im Sinne Art.
16 Abs.1 der
RL
89/391/EWG
Mindestvorschriften bei Benutzung der persönlichen
Schutzausrüstung
Schutzausrüstung
30.11.1989 /
18.09.1996
89/655/EWG
2.EinzelRL
im Sinne Art.
16 Abs.1 der
RL
89/391/EWG
Mindestvorschriften für Sicherheit und Gesundheitsschutz bei Benutzung von
Arbeitsmitteln durch Arbeitnehmer
Schutzausrüstung,
30.11.1989
ABl. EG
Maßnahmen zur Verbesserung der Arbeitssicherheit und
Gesundheitsschutz bei der
Arbeit
Arbeitssicherheit
89/391/EWG
Nr. L183/1
420
Bemerkungen
Arbeitsicherheit
12.06.1989
Änderung durch
2006/15/EG
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage
Tätigkeiten
88/C 161/01
ABl.EG vom
20.06.1988
Mindestvorschriften zur
Benutzung persönlicher
Schutzausrüstung
Schutzausrüstung
11.03.1988
Vorschriften bzgl. Der Sicherheit und Gesundheitsschutz
bei der Benutzung der Maschinen, Anlagen durch
Arbeitnehmer
Arbeitssicherheit
11.03.1988
Gesundheitsschutz und
Sicherheit von Leiharbeitern
und Arbeitnehmern mit befristeten Arbeitsverhältnissen
Betrieb allgemein,
Personalabteilung
25.06.1991
Verwaltungsvorschrift über
Einsatzbeschränkung gefährlicher Stoffe
27.07.1976
über gemeinsame Vorschriften
für Druckbehälter sowie über
Verfahren zu deren Prüfung
Druckbehälter
27.09.1976 /
31.12.1988
Nr. C161/1
88/C 114/04
2. EinzelRL
91/383/EWG
76/769/EWG
ABl.EG vom
27.09.1976
Nr. L262/201
76/767/EWG
/
Gültig seit
/ aktualis.
2006/15/EG
Änderung
von
91/322/EWG
&
2000/39/EG
Festsetzung der Richtgrenzwerte über Schutz für Arbeitnehmer vor chemischen und
physikalischen Stoffen
07.02.2006
2004/40/EG
Art. 16 Abs.1
89/391/EWG
Schutz vor Gefährdung durch
elektromagnetische Felder
Nachverbrennung
29.04.2004
89/654/EWG
Art. 16 Abs.1
89/391/EWG
Arbeitsstätten
Betrieb allgemein
30.11.1989
AMBV
Arbeitsmittelbenutzungsverordnung
Gesetz über Sicherheit und
Benutzung von Arbeitsmitteln
Arbeitssicherheit
11.03.1997 /
29.10.2001
ArbSchRG
Arbeitsschutzrahmengesetz
Gesetz über Sicherheit und
Arbeit
Arbeitssicherheit
07.08.1996 /
30.07.2004
EMVG
Gesetz über
elektromagnetische
Verträglichkeit von
Geräten
Regelung des lnverkehrbringens, Weitergeben, Ausstellen, Inbetriebnehmen und
Betreiben von Geräten
Elektrische Anlagen u.
Geräte
18.09.1998 /
07.07.2005
ChemG
BGBl. I.
2001, S.
2331, 3434
Art. 15, S.
3586, 3602
Art. 4
gefährlichen Chemikalien
Umgang mit Gefahrstoffen
20.06.2002 /
11.07.2006
BetrSichV
BGBl. I Nr.
70
Bereitstellung und Benutzung
von Betriebsmitteln, Gefährdungsbeurteilungen
Betrieb allgemein
27.09.2002 /
07.07.2005
PSA-BV
BGBl. I 1996,
S. 1841
Sicherheit und Gesundheitsschutz bei der Benutzung
persönlicher Schutzausrüstungen
Betrieb allgemein
04.12.1996
ASiG
BGBl. I 2000
S. 1983
Betriebsarzt, Arbeitsicherheitsfach-kräfte, Sicherheitsingenieure
SiFa, Betriebsarzt
12.12.1973 /
25.11.2003
ArbZG
BGBl. I 1998,
S. 1242
Gewährleistung der Sicherheit
und des Arbeitsschutzes bei
der Arbeitszeitgestaltung
Personalabteilung
06.06.1994 /
22.12.2005
ArbStättV
BGBl. I Nr.
44 2004, S.
2179
Errichtung und Betrieb von
Arbeitsstätten
Betrieb allgemein
12.04.2004
BildscharbV
BGBl. I 2001,
S. 2785
Sicherheit und Gesundheitsschutz am Bildschirmarbeitsplatz
Bildschirmarbeitsplätze
04.12.1996 /
25.11.2003
BaustellV
Baustellenverordnung
Verbesserung von Sicherheit
und Gesundheitsschutz der
Beschäftigten auf Baustellen
Betriebstechnik
10.06.1998 /
23.12.2004
Bemerkungen
3b BRD
Ersetzt ElexV,
VbF, DruckbehV,
DampfKV, AcetV
421
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage
Tätigkeiten
AÜG
Arbeitnehmerüberlassungs-gesetz
Regelung zur gewerbsmäßigen Arbeitnehmerüberlassung
Personalabteilung,
Leiharbeiter
03.02.1995 /
14.03.2005
BGV A 1
Allgemeine Vorschriften und
Pflichten des Unternehmers
und der Mitarbeiter
Betrieb allgemein
04.2005
BGV A 2
Betriebsärzte und SiFa
Betriebsärzte, SiFa
17.06.2006
BGV A 3
Prüfung von Elektrogeräten
Betrieb allgemein
01.1997 /
10.2003
BGV A 4
Arbeitsmedizinische Vorsorge
Personalabteilung,
Betriebsarzt
04.1999
BGV B 3
Lärm
Nachverbrennung,
07.1999 /
01.2005
Elektromagnetische Felder
Magnetabscheider
31.05.2001
BGV C 5
Abwassertechnische Anlagen
Abwasserkanäle
01.10.1995 /
01.2005
BGV C 22
Bauarbeiten
Betrieb allgemein
01.01.1997 /
01.2002
BGV D 6
Krane
Betrieb allgemein
10.1993 /
04.2001
BGV D 27
Flurförderzeuge
Betrieb allgemein
01.01.1997 /
01.2002
BGR 133
Regeln für die Ausrüstung der
Arbeitsstätten mit Feuerlöschern
Betrieb allgemein
04.1994 /
10.2004
BGR 194
Regeln für den Einsatz von
Gehöhrschutz
Nachverbrennung,
04.1998 /
10.2004
BGl 650
Gestaltung von Büro- und
Bildschirmarbeitsplätzen
Verwaltung, Büros
12.2004 /
01.2006
BGV B 11
BAnz. Nr.
100
BGR 209
Bisher
1/187
BGR 121
Präzisierung
der
GefStoffV
BGR 190
ZH
Präzisierung
des ArbSchG
und der PSABV
/
Gültig seit
/ aktualis.
Umgang mit Reinigungs- und
Pflegemitteln
10.2001
Arbeitsplatzlüftung – Lufttechnische Maßnahmen
01.2004
Benutzung von Atemschutzgeräten
04.2004
BGR 500
Kap. 2.4
Betreiben von Arbeitsmitteln
Nachverbrennung,
01.2004
BGR 104
Bisher
ZH1/10
Vermeiden der Gefahren
durch explosionsfähige Atmosphäre Explosionsschutzregeln
Silo, Gastank
12.2002 /
03.2005
BGI 509
Bisher
1/142
Erste Hilfe im Betrieb, Merkblatt „Erste-Hilfe-Material“
Betrieb allgemein
10.2004
Anleitung zur 1. Hilfe bei
Unfällen
Betrieb allgemein
10.1991
Sicherheit durch Unterweisungen
Betrieb allgemein, SiFa
2002
Gefährliche chemische Stoffe
Nachverbrennung,
02.1997
ZH
BGI 510
BGI 527
Bisher
1/46
BGI 536
BGI 561
Bisher ZH
1/113
ZH
Merkblatt „Treppen“
10.2003
BGI 575
Bisher ZH
1/153
Merkblatt „Auswahl und
Anbringung elektromechanischer Verriegelungseinrichtungen für Sicherheitsfunktionen“
03.2003
BGI 762
Bisher ZH
1/247
BG-Information „Keimbelastung wassergemischter Kühlschmierstoffe“
08.2001
BGI 870
bisher ZH
1/495
BG-Information „Haltegurte
und Verbindungsmittel für
Haltegurte“
10.2003
BGG 925
Bisher ZH
Grundsätze für die Auswahl,
Aus-bildung und Befähigungs-
422
Betrieb allgemein
11.2003 /
Bemerkungen
Aktualisierung in
Vorbereitung
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
1/554
nachweis von Gabelstaplerfahrern
BGBl. I 1998,
Schutz von Jugendlichen
Personalabteilung
12.04.1976 /
21.06.2005
JSchG
Jugendschutzgesetz
Personalabteilung
23.07.2002 /
29.12.2003
MuSchG
Schutz erwerbstätiger Mütter
Personalabteilung
26.06.2002 /
14.11.2003
Schutz erwerbstätiger Mütter
Personalabteilung
15.04.1997 /
23.12.2004
Anforderung an die Lebensmittelhygiene
Kantine
05.08.1997 /
21.05.2001
§ 4 a der
GefStoffV
Bekanntmachung der Liste der
gefährlichen Stoffe und Zubereitungen
23.12.2004 /
11.07.2006
§ 4 a der
GefStoffV
Bekanntmachung der Liste der
ge-fährlichen Stoffe und
Zubereitungen
15.11.1999
ChemikalienVerbotsverord-nung
Verbote und Beschränkungen
des Inverkehrbringens gefährlicher Stoffe, Zubereitungen
und Erzeugnisse
JarbSchG
Anlage
Tätigkeiten
/
MuSchG
LMHV
GefStoffV
ChemVerbotsV
Bemerkungen
11.2004
S. 188
MuSchV
Gültig seit
/ aktualis.
13.06.2003 /
11.07.2006
BKV
Abwehr und Umgang mit
Berufskrankheiten
Betrieb allgemein
30.10.1997 /
05.09.2002
LasthandhabV
Manueller Umgang mit Lasten
Betrieb allgemein
04.12.1996 /
25.11.2003
GPSG - Geräte- und
Produktsicherheitsgesetz
Abschnitt 5,
ersetzt GSG
Betrieb von überwachungsbedürftigen Anlagen
Nachverbrennung,
Gasanlage
06.01.2004 /
07.07.2005
3.GSGV
BGBl. 1
1993,
Maschinenlärminformation
Betrieb allgemein
19.01.1991 /
06.01.2004
8.GSGV
BGBl. I S.
316
Inverkehrbringen von persönlichen Schutzausrüstungen
Arbeitssicherheit,
Schutzausrüstung
20.02.1997 /
06.01.2004
9.GSGV
BGBl. I 1995,
Maschinenverordnung, neue
Maschinenteile
Anlagen, Nachverbrennung
12.05.1993 /
23.12.2004
Verordnung über das Inverkehrbringen von Geräten und
Schutzsystemen für explosionsgefährdete Bereiche Explosionsschutzverordnung -
Gastank
12.12.1996 /
06.01.2004
S. 704
S. 1213
11. GSGV
Verordnung
zum Gerätesicherheitsgesetz
DruckbehV
BGBl. I 2001
S. 2785
Tankanlagen, Füllanlagen, Gabelstapler
21.04.1989
Aufgehoben, in
BetrSichV
DampfkV
BGBl. I 2001
S. 2785
Nachverbrennung
27.02.1980
Aufgehoben, in
BetrSichV
ElexV
BGBl. I S.
1932
Elektrische Anlagen in explosionsgefährdeten Bereichen
Nachverbrennung,
Tank- & Abfüllanlagen,
13.12.1996
Aufgehoben, in
BetrSichV
Lagern von brandfördernden
Stoffen in Verpackungen und
ortsbeweglichen Behältern
09.1998 /
10.2002
Aufbau und Anwendung der
TRbF, Technische Regeln für
brennbare Flüssigkeiten
Brennbare Flüssigkeiten
07.2002
TRG 515: Technische
Regel für Gefahrstoffe
TRbF 001
BarbBl.
7-8/2002
TRbF 20
BArbBl.
4/2001 S. 60
Läger
04.2001 /
06.2002
TRbF 60
BArbBl.
6/2002 S. 10
Ortsbewegliche Gefäße
01.01.1988
Prüfung von Aufzugsanlagen
Aufzüge
04.1981 /
11.1997
TRA 102
TRGS 102
BArbBl. Nr.
9/1993, S. 65
Technische Richtkonzentrationen für gefährliche Stoffe
1.09.1993
05.2006 aufgehoben
TRGS 150
BArbBl. 1996
Hautkontakt mit gefährlichen
Stoffen
Roh-, Hilfs- und Betriebs-stoffe, Arbeitssicherheit
01.06.1996
05.2006 aufgehoben
TRGS 220
BArbBl. Nr.
9/1993, S. 36
Sicherheitsdatenblatt für
gefährliche Stoffe und Zubereitungen
04.2002 /
01.2003
423
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage
Tätigkeiten
/
Gültig seit
/ aktualis.
TRGS 300
BArbBl. 1994
Nr. 1 S. 39
Sicherheitstechnik
TRGS 400
BArbBl. 1998
Nr. 3 S. 53
Ermitteln und Beurteilen der
Gefährdungen durch Gefahrstoffe am Arbeitsplatz: Anforderungen
Arbeitssicherheit, Roh-,
03.1998 /
03.1999
TRGS 402
BArbBl. 1997
Nr. 11 S. 27
Ermittlung und Beurteilung der
Konzentration gefährlicher
Stoffe in der Luft in Arbeitsbereichen
Beschichtungsanlagen
1.11.1997
TRGS 403
BArbBl. 1989
Nr. 10 S. 71
Bewertung von Stoffgemischen in der Luft am Arbeitsplatz
Faß-Rekonditionierung,
Nachverbrennung
1.10.1989
TRGS 420
BArbBl. 1993
Nr. 9 S. 63
Verfahrens- und stoffspezifische Kriterien für die dauerhafte sichere Einhaltung von
Luftgrenzwerten (VSK)
Beschichtungsanlagen
01.2006
TRGS 500
BArbBl. 1998
Nr. 3
Schutzmaßnahmen: Mindeststandards
Arbeitsicherheit
03.1998
TRGS 514
BArbBl.
9/1998
Lagern sehr giftiger und
giftiger Stoffe in Verpackungen und ortsbeweglichen
Behältern
Roh-, Hilfs- und Betriebs-stoffe, Gefahrstofflager,
09.1998
TRGS 555
BArbBl. 1989
Nr. 3 S. 85
Betriebsanweisung und
Unterweisung nach § 20
GefStoffV
Roh-, Hilfs- und Betriebs-stoffe, Gefahrstofflager
12.1997
TRGS 900
BArbBl. 1996
Nr. 10 S. 106
Grenzwerte in der Luft am
Arbeitsplatz ‚Luftgrenzwerte’
01.2006
TRGS 901
BArbBl. 1997
Nr. 4 S. 42
Begründungen und Erläuterungen zu Grenzwerten in der
Luft am Arbeitsplatz
01.04.1997 /
01.2006
TRGS 905
BArbBl. Nr. 6
S. 40
Verzeichnis krebserzeugender, erbgutverändernder oder
fortpflanzungsgefährdender
Stoffe
07.2005
Lagern von brandfördernden
Stoffen in Verpackungen und
ortsbeweglichen Behältern
09.1998 /
10.2002
1.01.1994 /
05.1995
3b BRD
TRG 515: Technische
Regel für Gefahrstoffe
GGBefB
Gefahrgutbeförderungsgesetz
Beförderung gefährlicher
Güter auf der Strasse und
Schiene
Gefahrgutverladung,
-transport
09.10.1998 /
21.06.2005
GGVSE
GefahrgutVO Strasse
und Schiene
Beförderung gefährlicher
Güter auf der Strasse und
Schiene
Gefahrgutverladung,
-transport
03.01.2005 /
02.11.2005
GGAV
Gefahrgutaus-nahmeVO
Ausnahmen von GGVSE
Gefahrgutverladung,
-transport
06.11.2002 /
10.05.2005
GbV
GefahrgutbeauftragtenVO
Bestellung von Gefahrgutbeauftragten und deren
Schulung
Gefahrgutverladung,
-transport
26.03.1998 /
02.11.2005
Landesverordnung
über Zuständigkeiten auf dem
Gebiet des Arbeits- und des
technischen Gefahrenschutzes
Betrieb allgemein
26.09.2000 /
22.06.2004
AGSchZuVO
ArbZVO
Arbeitszeitverordnung
Betrieb allgemein
09.05.2006
Landesverordnung zum
JSchG
Zuständigkeiten
Personalabteilung
01.2005
SchwbG
Gleichstellung von Menschen
mit Behinderung
Personalabteilung
16.12.2003
424
Bemerkungen
TRGS 900
Anhang
d. Brandschutzrecht
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
Bemerkungen
VbF
BGBl. I S.
1937, ber.
1997 S. 447
Verordnung über Anlagen zur
Lagerung, Abfüllung und
Beför-derung brennbarer
Flüssigkeiten
Reinigungsmittel, Roh-,
13.12.1996
Aufgehoben, in
BetrSichV
VwVwS
§19a Abs.2
Nr.2 des
WHG
Wassergefährdende Stoffe bei
der Beförderung in Rohrleitungsanlagen
Roh-, Hilfs- und
Betriebsstoffe
17.05.1999 /
20.07.2005
TRbF 001
BArbBl.
12/1982 S.
34
Aufbau und Anwendung der
TRbF
Brennbare
Flüssigkeiten
01.12.1982 /
07.2002
TRbF 20
BArbBl.
04/2001
S.60ff.
Läger
Brennbare
Flüssigkeiten
04/2001 /
06.2002
BGI 563
Bisher ZH
1/117
Merkblatt "Brandschutz bei
Schweiß und Schneidearbeiten"
06.2004
BGI 562
Bisher ZH
1/116
Merkblatt "Brandschutz"
08.2004
TRbF 60
BarbBl
06/2002 S.
80
Ortsbewegliche Gefäße
Brennbare
Flüssigkeiten
06/2002
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
2000/532/EG
Abl. Nr. L 47,
2001, S. 1
Entscheidung über ein Abfallverzeichnis
Abfallentsorgung
06.09.2000
1013/2006/EG
ABl. Nr. L
190, 2006, S.
1
Ersatz der VO 259/93/EWG
Grenzüberschreitende
Abfallverbringung
14.06.2006
4. Brandschutzrecht
4b BRD
Technische Regeln für
brennbare Flüssigkeiten
e. Abfallrecht
Rechtsvorschrift
Bemerkungen
5. Abfallrecht
5a EU
2001/573/EG
Änderung der 2000/532/EG
Abfallentsorgung
23.07.2001
2005/20/EG
Änderungsrichtlinie zur
94/62/EG
09.03.2005
2004/12/EG
Änderungsrichtlinie zur
94/62/EG
11.02.2004
Richtlinie über Verpackungen
und Verpackungsabfälle
20.12.1994
2002/96/EG
Entsorgung von Elekto- und
Elektronikaltgeräten
Altgeräteentsorgung
27.01.2003
2003/108/EG
Änderung der 2002/96/EG
Altgeräteentsorgung
08.12.2003
Förderung der Kreislaufwirtschaft, umweltverträgliche
Abfallbeseitigung
Reststofferfassung und
Entsorgung
27.09.1994 /
15.07.2006
EntsorgungsfachbetriebeVO
Anforderungen an Entsorgungsfachbetriebe
Geschäftsführung
10.09.1996 /
24.06.2002
UVPG
Umweltverträglichkeitsprüfung
Änderung & Neuerrichtung von Anlagen
25.06.2005 /
15.07.2006
UStatG
Umweltstatistiken
Reststoffannahme und
-entsorgung
16.06.2006 /
15.07.2006
Form und Inhalt der Abfallbilanz
Reststofferfassung und
-entsorgung
13.09.1996 /
15.07.2006
94/62/EG
ABl. Nr. L
365,
S. 10
5b BRD
KrW/AbfG
AbfKoBiV
BGBl. I 2001
S. 1950, S.
2331; S.
2785
§19 Abs. 4
Nr. 1&2
KrW/AbfG
Anlage, Spalte 2
Angabe in t;
aufgehoben ab
01.02.2007
425
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
AbfVerBrG
Abfallverbringungsgesetz
Regelt die Überwachung und
Kon-trolle der grenzüberschreitenden Verbringung von
Abfällen.
Abfallentsorgung
30.09.1994 /
20.10.2005
BestüVAbfV
BGBl. I 2001,
S. 1377,
3379
Überwachungsbedürftige
Abfälle zur Verwertung
10.09.1996 /
15.07.2006
Bestellung von Betriebsbeauftragten für Abfall
Abfallbeauftragter
26.10.1977
Vermeidung und Verwertung
von Verpackungsabfällen
Reststoffentsorgung
27.08.1998 /
30.12.2005
TgV
Transportgenehmigung
Abfallbeförderung und einsammlung
10.09.1996 /
15.07.2006
GewAbfV
Verwertung und Beseitigung
von gewerblichen Siedlungsabfällen und Bau- und Abbruchabfällen
Abfallentsorgung
19.06.2002 /
15.07.2006
Einführung des Europäischen
Abfallverzeichnisses, Abfallschlüsselnummer
Reststoffentsorgung,
Konzepte, Bilanzen
10.12.2001 /
15.07.2006
Nachweise für Verwertung
und Beseitigung
Reststoffentsorgung
17.06.2002 /
15.08.2002
AbfBetrBV
VerpackV
AVV
BGBl. I, S.
2331
BGBl. I 2001.
S. 3379
NachwV
TA Abfall
GMBl. I 1991
S. 139, ber.
S. 467
Lagerung, Behandlung und
Beseitigung besonders überwachungsbedürftige Abfälle
Reststoffentsorgung
12.03.1991
TA Siedlungsabfall
BAnz. 1993
Behandeln, Verwertung und
Beseitigung von Siedlungsabfällen
Reststoffentsorgung
14.05.1993
Anforderungen an die Verwertung und Beseitigung von
Altholz.
Altholzentsorgung,
Materialhandling
15.08.2002 /
15.07.2006
S 4967
AltholzV
AltölV
BGBl. I 1987
S. 2335
Anforderungen an die Verwertung und Beseitigung von Altöl
Kraftwerk, Anlagen,
Gabelstapler
16.04.2002
BattV
BGBl. Nr. 33
2001, S.
2331
Rücknahme und Entsorgung
gebrauchter Batterien und
Akkumulatoren
Gabelstapler
02.07.2001 /
29.10.2001
FCKW-Halon-VerbotsV
BGBl. I 2001,
S. 2785
Verbot bestimmter die Ozonschicht abbauender HalogenKW
06.05.1991
BGBl. I 1998
Entsorgung gebrauchter
halogenierter Lösungsmittel
Anlagen, Kraftwerk
23.10.1989
HKWAbfV
S. 1918
LAGA-Hinweis
Umsetzung
der GewAbfV
Vollzugshinweise der Länderarbeitsgemeinschaft Abfall zur
Gewerbeabfallverordnung
26.03.2003
5c RHEINLAND-PFALZ
LAbfWAG
Förderung der Kreislaufwirtschaft zur Schonung der
natürlichen Ressourcen und
die Sicherung der umweltverträglichen Beseitigung von
Abfällen
Reststoffentsorgung
02.04.1998 /
25.07.2005
Landesverordnung
Zentrale Stelle für Sonderabfälle
Sonderabfallentsorgung
03.08.2000
Kosten der Zentralen Stelle für
Sonderabfälle
Sonderabfallentsorgung
27.05.2002 /
06.01.2006
Landesverordnung
Zuständigkeiten bei Überwachung der Produktverantwortung
12.10.1999 /
10.03.2006
EAG-Richtlinie
Technische Anforderungen
zur Entsorgung von ElektroAltgeräten
sowie zur Errichtung und zum
Betrieb von Anlagen zur
Entsorgung von ElektroAltgeräten
Elektro-Altgeräte-Richtlinie
Elektroaltgeräte
11.2000
Sonderabfall Kostenverordnung
426
GVBl. 2002,
S. 274
Bemerkungen
aufgehoben ab
01.02.2007
Anhang
f. Energie und Boden
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
Förderung der Stromerzeugung aus erneuerbaren
Energien
Betrieb allgemein,
Geschäftsführung
27.09.2001
EnEG
Einsparung von Energie in
Gebäuden
Betriebstechnik
01.09.2005
EEG
Vorrang erneuerbare Energien
Betriebstechnik
21.07.2004 /
07.07.2005
EnEV
Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und
energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden
Betriebstechnik
02.12.2004
Bemerkungen
6. Energie / Boden
6a EU
2001/77/EG
6b BRD
BBodSchG
BGBl. I 2001,
S. 2331
Schutz des Bodens, Sanierung von Altlasten
Läger, FaßRekonditionierung
17.03.1998 /
09.12.2004
BBodSchV
BGBl. I 1999,
S. 1554
Schutz des Bodens
12.07.1999 /
23.12.2004
LBodSchG
Schutz des Bodens, Sanierung von Altlasten
25.07.2005
Landesverordnung
Gebiet des Bodenschutzes
11.02.1999 /
22.06.2004
Landesverordnung
Gebiet der Energieeinsparung
Energienutzung,
Betriebstechnik
04.03.2005
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
2004/35/EG
Abl. Nr. L
143
Haftung für Umweltschäden
und Sanierung
Betrieb allgemein
21.04.2004
2006/54/EG
Abl. Nr. L
204, 2006, S.
23
Gleichberechtigung
Betrieb allgemein
05.07.2006
§§ 4f, 4g
Berufung eines Datenschutzbeauf-tragten, Schutz persönlicher Daten,
Personalabteilung,
Geschäftsführung
20.12.1990 /
14.01.2003
Umwelthaftungsgesetz
(UHG)
Haftung für Umwelteinwirkungen
Betrieb allgemein
10.12.1990
Grundgesetz (GG)
Grundgesetz der BRD
Geschäftsführung,
Mitarbeiter
23.05.1949
BGB
Vertragsrecht, Schadenshaftung
Betrieb allgemein und
Geschäftsführung
27.06.2000 /
02.01.2002
HGB
Rechte und Pflichten für
Kaufleute, KG
Geschäftsführung
10.05.1897 /
08.07.2006
BetrVerfG
Mitbestimmung und Beteiligung der Beschäftigten
Geschäftsführung, Betriebsrat, Personalabteilung
25.09.2001 /
18.05.2004
BVG-WO
Wahlordnung für Betriebsrat
Betriebsrat, Geschäftsführung
11.12.2001
g. Sonstige Rechtsgebiete
Rechtsvorschrift
Bemerkungen
7. Allgemein
7a EU
7b BRD
Bundesdatenschutzgesetz
OwiG – Gesetz über
Ordnungswidrigkeiten
BGBl. I 1987
Haftung juristischer Personen
für Fehlverhalten
Prokuristen, Geschäftsführung
19.02.1987 /
12.08.2005
GPSG (Geräte- und
Produktsicherheitsgesetz)
BGBl. I Nr. 1
Inverkehrbringen und Ausstellen von Produkten
06.01.2004 /
07.07.2005
ProdHaftG
BGBl. I 1989
Haftung für fehlerhafte Produkte
Datenschutzbeauftragten
berufen
15.12.1989 /
19.07.2002
427
Anhang
Rechtsvorschrift
Paragraph/
Bezug
Forderung / Inhalt
Anlage /
Tätigkeiten
Gültig seit
/ aktualis.
Strafgesetzbuch (StGB)
BGBl. I 1998
Haftung natürlicher Personen
Alle Mitarbeiter
13.11.1998 /
19.04.2006
StVG
Straßenverkehrsgesetz
Transporte und Personenverkehr auf dem
Werksgelände
05.03.2003 /
20.07.2006
StVO
Straßenverkehrsordnung
Transporte und Personenverkehr auf dem
Werksgelände
16.11.1970 /
11.05.2006
BeschätigtenschutzG
Schutz vor sexuellen Übergriffen
Betrieb allgemein
24.06.1994
VwGO
Verwaltungsgerichtsordnung
Verwaltungsgerichtsbarkeit
19.03.1991 /
15.07.2006
KStG
Körperschaftssteuergesetz
Steuerpflicht
15.10.2002 /
19.07.2006
428
Bemerkungen
Anhang
Anhang IV:
Nr. der
Anlage
Soll-Prozesse der Spundfass-Rekonditionierung
Bezeichnung der
Anlage/ Station
Betriebsbeschreibung
Emissionen
• Entladung der Transporteinheiten mit
Teleskop-Entladeband
01
Entladestation
• Kennzeichnung mittels Transponder
• Ausschleusung nicht prozesskonformer
Emballagen
-
• Verwiegen und Ermittlung der Restmengen
• Spunde positionieren
02
Spunde öffnen
• Automatisches Entfernen des 2“- und des ¾“Spundes
• Automatische Probeentnahme
03
Schnellanalytik
• Analysieren auf mögliche Störstoffe
• Automatische Zuordnung in die Prozesse
⇒ 05
04
05
Restentleerung
Spreizteller und
Ausbeul-Maschinen
⇒ 26
ArbeitsplatzAbsaugung
⇒ 27
• Absaugung der Restinhalte getrennt nach
Stoffgruppen
• Richten der oberen und unteren Zarge(Falz) im
Spreizteller
• Ausbeulen der Fässer mit 5 bar
• Bearbeitung erfolgt stehend um ein Austreten
von Füllgutresten zu verhindern
• vollautomatische Reinigung
• alkalisches Spritzverfahren (20°-50°C,
pH 12,5)
06
Vorreinigung
• In Fass einfahrender Düsenstab
• 4 Stationen Spülen, 1 Station Leerlaufen
• Reinigungsmedium wird über
Vakuumverdampfung aufbereitet
• vollautomatische Druckreinigung (7 bar)
• alkalisches Spritzverfahren (70°-75°C,
PH 12,5)
07
Hauptreinigung
• 4 Stationen Reinigen, 1 Station Leerlaufen
gekapselter
Bereich,
Einleitung der
Abluft in TNV
• In Fass einfahrender, rotierender Düsenstab
• vollautomatische Druckspülung (7 bar)
• alkalisches Passivierungsverfahren
(70°-75°C, PH 8,5)
08
Klarspülung inkl.
Passivierung
• 3 Stationen Spülen, 1 Station Leerlaufen,
1 Station heißer Dampf (130°C)
• Reinigungsmedium wird über Vakuumverdampfung aufbereitet
429
Anhang
Nr. der
Anlage
Bezeichnung der
Anlage/ Station
Emissionen
• Trocknung mit heißer Pressluft (120°C, 6,5 bar)
09
Heißlufttrocknung
• gekapselter Auslauf
gekapselter
Bereich,
Einleitung der
Abluft in TNV
• Lesen des Transponders
10
Qualitätskontrolle
• Visuelle
Prüfung
von
Innenund
Außenzustandes der Fässer mit Kamerasystem
• Einteilung in verschiedene
Erfassung in EDV
Qualitäten
und
-
• Rostige Fässer zur Kettenreinigung (⇒11)
• Mechanische Reinigung stark rostiger Fässer
unter Zusatz eines alkalischen Reinigers
• 3 scharfkantige Spezialketten werden ins Fass
gegeben
11
Kettenreinigung
• Beigabe von 3 Liter Reinigungsmedium
Lärmgekapselt
• Eingabe in vollautomatischen Ketten-Automaten
mit Schwenkeinrichtung zur Entrostung des
kompletten Fass-Innenraums
• Anschließend Zuführung zur 1. Reinigung (⇒ 6)
12
Verschließen der
Spunde
• Verschrauben des 2“- und ¾“-Spundes mit
Luftschrauber
13
Stauraum
• Zwischenlagerung
der
Fässer
Weiterverarbeitung auf Rollbahnen
bis
zur
-
• Sortierung über Transponder
• Transponder entfernen
14
Etiketten entfernen
• Zuführung der kundenbezogenen Chargen in die
vollautomatischen Bürsten-Maschinen
• Entfernen der Etiketten mit Bürsten
15
Oberboden entfernen
(Nur Deckelfässer)
16
Strahler
• Automatisches Entfernen des Oberbodens
Lärm- und
Staubgekapselt,
Reinigung der
Abluft mittels
Schlauchfilter
• automatischer Durchlaufstrahler
• Entfernen der alten Lackschichten
• Öffnen des 2“-Spundes mit Luftschrauber
• automatische Dichtheits-Prüfung mit der
Prüfglocke
17
(Nur Spundfass)
• Die Fässer werden vollautomatisch in den
Automaten gefahren; die Prüfglocke dichtet den
Raum um das Faß vollständig ab und eine
effiziente Vakuumpumpe senkt den Druck
außerhalb des Fasses ab.
• Undichte Fässer werden ausgesondert.
430
-
Anhang
Nr. der
Anlage
Bezeichnung der
Anlage/ Station
18
Produktion
Deckelfass
(Nur Deckelfass)
•
•
•
•
•
19
(Nur Deckelfass)
• automatisch Dichtheits-Prüfung mit
Differenzdruck
• Undichte Fässer werden ausgesondert
20
Lackierkabinen
• Vollautomatische, doppelspurige
Lackieranlage mit jeweils 2
Lackierstationen
• Ein- oder mehrfarbige Lackierung
• Airless-Heiß-Spritzverfahren
• Abscheiden des Oversprays über
Wasservorhang und Koagulierstufe
21
DurchlaufTrockenofen
• Temperaturregelbarer Trockenofen zum
Einbrennen der Lackierung an den
Spund- und Deckelfässern
22
Endbearbeitung
(Nur Deckelfass)
• Endkontrolle
• Deckel und Spannring aufsetzen
Kennzeichnung
• Aufbringen einer Kennzeichnung mittels
Tintenstrahldruckers (Datum, UNKennzeichnung, Charge,
Packmittelnummer des Kunden etc.)
23
24
Endbearbeitung
(Nur Spundfass)
25
Verladen
26
Behandlungsanlage
für reaktive Reststoffe
Glätten
Expandieren
Schreiden
Einziehen
Bordieren
Emissionen
Lärm- und
Staubgekapselt,
Reinigung der Abluft
mittels Schlauchfilter
-
Zuführung der Abluft
aus der gekapselten
Lackierkabine und
des
Trockentunnels in
eine separate
Nachverbrennung mit
Wärmerückgewinnung
-
• Luftaustausch mit über einen
Absorbationstrockner getrockneter
Pressluft zum entfernen von Gerüchen
und verbliebener Restfeuchte
(Luftfeuchte)
• Visuelle Prüfung von Innen- und
Außenzustandes der Fässer mit Kamera • Automatische Verschrauben des 2“- und
¾“-Spundes
• ggf. verkapseln des ¾“-Spundes auf
Kundenwunsch
• ggf. Aufbringen eines Siebdruckes auf
Kundenwunsch
• Verladen der Fässer auf bereitgestellte
Transporteinheiten mit TeleskopVerladeband
• ggf. automatische Plattierung
• Automatisches Entfernen des 2“- und des
¾“-Spundes
• Automatische Vakuumabsaugung der
Reststoffe
• Ausspülen mit Reaktionsmedium
⇒ 05
gekapselter Bereich
Abluftreinigung
mit
alkalischem Wäscher
⇒ 27
431
Anhang
Nr. der
Anlage
Bezeichnung der
Anlage/ Station
Emissionen
• Absaugung der Restinhalte getrennt nach
Stoffgruppen
• 4-Wellen Rotorschere
Schredderanlagen für
27
• Fe/PE-Trennung
• FE-Metalle
• Nachzerkleinerer für Kunststoffe
• Kunststoff
• Reinigung des Schreddergutes
• Verwertung der Rohstoffe
gekapselter
Bereich,
Einleitung der
Abluft in TNV
28
Thermische
Abluftreinigung TNV
• Reinigung der belasteten Abluft aus der
Rekonditionieranlage mit Wärmenutzung über
Thermoölerhitzung und Abluftvorwärmung
Ableitung der
gereinigten
Rauchgase
über Kamin
29
Kolonnenwäscher
• Alkalischer Kolonnenwäscher zur Behandlung
saurer Gase aus der Behandlungsanlage für
reaktive Verpackungen
Einleitung der
behandelten
Abluft in TNV
• Vakuumdestillation neuster Bauart
(Brüdenverdichter) mit extrem geringen
Energiebedarf zur Aufbereitung der
anfallenden Waschwässer
Einleitung der
Abluft in TNV
30
Vakuumdestillation
• Verwendung des Destillats für die
Waschanlagen
432
Anhang
Anhang V:
Benutzeroberflächen für die Entladung, Qualitätsbewertung
und Zerlegung von Kombinations-IBC
a. IBC-Entladung (Auswahl)
Abbildung A-1:
Startmaske, Auswahl der Funktion (z. B. Neue Entladung)
Abbildung A-2:
Eingabe der Wechselbrücken-Nummer
Abbildung A-3:
Laden der zugehörigen Bestellinformationen aus der Datenbank
433
Anhang
Abbildung A-4:
Zuordnung der Verpackungs-ID zur Charge durch Einlesen der
Transponder, Bestätigung nach Beendigung
Neben der Funktion „Neue Entladung“ kann der Mitarbeiter auch noch nachträglich Verpackungen zuordnen oder entfernen, wenn zu wenige bzw. zu viele
Transponder eingelesen wurden. Der Ablauf der Prozesse ist den geschilderten
sehr ähnlich, so dass die zugehörigen Bildschirmmasken hier nicht angeführt werden sollen. Nach abgeschlossener Entladung erscheint automatisch wieder die
Startmaske.
434
Anhang
b. IBC-Qualitätsbewertung
Abbildung A-5:
Startmaske der IBC-Bewertung
Abbildung A-6:
Transponder erfasst, Daten aus der Datenbank geladen
435
Anhang
Abbildung A-7:
436
Bewertung mit Tastatur eingegeben, Bestätigung wird erwartet
Anhang
c. IBC-Zerlegung und Rebotteling
Abbildung A-8:
Startmaske
Abbildung A-9:
Erste Bewertung mit Tastatur eingegeben (Information zu weiterer
Behandlung)
437
Anhang
Abbildung A-10:
438
Zuordnung Fabrikat / Hersteller (zweite Eingabe)
Anhang
Anhang VI:
•
•
•
•
•
•
Übersicht über Versuchsergebnisse und -auswertung
Neuware 1,0/0,8/1,0 mm
Rank
Zyklen
Ausfallwahrscheinlichkeit
1 / ( 1 – Ausfallwahrscheinlichkeit)
ln ( ln ( 1 / ( 1 – Ausfallwahrscheinlichkeit)))
ln ( Zyklen )
1
2
3
4
5
25
26
35
41
60
0,1296
0,3148
0,5000
0,6852
0,8704
1,1489
1,4595
2,0000
3,1765
7,7143
-1,9745
-0,9727
-0,3665
0,1448
0,7145
3,2189
3,2581
3,5553
3,7136
4,0943
Rank
Zyklen
ln ( Zyklen )
1
2
3
4
5
32
34
35
45
51
0,1296
0,3148
0,5000
0,6852
0,8704
1,1489
1,4595
2,0000
3,1765
7,7143
-1,9745
-0,9727
-0,3665
0,1448
0,7145
3,4657
3,5264
3,5553
3,8067
3,9318
Rank
Zyklen
ln ( Zyklen )
1
2
3
4
5
60
63
78
97
107
0,1296
0,3148
0,5000
0,6852
0,8704
1,1489
1,4595
2,0000
3,1765
7,7143
-1,9745
-0,9727
-0,3665
0,1448
0,7145
4,0943
4,1431
4,3567
4,5747
4,6728
Rekoware 1,0/0,8/1,0 mm
Rank
Zyklen
ln ( Zyklen )
1
2
3
4
53
60
97
103
0,1296
0,3148
0,5000
0,6852
1,1489
1,4595
2,0000
3,1765
-1,9745
-0,9727
-0,3665
0,1448
3,9703
4,0943
4,5747
4,6347
Rekoware 1,0/1,.0/1,0 mm
Rank
Zyklen
ln ( Zyklen )
1
2
3
4
15
30
58
83
0,1296
0,3148
0,5000
0,6852
1,1489
1,4595
2,0000
3,1765
-1,9745
-0,9727
-0,3665
0,1448
2,7081
3,4012
4,0604
4,4188
ln ( Zyklen )
0,1296
0,3148
0,5000
0,6852
1,1489
1,4595
2,0000
3,1765
-1,9745
-0,9727
-0,3665
0,1448
2,7081
3,4012
4,0604
4,4188
Rekoware 1,0/1,0/1,0 mm
Rank Zyklen
1
2
3
4
15
30
58
83
439
Anhang
Weibull Analyse
Neuware 1,0/0,8/1,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
Weibull Analyse
Neuware 1,0/1,0/1,0
ln(ln(1/(1-Median Ranks))
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
4,5
5,0
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
Weibull Analyse
Neuware 1,2/1,0/1,2
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
3,0
3,5
4,0
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
440
Anhang
Weibull Analyse
Rekoware 1,0/0,8/1,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
4,0
4,5
4,5
5,0
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
Weibull Analyse
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
2,5
3,0
3,5
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
Weibull Analyse
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
3,0
3,5
4,0
-2,0
-3,0
ln(Versuchsdauer)
441

Abschlussbericht - Cleaner Production Germany

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