Forschung Projektdatenbank Hygienegerechte Produktion 3D-Druck in der Lebensmittelindustrie – HygAM

3D-Druck in der Lebensmittelindustrie – HygAM

Forschungstitel:
Ökonomische & technologische Qualifizierung des metallischen 3D-Drucks für die hygienische Anwendung in Anlagen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie

Arbeitsgruppe: Hygienegerechte Produktion

Forschungsstelle und wissenschaftliche Betreuung:

  1. Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik, Sebastian Stelzer
  2. Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung Dresden, Matthias Joppa

IGF-Vorhaben: 20790 BR
Finanzierung: BMWi
Laufzeit: 2019 – 2021

Additive metallische Fertigungstechnologien (3D-Druck) wie das Laser-Strahlschmelzen offenbaren im Hinblick auf die gestalterischen Freiheiten und den ressourceneffizienten Einsatz von hochwertigen Materialien große Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungsmethoden: komplexe metallische Bauteile und Komponenten können praktisch ohne geometrische Beschränkungen werkzeuglos hergestellt werden. Das ermöglicht die Entwicklung völlig neuartiger Produkte und/oder die Steigerung der Produktleistung (z.B. durch Werkzeugein-sätze mit Kühlkanälen oder hocheffiziente Einspritzdüsen). Die additive Fertigung erlaubt zudem die effiziente und flexible Herstellung von sehr individuellen Bauteilen mit geringen Losgrößen aus speziellen Legierungen, z. B. für den Sondermaschinenbau, Design-Objekte usw. Anlagen für die Erzeugung, Verarbeitung und Verpackung von Produkten der Lebensmittel- und Pharmaindust-rie fallen in den Bereich Sondermaschinenbau. Dies umfasst leistungsstarke, individuelle und gleichzeitig flexible Anlagen in geringer Stückzahl, an welche jedoch besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Hygiene gestellt werden (Hygienic Design – HD). Besonders die Maschinenkomponenten oder Bauteile, welche in direkten Kontakt mit den Erzeugnissen kommen, müssen höchsten Ansprüchen bezüglich Sauberkeit und Reinigbarkeit genügen.

Das Ziel des geplanten Vorhabens ist die Qualifizierung des metallischen 3D-Drucks (speziell Laser-Strahlschmelzen) für die hygienische Anwendung in Anlagen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie. Die Fertigung komplexer Komponenten mit integrierten Funktionen und reduzierter Einzelteilzahl kann speziell dieser Branche völlig neue Möglichkeiten eröffnen. Auch die seitens der Anlagenhersteller angebotenen Service-Dienstleistungen werden mit diesem Vorhaben adressiert, indem die nötige Ersatzteilversorgung über einen langen Zeitraum (0-30 Jahre) nicht über kostenintensive und ressourcenverschwendende Lagerhaltung gewährleistet werden muss, sondern in dem Ad-hoc-Bedarfe individuell und dezentral bedient werden können.

Die verfahrensspezifischen Vorteile des Laser-Strahlschmelzens, wie die flexible werkzeuglose Fertigung sehr komplexer und konventionell nicht herstellbarer Strukturen und Geometrien, gehen einher mit verfahrensspezifischen Eigenheiten und Grenzen. So weisen funktionale innere und äußere Oberflächen je nach Werkstoff, Ausrichtung und Prozessparameter für die Endanwendung oft unzulängliche Oberflächeneigenschaften (speziell hohe Rauigkeit) auf, welche erst durch eine entsprechende Nachbearbeitung (Fräsen, Schleifen, Polieren, …) den Anforderungen gerecht werden. In einem ersten Schritt wird daher zunächst ein Anforderungskatalog mit HD-Kriterien erstellt, welche die metallischen 3D-Druckteile erfüllen müssen. Im Anschluss werden grundsätzliche 3D-Druck-Strategien erarbeitet, die den Nachbearbeitungsaufwand von Beginn an minimieren. Der Projektfokus liegt dabei auf innenliegenden komplexen Strukturen (Hohlräume wie Kanäle etc.). Diese sind für konventionelle Nachbearbeitungstechnologien nur bedingt oder gar nicht zugänglich, was die Anwendung spezieller Verfahren (wie z.B. Strömungsschleifen = Druckfließläppen usw.) oder eine Kombination verschiedener Verfahren notwendig macht. Dahingehend existieren jedoch bis dato kaum verwertbare Untersuchungen. Aus diesem Grund werden verschiedenste Technologien zur Nachbearbeitung innenliegender Oberflächen hinsichtlich technologischer & ökonomischer Gesichtspunkte ausgesucht und bewertet. Die Bewertung erfolgt dabei unter anderem durch umfangreiche Reinigungstests unter in der Lebensmittelindustrie üblichen Bedingungen, oder auch durch verschiedene analytische Messverfahren (z.B. TOC-Messung) im Anschluss der Reinigung. Zur Validierung der Projektergebnisse werden in Abstimmung mit dem projektbeglei-tenden Ausschuss konventionell aufwendig gefertigte Beispielbaugruppen gesucht, welche durch ein 3D-Druckteil substituiert werden könnten. Die Eignung dieser neuen 3D-Druck Bauteile wird dann anhand derselben umfangreichen Tests überprüft und anhand der zuvor festgelegten hygienischen, technologischen und ökonomischen Kriterien bewertet. Zum Abschluss des Projekts und als wesentlicher Bestandteil zur Übertragung der Projektergebnisse in die Wirtschaft soll im letzten Arbeitspaket ein Merkblatt mit Handlungsempfehlungen für den metallischen 3D-Druck entstehen. Dieses soll dem zukünftigen Konstrukteur z.B. Strategien zum Modellaufbau (Maßzugaben, -toleranzen, …) und die notwendigen Nachbearbeitungsschritte aufzeigen.

Sitzungsunterlagen

Das hier vorgestellte IGF-Vorhaben der Forschungsvereinigung Industrievereinigung für Lebensmitteltechnologie und Verpackung e.V. (IVLV e.V.) wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.