Ultraschallschweißen zur Fertigung von FFP2-Masken

Die Lösung für das getaktete Ultraschallschweißen von Weber Ultrasonics ermöglicht es, 120 FFP2-Masken pro Minute zu fertigen und zu verpacken.

Von der Idee bis zur Inbetriebnahme des weltweit modernsten Produktionssystems für FFP2-Schutzmasken vergingen gerade einmal zehn Monate und jetzt ermöglicht die Anlage mit Ultraschalllösungen für das kontinuierliche und getaktete Ultraschallschweißen von Weber Ultrasonics es, 120 Masken pro Minute vollautomatisch zu fertigen und zu verpacken. Es ist Ostersonntag 2020, die erste Corona-Welle hat die Welt im Griff, als Stephan Schneider einen Bericht zum Masken-Chaos liest: Atemschutz- und FFP2-Masken sind in Europa praktisch nicht verfügbar und wenn es welche gibt, nur zu überhöhten Preisen aus Asien sowie in teils fragwürdiger Qualität. Der Beitrag bringt den Diplom-Ingenieur und passionierten Maschinenbauer auf die Idee, selbst eine FFP2-Maske sowie die dafür erforderliche Produktionstechnik zu entwickeln und damit langfristig eine sichere und wettbewerbsfähige Maskenproduktion „Made in Germany“ aufzubauen. Die 1998 gegründete Schneider Technologies GmbH + Co. KG ist auf die Entwicklung, Konstruktion und den Bau von Sondermaschinen und Fertigungslinien für ein breites Kundenspektrum, beispielsweise aus der Automobil-, Elektro-, Sanitär- und chemischen Industrie, spezialisiert. Eine Kernkompetenz liegt dabei in der Automatisierung und Rationalisierung von Fertigung und Montage.

Mit der Herstellung persönlicher Schutzausrüstung und dem Ultraschallschweißen, das bei der Produktion der Masken ein entscheidender Fertigungsschritt ist, hat das Unternehmen Neuland betreten. „Um überhaupt ein Gefühl für das thermoplastische Material, so genannte Nonwovens, aus dem die Masken bestehen, dessen Verarbeitung und was dabei zu beachten ist, zu bekommen, haben alle Projektbeteiligten eine Schulung durch das Institut für Textiltechnik (ITA) der RWTH Aachen erhalten. Gemeinsam mit dem ITA wurde auch das Maskendesign entwickelt, das an europäische Köpfe angepasst ist“, berichtet Stephan Schneider. Ebenso pragmatisch ging der Geschäftsführer die Planung der Fertigungslinie an. Detaillierte Recherchen über die am Markt angebotenen Maschinen lieferten Anhaltspunkte, wo man ansetzen musste, um in punkto Qualität, Leistung und Verfügbarkeit eine signifikant bessere Lösung zu erhalten. Entsprechend sollte die Produktionstechnik hochautomatisiert und nahezu mannlos laufen. Ziel war, anstelle der bisher maximalen möglichen Produktionsmenge von 60 Masken pro Minute 120 Stück zu fertigen. Eine hohe Anlagenverfügbarkeit, stabile Konstruktion und integrierte Verpackung hatten ebenfalls höchste Priorität. Diese Anforderungen und die Expertise aus über 400 realisierten Sonderanlagen flossen in die Konzeption der Produktionstechnik ein. „Da die Schweißvorgänge und insbesondere das Anschweißen der Ohrbänder qualitätsrelevante Prozesse sind, suchten wir für diese Schlüsselkomponenten einen Partner mit Erfahrung im Maskenschweißen“, erklärt der Geschäftsführer.

Entschieden hat sich Stephan Schneider für Ultraschallequipment der Weber Ultrasonics AG, einem der weltweit führenden Hersteller von Ultraschallkomponenten für das Schweißen, Schneiden und Reinigen sowie von modularen Lösungen für das Anschweißen von Ohrbändern. Ausschlaggebend waren das technologische Konzept der Schweißlösungen, die umfangreiche Erfahrung des Unternehmens bei der Verarbeitung von Nonwovens. „Weber bietet Generatoren, Konverter und Booster für Maskenschweißprozesse als Standardkomponenten, nur die Sonotroden werden kundenspezifisch angepasst. Das ermöglichte uns, in diesem Bereich ohne kosten- und zeitaufwendige Entwicklungsarbeit schnell voranzukommen. Dieser Aspekt sowie die gute, solide Beratung und sehr offene Kommunikation, beispielsweise über Lösungen für das Anschweißen der Ohrbänder und die Auslegung der Walzen, bereits beim ersten Treffen haben uns beeindruckt. Wir haben uns daher spontan für Weber entschieden und nicht mehr mit anderen Herstellern gesprochen“, ergänzt Stephan Schneider. Umfassende Unterstützung bot der Komponentenhersteller auch als es um die Verifizierung der Prozessparameter ging. Sie erfolgte durch Schweißversuche im Technikum bei Weber mit dem Original-Maskenmaterial von Schneider. Es besteht aus drei unterschiedlichen Vliesen, wobei die mittlere Lage ein bereits verbundenes Kombinationsmaterial ist. „Unser Ziel ist nicht nur, mit der Fertigungslinie hochwertige Masken herzustellen, sondern die Produktionstechnik auch zu verkaufen. Um dabei flexibel auf kundenspezifische Anforderungen reagieren zu können, ist die Anlage auf die Verarbeitung von bis zu fünf Vlieslagen ausgelegt“, merkt Stephan Schneider an.

Ausgestattet ist die Fertigungslinie mit insgesamt sieben Ultraschall-Schweißsystemen. Die Industrie 4.0-fähigen Schweißgeneratoren Sonic Digital HS3 mit jeweils 2.000 Watt Leistung verfügen über fünf Schweißmodi, so dass sowohl kontinuierliches als auch getaktetes Schweißen zuverlässig realisiert werden kann. Darüber hinaus sorgen innovative Funktionen für ein Höchstmaß an Prozesssicherheit. Dazu zählt beispielsweise das Teach-In, das die optimale Startfrequenz und Regelparameter der angeschlossenen Schwingsysteme automatisch ermittelt und die richtige Arbeitsfrequenz durch die Sonoscan-Funktion identifiziert. Die Temperaturnachführung berechnet Frequenzverschiebungen durch Temperaturveränderungen und gleicht diese ebenfalls automatisch aus. Nach dem Auflegen der Vliesstoffrollen auf die Coiler startet der vollautomatische Prozess mit dem Einlegen der Nasenbügel. Anschließend werden die Konturen der Maske in einem kontinuierlichen Prozess geschweißt. Der hier eingesetzte, aus Titan gefertigte Schweißkonverter wurde speziell für unterbrechungsfreie Anwendungen entwickelt. Für reibungslosen Wechsel von Durchlauf- zu getakteten Prozessen ist ein Zwischenspeicher integriert, von dem aus die Masken zunächst in einer Druckeinheit mit den jeweiligen Herstellerangaben, CE-Zeichen und Prüfnummer bedruckt werden. Danach erfolgt in zwei Stationen das Anschweißen der Ohrbänder. Dabei sorgen die spezielle Konstruktion der Ohrbandschweißstationen und die Auslegung der Schwingsysteme und Sonotroden aus Titan für die korrekte Ausführung jedes einzelnen Schweißpunkts. Hier folgt ein weiterer Zwischenspeicher an, da die anschließende Formgebung der Masken und die Schweißung der L-Naht wieder in kontinuierlichen Prozessen erfolgen. Im nächsten Schritt werden die Masken ausgeschnitten, automatisch an eine Schlauchbeutel-Verpackungsanlage übergeben und einzeln verpackt. Abschließend erfolgt eine automatische Kommissionierung von zehn oder 20 Masken mit nachfolgender Verpackung in Verkaufskartons, die dann per Roboter in Transportkartons gesetzt werden. Die Vorgabe an die Konstruktion „Vom Vlies bis in die Verpackung“ wurde damit vollständig erfüllt.

Sämtliche Prozessschritte werden über Sensoren und Kamerasysteme überwacht und die ermittelten Ergebnisse laufend mit definierten, in der Steuerung hinterlegten Sollwerten abgeglichen. Dies ermöglicht, dass nicht einwandfrei produzierte beziehungsweise verpackte Masken in Sortierstationen vor und nach dem Verpacken automatisch ausgeschleust werden. Die innovative Fertigungslinie ermöglicht, in den Hochlohnländern Europas bis zu 100 Mio. qualitativ hochwertige FFP2-Masken im Jahr hygienisch und zu Preisen zu produzieren, die auch gegenüber dem Wettbewerb aus Asien wettbewerbsfähig sind. „Wir sind überzeugt, dass uns die führende Technologie für das Maskenschweißen und die kompromisslose Unterstützung von Weber Ultrasonics dabei geholfen hat, dieses Projekt in hoher Qualität und in weniger als einem Jahr umzusetzen“, merkt Stephan Schneider abschließend an.

ak