Ziel der Entwicklung

Ziel des Projektes war die Weiterentwicklung der KEMAFIL®-Technologie zur sicheren, beschädigungsfreien und wirtschaftlichen Verarbeitung von Bandmaterialien mit einer Breite von mindestens 10 mm. Diese Weiterentwicklung ermöglicht die Herstellung eines Schlingseiles mit hoher spezifischer Oberfläche für textile Aufwuchsträger. Solche textilen Aufwuchsträger werden genutzt, um die Reinigungsleistung von Teichen zur Abwasserbehandlung oder Industriekläranlagen kostengünstig zu verbessern. Durch das breite Bandmaterial und die offenen Strukturen besitzen die textilen Aufwuchsträger eine hohe spezifische Oberfläche. Diese hohe volumenbezogene spezifische Oberfläche von etwa 640 m²/m³ bietet Mikroorganismen Raum zur Besiedlung. Der durch den Aufwuchs von Mikroorganismen entstehende Biofilm wird bei der Abwasserbehandlung benötigt, da er die Reinigungsleistung der textilen Aufwuchsträger maßgeblich bestimmt. Für die wünschenswerte Erhöhung der spezifischen Oberfläche wird das Bandmaterial, aus dem das Schlingseil besteht, verbreitert. In Vorversuchen mit einer Labor-KEMAFIL®-Anlage konnten nur Breiten bis fünf mm sicher verarbeitet werden. Bei der Verarbeitung der nächst größeren, handelsüblichen Breite des Bandmaterials von 7,9 mm war eine sichere Verarbeitung nicht mehr möglich. Das Bandmaterial spliss in Längsrichtung auf und neigte zum Verdrehen. Bei aufgespaltenem Bändchenmaterial war eine sichere Maschenbildung nicht mehr gewährleistet, zumal die im Einsatzzweck gewünschte Steifigkeit des Bändchens damit verloren ging. Zudem wurde das Material strukturell stark geschädigt (hoher Festigkeitsverlust) und der Effekt der höheren spezifischen Oberfläche wurde durch Überlappungen aufgehoben. Das Problem des Längsspaltens des Bandmaterials konnte nicht durch eine einfache geometrische Hochskalierung der Greifergeometrie verhindert werden. Die Vorversuche haben gezeigt, dass sich mit der bisherigen Getriebekonfiguration nicht die erforderlichen Bewegungskurven für „überbreite“ Greifer realisieren lassen. Es kam zu Kollisionen der Greifer beim Maschenbildungsprozess und/oder zu einem nicht zuverlässigen Ausbilden der Maschen. Damit war eine grundlegende Neukonstruktion des KEMAFIL®-Ummantelungskopfes für die Verarbeitung von überbreitem Bandmaterial erforderlich. Ein weiteres Projektziel fokussierte auf die peripheren Bauteile der KEMAFIL®-Maschine. Hier waren vor allem Überarbeitungen der Fadenzuführung und -kompensation zu entwickeln und zu erproben. Potenzielle Reib- und Knickstellen mussten für den Einsatz von breitem Bändchenmaterial stark verringert werden, um die zu erwartenden höheren Zugkräfte an den Wirkelementen zu minimieren. Im Zuge der nötigen Neukonstruktion sollte auch das bisherige Konzept der Fadenzuführung und -kompensation von KEMAFIL®-Maschinen konstruktiv überarbeitet werden. Die während des Maschenbildungsprozesses entstehenden Spannungsspitzen und Fadenreserven wurden besonders bei höheren Produktionsgeschwindigkeiten nur unzureichend kompensiert. Damit standen keine Reserven bei zu erwartenden höheren Reibkräften zur Verfügung. Ein neues System für die Kompensation der Fadenreserven sollte die Spannungsspitzen vermindern. Damit konnte das Faden-/Bändchenmaterial schonender und mit einer höheren Produktionsgeschwindigkeit verarbeitet werden. Weiter wurde durch die allgemeine Verringerung der Reibkräfte der starke Abrieb des steifen Bandmaterials vermindert. Das dritte Ziel des Forschungsprojektes war die Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeit von derzeit zirka 140 Maschen / Minute auf mindestens 250 Maschen/Minute. Damit sollte die Wirtschaftlichkeit aller auf der Maschine hergestellten Produkte erhöht werden.

Vorteile und Lösungen

Das Ziel für einen neukonstruierten KEMAFIL®-Kopf war die sichere, beschädigungsfreie und schnelle Verarbeitung von Bändchenmaterial mit mindestens zehn mm Breite. Dabei sollte das Bändchenmaterial weder gequetscht noch übermäßig in geometrisch ungünstigen Winkeln geknickt werden. Zusätzlich sollte im Zuge der konstruktiven Entwicklung die Arbeitsgeschwindigkeit der KEMAFIL®-Maschine erhöht werden. Hierzu wurde ein KEMAFIL®-Kopf entwickelt, der Bandmaterial größer als zehn mm Breite sicher und beschädigungsfrei verarbeiten kann. Die angestrebten Produktparameter einer Maschenlänge von zehn – 100 mm und einem Durchmesser von fünf – 70 mm konnten erreicht werden. Die angestrebte Maschinengeschwindigkeit von 250 Maschen pro Minute wurde bei breitem Bandmaterial größer als zehn mm aufgrund der hohen Steifigkeit des Materials auf 200 Maschen / min begrenzt. Die Verarbeitung von schmalerem Bändchenmaterial oder textilen Garnen ist jedoch mit höheren Geschwindigkeiten möglich. Hierfür wurden neue Hakengreifer und ein neues Maschinengetriebe entwickelt. Die neu entwickelten Hakengreifer umschließen das Bandmaterial in dem Maschenbildungsbereich, in dem es vollständig ummantelt durch eine Durchführung geleitet wird. Dadurch wird eine Kollision des starren Bandmaterials mit anderen maschenbildenden Maschinenelementen verhindert. Die Greifer wurden in mehreren Iterationsschritten entwickelt und die finale Variante ist durch ihre mehrfach gekrümmte Oberflächenform und Durchführung für die additive Fertigung ausgelegt. Für eine fehlerfreie Maschenbildung mit breitem Bandmaterial mussten die Bewegungsabläufe der Hakengreifer angepasst werden. Ein entsprechender Bewegungsablauf wurde erarbeitet und zwei Getriebevarianten wurden entwickelt, die die geforderten Bewegungskurven abbilden können. Die im KEMAFIL®-Prototyp umgesetzte Getriebevariante ermöglicht es, für jeden Greifer ein eigenes Bewegungsmuster einzustellen, da jeder Hakengreifer von einem eigenen regelbaren Schrittmotor über ein Kurbelschwingengetriebe angesteuert wird. Mit diesem Getriebe konnte ein besonders schonender Maschenbildungsprozess für das breite Bandmaterial realisiert werden, der sich auch für andere Anwendungen der KEMAFIL®-Maschinen als vorteilhaft erwies.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die wirtschaftliche und technische Verbesserung von textilen Aufwuchsträgern für die Abwasserreinigung war die Hauptmotivation für die Weiterentwicklung der KEMAFIL®-Technologie. Für die textilen Aufwuchsträger stehen zwei potenzielle Märkte und Anwendungsszenarien im Vordergrund. Zum einen der Einsatz als neuartiges Filtermaterial für Kleinkläranlagen. Hier können mit Hilfe der KEMAFIL®-Technologie hergestellte textile Filterkörper einen wiederverwendbaren Ersatz für die bisher eingesetzten, nicht abreinigbaren und als Sondermüll zu entsorgenden (höhere Kosten) Steinwolleprodukte darstellen. Potenzielle Endkunden für die als Filtermaterial eingesetzten textilen KEMAFIL®-Filterkörper sind Hausbesitzer, deren Grundstücke nicht an die zentrale Abwasserentsorgung angeschlossen sind oder werden. Diese Endkunden sind durch die EU-Wasserrahmenrichtlinie verpflichtet, eine vollbiologische Kleinkläranlage zu errichten beziehungsweise bestehende mechanische Kleinkläranlagen nachzurüsten. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist der Einsatz in industriellen Kläranlagen. Bei Anlagen zur industriellen Abwasserreinigung handelt es sich immer um individuelle Lösungen, die genau auf die jeweiligen prozess- und verfahrenstechnischen Anforderungen zugeschnitten sind. Industrieabwässer fallen in praktisch allen Branchen an, die ihr Abwasser nicht direkt in eine kommunale Kläranlage einleiten können. Für schwer abbaubare Abwässer mit hohen CSB-Werten (chemischer Sauerstoffbedarf über dem Grenzwert von 150 mg/l) eignet sich insbesondere das Biofilmverfahren, für das Filter mit hoher spezifischer Oberfläche benötigt werden. Ein Anwendungsgebiet ist der Einsatz in Industriekläranlagen.