Zwei weiße Filterkapseln aus Kunststoff - eine davon in drei Einzelteile zerlegt. Daneben mehrere braune Kaffeebohnen.

Filterkapsel zur Produktion von Filterkaffee aus drei Bauelementen aus PP: Deckel, Becher und Filterelement. (Bild: Cosmed)

Filterkaffee mit einem Hochdruckvollautomaten zuzubereiten ist technisch nur sehr schwer umsetzbar, denn durch das Hochdruckverfahren ist die Bildung der Crema auf der Kaffeeoberfläche unvermeidbar. Im asiatischen Raum schwört der Kaffeeliebhaber auf den klassischen Filterkaffee. Aber nicht allein für dieses Absatzgebiet wollte ein deutscher Hersteller von Kaffeevollautomaten eine technische Lösung als Add-On für eine bestehende Serie von Hochdruckvollautomaten bieten. Vielmehr sollte die Vielfalt mit der Bean-to-Cup-Brühung aus einem Automaten neben vielfaltigen Kaffeespezialitäten zusätzlich durch Filterkaffee erweitert werden. Gefilterter Kaffee, der nicht durch langsame Extraktion durch einen Filter, wie er bei konventionellen Filterkaffeeautomaten gebrüht wird, sondern dessen Herstellung innerhalb weniger Sekunden durch einen Hochdruckvollautomaten erfolgen kann.

Diese Hürden galt es zu nehmen

„Unsere Vorgabe war es, 100 Bezüge von dem „Fresh Filtered Coffee“ zu gewährleisten, ohne dass sich sichtbar eine Crema auf der Oberfläche bildet“, erklärt Dieter Sabrotzky, Geschäftsführer Cosmed, Löhne. Die kunststofftechnische Umsetzung des Projektes war komplex. Die vom Auftraggeber angedachte Kapsel sollte in erster Linie erst einmal eine sichtbare Crema verhindern. Gleichzeitig hatte sie die Aufgabe zu erfüllen, grobere Sedimente des jeweils frisch gemahlenen Kaffees aufzufangen. Darüber hinaus musste bei einem verstopften oder zugesetzten Filter dieser definiert öffnen. Eine weitere konstruktive Herausforderung war diese Technologie in den vorgegebenen Bauraum des Vollautomaten funktional zu integrieren. „Konkret bedeutete das für die Praxis, dass sich bei einem Druck von ungefähr einem Bar die Kapsel deformieren sollte, sodass der Kaffeefluss durch ein Überströmen des in der Kapsel liegenden Filters erfolgt, um den Vollautomaten vor Überhitzung zu schützen“, führt Sabrotzky aus. Eine technische Notwendigkeit deshalb, weil mit dem zunehmenden Bezug von Portionen sich gleichzeitig der Filter definiert zusetzt. Es hatte also eine mechanische Absicherung als Redundanz zur Pop-up-Meldung in dem Display der Maschine zu erfolgen. Für die technische Lösung des in die Baugruppe integrierten Filterelements wurde das sogenannte Melt-blown-Verfahren als zielführend erachtet. Dieses Verfahren war bereits in Vorarbeit vom Hersteller ausgewählt worden. Mit dieser Technologie wird ein statisch unregelmäßiger Filter in gleich drei Dimensionen erzeugt, der zum einen feinste Poren aufweist, gleichzeitig aber auch ausreichend Hohlräume beinhaltet. Die perfekte technische Symbiose. Den Poren kommt die Auf gabe zu, die Crema aufzulösen, während die Hohlräume die Kaffeesedimente zurückhalten und in der Kapsel zu binden. So kann die Porosität im Filter variiert werden. Um eine mögliche Bezugsanzahl von mindestens 100 sicherzustellen, muss das runde Filterelement im Innenbereich deutlich feinporiger sein als am äußeren Rand. Sämtliche Kunststoffelemente sind aus nur einem Material gefertigt. Bei der Materialauswahl wurde der Fokus auf einen ökologisch herstellbaren Kunststoff gelegt, da es sich um ein Produkt mit niedrigem Lebenszyklus handelt. Eine gute Verschweißbarkeit der Baugruppe durch das Ultraschweißverfahren war ebenfalls gefordert. Die Wahl fiel auf Polypropylen (PP), aus dem alle Gehäuseteile, sprich der Becher, der Deckel sowie die Siebe gefertigt werden. Für den Filter wird ein PP verarbeitet, das speziell auf die Melt-blown-Technik ausgelegt ist. Das Thema Nachhaltigkeit wird beim Kunststoffverarbeiter großgeschrieben: „Wenn es die zulassungstechnischen Anforderungen erlauben, versuchen wir das Thema Nachhaltigkeit bei jeder unserer Entwicklungen zu berücksichtigen. Diese Kapsel muss nicht aufwendig getrennt werden, sondern kann mit geringem Aufwand wieder dem Wertstoffkreislauf zugeführt werden.“ Kritisch war bei diesem Werkstoff die notwendige Temperaturbeständigkeit bis circa 100 °C. Diese Temperatur wird bei jedem Bezug kurzzeitig erreicht. Die Kapsel wird dabei von kochend heißem Wasserdampf umströmt. Die Temperaturbeständigkeit kann bei korrekter Auslegung auch genutzt werden, um die gewünschte Deformation der Kapsel zu erreichen. Hierfür wird eine abgestimmte Wandstärke benötigt, die diesen Vorgang im Hochtemperaturbereich ermöglicht. In zahlreichen Versuchen wurde diese Wandstärke x, die zu einer Deformation y führt, empirisch ermittelt. Für die Anforderungen des Herstellers musste der notwendige Bypass entsprechend ausgelegt sein. Um das Verfahren praxisgerecht und seriennah abbilden zu können, wurden entsprechende Prototypenwerkzeuge für die Kapselbaugruppe, jeweils bestehend aus dem Werkzeug für den Becher sowie dem Deckel, angefertigt. Die Auslegung des Prototypenwerkzeuges erfolgte jeweils mit einer Kavität. Das entsprechende Filterelement wurde mit einem Spezialisten für das Melt-blown-Verfahren entwickelt und umgesetzt. Im Hause Cosmed waren eine Vielzahl von Versuchsschleifen notwendig, bis die Ergebnisse die Anforderungen abbildeten. Anschließend wurden die Werkzeuge für das Becherunterteil sowie dem Deckeloberteil gebaut. Beide Werkzeuge wiesen jeweils zwei Kavitäten auf.

Produktion teil- oder vollautomatisiert

„Grundsätzlich haben wir den Anspruch, dass wir für den Kunden eine vollautomatisierte Fertigung auslegen“, erläutert der Geschäftsführer die Fertigungsphilosophie im Unternehmen. Weil sich das Produkt noch in der Markteinführung befindet und die Investition im Vorfeld erst einmal niedrig gehalten werden sollte, wurde vor diesem Hintergrund mit einer teilautomatisierten Fertigung begonnen. Das waren die Vorgaben seitens des Abnehmers, um mit steigenden Stückzahlen das Anlagenkonzept schrittweise anpassen zu können. Die Montageanlage wurde vollautomatisiert geplant und anschließend erfolgte eine Umkonstruktion einzelner Stationen auf teilmanuelle Vorgänge. Nach der Ramp-up-Phase und erfolgreicher Markteinführung der komplexen Hochdruckvollautomaten ist im Vorfeld ein jährlicher Bedarf von mehreren Millionen Filterkapseln geplant. „Leider hat die Corona-Pandemie auch unserem Kunden einen Strich durch diese Rechnung gemacht, denn gerade in der Zielgruppe der Hotel- und Gastronomiebetriebe war durch die Schließungen einfach kein Bedarf vorhanden“, erklärt Sabrotzky die aktuelle Situation. Er ist aber zuversichtlich, dass in naher Zukunft mit der seriellen und vollautomatisierten Fertigung gestartet werden kann.

Quelle: zu Cosmed

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