Der Luzernewerkstoff war entwickelt – doch wie sollte daraus eine funktionale Schale entstehen? Form, Abmessungen und Details mussten zu den späteren Anwendungen passen und sich zugleich mit dem neuen Material technisch herstellen lassen. Deshalb wurden Design und Werkzeugentwicklung von Beginn an eng miteinander verbunden.
Zwei Anwendungen, unterschiedliche Anforderungen
Ausgangspunkt der Schalenentwicklung waren die praktischen Anforderungen, die Vorwerk Podemus aus Landwirtschaft, Verarbeitung, Handel und Endkundennutzung ableitete. Dabei wurden zunächst bestehende Verpackungsschalen als Vergleich herangezogen und geprüft, welche ihrer Eigenschaften für die neuen Luzerneschalen übernommen oder verändert werden sollten.
Die Verpackungsschale sollte in die üblichen IFCO-Mehrwegkisten passen und sich in bestehende Befüll- und Logistikabläufe integrieren lassen. Abgeschrägte Ecken sollten das Herausnehmen der befüllten Schalen aus den Transportkisten erleichtern. Gleichzeitig durfte die Schale weder zu steif noch zu bruchempfindlich sein: Sie sollte beim Greifen leicht nachgeben können, ohne dabei beschädigt zu werden. Da Obst und Gemüse im Markt gut sichtbar bleiben sollen, wurde eine offene Schale ohne zusätzlichen Deckel bevorzugt.
Beim Anzuchtset standen dagegen die Nutzung zu Hause, ein ansprechendes Erscheinungsbild und die Mehrfachfunktion der Schalen im Mittelpunkt. Die ursprüngliche Idee sah zwei miteinander verbundene Schalen vor. Diese konnten das Set verschließen und anschließend entweder als zwei Anzuchtschalen oder teilweise als Schale und Untersetzer genutzt werden. Damit wurde die spätere Doppelschalenlösung bereits früh im Designprozess angelegt.
Vom ersten Entwurf zur Vorzugsvariante
Für das Anzuchtset wurden zunächst verschiedene Größen, Eckenformen und Randgestaltungen miteinander kombiniert. Die möglichen Lösungen wurden in einem morphologischen Kasten gegenübergestellt und anschließend als CAD-Modelle ausgearbeitet.
Anhand der digitalen Modelle konnten die Proportionen, die Handhabung und die optische Wirkung der Varianten frühzeitig verglichen werden. Daraus wurde eine bevorzugte Schalenform mit einer Grundfläche von etwa 18 × 11 Zentimetern und einer Höhe von rund 2 Zentimetern abgeleitet.
Die ausgewählte Form war jedoch noch kein fertiges Produkt. Erst die anschließende technische Erprobung zeigte, welche Geometrien sich mit den Luzernefasern tatsächlich umsetzen ließen.
Eine Banderole verbindet das Set
Auch die Frage, wie die beiden Anzuchtschalen zu einem Set verbunden werden können, wurde bereits während der Gestaltung betrachtet. Untersucht wurden unter anderem mechanische Verbindungen direkt an den Schalen sowie verschiedene äußere Verschlusslösungen.
Feine Laschen, Rastverbindungen oder ähnliche Formelemente wären mit dem faserbasierten Material nur schwer zuverlässig herzustellen gewesen. Als bevorzugte Lösung wurde deshalb eine Banderole gewählt. Sie hält die beiden Schalen zusammen und bietet zugleich Platz für Produktinformationen, Anwendungshinweise und die Gestaltung des Anzuchtsets.
Die Form muss zum Material passen
Bei konventionellen Materialien kann eine gewünschte Produktform häufig direkt in ein Werkzeug übertragen werden. Bei einer Matte aus Luzernefasern ist das schwieriger. Während des Pressens müssen sich die Fasern in die dreidimensionale Form bewegen und anschließend in allen Bereichen gleichmäßig verdichtet werden.
Besonders anspruchsvoll sind Ecken, steile Seitenwände und der Übergang zwischen dem Boden und den Seitenflächen. Befindet sich an einer Stelle zu wenig Material, können dünne Bereiche oder Risse entstehen. Sammelt sich dagegen zu viel Material, lassen sich Konturen und Oberflächen nicht gleichmäßig ausprägen.
Deshalb wurden verschiedene Geometriemodelle entwickelt und mit 3D-gedruckten Modellwerkzeugen getestet. Variiert wurden unter anderem die Neigung der Seitenwände, die Radien der Kanten und die Gestaltung des Schalenrandes.
Modellwerkzeuge zeigen, was funktioniert
Mit den 3D-gedruckten Modellwerkzeugen wurde untersucht, wie sich die vorbereitete Fasermatte in unterschiedliche Schalenformen einbringen lässt. Dabei wurde insbesondere geprüft, ob an den Biegelinien Risse entstehen, ob das Material in den Ecken bündig anliegt und ob sich alle Bereiche der Schale ausreichend gleichmäßig verdichten lassen.
Die Versuche zeigten, dass abgerundete Kanten das Einformen erleichtern. Dies galt insbesondere für den Übergang zwischen dem Schalenboden und den Seitenflächen.
Ein senkrechter Schalenrand erwies sich dagegen als deutlich schwieriger. In diesem Bereich konnte durch die senkrechte Verdichtung keine ausreichende Materialfestigkeit erreicht werden. Auf Grundlage der Modellversuche und in Abstimmung mit Vorwerk Podemus wurde deshalb für die Anzuchtschale eine Werkzeuglösung mit einem schmalen waagerechten Rand entwickelt.
Bei der Verpackungsschale stellten insbesondere die größere Höhe des Formteils und der steile Wandwinkel besondere Anforderungen an die Umformung. Auch hierfür wurden verschiedene Modellwerkzeuge im 3D-Druck hergestellt und auf ihr Einformverhalten untersucht.
Praxisversuche beeinflussen die Schalenentwicklung
Parallel zur technischen Werkzeugentwicklung wurden die ersten Funktionsmusterschalen bei Vorwerk Podemus praktisch eingesetzt. In Kultivierungsversuchen wurde untersucht, ob Microgreens grundsätzlich in den Luzerneschalen wachsen können und wie sich die Schalen bei wiederholter Bewässerung verhalten.
Die Versuche bestätigten die grundsätzliche Funktion der Schalen, zeigten aber auch konkrete Schwachstellen des damaligen Entwicklungsstandes. Einzelne Schalen nahmen während der Kultivierung Wasser auf, weichten örtlich auf oder verloren langfristig an Stabilität. Zudem wurde deutlich, dass der direkte Kontakt zwischen Bewässerungswasser, Pflanzenwurzeln und Luzernematerial stärker begrenzt werden musste.
Diese Beobachtungen wurden in die weitere Entwicklung zurückgespielt. Für die folgenden Schalenvarianten ergaben sich daraus insbesondere Anforderungen an eine verbesserte Feuchtebeständigkeit, den Schutz des Schalenbodens und die dauerhafte Formstabilität über den gesamten Kultivierungszeitraum.
Wenn der Werkstoff am Werkzeug haftet
Mit der verbesserten Materialrezeptur entstand eine neue technische Herausforderung: Das Kiefernharz erhöhte die Festigkeit des Werkstoffs, konnte beim heißen Pressen aber zugleich dazu führen, dass die Schale an der Werkzeugoberfläche haftete.
Zunächst wurden verschiedene Möglichkeiten zur Trennung von Formteil und Werkzeug untersucht. Dazu gehörten Trennmembranen und zusätzliche Einlagen. Diese Lösungen waren jedoch entweder aufwendig, beeinträchtigten das Erscheinungsbild oder verhinderten, dass feine Konturen sauber ausgeprägt wurden.
Deshalb wurde geprüft, ob sich das Problem direkt über die Oberfläche des Presswerkzeugs lösen lässt.
Die passende Beschichtung finden
Für die Werkzeugoberfläche wurden unterschiedliche technische Beschichtungen miteinander verglichen. Dazu gehörten verschiedene metallische Hartstoff-, Emaille-, Kohlenstoff- und Polymerbeschichtungen.
Die beschichteten Prüfkörper wurden in einer beheizten Presse mit dem Luzernewerkstoff verpresst. Anschließend wurde gemessen, wie viel Kraft erforderlich war, um das Material wieder von der Oberfläche zu lösen.
Die geringste Anhaftung zeigte eine PTFE-Beschichtung, die auch unter dem Namen Teflon bekannt ist. Auf Grundlage dieses Ergebnisses wurden die späteren Presswerkzeuge entsprechend beschichtet. Dadurch ließen sich die Formteile leichter entnehmen und Beschädigungen beim Öffnen der Presse reduzieren.
Vom Modell zum Presswerkzeug
Nach Abschluss der Geometrie- und Beschichtungsversuche wurden die finalen Werkzeuge aus Aluminium konstruiert. Für die Herstellung der Anzuchtschale entstand ein Werkzeug mit einem Druckfedersystem, das den Pressvorgang in zwei aufeinanderfolgende Schritte unterteilt.
Zunächst drückt der Stempel die vorbereitete Fasermatte in die Matrize und formt Boden und Seitenflächen aus. Anschließend werden die Federn zusammengedrückt und der Rand des Werkzeugs schließt sich, sodass auch der Schalenrand verdichtet und fertig ausgeformt wird.
Vor der Fertigung wurde die Konstruktion durch eine Lastsimulation überprüft. Damit konnte beurteilt werden, ob das Werkzeug den während des Pressens auftretenden Kräften standhält. Anschließend wurden die Aluminiumwerkzeuge gefertigt und mit der zuvor ausgewählten PTFE-Beschichtung versehen.
Vom Funktionsmuster zum Demonstrator
Mit den entwickelten Werkzeugen stellte die TU Dresden zunächst Funktionsmuster der Anzucht- und Verpackungsschalen her. Vorwerk Podemus setzte diese Schalen anschließend in Kultivierungs-, Handhabungs- und Logistikversuchen ein. Die Ergebnisse wurden zwischen den Projektpartnern zurückgespielt und flossen in die Weiterentwicklung von Material, Abdichtung und Schalenaufbau ein.
Bei der Anzuchtschale führte dieser gemeinsame Prozess über mehrere Entwicklungsstufen: von frühen Funktionsmustern über weiterentwickelte Musterkultivierungsschalen bis zur produktnahen Demonstratorschale. Die ausgewählte flache Schale wurde schließlich als Doppelschalenlösung mit Banderole eingesetzt. Dabei übernehmen die beiden Schalen nicht nur die Kultivierungsfunktion, sondern zugleich den Schutz und die äußere Verpackung der Setbestandteile.
Auch die Verpackungsschalen wurden unter realen Bedingungen befüllt, in Mehrwegkisten eingeordnet, transportiert und gehandhabt. Die praktische Erprobung bestätigte die grundsätzliche Einsetzbarkeit und zeigte zugleich Ansatzpunkte für eine seriennähere Gestaltung, insbesondere bei Materialstärke, Gewicht, Flexibilität und Randgestaltung.
So entstand die Schalenform im Zusammenspiel beider Projektpartner: Vorwerk Podemus brachte die Anforderungen aus Anwendung, Handel und Endkundennutzung ein und erprobte die Funktionsmuster praktisch. Die TU Dresden überführte diese Anforderungen in Umformverfahren, Werkzeugkonstruktionen und technisch herstellbare Formteile.