ProQuIV optimalizuje výrobu netkaných masek

Vláknové materiály pro masky FFP-2 musí podle DIN filtrovat alespoň 94 procent aerosolů, částic nebo virů. Na obrázku: Kontrola kvality materiálu meltblown v čisté místnosti. © Freudenberg Performance Materials

Simulační software zobrazuje vztah mezi řízením procesu meltblown a rovnoměrností netkané textilie. © Fraunhofer ITWM / The simulation software maps the relationship between the control of the meltblown process and the uniformity of the nonwoven. © Fraunhofer ITWM

Záběr průhledného světla z mikroskopu ukazuje rozložení vláken v netkané textilii. © Fraunhofer ITWM / Přenosové světelné snímky z mikroskopu ukazují rozložení vláken v netkané textilii. © Fraunhofer ITWM

Výroba ochranného oblečení proti infekcím je náročná na materiál a energii. Výzkumníci z Fraunhoferu nyní vyvinuli technologii, která pomáhá při výrobě netkaných textilií šetřit materiál a energii. Na základě matematického modelování řídí digitální dvojče klíčové procesní parametry výroby. Kromě zlepšení výroby respirátorů je řešení ProQuIV vhodné také k optimalizaci výrobních parametrů pro jiné aplikace univerzálně použitelných technických textilií. Výrobci tak mohou pružně reagovat na podnikové požadavky a změny na trhu.

Ochranné masky z netkaných textilií nejsou od pandemie covidu-19 žádnou novinkou a jsou považovány za jednoduchý masový produkt. Jejich výroba však klade vysoké nároky na přesnost a spolehlivost výrobního procesu. Vláknitá vrstva masky musí podle DIN zachytit minimálně 94 procent aerosolů u masky FFP-2, u varianty FFP-3 dokonce 99 procent. Současně musí maska umožnit dostatečný průchod vzduchu, aby se člověk dobře dýchal. Mnoho výrobců hledá způsoby, jak výrobu optimalizovat. Navíc by měla být výroba flexibilnější, aby firmy mohly zpracovávat a dodávat různé typy vláknitých materiálů pro široké spektrum použití a odvětví.

Nyní představilo Fraunhoferovo institut pro technicko-ekonomickou matematiku ITWM v Kaiserslauternu řešení ProQuIV, které obojí umožňuje. Zkratka ProQuIV znamená „Optimalizace výroby a kvality ochranného oblečení z netkaných textilií“. Základní myšlenka: procesní parametry výroby jsou charakterizovány s ohledem na jejich vliv na rovnoměrnost vláknité vrstvy a tyto parametry jsou spojeny s vlastnostmi koncového produktu, například ochranné masky. Tento modelový řetězec propojuje všechny relevantní parametry s obrazovou analýzou a vytváří digitální dvojče výroby. S jeho pomocí lze výrobu vláknitých materiálů sledovat v reálném čase, automaticky řídit a tím využít potenciál optimalizace.

Dr. Ralf Kirsch z oddělení simulace proudění a materiálů a vedoucí týmu filtrace a separace vysvětluje: „S ProQuIV potřebují výrobci celkově méně materiálu a šetří energii. Přitom je kvalita finálního produktu kdykoli zaručena.“

Výroba vláknitých materiálů pomocí tepla a proudění vzduchu

Vláknité materiály pro filtrační aplikace se vyrábějí v tzv. meltblown procesu. Při něm se plasty jako polypropylen taví, protlačují se tryskami a vznikají vlákna, tzv. filamenty. Ty jsou zachycovány na obou stranách proudy vzduchu, které je pohánějí vpřed téměř zvukovou rychlostí a zároveň víří, než dopadnou na sběrnou pásku. Tím se filamenty ještě ztenčují. Tloušťka vláken je v mikrometrech nebo dokonce submikrometrech. Chlazením a přidáním pojiv se vytváří vláknitá vrstva. Čím lépe jsou teplota, proudění vzduchu a rychlost pásku sladěny, tím rovnoměrněji jsou na konci rozložena vlákna a materiál se při mikroskopickém zkoumání jeví homogennější. Lze rozpoznat světlejší a tmavší oblasti. Odborníci hovoří o „mlhovitosti“.

Fraunhoferův tým vyvinul metodu měření indexu mlhovitosti na základě obrazových dat. Světlejší oblasti mají nižší podíl vláken, jsou méně husté a vykazují nižší filtrační účinnost. Tmavší oblasti mají vyšší podíl vláken a tím i vyšší filtrační účinnost. Na druhé straně zvýšený odpor vzduchu v těchto oblastech způsobuje, že filtrují menší část dýchacího vzduchu. Větší část vzduchu protéká otevřenějšími oblastmi, které mají nižší filtrační účinnost.

Výrobní proces s řízením v reálném čase

Průsvitné snímky z mikroskopu slouží v ProQuIV k kalibraci modelů před jejich použitím. Odborníci analyzují aktuální stav textilního vzorku a od toho odvozují, jak lze zařízení optimalizovat. Například mohou zvýšit teplotu, snížit rychlost pásku nebo upravit sílu proudění vzduchu. „Hlavním cílem našeho výzkumného projektu bylo propojit klíčové parametry, jako je filtrační účinnost, odpor proudění a mlhovitost materiálu, a na jejich základě vytvořit metodu, která matematicky modeluje všechny proměnné výrobního procesu,“ říká Kirsch. Digitální dvojče sleduje a řídí probíhající výrobu v reálném čase. Malé odchylky, například příliš vysoká teplota, jsou automaticky korigovány během několika sekund.

Rychlá a efektivní výroba

„Není pak nutné přerušovat výrobu, brát vzorky materiálu a nastavovat stroje znovu. Jakmile jsou modely kalibrovány, může výrobce spolehlivě zaručit, že vláknitý materiál na pásu splňuje specifikace a normy kvality,“ vysvětluje Kirsch.

S ProQuIV je výroba výrazně efektivnější. Méně se vyhazuje materiálu a spotřeba energie také klesá. Další výhodou je, že výrobci mohou rychle vyvíjet nové produkty na bázi vláknitých materiálů. Stačí pouze změnit cílové parametry v modelování a upravit parametry. Takto mohou výrobní podniky pružně reagovat na přání zákazníků nebo trendy na trhu.

To, co zní logicky, je ve vývoji složité. Hodnoty filtrační účinnosti a odporu proudění totiž neklesají lineárně a nejsou úměrné podílu vláken. Dvojnásobná hustota filamentů tedy neznamená, že filtrační účinnost a odpor vzduchu budou dvojnásobné. Poměr mezi těmito parametry je mnohem složitější. „Právě proto je matematické modelování tak důležité. Pomáhá nám pochopit složitý vztah mezi jednotlivými procesními parametry,“ říká výzkumník Fraunhoferu Kirsch. Při tom využívají svou dlouholetou zkušenost v oblasti simulací a modelování.

Další možné aplikace

Dalším krokem pro tým Fraunhoferu je snížit dýchací odpor vláknitých materiálů při zachování stejné ochranné účinnosti pro člověka. To umožňuje elektrické nabíjení vláken. Princip připomíná práci prachového smetáku. Díky elektrickému náboji přitahuje textilní tkanina nejmenší částice, které by jinak mohly proniknout přes póry. Síla elektrostatického náboje je do modelování integrována jako parametr.

Výzkumníci z Fraunhoferu však metodu neomezují pouze na masky a vzduchové filtry. Jejich technologie se dá obecně využít při výrobě vláknitých materiálů, například i při výrobě materiálů pro filtraci kapalin. Výroba akusticky izolačních vláknitých materiálů je rovněž možná s využitím metod ProQuIV.