ProQuIV optimiza la producción de mascarillas de tela no tejida

Los tejidos no tejidos utilizados para las mascarillas FFP-2 deben filtrar al menos el 94 por ciento de aerosoles, partículas o virus según la DIN. En la imagen: Control de calidad de un material meltblown en la zona de sala limpia. © Freudenberg Performance Materials

El software de simulación representa la relación entre el control del proceso de meltblown y la uniformidad del no tejido. © Fraunhofer ITWM / The simulation software maps the relationship between the control of the meltblown process and the uniformity of the nonwoven. © Fraunhofer ITWM

La imagen de transmisión del microscopio muestra la distribución de las fibras en el no tejido. © Fraunhofer ITWM

La producción de ropa de protección contra infecciones es intensiva en materiales y energía. Investigadores de Fraunhofer han desarrollado una tecnología que ayuda en la producción de fibras no tejidas, ahorrando materiales y energía. Basándose en una modelización matemática, un Gemelo Digital controla los parámetros clave del proceso de fabricación. Además de mejorar la producción de mascarillas, la solución ProQuIV también es adecuada para optimizar los parámetros de producción de otros usos de los textiles técnicos versátiles. Los fabricantes pueden responder de manera flexible a las demandas empresariales y a los cambios del mercado.

Las mascarillas de protección contra infecciones hechas de fibras no tejidas no son un artículo de consumo masivo desde hace mucho tiempo y se consideran productos de uso sencillo. Sin embargo, su fabricación requiere altos estándares de precisión y fiabilidad en el proceso de producción. La fibra no tejida en la mascarilla debe filtrar al menos el 94 por ciento de los aerosoles en las mascarillas FFP-2 según DIN, y hasta el 99 por ciento en la variante FFP-3. Al mismo tiempo, la mascarilla debe permitir un flujo de aire suficiente para que la persona pueda respirar bien. Muchos fabricantes buscan formas de optimizar la producción. Además, se desea que la producción sea más flexible, para que las empresas puedan trabajar y suministrar fibras no tejidas para diferentes aplicaciones y sectores.

Ahora, el Instituto Fraunhofer para Matemáticas en Tecnología y Economía ITWM en Kaiserslautern ha presentado con ProQuIV una solución que logra ambos objetivos. La abreviatura ProQuIV significa "Optimización de Producción y Calidad de ropa de protección contra infecciones de fibras no tejidas". La idea básica: los parámetros del proceso de fabricación se caracterizan en función de su impacto en la uniformidad de la fibra no tejida y, a su vez, se relacionan con las propiedades del producto final, como una mascarilla de protección. Esta cadena de modelos conecta todos los parámetros relevantes con un análisis de imágenes y crea un Gemelo Digital de la producción. Con su ayuda, se puede supervisar en tiempo real, controlar automáticamente y aprovechar el potencial de optimización en la fabricación de fibras no tejidas.

El Dr. Ralf Kirsch, del departamento de Simulación de Flujos y Materiales y líder del equipo de Filtración y Separación, explica: "Con ProQuIV, los fabricantes necesitan menos material en total y ahorran energía. Al mismo tiempo, la calidad del producto final está garantizada en todo momento."

Fabricación de fibras con calor y flujo de aire

Las fibras no tejidas para aplicaciones de filtración se producen mediante el proceso llamado meltblown. En este proceso, plásticos como el polipropileno se funden, se empujan a través de boquillas y salen en forma de filamentos. Estos son capturados por corrientes de aire en ambos lados, que los empujan hacia adelante a velocidades cercanas al sonido y los enredan antes de caer en una cinta de recogida. Así, los filamentos se vuelven aún más delgados. El grosor de los filamentos está en el rango de micrómetros o incluso submicrómetros. La fibra se forma mediante enfriamiento y la adición de aglutinantes. Cuanto mejor se ajusten la temperatura, el flujo de aire y la velocidad de la cinta, más uniformas estarán las fibras al final y más homogéneo parecerá el material en la inspección mediante microscopio de luz transmitida. Aquí se pueden distinguir áreas más claras y más oscuras. Los expertos hablan de "nube" o "nebulosidad".

El equipo de Fraunhofer ha desarrollado un método para medir un índice de nebulosidad basado en datos de imágenes. Las áreas más claras tienen un menor volumen de fibras, por lo tanto, son menos densas y tienen una menor tasa de filtración. Las áreas más oscuras contienen un mayor volumen de fibras y, por lo tanto, una mayor tasa de filtración. Sin embargo, el aumento de resistencia al flujo de aire en estas áreas significa que filtran una menor proporción del aire respirado. La mayor parte del aire pasa por las áreas más abiertas, que tienen menor efecto de filtración.

Proceso de producción con control en tiempo real

Las tomas de luz transmitida del microscopio se utilizan en ProQuIV para calibrar los modelos antes de su uso. Los expertos analizan el estado actual de la muestra textil y deducen cómo se puede optimizar la máquina. Por ejemplo, pueden aumentar la temperatura, reducir la velocidad de la cinta o ajustar la intensidad de los flujos de aire. "Un objetivo clave de nuestro proyecto de investigación era vincular parámetros centrales como la tasa de filtración, la resistencia al flujo y la nebulosidad de un material, y a partir de ello crear un método que modele matemáticamente todas las variables en el proceso de producción", dice Kirsch. El Gemelo Digital supervisa y controla la producción en tiempo real. Pequeñas desviaciones, como una temperatura demasiado alta, se corrigen automáticamente en segundos.

Fabricación rápida y eficiente

"No es necesario detener la producción, tomar muestras de material y reajustar las máquinas. Cuando los modelos están calibrados, el fabricante puede confiar en que la fibra no tejida que corre por la cinta cumple con las especificaciones y normas de calidad", explica Kirsch.

Con ProQuIV, la producción es mucho más eficiente. Hay menos desperdicio de material y también disminuye el consumo de energía. Otra ventaja es que los fabricantes pueden desarrollar rápidamente nuevos productos a base de fibras no tejidas. Solo necesitan modificar los objetivos en la modelización y ajustar los parámetros. De esta manera, las empresas productoras pueden responder con flexibilidad a las demandas de los clientes o a las tendencias del mercado.

Lo que parece lógico, en realidad es complejo en su desarrollo. Los valores de rendimiento de filtración y resistencia al flujo no aumentan de manera lineal y no se comportan proporcionalmente al volumen de fibras. Por ejemplo, el doble de densidad de filamentos no significa que la capacidad de filtración y la resistencia al flujo también se dupliquen. La relación entre estos parámetros es mucho más compleja. "Por eso, la modelización matemática es tan importante. Nos ayuda a entender la relación compleja entre los diferentes parámetros del proceso", dice Kirsch, investigador del Fraunhofer-ITWM. La experiencia de larga data en simulación y modelización de los investigadores es una ventaja en este contexto.

Otras aplicaciones son posibles

El siguiente paso para el equipo de Fraunhofer es reducir la resistencia a la respiración de las fibras no tejidas para las personas, manteniendo la misma protección. Esto se logra mediante la carga eléctrica de las fibras. El principio es similar al funcionamiento de un plumero. La carga eléctrica atrae partículas diminutas que, de otro modo, podrían atravesar las porosidades. La intensidad de la carga electrostática se integra como parámetro en la modelización.

Los investigadores de Fraunhofer no limitan la aplicación del método solo a mascarillas y filtros de aire. Su tecnología puede aplicarse en la producción de fibras no tejidas en general, por ejemplo, también en tejidos para la filtración de líquidos. Además, la fabricación de fibras no tejidas con propiedades acústicas puede optimizarse con los métodos ProQuIV.