ProQuIV optimise la production de masques en non-tissé

Les matériaux non tissés pour les masques FFP-2 doivent filtrer au moins 94 pour cent des aérosols, particules ou virus selon la norme DIN. Sur l'image : Contrôle qualité d'un matériau meltblown dans la zone de salle blanche. © Freudenberg Performance Materials

Le logiciel de simulation représente la relation entre la commande du processus de filage par fusion et l'uniformité du non-tissé. © Fraunhofer ITWM / Le logiciel de simulation cartographie la relation entre le contrôle du processus de filage par fusion et l'uniformité du non-tissé. © Fraunhofer ITWM

L'image en transmission du microscope montre la répartition des fibres dans la non-tissée. © Fraunhofer ITWM

La production de vêtements de protection contre les infections est intensive en matériaux et en énergie. Des chercheurs du Fraunhofer ont développé une technologie qui aide à économiser du matériel et de l'énergie lors de la production de non-tissés. Sur la base d'une modélisation mathématique, un jumeau numérique contrôle les principaux paramètres du processus de fabrication. En plus d'améliorer la fabrication de masques, la solution ProQuIV est également adaptée à l'optimisation des paramètres de production pour d'autres applications des textiles techniques polyvalents. Les fabricants peuvent ainsi réagir de manière flexible aux souhaits de l'entreprise et aux changements du marché.

Les masques de protection contre les infections en non-tissé sont répandus depuis bien avant la pandémie de Covid-19 et sont considérés comme des articles de masse simples. Cependant, leur fabrication impose de fortes exigences en termes de précision et de fiabilité du processus de production. Le non-tissé dans le masque doit filtrer au minimum 94 % des aérosols pour le masque FFP-2 selon DIN, et même 99 % pour la variante FFP-3. En même temps, le masque doit laisser passer suffisamment d'air pour permettre une respiration aisée. De nombreux fabricants cherchent des moyens d'optimiser la fabrication. De plus, la production doit devenir plus flexible afin que les entreprises puissent traiter et fournir des non-tissés polyvalents pour différentes applications et secteurs.

Le Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM à Kaiserslautern a présenté une solution avec ProQuIV, qui répond à ces deux exigences. L'acronyme ProQuIV signifie « Optimisation de la production et de la qualité des vêtements de protection contre les infections en non-tissés ». L'idée de base : les paramètres du processus de fabrication sont caractérisés en fonction de leur impact sur l'uniformité du non-tissé, et ceux-ci sont liés aux propriétés du produit final, comme un masque de protection. Cette chaîne de modélisation relie tous les paramètres pertinents à une analyse d'image et crée un jumeau numérique de la production. Grâce à celui-ci, la fabrication du non-tissé peut être surveillée en temps réel, contrôlée automatiquement et ainsi exploiter le potentiel d'optimisation.

Dr. Ralf Kirsch, du département Simulation de flux et de matériaux et chef d'équipe Filtration et Séparation, explique : « Avec ProQuIV, les fabricants utilisent globalement moins de matériaux et économisent de l'énergie. La qualité du produit final est toutefois garantie à tout moment. »

Fabrication de non-tissés par chaleur et flux d'air

Les non-tissés pour applications de filtration sont fabriqués selon le procédé Meltblown. Des plastiques comme le polypropylène sont fondus, poussés à travers des buses et sortent sous forme de fils, appelés filaments. Ceux-ci sont captés de chaque côté par des flux d'air qui les propulsent en avant à une vitesse proche du son tout en les faisant tourbillonner, avant qu'ils ne tombent sur une bande de collecte. Cela permet d'affiner encore plus les fils. L'épaisseur des filaments se situe dans la plage du micromètre ou même du sous-micromètre. Par refroidissement et ajout d'adhésifs, le non-tissé se forme. Plus la température, la vitesse de l'air et la vitesse de la bande sont bien synchronisées, plus les fibres sont réparties uniformément et plus le matériau paraît homogène lors de l'examen au microscope à lumière transmise. On peut distinguer des zones plus claires et plus foncées. Les spécialistes parlent de « granularité ».

L'équipe du Fraunhofer a développé une méthode pour mesurer un indice de granularité à partir de données d'image. Les zones plus claires ont une faible proportion de fibres, donc moins denses, et présentent un taux de filtration inférieur. Les zones plus foncées ont une plus grande quantité de fibres et donc un taux de filtration plus élevé. En revanche, la résistance à l'air accrue dans ces zones entraîne une filtration moindre de l'air respiré, car une plus grande partie passe par les zones plus ouvertes, qui ont une moindre capacité de filtration.

Processus de production avec contrôle en temps réel

Les images en transmission obtenues au microscope servent dans ProQuIV à calibrer les modèles avant leur utilisation. Les experts analysent l'état actuel de l'échantillon textile et en tirent des conclusions pour optimiser l'installation. Par exemple, ils peuvent augmenter la température, réduire la vitesse de la bande ou ajuster la force des flux d'air. « Un objectif essentiel de notre projet de recherche était de relier des paramètres clés comme le taux de filtration, la résistance au flux et la granularité d'un matériau, et de développer une méthode qui modélise mathématiquement toutes les variables du processus de fabrication », explique Kirsch. Le jumeau numérique surveille et contrôle la production en temps réel. De petites déviations, comme une température trop élevée, sont corrigées automatiquement en quelques secondes.

Fabrication rapide et efficace

« Il n'est pas nécessaire d'interrompre la production, de prélever des échantillons de matériau ou de réajuster les machines. Une fois que les modèles sont calibrés, le fabricant peut s'assurer que le non-tissé en ligne respecte les spécifications et les normes de qualité », explique Kirsch.

Avec ProQuIV, la production devient nettement plus efficace. Il y a moins de rebuts de matériau, et la consommation d'énergie diminue également. Un autre avantage est la possibilité pour les fabricants de développer rapidement de nouveaux produits à base de non-tissé. Il suffit de modifier les objectifs dans la modélisation et d'ajuster les paramètres. Ainsi, les entreprises de production peuvent réagir de manière flexible aux souhaits des clients ou aux tendances du marché.

Ce qui paraît logique est en réalité complexe à développer. Les valeurs de performance de filtration et de résistance au flux n'augmentent pas de manière linéaire, ni proportionnellement à la proportion de fibres. Une densité de filament deux fois plus élevée ne signifie pas que la performance de filtration et la résistance au flux sont doublées. La relation entre ces paramètres est beaucoup plus complexe. « C'est précisément pourquoi la modélisation mathématique est si importante. Elle nous aide à comprendre la relation complexe entre les différents paramètres du processus », explique le chercheur du Fraunhofer-ITWM Kirsch. Les chercheurs profitent de leur longue expérience en simulation et modélisation.

Applications supplémentaires possibles

La prochaine étape pour l'équipe du Fraunhofer consiste à réduire la résistance à la respiration des non-tissés pour l'utilisateur tout en maintenant le même niveau de protection. Cela devient possible grâce à la charge électrique des fibres. Le principe rappelle celui d'un plumeau. Grâce à la charge électrique, le tissu textile attire les particules microscopiques qui, autrement, pourraient passer à travers les pores. La force de la charge électrostatique est intégrée comme paramètre dans la modélisation.

Les chercheurs du Fraunhofer ne limitent pas l'application de cette méthode aux masques et filtres à air. Leur technologie peut être utilisée de manière générale dans la fabrication de non-tissés, par exemple pour la filtration de liquides. La production de non-tissés acoustiquement isolants peut également être optimisée avec la méthode ProQuIV.