ProQuIV optimalizálja a szövetmaszkok gyártását

A FFP-2 maszkokhoz használt nemszőtt anyagoknak a DIN szerint legalább 94 százalékban kell szűrniük az aeroszolokat, részecskéket vagy vírusokat. A képen: Egy meltblown anyag minőségellenőrzése a tisztatérben. © Freudenberg Performance Materials

A szimulációs szoftver ábrázolja a Meltblown folyamat irányításának és a nemszőtt anyag egyenletességének kapcsolatát. © Fraunhofer ITWM / A szimulációs szoftver megmutatja a Meltblown folyamat irányításának és a nemszőtt anyag egységességének összefüggését. © Fraunhofer ITWM

A mikroszkópos átlátszó felvétel megmutatja a szálak eloszlását a nemszőtt anyagban. © Fraunhofer ITWM / A mikroszkópból készült fénykép a szálak eloszlását mutatja a nemszőtt anyagban. © Fraunhofer ITWM

A fertőzés elleni védőruha gyártása anyag- és energiaigényes. A Fraunhofer kutatói most olyan technológiát fejlesztettek ki, amely segít a szövetek gyártásában, anyag- és energia megtakarításában. Egy matematikai modellezés alapján egy digitális iker irányítja a gyártási folyamat lényeges paramétereit. A maszkgyártás fejlesztése mellett a ProQuIV megoldás alkalmas arra is, hogy optimalizálja a sokoldalúan felhasználható technikai szövetek gyártási paramétereit. A gyártók így rugalmasabban reagálhatnak vállalati igényekre és piaci változásokra.

A szálas védőmaszkok nemcsak a koronavírus-járvány óta, hanem általánosan is milliószám készülnek, és egyszerű tömegterméknek számítanak. Ám gyártásuk magas precizitást és megbízhatóságot követel. A maszkban lévő szövetnek a DIN szerint legalább 94 százalékban, az FFP-3 változatnál akár 99 százalékban szűrnie kell az aeroszolokat. Ugyanakkor a maszk elég levegőt engedjen át, hogy az ember jól tudjon lélegezni. Sok gyártó keres módokat a gyártás optimalizálására. Emellett a gyártásnak rugalmasabbá kell válnia, hogy a vállalatok képesek legyenek különböző alkalmazásokra és iparágakra szóló szöveteket gyártani és szállítani.

Most a Kaiserslautern-i Fraunhofer Intézet a Technológiai és Gazdasági Matematika (ITWM) segítségével bemutatott egy olyan megoldást, amely mindkettőt képes biztosítani. A ProQuIV rövidítés a „Vírusvédő ruházat gyártási és minőség-ellenőrzési optimalizációja szövetekből” kifejezést takarja. A fő ötlet: a gyártási folyamat paramétereit jellemzik a szövet egyenletességére gyakorolt hatásuk szerint, majd ezeket összekapcsolják a végtermék, például egy védőmaszk tulajdonságaival. Ez a modelllánc összekapcsolja az összes releváns paramétert egy képalkotási elemzéssel, és digitális ikertestvért hoz létre a gyártásról. Ennek segítségével valós időben lehet figyelemmel kísérni, automatikusan irányítani a szövetgyártást, és kihasználni az optimalizációs lehetőségeket.

Dr. Ralf Kirsch, a Áramlás- és Anyagszimulációs Osztály vezetője, a szűrés és szeparáció csapatának irányítója így nyilatkozik: „A ProQuIV segítségével a gyártók összességében kevesebb anyagot használnak fel, és energiát takarítanak meg. Eközben a végtermék minősége mindig garantált marad.”

Szövetgyártás hővel és levegőáramlással

A szűrő alkalmazásokhoz használt szöveteket az ún. Meltblown eljárással gyártják. Ebben az eljárásban műanyagokat, például polipropilént olvasztanak, majd fúvókákon keresztül nyomják ki, és szálak formájában, úgynevezett filamentumokként jönnek ki. Ezeket két oldalról levegőáramok fogják körül, amelyek közel hangsebességgel tolódnak előre, miközben forgácsolják őket, majd egy gyűjtőszalagra esnek. Így a szálak újra vékonyabbá válnak. A filamentumok vastagsága mikrométeres vagy akár alacsonyabb mikrométeres tartományban van. A hűtés és kötőanyagok hozzáadása révén alakul ki a szövet. Minél jobban összehangolt a hőmérséklet, a levegő- és a szalagsebesség, annál egységesebben oszlanak el a szálak, és annál homogénebbnek tűnik az anyag a mikroszkópos vizsgálat során. Itt világosabb és sötétebb területeket lehet megkülönböztetni. A szakemberek „felhőszerűségnek” nevezik ezt a jelenséget.

A Fraunhofer-csapat kifejlesztett egy módszert, amellyel képadatai alapján mérhető a felhőszerűség indexe. A világos területeken alacsonyabb a szálak térfogataránya, kevésbé sűrűek, és alacsonyabb szűrési arányt mutatnak. A sötétebb részeken magasabb a szálak térfogata, így magasabb a szűrési arány. Másrészt ezek a területek magasabb légellenállást eredményeznek, így kevesebb lélegzetet szűrnek ki. A nagyobb részen a levegő könnyebben áramlik át, mivel az nyitottabb, kevésbé szűrő hatású területeken.

Gyártási folyamat valós idejű irányítással

A mikroszkópos átlátszó felvételeket a ProQuIV rendszer kalibrálására használják a modellek alkalmazása előtt. A szakértők elemzik a textil mintát, és következtetéseket vonnak le arról, hogyan lehet az eszközt optimalizálni. Például növelhetik a hőmérsékletet, csökkenthetik a szalagsebességet, vagy módosíthatják a levegőáram erősségét. „Célunk az volt, hogy összekapcsoljuk a fő paramétereket, mint például a szűrési arány, a légellenállás és a felhőszerűség, és ennek alapján kidolgozzunk egy módszert, amely matematikailag modellezi az összes változót a gyártási folyamatban” – mondja Kirsch. A digitális iker figyelemmel kíséri és irányítja a folyamatban lévő gyártást valós időben. Kis eltérések, például túl magas hőmérséklet, automatikusan korrigálódnak néhány másodpercen belül.

Gyors és hatékony gyártás

„Nem szükséges a gyártást megszakítani, anyagmintákat venni, vagy az eszközöket újra beállítani. Amint a modellek kalibrálva vannak, a gyártó megbízhat abban, hogy a futó szövet megfelel a specifikációknak és a minőségi követelményeknek” – magyarázza Kirsch.

A ProQuIV segítségével a gyártás jelentősen hatékonyabbá válik. Kevesebb hulladék keletkezik, és az energiafogyasztás is csökken. Egy másik előny, hogy a gyártók gyorsan fejleszthetnek új, szövetalapú termékeket. Ehhez csak a célértékeket kell módosítaniuk a modellezésben, és az paramétereket igazítaniuk. Így a gyártó cégek rugalmasan reagálhatnak az ügyfélkérésekre vagy a piaci trendekre.

Ez elsőre logikusnak tűnik, de a fejlesztés során összetettebb a helyzet. A szűrési teljesítmény és a légellenállás értékei nem növekednek lineárisan, és nem arányosak a szálak térfogatarányával sem. Kétszeres filamentum sűrűség nem jelenti azt, hogy a szűrési teljesítmény és a légellenállás is kétszeres lesz. A paraméterek közötti összefüggés sokkal bonyolultabb. „Ezért is fontos a matematikai modellezés. Segít megérteni a folyamatok közötti összetett kapcsolatokat” – mondja Kirsch, a Fraunhofer-ITWM kutatója. A kutatóknak hosszú évek óta tartó szakértelmük van a szimulációban és a modellezésben.

További alkalmazási lehetőségek

A következő lépés a Fraunhofer-csapat számára az, hogy csökkentsék a szövetek légzési ellenállását azonos védelmi szinten. Ez az elektromos feltöltés révén lehetséges, amely a szálakat tölti fel elektromosan. Ez a módszer hasonlít a portörlő porszívó működéséhez. Az elektromos töltés révén a textil apró részecskéket vonz, amelyek egyébként átmenne a pórusokon. A töltés erősségét paraméterként beépítik a modellbe.

A Fraunhofer kutatói nemcsak maszkokra és levegőszűrőkre korlátozzák módszerüket. Technológiájuk általánosan alkalmazható a szövetek gyártásában, például folyadékok szűrésére szolgáló szövetek esetében is. Emellett hangszigetelő szövetek gyártását is lehet optimalizálni a ProQuIV módszerrel.