ProQuIV ottimizza la produzione di maschere in non tessuto

Le fibre di non tessuto per le maschere FFP-2 devono filtrare almeno il 94 percento di aerosol, particelle o virus secondo DIN. Nella foto: Controllo di qualità di un materiale meltblown nell'area di camera bianca. © Freudenberg Performance Materials

Il software di simulazione rappresenta la relazione tra il controllo del processo di meltblown e l'uniformità del non tessuto. © Fraunhofer ITWM / The simulation software maps the relationship between the control of the meltblown process and the uniformity of the nonwoven. © Fraunhofer ITWM

L'immagine a trasmissione dal microscopio mostra la distribuzione delle fibre nel non tessuto. © Fraunhofer ITWM / The transmitted light image from the microscope shows the distribution of the fibers in the nonwoven. © Fraunhofer ITWM

La produzione di indumenti di protezione contro le infezioni è intensiva in termini di materiali ed energia. Ricercatori Fraunhofer hanno sviluppato una tecnologia che aiuta nella produzione di fibre non tessute, risparmiando materiali ed energia. Basandosi su una modellazione matematica, un Doppio Digitale controlla i parametri principali del processo di produzione. Oltre a migliorare la produzione di maschere, la soluzione ProQuIV è adatta anche a ottimizzare i parametri di produzione di altri impieghi dei tessuti tecnici versatili. I produttori possono così reagire in modo flessibile alle esigenze aziendali e ai cambiamenti di mercato.

Le maschere di protezione contro le infezioni realizzate con fibre non tessute sono diffuse da molto prima della pandemia di Covid-19 e sono considerate articoli di massa semplici. Tuttavia, la loro produzione richiede elevati standard di precisione e affidabilità del processo. La fibra non tessuta nella maschera deve filtrare almeno il 94% degli aerosol per le maschere FFP-2 secondo DIN, e addirittura il 99% per la variante FFP-3. Allo stesso tempo, la maschera deve permettere un'adeguata circolazione d'aria, affinché l'uomo possa respirare bene. Molti produttori cercano modi per ottimizzare la produzione. Inoltre, si vuole rendere più flessibile la produzione, in modo che le aziende possano lavorare e fornire fibre non tessute versatili per applicazioni e settori molto diversi.

Ora l'Istituto Fraunhofer per la Matematica Tecnologica ed Economica ITWM di Kaiserslautern ha presentato con ProQuIV una soluzione che realizza entrambi gli obiettivi. L'acronimo ProQuIV sta per »Ottimizzazione della produzione e della qualità di indumenti di protezione contro le infezioni realizzati con fibre non tessute«. L'idea di base: i parametri del processo di produzione vengono caratterizzati in relazione ai loro effetti sulla uniformità della fibra non tessuta e questi, a loro volta, vengono collegati alle proprietà del prodotto finale, come ad esempio una maschera di protezione. Questa catena di modelli collega tutti i parametri rilevanti con un'analisi delle immagini e crea un Doppio Digitale della produzione. Con il suo aiuto, la produzione di fibre non tessute può essere monitorata in tempo reale, controllata automaticamente e quindi ottimizzata.

Il dott. Ralf Kirsch, del dipartimento di simulazione di flussi e materiali e responsabile del team di filtrazione e separazione, spiega: «Con ProQuIV, i produttori utilizzano complessivamente meno materiale e risparmiano energia. La qualità del prodotto finale è garantita in ogni momento.»

Produzione di fibre con calore e flusso d'aria

Le fibre non tessute per applicazioni di filtrazione sono prodotte nel cosiddetto processo Meltblown. In questo processo, plastiche come il polipropilene vengono fuse, spinte attraverso ugelli e formano filamenti. Questi vengono catturati da flussi d'aria su entrambi i lati, che li spingono in avanti a velocità prossima al suono e contemporaneamente li fanno vorticosamente girare, prima di cadere su un nastro di raccolta. In questo modo, i filamenti si assottigliano ulteriormente. Lo spessore dei filamenti si aggira nel range dei micrometri o addirittura sotto. Attraverso il raffreddamento e l'aggiunta di leganti, si forma il tessuto non tessuto. Quanto meglio siano coordinati temperatura, velocità dell'aria e del nastro, tanto più uniformemente sono distribuite le fibre e tanto più omogeneistico appare il materiale sotto un microscopio a luce trasmessa. Qui si possono distinguere zone più chiare e più scure. Gli esperti parlano di opacità.

Il team Fraunhofer ha sviluppato un metodo per misurare un indice di opacità basato sui dati di immagine. Le zone più chiare hanno un contenuto di fibre più basso, sono meno dense e presentano una capacità di filtrazione inferiore. Le zone più scure hanno un contenuto di fibre più alto e quindi una capacità di filtrazione superiore. D'altra parte, l'aumento della resistenza all'aria in queste aree comporta che filtrino una quota minore di aria respirabile. La maggior parte dell'aria passa attraverso le aree più aperte, che hanno un effetto filtrante inferiore.

Processo di produzione con controllo in tempo reale

Le immagini a luce trasmessa ottenute al microscopio vengono utilizzate in ProQuIV per calibrare i modelli prima dell'uso. Gli esperti analizzano lo stato attuale del campione tessile e traggono conclusioni su come ottimizzare l'impianto. Ad esempio, potrebbero aumentare la temperatura, ridurre la velocità del nastro o regolare l'intensità del flusso d'aria. «Un obiettivo fondamentale del nostro progetto di ricerca era collegare tra loro parametri chiave come il tasso di filtrazione, la resistenza al flusso e l'opacità di un materiale, e basarci su questo per generare un metodo che modelli matematicamente tutte le variabili del processo di produzione», afferma Kirsch. Il Doppio Digitale monitora e controlla la produzione in tempo reale. Piccole deviazioni dell'impianto, come una temperatura troppo alta, vengono corrette automaticamente in pochi secondi.

Produzione rapida ed efficiente

«Non è più necessario interrompere la produzione, prelevare campioni di materiale e regolare le macchine. Quando i modelli sono calibrati, il produttore può essere sicuro che il tessuto non tessuto prodotto sulla linea rispetti le specifiche e gli standard di qualità», spiega Kirsch.

Con ProQuIV, la produzione diventa molto più efficiente. Si riducono gli scarti di materiale e anche il consumo di energia diminuisce. Un altro vantaggio è che i produttori possono sviluppare rapidamente nuovi prodotti a base di fibre non tessute. Basta modificare gli obiettivi di modellazione e regolare i parametri. In questo modo, le aziende produttrici possono reagire in modo flessibile alle richieste dei clienti o alle tendenze di mercato.

Ciò che sembra logico, in realtà è complesso nello sviluppo. I valori di capacità di filtrazione e resistenza al flusso non aumentano in modo lineare e non sono proporzionali alla percentuale di fibre nel materiale. Quindi, il doppio della densità dei filamenti non significa necessariamente che la capacità di filtrazione e la resistenza siano raddoppiate. La relazione tra i parametri è molto più complessa. «Per questo motivo, la modellazione matematica è così importante. Ci aiuta a comprendere le relazioni complesse tra i vari parametri del processo», afferma il ricercatore Fraunhofer-ITWM Kirsch. La lunga esperienza dei ricercatori in simulazione e modellazione si rivela un grande vantaggio.

Altre applicazioni sono possibili

Il prossimo passo per il team Fraunhofer è ridurre la resistenza respiratoria dei tessuti non tessuti per le persone, mantenendo lo stesso livello di protezione. Ciò sarà possibile grazie all'elettrostaticità delle fibre. Il principio ricorda il funzionamento di un piumino antistatico. Grazie alla carica elettrica, il tessuto attrae le particelle più piccole che altrimenti potrebbero passare attraverso i pori. La forza della carica elettrostatica viene integrata nel modello come parametro.

Gli scienziati Fraunhofer non limitano l'applicazione del metodo solo alle maschere e ai filtri d'aria. La loro tecnologia può essere impiegata in modo più generale nella produzione di fibre non tessute, ad esempio anche per tessuti destinati alla filtrazione di liquidi. Anche la produzione di fibre non tessute fonoassorbenti può essere ottimizzata con i metodi ProQuIV.