ProQuIV optimaliseert de productie van non-woven maskers

De non-wovens die voor FFP-2-maskers worden gebruikt, moeten volgens DIN minimaal 94 procent van de aerosolen, deeltjes of virussen filteren. Op de afbeelding: kwaliteitscontrole van een meltblown-materiaal in de cleanroom-omgeving. © Freudenberg Performance Materials

De simulatiesoftware brengt de relatie tussen de regeling van het meltblown-proces en de uniformiteit van de niet-geverfde stof in kaart. © Fraunhofer ITWM / De simulatiesoftware brengt de relatie tussen de regeling van het meltblown-proces en de gelijkmatigheid van de niet-geverfde stof in kaart. © Fraunhofer ITWM

De doorlichting vanuit de microscoop toont de verdeling van de vezels in de niet-geweven stof. © Fraunhofer ITWM / Het doorlichtbeeld van de microscoop toont de verdeling van de vezels in de non-woven. © Fraunhofer ITWM

De productie van infectiebeschermingskleding is materiaal- en energie-intensief. Fraunhofer-onderzoekers hebben nu een technologie ontwikkeld die helpt bij de productie van non-woven stoffen, waardoor materiaal en energie worden bespaard. Op basis van een wiskundig model wordt een digitale tweeling gebruikt om belangrijke procesparameters van de productie te sturen. Naast het verbeteren van de maskermakerij is de oplossing ProQuIV ook geschikt om de productieparameters voor andere toepassingen van de veelzijdige technische textielmaterialen te optimaliseren. Fabrikanten kunnen zo flexibel inspelen op bedrijfswensen en marktveranderingen.

Infectiebeschermingsmaskers van non-woven stoffen worden niet pas sinds de coronapandemie in miljoenen verkocht en worden beschouwd als eenvoudige massaproducten. Maar hun fabricage stelt hoge eisen aan precisie en betrouwbaarheid van het productieproces. Het non-woven materiaal in het masker moet volgens DIN minimaal 94 procent van de aerosolen filteren bij FFP-2-maskers, en zelfs 99 procent bij de FFP-3-variant. Tegelijkertijd moet het masker voldoende lucht doorlaten zodat de drager nog goed kan ademhalen. Veel fabrikanten zoeken naar manieren om de productie te optimaliseren. Daarnaast moet de productie flexibeler worden, zodat bedrijven in staat zijn om de veelzijdige non-woven stoffen voor heel verschillende toepassingen en sectoren te verwerken en te leveren.

Nu heeft het Fraunhofer-Instituut voor Technologische en Economische Wiskunde (ITWM) in Kaiserslautern een oplossing gepresenteerd met ProQuIV die beide doelen dient. De afkorting ProQuIV staat voor "Productie- en kwaliteitsoptimalisatie van infectiebeschermingskleding van non-woven stoffen". Het basisidee: procesparameters van de productie worden gekarakteriseerd op hun invloed op de gelijkmatigheid van het non-woven materiaal en deze worden in verband gebracht met eigenschappen van het eindproduct, bijvoorbeeld een beschermingsmasker. Deze modelketen koppelt alle relevante parameters aan een beeldanalyse en vormt een digitale tweeling van de productie. Hiermee kan de non-woven productie in realtime worden gemonitord, automatisch worden gestuurd en zo het optimalisatiepotentieel worden benut.

Dr. Ralf Kirsch van de afdeling Stromings- en Materiaal Simulatie en teamleider Filtratie en Scheiding legt uit: "Met ProQuIV hebben fabrikanten in totaal minder materiaal nodig en besparen ze energie. Tegelijkertijd blijft de kwaliteit van het eindproduct te allen tijde gewaarborgd."

Productie van non-woven stoffen met hitte en luchtstroom

Non-woven stoffen voor filtratietoepassingen worden vervaardigd via het zogenaamde meltblown-proces. Hierbij worden kunststoffen zoals polypropyleen gesmolten, door spuitmonden geperst en komen ze in de vorm van draden, de zogenaamde filamenten. Deze worden aan beide zijden door luchtstromen vastgehouden, die ze met bijna geluidsnelheid naar voren duwen en tegelijkertijd verwringen, voordat ze op een opvangband vallen. Zo worden de draden nog dunner. De dikte van de filamenten ligt in het micrometer- of zelfs sub-micrometerbereik. Door afkoeling en toevoeging van bindmiddelen vormt zich het non-woven materiaal. Hoe beter temperatuur, lucht- en bandensnelheid op elkaar zijn afgestemd, des te gelijkmatiger de vezels aan het einde verdeeld zijn en hoe homogener het materiaal lijkt bij microscopisch onderzoek onder de doorlichtmicroscoop. Hier kunnen lichtere en donkerdere plekken worden vastgesteld. Experts spreken van "wolkerigheid".

Het Fraunhofer-team heeft een methode ontwikkeld om een wolkerigheidsindex te meten op basis van beeldgegevens. De lichte plekken hebben een lager vezelvolumepercentage, zijn minder dicht en vertonen een lagere filtratiesnelheid. Donkere plekken hebben een hoger vezelvolume en dus een hogere filtratiesnelheid. Aan de andere kant leidt de verhoogde luchtweerstand in deze gebieden ertoe dat ze een kleiner deel van de ademlucht filteren. Het grotere deel stroomt door de openingen die een lagere filterwerking hebben.

Productieproces met realtime besturing

De doorlichtopnames uit de microscoop worden bij ProQuIV gebruikt voor de kalibratie van de modellen voorafgaand aan gebruik. De experts analyseren de actuele toestand van het textielmonster en trekken daaruit conclusies over hoe de installatie kan worden geoptimaliseerd. Zo kunnen ze bijvoorbeeld de temperatuur verhogen, de bandensnelheid verlagen of de luchtstroom aanpassen. "Een belangrijk doel van ons onderzoeksproject was om centrale parameters zoals filtratiesnelheid, stromingsweerstand en wolkerigheid van een materiaal met elkaar te koppelen en op basis daarvan een methode te ontwikkelen die alle variabelen in het productieproces wiskundig modelleert," zegt Kirsch. De digitale tweeling bewaakt en stuurt de lopende productie in realtime. Kleine afwijkingen in de installatie, zoals een te hoge temperatuur, worden binnen enkele seconden automatisch gecorrigeerd.

Snel en efficiënt produceren

"Het is dan niet nodig om de productie te onderbreken, materiaalmonsters te nemen en de machines opnieuw af te stellen. Als de modellen gekalibreerd zijn, kan de fabrikant erop vertrouwen dat het non-woven materiaal dat van de band loopt, voldoet aan de specificaties en kwaliteitsnormen," legt Kirsch uit.

Met ProQuIV wordt de productie aanzienlijk efficiënter. Er is minder afvalmateriaal en het energieverbruik daalt eveneens. Een bijkomend voordeel is dat fabrikanten snel nieuwe producten op basis van non-woven stoffen kunnen ontwikkelen. Hiervoor hoeven alleen de doelstellingen in de modellering te worden aangepast en de parameters te worden gewijzigd. Zo kunnen producenten flexibel inspelen op klantwensen of markttrends.

Wat logisch klinkt, is in de ontwikkeling complex. De waarden voor filtratieprestaties en stromingsweerstand nemen namelijk niet lineair toe en gedragen zich ook niet proportioneel ten opzichte van het vezelvolumepercentage. Een verdubbeling van de filamentdichtheid betekent dus niet dat de filtratieprestaties en stromingsweerstand ook verdubbelen. De verhouding tussen de parameters is veel complexer. "Juist daarom is wiskundige modellering zo belangrijk. Het helpt ons om de complexe relatie tussen de verschillende procesparameters te begrijpen," zegt Fraunhofer-onderzoeker Kirsch. Daarbij profiteren de onderzoekers van hun jarenlange expertise in simulatie en modellering.

Andere toepassingen mogelijk

De volgende stap voor het Fraunhofer-team is het verminderen van de ademweerstand van de non-woven stoffen voor mensen, terwijl hetzelfde beschermingsniveau wordt behouden. Dit wordt mogelijk gemaakt door het elektrisch opladen van de vezels. Het principe doet denken aan de werking van een plumeau. Door de elektrische lading trekt het textiel microscopisch kleine deeltjes aan die anders door de poriën zouden kunnen ontsnappen. De sterkte van de elektrostatische lading wordt hierbij als parameter in de modellering geïntegreerd.

De onderzoekers van Fraunhofer beperken zich niet tot maskers en luchtfilters. Hun technologie kan algemeen worden toegepast in de productie van non-woven stoffen, bijvoorbeeld ook bij stoffen voor de filtratie van vloeistoffen. Ook de productie van geluidsisolerende non-woven stoffen kan worden geoptimaliseerd met ProQuIV-methoden.