ProQuIV optymalizuje produkcję masek z włókniny

Materiały włókninowe do masek FFP-2 muszą zgodnie z DIN filtrować co najmniej 94 procent aerozoli, cząstek lub wirusów. Na zdjęciu: Kontrola jakości materiału meltblown w strefie czystego pomieszczenia. © Freudenberg Performance Materials / Nonwovens used for FFP-2 masks must filter at least 94 percent of aerosols, particles or viruses according to DIN. In the picture: Quality control of a meltblown material in the clean room area. © Freudenberg Performance Materials

Oprogramowanie symulacyjne odwzorowuje związek między sterowaniem procesem meltblown a jednorodnością włókniny. © Fraunhofer ITWM / The simulation software maps the relationship between the control of the meltblown process and the uniformity of the nonwoven. © Fraunhofer ITWM

Zdjęcie przezroczyste z mikroskopu pokazuje rozkład włókien w włókninie. © Fraunhofer ITWM / Obraz z mikroskopu przedstawia rozkład włókien w materiale włókninowym. © Fraunhofer ITWM

Produkcja odzieży ochronnej przed infekcjami jest materiałochłonna i energochłonna. Naukowcy z Fraunhofer opracowali technologię, która pomaga oszczędzać materiały i energię podczas produkcji włóknin. Na podstawie modelowania matematycznego cyfrowy bliźniak steruje kluczowymi parametrami procesu produkcyjnego. Oprócz poprawy produkcji masek, rozwiązanie ProQuIV nadaje się również do optymalizacji parametrów produkcji innych zastosowań wszechstronnie wykorzystywanych tekstyliów technicznych. Producentom umożliwia to elastyczne reagowanie na życzenia przedsiębiorstw i zmiany rynkowe.

Maski ochronne z włóknin nie są nowością od czasu pandemii koronawirusa i są powszechnie dostępne jako proste artykuły masowe. Jednak ich produkcja wymaga wysokiej precyzji i niezawodności procesu. Włóknina w masce musi według normy DIN filtrować co najmniej 94 procent aerozoli w masce FFP-2, a nawet 99 procent w wersji FFP-3. Jednocześnie maska musi zapewniać wystarczającą przepuszczalność powietrza, aby umożliwić dobry oddech. Wielu producentów poszukuje sposobów optymalizacji produkcji. Dodatkowo produkcja powinna być bardziej elastyczna, aby firmy mogły obsługiwać i dostarczać wszechstronne włókniny do różnych zastosowań i branż.

Teraz Instytut Fraunhofer ds. Matematyki Technologii i Gospodarki ITWM w Kaiserslautern przedstawił rozwiązanie ProQuIV, które realizuje oba te cele. Akronim ProQuIV oznacza „Optymalizację produkcji i jakości odzieży ochronnej z włóknin”. Podstawowa idea: parametry procesu produkcyjnego są charakteryzowane pod kątem ich wpływu na jednorodność włókniny, a następnie powiązane z właściwościami końcowego produktu, na przykład maseczki ochronnej. Ta łańcuchowa modelowa powiązanie łączy wszystkie istotne parametry z analizą obrazową i tworzy cyfrowego bliźniaka produkcji. Dzięki temu możliwe jest monitorowanie w czasie rzeczywistym, automatyczne sterowanie i wykorzystanie potencjału optymalizacji produkcji.

Dr Ralf Kirsch z działu symulacji przepływu i materiałów oraz kierownik zespołu filtracji i separacji wyjaśnia: „Dzięki ProQuIV producenci zużywają mniej materiału i oszczędzają energię. Jednocześnie jakość końcowego produktu jest zawsze gwarantowana.”

Produkcja włóknin za pomocą ciepła i powietrza

Włókniny do zastosowań filtracyjnych są produkowane w tak zwanym procesie Meltblown. Podczas niego tworzywa sztuczne, takie jak polipropylen, są topione, przepuszczane przez dysze i wychodzą w formie włókien, zwanych filamentami. Te są z obu stron otaczane strumieniami powietrza, które pędzą je do przodu z prędkością zbliżoną do dźwięku i jednocześnie wirują, zanim opadną na taśmę zbierającą. W ten sposób filamenty stają się jeszcze cieńsze. Grubość włókien mieści się w zakresie mikrometrów lub nawet submikrometrów. Po schłodzeniu i dodaniu środków wiążących powstaje włóknina. Im lepiej temperatura, prędkość powietrza i prędkość taśmy są ze sobą skoordynowane, tym bardziej równomiernie rozłożone są włókna, a materiał wydaje się bardziej jednorodny podczas mikroskopowej kontroli świetlnej. Można zauważyć jaśniejsze i ciemniejsze obszary, co fachowcy nazywają „chmurzeniem”.

Zespół Fraunhofer opracował metodę pomiaru indeksu chmurzenia na podstawie danych obrazowych. Jasne obszary mają niższy udział objętości włókien, są mniej gęste i mają niższą skuteczność filtracji. Ciemniejsze obszary mają wyższy udział objętości włókien i tym samym wyższą skuteczność filtracji. Z drugiej strony, zwiększony opór powietrza w tych obszarach powoduje, że filtrują one mniejszą część powietrza oddechowego. Większa część przepływa przez bardziej otwarte obszary o mniejszej skuteczności filtracji.

Proces produkcji z kontrolą w czasie rzeczywistym

Zdjęcia mikroskopowe z przejścia światła służą w ProQuIV do kalibracji modeli przed ich zastosowaniem. Eksperci analizują stan rzeczywisty próbki tekstylnej i wyciągają wnioski, jak można zoptymalizować urządzenie. Na przykład mogą zwiększyć temperaturę, zmniejszyć prędkość taśmy lub dostosować siłę strumieni powietrza. „Głównym celem naszego projektu badawczego było powiązanie kluczowych parametrów, takich jak skuteczność filtracji, opór przepływu i chmurzenie, i opracowanie metody, która matematycznie modeluje wszystkie zmienne w procesie produkcji” – mówi Kirsch. Cyfrowy bliźniak monitoruje i steruje bieżącą produkcją w czasie rzeczywistym. Małe odchylenia, na przykład zbyt wysoka temperatura, są automatycznie korygowane w ciągu kilku sekund.

Szybka i efektywna produkcja

„Wówczas nie jest konieczne przerywanie produkcji, pobieranie próbek materiału i ponowne ustawianie maszyn. Gdy modele są skalibrowane, producent może być pewien, że włóknina na taśmie spełnia specyfikacje i normy jakości” – wyjaśnia Kirsch.

Dzięki ProQuIV produkcja staje się znacznie bardziej wydajna. Mniej odpadów z materiału, a także mniejsze zużycie energii. Kolejną zaletą jest możliwość szybkiego opracowania nowych produktów opartych na włókninach. Wystarczy zmienić cele w modelowaniu i dostosować parametry. W ten sposób firmy mogą elastycznie reagować na życzenia klientów lub trendy rynkowe.

To, co wydaje się logiczne, w rozwoju jest jednak skomplikowane. Wartości skuteczności filtracji i oporu przepływu nie rosną liniowo i nie są proporcjonalne do udziału objętości włókien. Podwójna gęstość filamentów nie oznacza więc, że skuteczność filtracji i opór przepływu również będą dwukrotnie wyższe. Relacja między tymi parametrami jest znacznie bardziej złożona. „Dlatego matematyczne modelowanie jest tak ważne. Pomaga nam zrozumieć skomplikowany związek między poszczególnymi parametrami procesu” – mówi badacz z Fraunhofer-ITWM Kirsch. W tym procesie korzystają z wieloletniego doświadczenia w symulacji i modelowaniu.

Możliwość dalszych zastosowań

Następnym krokiem dla zespołu Fraunhofer jest zmniejszenie oporu oddechowego włóknin dla ludzi przy zachowaniu tej samej ochrony. Możliwe jest to dzięki elektrycznemu naładowaniu włókien. Zasada przypomina działanie miotełki do kurzu. Dzięki ładunkowi elektrycznemu tkanina przyciąga drobne cząstki, które w przeciwnym razie mogłyby przejść przez pory. Siła ładunku elektrostatycznego jest uwzględniona jako parametr w modelowaniu.

Badacze z Fraunhofer nie ograniczają się tylko do masek i filtrów powietrza. Ich technologia może być szeroko stosowana w produkcji włóknin, na przykład do filtracji cieczy. Optymalizacja metodami ProQuIV obejmuje również produkcję dźwiękochłonnych włóknin.