Produktion von Vliesstoffmasken wird optimiert

Fraun­hofer-Forschende haben nun eine Tech­nolo­gie entwick­elt, die bei der Pro­duk­tion von Vliesstof­fen hil­ft, Mate­r­i­al und Energie zu sparen, da diese mate­r­i­al- und energiein­ten­siv ist. Auf Basis ein­er math­e­ma­tis­chen Mod­el­lierung steuert ein Dig­i­taler Zwill­ing wesentliche Prozess­pa­ra­me­ter der Her­stel­lung. Neben der Verbesserung der Masken­her­stel­lung eignet sich die Lösung Pro­QuIV auch dazu, die Pro­duk­tion­spa­ra­me­ter für andere Anwen­dun­gen der viel­seit­ig ein­set­zbaren tech­nis­chen Tex­tilien zu opti­mieren. Die Her­stel­lende kön­nen so flex­i­bel auf Unternehmenswün­sche und Mark­tverän­derun­gen reagieren.

Infek­tion­ss­chutz­masken aus Vlies sind nicht erst seit der Coro­na-Pan­demie mil­lio­nen­fach ver­bre­it­et und gel­ten als sim­pler Masse­nar­tikel. Doch ihre Her­stel­lung stellt hohe Anforderun­gen an Präzi­sion und Zuver­läs­sigkeit des Pro­duk­tion­sprozess­es. Der Vliesstoff in der Maske muss bei der FFP-2-Maske nach DIN min­destens 94 Prozent, bei der FFP-3-Vari­ante sog­ar 99 Prozent der Aerosole her­aus­fil­tern. Gle­ichzeit­ig muss die Maske aus­re­ichend Luft durch­lassen, damit der Men­sch noch gut atmen kann. Viele Her­steller suchen nach Wegen, die Her­stel­lung zu opti­mieren. Außer­dem soll die Pro­duk­tion flex­i­bler wer­den, so dass Unternehmen in der Lage sind, die viel­seit­ig ver­wend­baren Vliesstoffe für ganz unter­schiedliche Anwen­dun­gen und Branchen zu bear­beit­en und zu liefern.

Nun hat das Fraun­hofer-Insti­tut für Tech­no- und Wirtschafts­math­e­matik ITWM in Kaiser­slautern mit Pro­QuIV eine Lösung vorgestellt, die bei­des leis­tet. Das Kürzel Pro­QuIV ste­ht für »Pro­duk­tions- und Qual­ität­sop­ti­mierung von Infek­tion­ss­chutzk­lei­dung aus Vliesstof­fen«. Die Grun­didee: Prozess­pa­ra­me­ter der Her­stel­lung wer­den bezüglich ihrer Auswirkun­gen auf die Gle­ich­mäßigkeit des Vliesstoffs charak­ter­isiert und diese wiederum mit Eigen­schaften des End­pro­duk­ts, beispiel­sweise ein­er Schutz­maske, in Verbindung geset­zt. Diese Mod­el­lkette verknüpft alle rel­e­van­ten Para­me­ter mit ein­er Bil­d­analyse und bildet einen Dig­i­tal­en Zwill­ing der Pro­duk­tion. Mit dessen Hil­fe lässt sich die Vliesstoffher­stel­lung in Echtzeit überwachen, automa­tisch steuern und somit das Opti­mierungspoten­zial nutzen.

Dr. Ralf Kirsch aus der Abteilung Strö­mungs- und Mate­ri­al­sim­u­la­tion und Team­leit­er Fil­tra­tion und Sep­a­ra­tion erk­lärt: »Mit Pro­QuIV benöti­gen die Her­steller ins­ge­samt weniger Mate­r­i­al und sparen Energie. Dabei ist die Qual­ität des End­pro­duk­ts jed­erzeit gewährleistet.«

Vliesh­er­stel­lung mit Hitze und Luftströmung

Vliesstoffe für Fil­tra­tionsan­wen­dun­gen wer­den im soge­nan­nten Melt­blown-Prozess hergestellt. Dabei wer­den Kun­st­stoffe wie Polypropy­len geschmolzen, durch Düsen getrieben und kom­men in Form von Fäden her­aus, den soge­nan­nten Fil­a­menten. Diese wer­den auf zwei Seit­en von Luft­strö­men erfasst, die sie mit annäh­ern­der Schallgeschwindigkeit nach vorne treiben und gle­ichzeit­ig ver­wirbeln, bevor sie auf ein Auf­fang­band fall­en. So wer­den die Fäden nochmals dün­ner. Die Dicke der Fil­a­mente liegt im Mikrom­e­ter- oder sog­ar Sub-Mikrom­e­ter-Bere­ich. Durch Abküh­lung und Zugabe von Bindestof­fen bildet sich der Vliesstoff. Je bess­er Tem­per­atur, Luft- und Bandgeschwindigkeit aufeinan­der abges­timmt sind, desto gle­ich­mäßiger sind am Ende die Fasern verteilt und desto homo­gen­er erscheint das Mate­r­i­al dann bei der Prü­fung im Durch­licht­mikroskop. Hier lassen sich hellere und dun­klere Stellen aus­machen. Fach­leute sprechen von Wolkigkeit.

Das Fraun­hofer-Team hat eine Meth­ode entwick­elt, um einen Wolkigkeits-Index anhand von Bild­dat­en zu messen. Die hellen Stellen besitzen einen niedri­gen Faser­vol­u­menan­teil, sind also nicht so dicht und weisen eine niedrigere Fil­tra­tionsrate auf. Dun­klere Stellen haben ein höheres Faser­vol­u­men und daher eine höhere Fil­tra­tionsrate. Ander­er­seits führt der in diesen Bere­ichen erhöhte Luftwider­stand dazu, dass sie einen gerin­geren Anteil der Atem­luft fil­tern. Der größere Anteil strömt durch die offeneren Bere­iche, die eine gerin­gere Fil­ter­wirkung haben.

Pro­duk­tion­sprozess mit Echtzeit-Steuerung

Die Durch­lich­tauf­nah­men aus dem Mikroskop dienen bei Pro­QuIV für die Kalib­rierung der Mod­elle vor dem Ein­satz. Die Exper­tin­nen und Experten analysieren den Ist-Zus­tand der Tex­til­probe und ziehen daraus Rückschlüsse, wie die Anlage opti­miert wer­den kann. So kön­nten sie beispiel­sweise die Tem­per­atur erhöhen, die Bandgeschwindigkeit senken oder die Stärke der Luft­ströme anpassen. »Ein wesentlich­es Ziel unseres Forschung­spro­jek­ts war, zen­trale Para­me­ter wie Fil­tra­tionsrate, Strö­mungswider­stand und Wolkigkeit eines Mate­ri­als miteinan­der zu verknüpfen und darauf basierend eine Meth­ode zu gener­ieren, die alle Vari­ablen im Pro­duk­tion­sprozess math­e­ma­tisch mod­el­liert«, sagt Kirsch. Der Dig­i­tale Zwill­ing überwacht und steuert die laufende Pro­duk­tion in Echtzeit. Kleine Abwe­ichun­gen der Anlage, wie etwa eine zu hohe Tem­per­atur, wer­den in Sekun­den automa­tisch korrigiert.

Schnelle und effiziente Her­stel­lung

»Es ist dann nicht notwendig, die Pro­duk­tion zu unter­brechen, Mate­ri­al­proben zu nehmen und die Maschi­nen neu einzustellen. Wenn die Mod­elle kalib­ri­ert sind, kann sich der Her­steller darauf ver­lassen, dass der Vliesstoff, der vom Band läuft, die Spez­i­fika­tio­nen und Qual­ität­snor­men ein­hält«, erk­lärt Kirsch.

Mit Pro­QuIV wird die Pro­duk­tion deut­lich effizien­ter. Es gibt weniger Auss­chuss beim Mate­r­i­al, und der Energie­ver­brauch sinkt eben­falls. Ein weit­er­er Vorteil beste­ht darin, dass Her­steller schnell neue Pro­duk­te auf Vlies­ba­sis entwick­eln kön­nen. Dazu müssen lediglich die Zielvor­gaben in der Mod­el­lierung geän­dert und die Para­me­ter angepasst wer­den. So kön­nen pro­duzierende Unternehmen flex­i­bel auf Kun­den­wün­sche oder Mark­t­trends reagieren.

Was logisch klingt, ist in der Entwick­lung kom­plex. Die Werte für Fil­tra­tionsleis­tung und Strö­mungswider­stand steigen näm­lich keineswegs lin­ear an und ver­hal­ten sich auch nicht pro­por­tion­al zum Faser­vol­u­menan­teil. Eine dop­pelt so hohe Fil­a­ment-Dichte bedeutet also nicht, dass auch Fil­tra­tionsleis­tung und Strö­mungswider­stand dop­pelt so hoch sind. Das Ver­hält­nis zwis­chen den Para­me­tern ist wesentlich kom­plex­er. »Genau deshalb ist die math­e­ma­tis­che Mod­el­lierung so wichtig. Sie hil­ft uns, das kom­plexe Ver­hält­nis zwis­chen den einzel­nen Prozess­pa­ra­me­tern zu ver­ste­hen«, sagt Fraun­hofer-ITWM-Forsch­er Kirsch. Dabei kommt den Forschen­den ihre langjährige Exper­tise bei Sim­u­la­tion und Mod­el­lierung zugute.

Weit­ere Anwen­dun­gen sind möglich

Der näch­ste Schritt beste­ht für das Fraun­hofer-Team darin, den Atemwider­stand der Vliesstoffe für den Men­schen bei gle­ich­er Schutzwirkung zu reduzieren. Möglich wird dies durch die elek­trische Aufladung der Fasern. Das Prinzip erin­nert an die Arbeitsweise eines Staub­wedels. Durch die elek­trische Ladung zieht das Tex­til­gewebe winzig­ste Par­tikel an, die andern­falls durch die Poren schlüpfen kön­nten. Die Stärke der elek­tro­sta­tis­chen Ladung wird hier­für als Para­me­ter in die Mod­el­lierung integriert.

Die Fraun­hofer-Forschen­den beschränken sich bei der Anwen­dung der Meth­ode keineswegs nur auf Masken und Luft­fil­ter. Ihre Tech­nolo­gie lässt sich ganz all­ge­mein in der Pro­duk­tion von Vliesstof­fen ein­set­zen, beispiel­sweise auch bei Stof­fen für die Fil­tra­tion von Flüs­sigkeit­en. Auch die Her­stel­lung von schalldäm­menden Vliesstof­fen lässt sich mit Pro­QuIV-Meth­o­d­en optimieren.