El proceso de fabricación optimiza la producción de máscaras no tejidas

Producir ropa para el control de infecciones requiere mucha energía y utiliza muchos recursos materiales. Los investigadores de Fraunhofer ahora han desarrollado una tecnología que ayuda a ahorrar materiales y energía al producir telas no tejidas. Un gemelo digital controla los parámetros clave del proceso de fabricación sobre la base de modelos matemáticos.

Además de mejorar la fabricación de máscaras, la solución ProQuIV también se puede utilizar para optimizar los parámetros de producción para otras aplicaciones que involucran estos textiles técnicos versátiles, lo que permite a los fabricantes responder con flexibilidad a las solicitudes de los clientes y los cambios en el mercado.

Las máscaras de control de infecciones no tejidas se usaban por millones incluso antes de la pandemia de COVID-19 y se consideran simples artículos producidos en masa. No obstante, el proceso de fabricación utilizado para fabricarlos debe cumplir estrictos requisitos de precisión y fiabilidad. Según DIN (Instituto Alemán de Normalización), el no tejido de la mascarilla debe filtrar al menos el 94% de los aerosoles en el caso de la mascarilla FFP-2 y el 99% en el caso de la versión FFP-3.

Al mismo tiempo, la máscara debe dejar pasar suficiente aire para garantizar que el usuario aún pueda respirar correctamente. Muchos fabricantes están buscando formas de optimizar el proceso de fabricación. Además, la producción debe ser más flexible para que las empresas puedan procesar y entregar telas no tejidas versátiles para una amplia gama de aplicaciones y sectores diferentes.

ProQuIV, la solución desarrollada por el Fraunhofer Institute for Industrial Mathematics ITWM en Kaiserslautern, cumple ambos objetivos. La abreviatura «ProQuIV» significa «Producción y optimización de la calidad de ropa no tejida para el control de infecciones» (Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen). La idea básica es que los parámetros del proceso de fabricación se caractericen con respecto a su impacto en la uniformidad del no tejido, y este impacto se vincule luego con las propiedades del producto final; por ejemplo, una máscara protectora.

Esta cadena de modelos vincula todos los parámetros relevantes a un análisis de imagen y crea un gemelo digital del proceso de producción. El gemelo digital permite la supervisión en tiempo real y el control automático de la fabricación de no tejidos y, por lo tanto, permite aprovechar el potencial de optimización.

El Dr. Ralf Kirsch, que trabaja en el departamento de simulación de materiales y flujo y dirige el equipo de filtración y separación, explica: «Con ProQuIV, los fabricantes necesitan menos material en general y ahorran energía. Y la calidad del producto final está garantizada. en todo momento.»

Fabricación no tejida con calor y flujo de aire.

Los no tejidos para aplicaciones de filtración se fabrican en lo que se conoce como proceso de soplado en fusión. Esto implica derretir plásticos como el polipropileno y forzarlos a través de boquillas para que salgan en forma de hilos denominados filamentos. Los filamentos son recogidos por dos lados por flujos de aire que los transportan casi a la velocidad del sonido y los arremolinan antes de depositarlos en una cinta colectora. Esto hace que los filamentos sean aún más delgados: al final del proceso, su grosor está en el rango de micrómetros o incluso submicrómetros.

Luego se enfrían y se agregan agentes aglutinantes para crear el no tejido. Cuanto mejor se coordinen entre sí la temperatura, la velocidad del aire y la velocidad de la correa, más uniforme será la distribución de las fibras al final y, por lo tanto, más homogéneo aparecerá el material cuando se examine bajo un microscopio de luz transmitida. De este modo, se pueden identificar áreas más claras y más oscuras; los expertos se refieren a esto como nubosidad.

El equipo de Fraunhofer ha desarrollado un método para medir un índice de nubosidad sobre la base de datos de imágenes. Las zonas claras tienen una relación de volumen de fibra baja, lo que significa que son menos densas y tienen una tasa de filtración más baja. Las áreas más oscuras tienen un mayor volumen de fibra y, por lo tanto, una mayor tasa de filtración. Por otro lado, la mayor resistencia al flujo de aire en estas áreas significa que filtran una menor proporción del aire que se respira. Una mayor proporción del aire fluye a través de las áreas más abiertas que tienen un efecto de filtración menos efectivo.

Proceso de producción con control en tiempo real

En el caso de ProQuIV, las imágenes de luz transmitida del microscopio se utilizan para calibrar los modelos antes de su uso. Los expertos analizan el estado actual de la muestra textil y utilizan esta información para sacar conclusiones sobre cómo optimizar el sistema, por ejemplo, aumentando la temperatura, reduciendo la velocidad de la cinta o ajustando la fuerza de los flujos de aire.

«Uno de los objetivos clave de nuestro proyecto de investigación era vincular parámetros centrales como la tasa de filtración, la resistencia al flujo y la turbidez de un material entre sí y utilizar esta base para generar un método que modele matemáticamente todas las variables en el proceso de producción. «, dice Kirsch. El gemelo digital monitorea y controla el proceso de producción en curso en tiempo real. Si el sistema se desvía ligeramente de donde debería estar, por ejemplo, si la temperatura es demasiado alta, la configuración se corrige automáticamente en segundos.

Fabricación rápida y eficiente

«Esto significa que no es necesario interrumpir la producción, tomar muestras de material y reajustar las máquinas. Una vez que se han calibrado los modelos, el fabricante puede estar seguro de que el no tejido que sale de la banda cumple con las especificaciones y los estándares de calidad», explica Kirsch. .

ProQuIV hace que la producción sea mucho más eficiente: hay menos desperdicio de material y también se reduce el consumo de energía. Otra ventaja es que permite a los fabricantes desarrollar rápidamente nuevos productos basados ​​en no tejidos; todo lo que tienen que hacer es cambiar las especificaciones objetivo en el modelado y ajustar los parámetros. Esto permite a las empresas de producción responder con flexibilidad a las solicitudes de los clientes oa las tendencias del mercado.

Esto puede sonar lógico, pero puede ser bastante complejo cuando se trata de desarrollo. La forma en que aumentan los valores de rendimiento de filtración y resistencia al flujo, por ejemplo, no es lineal en absoluto, y tampoco son proporcionales a la relación de volumen de fibra. Esto significa que duplicar la densidad del filamento no da como resultado el doble del rendimiento de filtración y la resistencia al flujo; la relación entre los parámetros es mucho más compleja que eso.

«Es precisamente por eso que el modelado matemático es tan importante. Nos ayuda a comprender la compleja relación entre los parámetros del proceso individual», dice Kirsch, investigador de ITWM. Los investigadores pueden aprovechar su amplia experiencia en simulación y modelado para este trabajo.

Más aplicaciones son posibles

El próximo paso para el equipo de Fraunhofer es reducir la resistencia a la respiración de los no tejidos para el usuario sin afectar el efecto protector. Esto es posible cargando eléctricamente las fibras y empleando un principio similar al de un plumero. La carga eléctrica hace que el tejido textil atraiga las partículas más diminutas que, de lo contrario, podrían colarse por los poros. Para este propósito, la fuerza de la carga electrostática se integra en el modelado como parámetro.

Los planes de los investigadores de Fraunhofer para la aplicación de este método se extienden mucho más allá de las máscaras y los filtros de aire. Su tecnología es generalmente aplicable a la producción de telas no tejidas, por ejemplo, también se puede utilizar en materiales para la filtración de líquidos. Además, los métodos ProQuIV se pueden utilizar para optimizar la fabricación de telas no tejidas utilizadas en aplicaciones de aislamiento acústico.