在新冠肺炎大流行之前，已经有数百万人在使用无纺布防护口罩，并被视为简单的批量产品。然而，用于其制造过程需要满足对于精度和可靠性的严格要求。根据DIN（德国标准化学会）的说法，对于FFP-2口罩，口罩中的无纺布必须过滤掉至少94%的气溶胶，对于FFP-3版本，必须过滤掉99%的气溶胶。与此同时，口罩必须让足够的空气通过，以确保佩戴者仍然可以正常呼吸。许多制造商正在寻找优化制造过程的方法。此外，生产需要更加灵活，以便公司能够为各种不同的应用和部门加工和交付多功能无纺布。
© Freudenberg Performance Materials
根据DIN，用于FFP-2口罩的无纺布必须过滤至少94%的气溶胶、颗粒或病毒
ProQuIV（Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen防疫服无纺布的生产和质量优化）是位于凯泽斯劳滕的弗劳恩霍夫工业数学研究所ITWM开发的解决方案。基本思想是，制造工艺参数影响无纺布的均匀性，继而影响最终产品的性能；例如，口罩。该模型链将所有相关参数与图像分析联系起来，并创建了生产过程的数字孪生。数字孪生可以实时监控和自动控制无纺布制造，从而使利用优化潜力成为可能。
在流程和材料模拟部门工作并领导过滤和分离团队的Ralf Kirsch博士解释说：“有了ProQuIV，制造商总体上需要更少的材料，并且节省了能源。最终产品的质量在任何时候都是有保证的。”
熔喷无纺布制造
用于过滤应用的无纺布是通过所谓的熔喷工艺制造的。这包括熔化塑料，如聚丙烯，并使它们通过喷嘴以细丝的形式产生。长丝被气流从两侧收集起来，气流几乎以音速将长丝向前推进，并在将长丝放置在收集带上之前使其旋转。这使得细丝变得更薄：在过程结束时，它们的厚度在微米甚至亚微米范围内。然后将之冷却，并添加粘合剂以形成无纺布。温度、空气速度和传送带速度相互协调得越有效，纤维末端的分布就越均匀，因此在透射光显微镜下检查时，材料就越均匀。由此可以识别出较亮和较暗的区域——专家称之为“云斑”。弗劳恩霍夫团队开发了一种基于图像数据测云斑指数的方法。较亮区域的纤维体积比较低，这意味着它们密度较低，过滤速率较低。较暗的区域具有较高的纤维体积，因此具有较高的过滤速率。另一方面，这些区域的气流阻力越大，意味着它们过滤吸入的空气的比例越小。更大比例的空气流过更开阔的区域，这些区域的过滤效果较差。
© Fraunhofer ITWM
来自显微镜的透射光图像显示了非均匀区中纤维的分布
实时控制的生产流程
在应用ProQuIV的情况下，显微镜的透射光图像用于在使用前校准模型。专家们分析了纺织样品的现状，并利用这些信息得出如何优化系统的结论，例如，通过提高温度、降低皮带速度或调整气流强度。Kirsch表示：“我们研究项目的一个关键目标是将过滤速率、流动阻力和材料云斑指数等中心参数相互联系起来，并以此为基础生成一种方法，对生产过程中的所有变量进行数学建模。”数字孪生实时监控和控制正在进行的生产过程。如果系统稍微偏离其应有的位置，例如，如果温度过高，则会在几秒内自动纠正设置。
在应用ProQuIV的情况下，显微镜的透射光图像用于在使用前校准模型。专家们分析了纺织样品的现状，并利用这些信息得出如何优化系统的结论，例如，通过提高温度、降低皮带速度或调整气流强度。Kirsch表示：“我们研究项目的一个关键目标是将过滤速率、流动阻力和材料云斑指数等中心参数相互联系起来，并以此为基础生成一种方法，对生产过程中的所有变量进行数学建模。”数字孪生实时监控和控制正在进行的生产过程。如果系统稍微偏离其应有的位置，例如，如果温度过高，则会在几秒内自动纠正设置。
© Fraunhofer ITWM
模拟软件绘制了熔喷工艺控制与非织造布均匀性之间的关系图
快速高效的制造
Kirsch解释道：“这意味着无需中断生产、采集材料样本并重新调整机器。一旦模型经过校准，制造商可以确信从皮带上取下的无纺布符合规范和质量标准。”。ProQuIV使生产效率更高——材料浪费更少，能耗也降低。另一个优势是，它允许制造商快速开发新的无纺布产品——他们所要做的就是改变建模中的目标规格并调整参数。这使工厂能够灵活地响应客户的要求或市场趋势。
这听起来可能合乎逻辑，但在开发方面可能相当复杂。例如，过滤性能和流动阻力值的增加方式根本不是线性的，它们也与纤维体积比不成正比。这意味着，将纤维密度加倍并不会导致过滤性能和流动阻力加倍——参数之间的关系比这复杂得多。ITWM研究人员Kirsch表示：“这正是数学建模如此重要的原因。它有助于我们理解各个过程参数之间的复杂关系。”研究人员能够利用他们在模拟和建模方面的广泛专业知识来完成这项工作
更多的应用成为可能
弗劳恩霍夫团队的下一步是在不影响防护效果的情况下，降低非织造布对穿戴者的呼吸阻力。这是通过给纤维充电并采用类似于鸡毛掸子的原理实现的。电荷使织物吸引最微小的颗粒，否则这些颗粒可能会从孔隙中滑出。为此，将静电荷的强度作为参数集成到建模中。
弗劳恩霍夫研究人员对这种方法应用的计划远远超出了口罩和空气过滤器。他们的技术通常适用于无纺布的生产，例如，它也可以用于液体过滤材料。此外，ProQuIV方法可用于优化用于隔音应用的无纺布的制造。
Kirsch解释道：“这意味着无需中断生产、采集材料样本并重新调整机器。一旦模型经过校准，制造商可以确信从皮带上取下的无纺布符合规范和质量标准。”。ProQuIV使生产效率更高——材料浪费更少，能耗也降低。另一个优势是，它允许制造商快速开发新的无纺布产品——他们所要做的就是改变建模中的目标规格并调整参数。这使工厂能够灵活地响应客户的要求或市场趋势。
这听起来可能合乎逻辑，但在开发方面可能相当复杂。例如，过滤性能和流动阻力值的增加方式根本不是线性的，它们也与纤维体积比不成正比。这意味着，将纤维密度加倍并不会导致过滤性能和流动阻力加倍——参数之间的关系比这复杂得多。ITWM研究人员Kirsch表示：“这正是数学建模如此重要的原因。它有助于我们理解各个过程参数之间的复杂关系。”研究人员能够利用他们在模拟和建模方面的广泛专业知识来完成这项工作
更多的应用成为可能
弗劳恩霍夫团队的下一步是在不影响防护效果的情况下，降低非织造布对穿戴者的呼吸阻力。这是通过给纤维充电并采用类似于鸡毛掸子的原理实现的。电荷使织物吸引最微小的颗粒，否则这些颗粒可能会从孔隙中滑出。为此，将静电荷的强度作为参数集成到建模中。
弗劳恩霍夫研究人员对这种方法应用的计划远远超出了口罩和空气过滤器。他们的技术通常适用于无纺布的生产，例如，它也可以用于液体过滤材料。此外，ProQuIV方法可用于优化用于隔音应用的无纺布的制造。