Le processus de fabrication optimise la production de masques non tissés

La production de vêtements de contrôle des infections nécessite beaucoup d’énergie et utilise beaucoup de ressources matérielles. Les chercheurs de Fraunhofer ont maintenant développé une technologie qui permet d’économiser des matériaux et de l’énergie lors de la production de non-tissés. Un jumeau numérique contrôle les paramètres clés du processus de fabrication sur la base d’une modélisation mathématique.

En plus d’améliorer la fabrication des masques, la solution ProQuIV peut également être utilisée pour optimiser les paramètres de production pour d’autres applications impliquant ces textiles techniques polyvalents, permettant aux fabricants de répondre avec souplesse aux demandes des clients et aux évolutions du marché.

Les masques de contrôle des infections non tissés étaient utilisés par millions avant même la pandémie de COVID-19 et sont considérés comme de simples articles produits en série. Néanmoins, le processus de fabrication utilisé pour les fabriquer doit répondre à des exigences strictes en matière de précision et de fiabilité. Selon DIN (l’Institut allemand de normalisation), le non-tissé du masque doit filtrer au moins 94 % des aérosols dans le cas du masque FFP-2 et 99 % dans le cas de la version FFP-3.

En même temps, le masque doit laisser passer suffisamment d’air pour que le porteur puisse toujours respirer correctement. De nombreux fabricants recherchent des moyens d’optimiser le processus de fabrication. En outre, la production doit être rendue plus flexible afin que les entreprises soient en mesure de traiter et de livrer des non-tissés polyvalents pour un large éventail d’applications et de secteurs différents.

ProQuIV, la solution développée par l’Institut Fraunhofer de mathématiques industrielles ITWM à Kaiserslautern, remplit ces deux objectifs. L’abréviation « ProQuIV » signifie « Optimisation de la production et de la qualité des vêtements de contrôle des infections non tissés » (Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen). L’idée de base est que les paramètres du procédé de fabrication sont caractérisés quant à leur impact sur l’uniformité du non-tissé, et cet impact est ensuite lié aux propriétés du produit final ; par exemple, un masque de protection.

Cette chaîne de modèles relie tous les paramètres pertinents à une analyse d’image et crée un jumeau numérique du processus de production. Le jumeau numérique permet un suivi en temps réel et un contrôle automatique de la fabrication des non-tissés et permet ainsi d’exploiter le potentiel d’optimisation.

Le Dr Ralf Kirsch, qui travaille dans le département Flow and Material Simulation et dirige l’équipe Filtration and Separation, explique : « Avec ProQuIV, les fabricants ont globalement besoin de moins de matériel et économisent de l’énergie. Et la qualité du produit final est garantie. de tout temps.”

Fabrication de non-tissé avec chaleur et flux d’air

Les non-tissés pour les applications de filtration sont fabriqués selon ce que l’on appelle le procédé de fusion-soufflage. Cela implique de faire fondre des plastiques tels que le polypropylène et de les forcer à travers des buses afin qu’ils sortent sous la forme de fils appelés filaments. Les filaments sont captés des deux côtés par des flux d’air qui les entraînent presque à la vitesse du son et les font tourbillonner avant de les déposer sur un tapis de captage. Cela rend les filaments encore plus fins : à la fin du processus, leur épaisseur est de l’ordre du micromètre, voire du sous-micromètre.

Ils sont ensuite refroidis et des liants sont ajoutés afin de créer le non-tissé. Plus la température, la vitesse de l’air et la vitesse de la bande sont efficacement coordonnées, plus la répartition des fibres à l’extrémité est uniforme et donc plus le matériau apparaîtra homogène lorsqu’il sera examiné au microscope à lumière transmise. Les zones plus claires et plus sombres peuvent ainsi être identifiées – c’est ce que les experts appellent la nébulosité.

L’équipe Fraunhofer a développé une méthode pour mesurer un indice de nébulosité sur la base de données d’image. Les zones claires ont un faible taux volumique de fibres, ce qui signifie qu’elles sont moins denses et ont un taux de filtration plus faible. Les zones plus sombres ont un volume de fibres plus élevé et donc un taux de filtration plus élevé. D’autre part, la plus grande résistance au flux d’air dans ces zones signifie qu’elles filtrent une plus petite proportion de l’air inspiré. Une plus grande proportion de l’air circule dans les zones plus ouvertes qui ont un effet de filtration moins efficace.

Processus de production avec contrôle en temps réel

Dans le cas de ProQuIV, les images en lumière transmise du microscope sont utilisées pour calibrer les modèles avant utilisation. Les experts analysent l’état actuel de l’échantillon de textile et utilisent ces informations pour tirer des conclusions sur la manière d’optimiser le système, par exemple en augmentant la température, en réduisant la vitesse de la bande ou en ajustant la force des flux d’air.

“L’un des principaux objectifs de notre projet de recherche était de relier entre eux des paramètres centraux tels que le taux de filtration, la résistance à l’écoulement et la turbidité d’un matériau et d’utiliser cette base pour générer une méthode qui modélise mathématiquement toutes les variables du processus de production. “, dit Kirsch. Le jumeau numérique surveille et contrôle en temps réel le processus de production en cours. Si le système s’écarte légèrement de l’endroit où il devrait être, par exemple si la température est trop élevée, les paramètres sont automatiquement corrigés en quelques secondes.

Fabrication rapide et efficace

« Cela signifie qu’il n’est pas nécessaire d’interrompre la production, de prélever des échantillons de matériaux et de réajuster les machines. Une fois les modèles calibrés, le fabricant peut être sûr que le non-tissé qui sort de la bande est conforme aux spécifications et aux normes de qualité », explique Kirsch. .

ProQuIV rend la production beaucoup plus efficace – il y a moins de déchets de matériaux et la consommation d’énergie est également réduite. Un autre avantage est qu’il permet aux fabricants de développer rapidement de nouveaux produits à base de non-tissés. Il leur suffit de modifier les spécifications cibles dans la modélisation et d’ajuster les paramètres. Cela permet aux sociétés de production de répondre avec souplesse aux demandes des clients ou aux tendances du marché.

Cela peut sembler logique, mais peut être assez complexe en matière de développement. La façon dont les valeurs de performance de filtration et de résistance à l’écoulement augmentent, par exemple, n’est pas du tout linéaire, et elles ne sont pas non plus proportionnelles au rapport volumique des fibres. Cela signifie que doubler la densité du filament n’entraîne pas le double des performances de filtration et de la résistance à l’écoulement – la relation entre les paramètres est beaucoup plus complexe que cela.

“C’est précisément pourquoi la modélisation mathématique est si importante. Elle nous aide à comprendre la relation complexe entre les paramètres de processus individuels”, explique Kirsch, chercheur à l’ITWM. Les chercheurs peuvent s’appuyer sur leur vaste expertise en simulation et en modélisation pour ce travail.

Plus d’applications sont possibles

La prochaine étape pour l’équipe Fraunhofer est de réduire la résistance respiratoire des non-tissés pour le porteur sans altérer l’effet protecteur. Ceci est rendu possible en chargeant électriquement les fibres et en utilisant un principe similaire à celui d’un plumeau. La charge électrique amène le tissu textile à attirer les plus petites particules qui pourraient autrement glisser à travers les pores. A cet effet, l’intensité de la charge électrostatique est intégrée dans la modélisation en tant que paramètre.

Les plans des chercheurs de Fraunhofer pour l’application de cette méthode vont bien au-delà des masques et des filtres à air. Leur technologie est généralement applicable à la production de non-tissés – par exemple, elle peut également être utilisée dans des matériaux pour la filtration de liquides. De plus, les méthodes ProQuIV peuvent être utilisées pour optimiser la fabrication de non-tissés utilisés dans des applications d’isolation phonique.