Simulación y optimización de no tejidos filtrantes

Por Jessica Owen 

El Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales (ITWM) ha desarrollado una caja de herramientas para simular y optimizar la calidad de los filtros no tejidos. Jessica Owen informa.

La producción de mascarillas faciales ha aumentado drásticamente en los últimos años debido a Covid-19.

La UE (que no es conocida por fabricar máscaras) por sí sola fue testigo de un aumento de 20 veces en la producción en 2020 en comparación con los tiempos previos a la pandemia, lo que equivale a 1.500 millones de máscaras faciales de tres capas producidas por mes, según EDANA.

Pero si bien se debe elogiar a los productores de mascarillas faciales por la rápida respuesta a la pandemia, es probable que la calidad haya sufrido como consecuencia. Después de todo, la grave falta de suministro significó que esta era la primera vez que muchas empresas producían este producto.

Es por eso que, en mayo de 2020, un equipo interdepartamental del Instituto Fraunhofer de Matemáticas Industriales (ITWM) en Alemania decidió iniciar el proyecto ProQuIV (Optimización de la producción y la calidad de prendas de protección contra infecciones no tejidas), para mejorar la calidad de las telas no tejidas fundidas y ayudar a los productores a optimizar el proceso.

El Dr. Konrad Steiner, jefe de departamento, Simulación de flujo y materiales de Fraunhofer ITWM, dice: “Estuvimos en estrecho contacto con empresas que no habían producido máscaras faciales durante mucho tiempo; en su lugar, producen filtros clásicos o materiales de amortiguación acústica a partir de telas no tejidas. Entonces, la razón por la que comenzamos este proyecto fue para mejorar el material y la industria en Europa “.

CUANTIFICANDO LA HOMOGENEIDAD

El primer paso del proyecto fue simular el proceso de fabricación de no tejidos fundidos por soplado para medir cuantitativamente la homogeneidad de la tela final, un factor que afecta en gran medida la calidad de la tela y la eficiencia de filtración.

El Dr. Ralf Kirsch, líder del equipo de filtración y separación de Fraunhofer ITWM, dice: “Se podría decir que la ‘belleza’ de un no tejido homogéneo va de la mano con la protección que proporciona”.

Simular esto fue un desafío porque el proceso de fusión por soplado es bastante complejo: el polímero fundido se fuerza a través de boquillas a una corriente de alta velocidad que fluye hacia adelante donde luego se estira y enfría en un flujo de aire altamente turbulento antes de depositarlo para formar la red. Steiner dice que todas las fibras tienen diámetros no uniformes y se colocan de manera estocástica, por lo que siempre hay fluctuaciones en el peso base del material.

Dicho esto, estos parámetros finalmente se integraron en la simulación como un gemelo digital. Para ello, se tomaron imágenes del proceso real para determinar factores como la distribución de la fibra y se utilizaron modelos previamente validados para determinar el flujo de aire y otros parámetros.

Steiner dice: “La cadena completa se puede simular en la computadora. Entonces, al final, tiene un modelo que puede controlar el proceso al igual que la máquina “.

A continuación, los investigadores tomaron imágenes de las redes no tejidas formadas y utilizaron técnicas de análisis de imágenes para cuantificar la homogeneidad, también conocida como “nubosidad”. El índice de nubosidad (CLI) describe la homogeneidad complementaria al peso base local y su varianza, y las frecuencias que entran en el cálculo se pueden elegir para que el CLI sea significativo para el área de aplicación particular.

Kirsch explica: “Después de la calibración para un material no tejido dado, los datos de la imagen se correlacionan con la distribución del gramaje en el no tejido. Entonces, un cierto nivel de gris de un píxel representa un cierto valor para los gramos por pulgada cuadrada, por ejemplo “.

Agrega: “Una vez que tenga la información de distribución de gramajes, puede asignar propiedades como la resistividad y la eficiencia del flujo local. De esto se puede deducir una eficiencia de filtración global que está relacionada con la homogeneidad del material ”.

El equipo utilizó técnicas de análisis de imágenes para cuantificar la homogeneidad.

MEJORAMIENTO

El gemelo digital y los cálculos desarrollados también han ayudado al equipo a comprender qué parámetros de producción en el proceso de fusión por soplado se correlacionan con la homogeneidad. Esto significa que pueden modificar diferentes factores para ver cómo impactan en el no tejido final producido. Es casi como una hoja de trucos para producir materiales de calidad.

Kirsch dice: “Antes de la pandemia, muchas empresas no tenían experiencia alguna en la producción de máscaras; no cumplieron con los requisitos de transpirabilidad y nivel de protección. Nuestros desarrollos ahora pueden ayudar a estas personas a controlar el proceso para lograr diferentes materiales y diferentes niveles de protección ”.

La herramienta ProQuIV no solo puede reforzar la calidad, sino que también ayuda a ahorrar desperdicio, tiempo y dinero. Por ejemplo, tan pronto como la simulación predice que hay una falla en el nivel de eficiencia de filtración, el proceso puede reconfigurarse.

Kirsch agrega: “Nuestro objetivo es que los productores solo pierdan un par de metros de material no tejido antes de que puedan reaccionar y ajustar los parámetros del proceso. Esto es especialmente importante en una pandemia cuando la disponibilidad de material ha sido un problema “.

Además, debido a que todo esto se puede hacer de forma virtual, se ahorra el tiempo que se puede haber invertido en una instalación de prueba en el proceso de ampliación. Escalar a maquinaria real es un paso lento y a menudo problemático en el procedimiento de desarrollo porque la maquinaria real funciona de manera ligeramente diferente a las plantas de prueba. Pero de esta manera, las empresas pueden acelerar las pruebas y se pueden aumentar las capacidades de producción mientras se mantiene o incluso se mejora la calidad.

Steiner dice: “Puede simular pruebas y ver qué marca la diferencia en el proceso. Por ejemplo, es posible que deba aumentar el flujo de aire o modificar la calefacción. Todos estos pueden calcularse previamente y optimizarse de antemano para realizarlos en la máquina real “.

Los parámetros se han integrado en la simulación como un gemelo digital

OBTENER LA CAJA DE HERRAMIENTAS

La caja de herramientas que ha desarrollado Fraunhofer ITWM es exactamente eso: una caja de herramientas. No funciona fuera de la caja para ninguna maquinaria o aplicación (también podría usarse para higiene o filtración de líquidos, por ejemplo). En su lugar, será necesario realizar ajustes y un procedimiento de calibración es necesario para optimizar las simulaciones y modelos para el proceso de una empresa específica.

Steiner dice: “Tienes que ajustar factores para cada máquina, cada proceso, cada material y para cada funcionalidad que quieras tener. Por ello, realizamos proyectos y estudios de consultoría para adecuar estas herramientas a necesidades específicas. Las empresas ya están interesadas en la tecnología y realmente quieren que sea un éxito. Estamos trabajando con varios productores de no tejidos y estamos en contacto con un fabricante de la maquinaria ”.

Kirsch agrega: “Sí, para los productores de máquinas de soplado en fusión, esta es una herramienta muy interesante porque puede ayudar a convencer a los clientes de que el producto final tiene la calidad requerida”.

Alternativamente, es posible licenciar la caja de herramientas a empresas. Aunque Steiner y Kirsch aconsejan lo contrario debido a la investigación experimental, la garantía de calidad del producto y la experiencia científica que la empresa probablemente necesitará primero de Fraunhofer ITWM.

CAPACIDADES FUTURAS

En el futuro, a Kirsch y Steiner les gustaría incluir el proceso de carga en sí mismo en el gemelo digital, para optimizar y controlar también esta parte importante de la producción.

Kirsch dice: “Creo que habrá un verdadero impulso en el interés en el futuro por comprender la carga electrostática. Uno de los principales fallos de los recién llegados al negocio de la protección personal fue que no consiguieron la carga electrostática adecuada para las máscaras protectoras. Por lo tanto, vemos espacio para mejorar y optimizar este proceso “.

Este proyecto plantea varios desafíos, dice Kirsch, por lo que puede pasar otro año o más hasta que se pueda cuantificar esta funcionalidad. Por ejemplo, es necesario averiguar cómo medir la carga de una fibra a una escala tan pequeña, cómo validar el experimento y cómo desarrollar un método que mida estos factores sin destruir la carga al mismo tiempo.

Al equipo le gustaría incluir el proceso de carga en el gemelo digital en el futuro

Kirsch agrega: “Esto es una verdadera multifísica porque hay muchas cosas que debes considerar. Llevará algún tiempo, pero ahora es el momento adecuado para empezar porque la carga electrostática y su influencia en el nivel de protección es de suma importancia “.

Gracias al mayor nivel de protección debido a las fibras cargadas, puede diseñar el no tejido para que sea más liviano y transpirable, una mejora que podría alentar a más personas a usar máscaras.

Kirsch agrega: “La transpirabilidad fue uno de los argumentos más conocidos para no usar una máscara, especialmente para aquellos que tienen que usarla durante turnos completos”.

De hecho, Steiner dice que el equipo está a punto de iniciar un proyecto que utilizará la tecnología ProQuIV para diseñar y fabricar una nueva y mejorada generación de mascarillas faciales.

Aparte de ProQuIV, Steiner y Kirsch dicen que hay muchas otras áreas relacionadas con las propiedades mecánicas de los no tejidos que les gustaría explorar en el futuro. Medir la suavidad es una vía y otra es cómo la fricción entre las fibras influye en el aglutinante. Kirsch dice que “sería un sueño hecho realidad” si pudieran modelar y simular todos estos factores usando solo unos pocos parámetros.

En otros lugares, la sostenibilidad es algo a lo que el equipo se enfrenta cada vez más. Están involucrados en el modelado de nuevas fibras, como alternativas a los sintéticos de base biológica, recicladas y neutras en carbono, para comprender cómo optimizar la fabricación de estos no tejidos.

Kirsch concluye: “La innovación en el diseño de telas no tejidas para filtración y otras aplicaciones ciertamente se beneficiará de las tecnologías digitales adecuadas. En algunas áreas de aplicación, la competencia proviene de los materiales filtrantes o membranas de acero inoxidable tejido, lo que podría afectar a los no tejidos y la industria que han dominado durante décadas ”.

Fuente: Wtin