Textination Newsline

Die Produktion von Infektionsschutzkleidung ist material- und energieintensiv. Fraunhofer-Forschende haben nun eine Technologie entwickelt, die bei der Produktion von Vliesstoffen hilft, Material und Energie zu sparen. 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 Hersteller können so flexibel auf Kundenwünsche 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.

Fraunhofer Institute ebnen neue Wege

Eine nachhaltige Gesellschaft mit klimaneutralen Prozessen benötigt erhebliche Anpassungen in den Wertschöpfungsketten, die nur durch Innovationen möglich werden. Sieben Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft bündeln im Leitprojekt »Waste4Future« ihre Kompetenzen, um neue Lösungen für dieses Ziel zu entwickeln, von der Rohstoffbasis über die Stoffströme und Verfahrenstechnik bis zum Ende des Lebenszyklus eines Produkts. Insbesondere wollen sie die Energie- und Ressourceneffizienz beim Einsatz von Kunststoffen erhöhen und somit den Weg ebnen für eine Chemieindustrie, die weniger fossile Rohstoffe benötigt und weniger Emissionen verursacht.

Ohne Kunststoffe wie Polyethylen (PE), Polypropylen (PP) oder Polystyrol (PS), die derzeit fast durchweg aus fossilen Rohstoffen hergestellt werden, wären viele Alltagsprodukte und moderne Technologien undenkbar. Der im Kunststoff enthaltene Kohlenstoff ist dabei eine wichtige Ressource für die chemische Industrie. Wenn es gelingt, solche kohlenstoffhaltigen Bestandteile in Abfällen besser zu erkennen, besser zu verwerten und daraus wieder hochwertige Ausgangsmaterialien für die Industrie herzustellen, kann der Kohlenstoff im Kreislauf gehalten werden. Das reduziert nicht nur den Bedarf an fossilen Ressourcen, sondern auch die Umweltverschmutzung mit CO₂-Emissionen und Plastikmüll. Zugleich verbessert sich die Versorgungssicherheit der Industrie, weil eine zusätzliche Kohlenstoffquelle erschlossen wird.

Im Leitprojekt »Waste4Future« sollen deshalb neue Möglichkeiten für das Recycling von Kunststoffen geschaffen werden, um den darin enthaltenen Kohlenstoff als »grüne« Ressource für die Chemieindustrie bereitzustellen. »Wir bahnen somit den Weg für eine Kohlenstoff-Kreislaufwirtschaft, in der aus Kunststoffabfällen wertvolle neue Basismoleküle gewonnen und Emissionen weitgehend vermieden werden: Der Abfall von heute wird zur Ressource von morgen«, sagt Dr.-Ing. Sylvia Schattauer, stellvertretende Leiterin des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS, das die Federführung für das Projekt hat. »Mit dem Know-how der beteiligten Institute wollen wir zeigen, wie das umfassende Recycling von kunststoffhaltigen Abfällen ohne Verlust von Kohlenstoff durch ineinandergreifende, vernetzte Prozesse möglich und schlussendlich auch wirtschaftlich ist.« Ergebnis des bis Ende 2023 laufenden Projekts sollen innovative Recyclingtechnologien für komplexe Abfälle sein, mit denen sich hochwertige Rezyklate gewinnen lassen.

Konkret geplant ist die Entwicklung eines ganzheitlichen, entropiebasierten Bewertungsmodells, das die bis dato prozessgeführte Recyclingkette zu einer stoffgeführten Kette reorganisiert (Entropie = Maß für die Unordnung eines Systems). Eine neuartig geführte Sortierung erkennt, welche Materialien und insbesondere welche Kunststofffraktionen im Abfall enthalten sind. Aufbauend auf dieser Analyse wird der Gesamtstrom getrennt und für die entstehenden Teilströme dann zielgerichtet entschieden, welcher Weg des Recyclings für diese spezifische Abfallmenge der technisch, ökologisch und ökonomisch sinnvollste ist. Was mittels werkstofflichen Recyclings nicht weitergenutzt werden kann, steht für chemisches Recycling zur Verfügung, stets mit dem Ziel des maximal möglichen Erhalts von Kohlenstoffverbindungen. Die thermische Verwertung kunststoffhaltiger Abfälle am Ende der Kette ist damit eliminiert.

Die Herausforderungen für Forschung und Entwicklung sind beträchtlich. Dazu gehören die komplexe Bewertung sowohl von Inputmaterialien als auch von Rezyklaten nach ökologischen, ökonomischen und technischen Kriterien. Das werkstoffliche Recycling gilt es zu optimieren, Verfahren und Technologien für die Schlüsselstellen der stofflichen Nutzung von Kunststofffraktionen müssen etabliert werden. Außerdem ist geeignete Sensorik zu entwickeln, die Materialien im Sortiersystem zuverlässig identifizieren kann. Dabei kommen auch Methoden des maschinellen Lernens zum Einsatz, und es wird eine Verknüpfung mit einem digitalen Zwilling angestrebt, der die Eigenschaften der prozessierten Materialien repräsentiert.

Für die Entwicklung der entsprechenden Lösungen stehen die beteiligten Institute im engen Austausch mit Unternehmen aus der chemischen Industrie und Kunststoffverarbeitung, der Abfallwirtschaft, dem Recycling-Anlagenbau und dem Recycling-Anlagenbetrieb, um zielgerichtet den Bedarf der Industrie zu berücksichtigen und somit die Chancen auf eine schnelle Umsetzung der erzielten Ergebnisse zu erhöhen.

Am Fraunhofer-Leitprojekt »Waste4Future« sind folgende Einrichtungen beteiligt:

• Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS (Federführung)
• Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP
• Fraunhofer-Einrichtung für Wertstoffkreisläufe und Ressourcenstrategie IWKS
• Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB
• Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR
• Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF
• Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV

Vom 17. bis 21. Mai 2021 findet die digitale Messewoche der Performance Days statt und sorgt Online für ein Mehr an Informationen, aktuellen Trends und Materialinnovationen. So hat die Branche die Möglichkeit, mit Ausstellern in Kontakt zu treten.

Im Fokus des zukunftsweisenden PERFORMANCE FORUMS stehen im Sommer die Gewinner der beiden Awards. Auch in diesem Jahr vergibt die Jury neben einem PERFORMANCE AWARD einen ECO PERFORMANCE AWARD.

Funktion neu gedacht: Herausragende Stoffinnovationen für die Saison Sommer 2023
Pflanzenfasern wie Hanf, Biobaumwolle, Bambus, Wolle, Kapok oder Coconutshell bleiben gefragt, zudem verzichten Hersteller vermehrt auf umweltschädliche Chemikalien, vermeiden Mikroplastik, befürworten natürliches Färben und versuchen Stoffe entweder wieder in den Kreislauf zurückzuführen, Plastik und anderen Abfall zu recyceln oder Fasern so herzustellen, dass sie biologisch abbaubar sind.

Im Marketplace haben Besucher die Möglichkeit, über 9.000 Produkte der Aussteller zu sichten, darunter auch die Stoff-Highlights der einzelnen Kategorien des PERFORMANCE FORUMS. Um dem Besucher die Stoffe in Haptik, Design und Struktur so realitätsgetreu wie möglich digital präsentieren zu können, wurde das PERFORMANCE FORUM mit neuartiger 3D-Technik ausgestattet, darunter innovative Tools wie 3D Bilder, Videoanimationen und U3M Dateien zum Download.

Einzigartig: PERFORMANCE AWARD & ECO PERFORMANCE AWARD Winner
Auch für die Frühjahr/Sommersaison 2023 hat die Jury zwei Awards für herausragende Neuentwicklungen vergeben – so präsentiert sich neben dem PERFORMANCE AWARD Winner, der an Trenchant Textiles geht, auch ein ECO PERFORMANCE AWARD Winner, verliehen an Utenos Trikotazas.

Nachhaltigkeit auf höchster Ebene, Wellbeing für Körper & Seele:
Mit einem vollständig biologisch abbaubaren, gebürsteten Fleece-Material aus 11% Hanf, 63% Organic Cotton und 26 % Tencel überzeugte Utenos Trikotazas die Jury und holte sich für nachhaltigen Komfort den ECO PERFORMANCE AWARD. Das extrem flauschige Material liegt angenehm auf der Haut und besticht mit einer unfassbar weichen Haptik. Hanf ist bekannt für seine natürliche antibakterielle Wirkung und natürlichen UV-Schutz. In Kombination mit Bio-Baumwolle und Tencel garantiert dieser Stoff eine perfekte Wärme- und Geruchsregulierung.

Funktion neue gedacht, Grenzen aufbrechen und Raum für Neues schaffen: Passend zum Focus Topic der digitalen Messewoche „Still Physical – Your Success Story of 2020“ wurden in der neuen Stoffkonstruktion von Trenchant Textiles funktionelle Features mit modischem Design verbunden, die den PERFORMANCE AWARD verdient. Die Membran auf der Außenseite, SlickrB, besteht aus ungiftigem, nachhaltigen Polypropylen-Membran. Durch das Drucken von Punktmustern auf die Oberfläche der Membran, erhält der Stoff eine bessere Abriebfestigkeit bei gleichzeitiger Beibehaltung der Atmungsaktivität. Revolutionär: Muster und Farben können je nach Belieben individuell geändert werden. Der Innenliner aus N15DW (15D gewebtes Polyamid) sorgt ebenfalls für Reißfestigkeit sowie für ausreichend, aber nicht zu viel Dehnung.

• Umsätze erreichen 2015 Achtjahreshoch
• Besonders Hersteller von technischen Textilien erfolgreich

Prag (gtai) - Die tschechische Textil- und Bekleidungsindustrie ist weiter im Aufwind. Besonders in Nischensegmenten und mit technischen Textilien erzielen die Hersteller seit Jahren steigende Umsätze. Das Investitionsklima in der Branche hat sich daher verbessert, wovon Ausrüstungslieferanten profitieren. Deutsche Hersteller von Maschinen für die Textil und Bekleidungsindustrie konnten ihre Exporte nach Tschechien 2015 um ein Fünftel ausweiten.

Mit rund 52,4 Mrd. Tschechischen Kronen (Kc; 1,9 Mrd. Euro) erzielte Tschechiens Textilindustrie 2015 so viel Umsatz wie seit acht Jahren nicht mehr. Laut Statistikamt legte der Ausstoß der Bekleidungshersteller um 11% zu, der Textilhersteller um 3%. Gut gefüllt sind auch die Orderbücher. Bei Unternehmen der Bekleidungsindustrie stieg das Volumen der Neuaufträge 2015 um über 13%, bei den Textilbetrieben um 4%.

Wie der Fachverband ATOK mitteilte, hätte sich die Branche noch besser entwickelt, wenn nicht die Wachstumsmärkte in Asien und Afrika geschwächelt hätten. Der Ausfall wurde von den traditionellen Abnehmern Deutschland, Italien, Polen, Slowakei, Österreich und Frankreich kompensiert. Im Textilsegment exportierte Tschechien 2015 laut ATOK Waren im Wert von umgerechnet fast 2,5 Mrd. Euro, was einem Handelsüberschuss von knapp 30 Mio. Euro entsprach. Bei Bekleidung erzielte das Land einen Negativsaldo. Hier wurden Waren für 2 Mrd. Euro importiert und für 1,3 Mrd. Euro exportiert.

Quelle: Verband der Textil-, Bekleidungs- und Lederindustrie (ATOK, http://www.atok.cz)

Besonders in Nischensegmenten können sich die Bekleidungshersteller behaupten. Triola aus dem nordböhmischen Horni Jiretin zum Beispiel ist auf Damenunterwäsche spezialisiert und erfolgreich mit Übergrößen. Auch Hersteller wie Timo, Pleas, Upavan oder Linia bestehen mit Unterwäscheprodukten am Markt. Timo verkauft nach Berichten der Wirtschaftszeitung Hospodarske noviny 200.000 Stück pro Jahr. Das Unternehmen bietet unter anderem prothetische Wäsche bei Tumorerkrankungen der Brust an. In den kommenden zwei Jahren will der familiengeführte Betrieb am Produktionsstandort Litomerice (Nordböhmen) über 700.000 Euro in neue Technologien investieren.

Mützen und Kapuzen gefragt in 30 Ländern

Ein anderes Familienunternehmen, Kama aus Prag, ist auf Kopfbedeckungen spezialisiert. Mit Mützen, Schals, Stirnbändern, Handschuhen oder Kapuzen macht es inzwischen mehr als eine Mio. Euro Umsatz pro Jahr und liefert in 30 Länder. In Mährisch-Schlesien investiert Sky Paragliders aus Frydlant nad Ostravici rund vier Mio. Euro in eine Webfabrik inklusive Forschungszentrum zur Entwicklung neuer Materialien. Das Unternehmen produziert Gleit- und Rettungsschirme und gehört mit einem Jahresumsatz von 2,7 Mio. Euro (2014) zu den zehn wichtigsten Herstellern weltweit. Es verarbeitet jährlich 200 Kilometer Stoffbahnen.

Dank günstiger Löhne und der Nähe zu kaufkräftigen Märkten haben sich kleinere Anbieter von Maßanfertigungen gehalten. Das Unternehmen Janek aus Roznov pod Radhostem im Bezirk Zlin fertigt zum Beispiel 30.000 individuell geschneiderte Hemden pro Jahr. Auch Anzüge und Kostüme gehören zum Sortiment. Die Garne kauft Janek bei einem deutschen Hersteller ein, der in Tschechien produziert.

1) Veränderung 2014/13 in %; 2) Geschäftsjahr Oktober 2012, 2013 bis September. 2013, 2014; 3) Dezember 2012, 2013 bis November 2013, 2014; 4) April 2013, 2014 bis März 2014, 2015
Quellen: Jahresberichte der Unternehmen, Handelsregister, Hospodarske noviny, Zeitschrift Ekonom, CzechInvest, Verband ATOK

Die umsatzstärksten Betriebe der Textilbranche produzieren meist für industrielle Abnehmer. Größter Branchenvertreter ist der Bocholter Kfz-Zulieferer Borgers, der an vier Standorten in der Nähe von Plzen textile Formteile, Verkleidungen, Isolationen und Vorhänge für Fahrzeuge produziert. Das zweitgrößte Textilunternehmen Juta erzielt die Hälfte seiner Erlöse mit Baumaterialien wie Drainagematten, Erosionsschutzgewebe oder Dachdämmungen. Außerdem macht Juta gute Geschäfte mit Verpackungsnetzen für Kartoffeln oder Weihnachtsbäume. Ein Wachstumsfeld ist Kunstrasen. Jedes Jahr investiert die Firma fast 20 Mio. Euro, überwiegend in neue Produktionsanlagen.

Maschinen für eine viertel Milliarde Euro gekauft
Andere Unternehmen bauen ebenfalls aus. Der Hersteller von Arbeitskleidung Waibel hat 2015 seinen Standort erweitert. In Zdar nad Sazavou bei Jihlava werden Eigenkollektionen und Sonderanfertigungen
hergestellt. Bekleidungshersteller Pleas steckt pro Jahr nach eigenen Angaben über 1 Mio. Euro in Maschinen. Er gehört zu den Top 10 der Branche und fertigt jährlich 15 Mio. Stück Unter- und Nachtwäsche der Marken Schiesser und Pleas. Der deutsche Ausrüstungshersteller Mayer & Cie. baut im Vsetin eine Fabrik für Strickmaschinen. Im Sommer 2016 soll die Produktion starten. Die Maschinen sind für die Großindustrie vor allem in Asien vorgesehen. Maschinenlieferanten konnten schon 2015 vom Aufschwung in der Textilindustrie profitieren. Die Einfuhren wichtiger Produktionsausrüstungen sind um über ein Fünftel auf über 260 Mio. Euro gestiegen. Mehr als die Hälfte entfiel auf deutsche Hersteller.

Quelle: Tschechisches Statistikamt