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Foto Freudenberg Performance Materials
10.01.2023

Fraunhofer: Optimierte Produktion von Vliesstoffmasken

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.

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.

Quelle:

Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM

Foto Pixabay
16.11.2022

Grüne Chemie verwandelt Gesichtsmasken in Ethernet-Kabel

Wissenschaftler der Universität Swansea haben Pionierarbeit geleistet und ein Verfahren entwickelt, bei dem der in weggeworfenen Gesichtsmasken enthaltene Kohlenstoff in hochwertige einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) umgewandelt wird, die anschließend zur Herstellung von Ethernet-Kabeln mit Breitbandqualität verwendet werden.
 
Die Studie, die in der Fachzeitschrift Carbon Letters veröffentlicht wurde, beschreibt, wie diese neue grüne Chemie eingesetzt werden könnte, um Materialien, die sonst weggeworfen würden, wiederzuverwerten und in hochwertige Materialien für konkreten Einsatzzwecke umzuwandeln. Die mit dieser Technik hergestellten CNT haben das Potenzial, nicht nur in Ethernet-Kabeln verwendet zu werden, sondern auch bei der Herstellung von leichten Batterien, die in Elektroautos und Drohnen zum Einsatz kommen.

Wissenschaftler der Universität Swansea haben Pionierarbeit geleistet und ein Verfahren entwickelt, bei dem der in weggeworfenen Gesichtsmasken enthaltene Kohlenstoff in hochwertige einwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) umgewandelt wird, die anschließend zur Herstellung von Ethernet-Kabeln mit Breitbandqualität verwendet werden.
 
Die Studie, die in der Fachzeitschrift Carbon Letters veröffentlicht wurde, beschreibt, wie diese neue grüne Chemie eingesetzt werden könnte, um Materialien, die sonst weggeworfen würden, wiederzuverwerten und in hochwertige Materialien für konkreten Einsatzzwecke umzuwandeln. Die mit dieser Technik hergestellten CNT haben das Potenzial, nicht nur in Ethernet-Kabeln verwendet zu werden, sondern auch bei der Herstellung von leichten Batterien, die in Elektroautos und Drohnen zum Einsatz kommen.

Professor Alvin Orbaek White vom Forschungsinstitut für Energiesicherheit (ESRI) der Universität Swansea:
„Einweg-Gesichtsmasken sind eine wirkliche Katastrophe für das Recyclingsystem, da sie riesige Mengen an Plastikmüll erzeugen - ein Großteil davon landet in unseren Ozeanen. Im Rahmen der Studie haben wir festgestellt, dass der Kohlenstoff im Inneren der Gesichtsmaske als ziemlich gutes Ausgangsmaterial für die Herstellung hochwertiger Materialien wie CNTs verwendet werden kann.“

„CNTs sind sehr begehrt, weil sie herausragende physikalische Eigenschaften besitzen und in der industriellen Herstellung sehr viel teurer sind. Mit dieser Studie haben wir also gezeigt, dass wir sehr hochwertige Materialien herstellen können, indem wir CNTs aus eigentlich wertlosen Gesichtsmaskenabfällen verarbeiten.“

Das Team untersuchte ebenfalls die mit diesem Verfahren verbundenen Energiekosten und kam zu dem Schluss, dass die Technik nicht nur im Hinblick auf den Ressourcenverbrauch umweltfreundlich ist, sondern auch in Bezug auf die Erzeugung eines Produktwert im Gegensatz zur Abfallerzeugung. Darüber hinaus war das mit den CNTs hergestellte Ethernet-Kabel von guter Qualität und entsprach den Übertragungsgeschwindigkeiten der Kategorie 5, wobei es die in den meisten Ländern, einschließlich des Vereinigten Königreichs, für das Breitband-Internet festgelegten Richtwerte leicht übertraf.

Professor Orbaek White:
„Die Verwendung von CNT-Folien in Batterien anstelle von Metallfolien hat geringere Auswirkungen auf die Umwelt, da die Verwendung von Kohlenstoff die Notwendigkeit von Bergbau- und Förderaktivitäten ausgleicht. Diese Arbeit ist von entscheidender Bedeutung, da sie nicht nur zu einer Kreislaufwirtschaft beiträgt, sondern auch skalierbar und für die industrielle Verarbeitung geeignet ist und im Kern eine grüne Chemie darstellt.“

Quelle:

Swansea University

Bild: Christine Sponchia auf Pixabay
05.05.2020

COVID-19: Deutsche Daunen- und Federnindustrie vorbildlich in Sachen Hygiene

  • Update zur Wirtschaftslage der Branche
  • Lieferfähigkeit für das nächste Halbjahr gesichert
  • Onlinehandel gewinnt in der Krise
  • Branchenumfrage des Verbandes der Deutschen Daunen- und Federnindustrie e.V. VDFI und des Traumpass e.V. anlässlich der Corona-Krise

Die Corona-Pandemie stellt nicht nur jeden Einzelnen von uns, sondern auch unsere Wirtschaftsbetriebe als Branche vor große Herausforderungen. Die Beschlüsse der Bundesregierung und der Bundesländer zur Ladenschließung und zur Einschränkung der Bewegungsfreiheit haben die mehrheitlich mittelständisch geprägte Daunen- und Federnindustrie über ihre Handelspartner nicht nur absatzseitig hart getroffen. Zur sinkenden Nachfrage kamen internationale Abhängigkeiten der Industrie innerhalb der Lieferketten hinzu, da sowohl das Füllmaterial, die Hüllen als auch die Verpackungsmittel zum großen Teil importiert werden.

  • Update zur Wirtschaftslage der Branche
  • Lieferfähigkeit für das nächste Halbjahr gesichert
  • Onlinehandel gewinnt in der Krise
  • Branchenumfrage des Verbandes der Deutschen Daunen- und Federnindustrie e.V. VDFI und des Traumpass e.V. anlässlich der Corona-Krise

Die Corona-Pandemie stellt nicht nur jeden Einzelnen von uns, sondern auch unsere Wirtschaftsbetriebe als Branche vor große Herausforderungen. Die Beschlüsse der Bundesregierung und der Bundesländer zur Ladenschließung und zur Einschränkung der Bewegungsfreiheit haben die mehrheitlich mittelständisch geprägte Daunen- und Federnindustrie über ihre Handelspartner nicht nur absatzseitig hart getroffen. Zur sinkenden Nachfrage kamen internationale Abhängigkeiten der Industrie innerhalb der Lieferketten hinzu, da sowohl das Füllmaterial, die Hüllen als auch die Verpackungsmittel zum großen Teil importiert werden. Die Schließung der Grenzen innerhalb Europas und die global insgesamt angespannte logistische Situation trugen deutlich zur Verschärfung der Situation bei.

In den letzten Tagen starten Bund und Länder vorsichtige Versuche, die Kontaktverbote zu lockern und die Wirtschaft mit Augenmaß wieder hochzufahren. Die Öffnung der Ladengeschäfte und die Fortsetzung der Geschäftstätigkeit veranlassten die Daunen- und Federnverbände, mit einer umfangreichen Umfrage den Status quo der Branche abzufragen.

Die Unternehmen nannten zwar deutliche Umsatzeinbußen, sind aber im Vergleich zu anderen Sektoren aktuell vergleichsweise noch recht glimpflich davongekommen. Zwei Drittel der Betriebe gaben an, aufgrund der Corona-Krise bis zu 25% Umsatzverluste zu verzeichnen. Ca. 17% verorteten den Rückgang bei bis zu 50%, den gleichen Prozentsatz traf es mit einem Rückgang von bis 75% deutlich härter.

Das Branchenstatement des Verbandes anlässlich der Heimtextil im Januar 2020 hatte die Position des Facheinzelhandels aus Sicht der Bettwarenproduzenten noch als stabilisiert bezeichnet: Durch eine Ausweitung des Serviceangebots, wie beispielsweise die Reinigung von Daunen und Federn oder das Nachfüllen in vorhandene Bettwaren, sei das Geschäft vor Ort vermehrt Anlaufpunkt für Verbraucher. Eine Stützung der Beratungskompetenz und der Einsatz von Schlafexperten hätten Wirkung gezeigt. Dieses Bild hat sich durch die Kontaktsperre deutlich gewandelt:

Der deutliche Verlierer hinsichtlich der Nachfrage auf den verschiedenen Absatzkanälen war bedingt durch die Ladenschließungen der stationäre Handel: 92% der befragten produzierenden Unternehmen registrierten sinkende Nachfrage für den Einzel-, 90% für den Möbelhandel und 80% für die Fachmärkte. Sogar für die Discounter, deren Öffnungszeiten nicht betroffen waren, vermerkten 33% einen Nachfragerückgang; 44% schätzten die Nachfragesituation als unverändert ein. Gewinner in der Krise war der Onlinehandel, wenn auch in vielleicht geringerem Maße als erwartet: 45% der deutschen Daunen- und Federnproduzenten verzeichneten eine gestiegene Nachfrage, 36% schätzen das Niveau als unverändert ein.

In Sachen Lieferfähigkeit sieht sich die Industrie in Deutschland gut aufgestellt: Zwei Drittel sieht für die Erfüllung geschlossener Kontrakte innerhalb der nächsten drei Monate keine Engpässe, die Mehrheit hat zudem noch darüber hinaus Kapazitäten frei. Und 55% sichern diese Lieferfähigkeit einschließlich der Befriedigung zusätzlicher Bedarfe sogar für die kommenden sechs Monate zu.

Während 2019 für die deutsche Daunen- und Federnbranche ein Jahr der Konsolidierung war, und sich nach schwierigen Monaten mit stark gestiegenen Rohwarenpreisen eine Beruhigung auf hohem Niveau durchsetzte, gute Vorjahresergebnisse fortgeführt und teilweise sogar gesteigert werden konnten, sind die Einschätzungen für 2020 deutlich pessimistischer.

Was die Preissituation für die kommende Herbst-/Wintersaison anbelangt, gaben sich die Mitgliedsunternehmen mit Prognosen entsprechend zurückhaltend. Die ungeklärte und teilweise sehr fragile Situation in den Lieferländern lässt es momentan nicht zu, belastbare Aussagen zu treffen. Frühestens im Spätsommer kann dazu ein fundiertes Meinungsbild eingeholt werden. Zumal 45% der Unternehmen erwarten, mit Anfragen zu Preisreduktionen konfrontiert zu werden.

Die Daunen- und Federnindustrie ist Profi in Sachen Hygiene. An Daunen und Federn werden höchste Reinheitsanforderungen gestellt: Vor ihrer Verwendung als Füllmaterial müssen sie durch gründliche Wasserwäsche gereinigt und bei einer Temperatur von mindestens 100°C, in der Regel höher, getrocknet werden. Damit entsprechen Bettwaren den Hygieneanforderungen der Europäischen Norm EN 12935. Bakterien, Viren und andere Keime werden so zuverlässig abgetötet. In Ergänzung der geltenden Normen haben die Unternehmen zusätzliche Vorkehrungen getroffen, um Mitarbeiter, Handelspartner und Verbraucher zu schützen.

Neben der intensiven Arbeitsplatz- und Händedesinfektion, die alle Produzenten hochfuhren, konzentrierten sich die Betriebe besonders auf die Entzerrung der Belegschaft. 73% konzipierten Homeoffice-Arbeitsplätze für Mitarbeiter außerhalb der Produktion, 45% führten eine strikte Schichttrennung ein, zwei Drittel verlegten Arbeitszeiten und änderten die Nutzung von Gemeinschaftsräumen, um möglichst wenig Mitarbeiter gleichzeitig im Betrieb zu haben und so ein Ansteckungsrisiko zu minimieren. Gleichzeitig starteten viele Unternehmen die Produktion von Mund-Nasen-Masken und stellten ihre Nähereien dafür zur Verfügung. Eine Liste der produzierenden Unternehmen ist über den Verband der Deutschen Daunen- und Federnindustrie VDFI e.V. erhältlich.

Die Bundesregierung hatte mit dem Beginn des Lockdown umfangreiche Finanzhilfen angekündigt, die sich auf Überbrückungszahlungen für Kleinunternehmen, Kreditvergaben, Kurzarbeit und Steuerstundungen konzentrierten. Für den Mittelstand musste nachgebessert werden. In den letzten Wochen trieb die Branche weder die Frage nach Überbrückungskrediten, noch die Minderung der Zinslast primär um; auch Soforthilfen in Form von Finanzspritzen und nicht rückzahlbaren Zuschüssen waren nur für ein Drittel interessant. Die Mehrheit der Verbandsmitglieder konzentrierte sich auf Maßnahmen zur Sicherung der Liquidität (45%), Steuerstundungen und die Aussetzung der Umsatzsteuervorauszahlungen (73%) sowie die Umstellung auf Kurzarbeit (73%) sowie die beschleunigte Abwicklung und Gewährung des Kurzarbeitergeldes (45%). Zwei Drittel wünschten sich zudem verbindliche Aussagen zur Lockerung der Kontaktsperre und zum Hochfahren der Wirtschaft.

Ein Update zur Branchenumfrage ist für den Spätsommer 2020 geplant.

Quelle:

VDFI e.V. / Traumpass e.V.