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Die Vliesstoffproduktion bekam zu Corona-Zeiten in der breiten Öffentlichkeit so viel Aufmerksamkeit wie selten zuvor, denn das technische Textil ist entscheidend für den Infektionsschutz. Die Feinst-Vliesstoffprodukte werden in sogenannten Meltblown-Verfahren hergestellt. Ein abteilungsübergreifendes Team des Fraunhofer-Instituts für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM in Kaiserslautern optimiert im Projekt »ProQuIV« die gesamte Produktionskette. Dabei helfen Simulationen die Produktqualität des Filtermaterials trotz Schwankungen in der Herstellung zu garantieren.

Das Kürzel »ProQuIV« steht für »Produktions- und Qualitätsoptimierung von Infektionsschutzkleidung aus Vliesstoffen«. Denn gerade zu Beginn der Covid-19-Krise waren Engpässe bei der Produktion dieser Materialien zu beobachten. Für die Klasse der Meltblown-Vliesstoffe gestaltet sich diese Optimierung der Produktqualität zudem besonders schwierig, weil die Prozesse sehr sensitiv auf Schwankungen und Materialunreinheiten reagieren.

Digitaler Zwilling hat das große Ganze im Blick
»Meltblown« heißt der industrielle Herstellungsprozess, dessen Feinstfaser-Vliesstoffe dafür verantwortlich sind, dass z.B. in Gesichtsmasken die entscheidende Filterfunktion gegeben ist. Dabei wird das geschmolzene Polymer durch Düsen gepresst, und zwar in einen vorwärts strömenden Hochgeschwindigkeitsstrom. Es wird in einer stark turbulenten Luftströmung gedehnt und abgekühlt.

»Der Gesamtprozess der Filtervliesherstellung – von der Polymerschmelze bis zum Filtermedium – stellt in der Simulation eine große Herausforderung dar«, erklärt Dr. Konrad Steiner, Leiter der Abteilung »Strömungs- und Materialsimulation«. »Wir haben im Projekt das große Ganze im Blick und eine komplett durchgängige Bewertungskette als digitalen Zwilling entwickelt. Dabei berücksichtigen wir gleich mehrere Schlüsselkomponenten: Wir simulieren die typischen Produktionsprozesse von Vliesstoffen, die darauf basierende Entstehung der Faserstrukturen und anschließend die Materialeigenschaften – hier insbesondere die Filtereffizienz. Damit lassen sich dann die Einflüsse des Herstellungsprozesses auf die Produkteigenschaften quantitativ bewerten.« In jedem dieser Einzelbereiche gehört das Fraunhofer ITWM mit seinen Expertinnen und Experten international zu den führenden Forschungsgruppen.

Homogenität des Materials – weniger Wolken am Simulationshimmel
Beim Meltblown-Verfahren liegt ein Schlüsselfaktor auf dem Verhalten der Filamente im turbulenten, heißen und schnellen Luftstrom. Die Fäden werden durch diese Luftströmung stark in ihren Eigenschaften beeinflusst. Die Qualität der Filamente – und damit am Ende der Vliesstoffe –  wird durch viele Faktoren beeinflusst. Was das in der Praxis genauer heißt, weiß Dr. Dietmar Hietel, Leiter der Abteilung »Transportvorgänge«. Sein Team beschäftigt sich am Fraunhofer ITWM schon seit Jahren mit der Simulation von verschiedenen Prozessen rund um Filamente, Fäden und Fasern. »Im Fokus des Projekts steht die sogenannte Wolkigkeit, d.h. die Ungleichmäßigkeit, mit der die Fasern im Vliesstoff verteilt sind«, erklärt Hietel. »Wir gehen der Frage nach: Wie homogen ist der Stoff? Denn die Qualität der Produkte kann stark verbessert werden, wenn wir solche Ungleichmäßigkeiten optimieren. Unsere Simulationen helfen dabei herauszufinden, wie das gelingt.«

Objektive Bewertung der Homogenität der Vliesstoffe
Zur Quantifizierung dieser Wolkigkeit setzen die Forschenden zudem passende Bildanalysetechniken ein. Das Powerspektrum spielt dabei eine besondere Rolle. »Der Wolkigkeitsindex, abgekürzt CLI, beschreibt die Homogenität komplementär zu lokalem Flächengewicht und seiner Varianz,« beschreibt Dr. Katja Schladitz. Sie bringt ihre Expertise in der Bildverarbeitung in das Projekt mit ein. »Unser CLI stellt eine robuste Bewertung der Homogenität sicher und kann somit für verschiedene Materialklassen und Abbildungstechniken als objektives Maß genutzt werden« Die Frequenzen, die in die CLI-Berechnung eingehen, können so gewählt werden, dass der CLI aussagekräftig für das jeweilige Anwendungsgebiet ist.

Filtration: Wie effizient sind die Filter
Bei der Hochskalierung auf Industrieprozesse wie bei der Maskenproduktion fließt zudem die ITWM-Expertise rund um Filter in das Projekt mit ein. Das Team »Filtration und Separation« um Dr. Ralf Kirsch beschäftigt sich schon seit Jahren mit dem mathematischen Modellieren und Simulieren verschiedenster Trennprozesse.

»Das Besondere an diesem Projekt: Wir berechnen die Effizienz der Filter für unterschiedlich stark ausgeprägte Schwankungen des Faseranteils im Filtervlies«, betont Kirsch. »Dadurch können wir angeben, bis zu welchem Wolkigkeitsgrad die geforderte Filtereffizienz überhaupt erreichbar ist.« Als aktuelles Beispiel hierfür sieht man in der Grafik die Effizienz eines Filtermaterials für N95-Masken in Abhängigkeit von der Inhomogenität des Vliesstoffes.

ITMW-Methoden unterstützen über die ganze Prozesskette hinweg
Digitale Zwillinge und Berechnungen aus dem Hause Fraunhofer ITWM unterstützen in »ProQuIV« die Prozesse ganzheitlich zu überschauen und besser zu verstehen. Die Produktion der technischen Textilien wird damit nicht nur effizienter, sondern die Vliesstoffe lassen sich virtuell entwickeln, ohne dies vorab in einer Versuchsstätte zu realisieren. So können Produktionskapazitäten bei gleichbleibender Qualität gesteigert werden. Gemeinsam mit langjährigen Partnern aus der Industrie kann die Forschung schnell und effizient in der Praxis zum Einsatz kommen.

Simulationen sparen Textil-Unternehmen Experimente, erlauben neue Einblicke, ermöglichen systematische Parametervariationen und lösen Upscaling-Probleme, die sonst zu Fehlinvestitionen beim Übergang von der Laboranlage zur Industrieanlage führen können. Die virtuelle Umsetzung der Vliesstoffproduktion eröffnet aber auch neue Möglichkeiten zur Optimierung auf anderen Ebenen. So können auch akustische dämmende Vliesstoffe oder auch Hygiene-Vliesstoffe hinsichtlich ihrer Produktgüte genau auf die zu erzielende Materialeigenschaften hin optimiert werden – und das unter Berücksichtigung der auftretenden Prozessschwankungen.

Das Projekt ist Teil des Programms »Fraunhofer versus Corona« der Fraunhofer-Gesellschaft und wurde im April 2021 abgeschlossen. Die Ergebnisse fließen in mehrere Folgeprojekte mit der Vliesstoffindustrie ein.

Seit dem Ausbruch der weltweiten Corona- Pandemie sind die Herstellung und der Handel mit geeigneten Schutzmaterialien wie Atemschutzmasken zu einem Hochrisikobereich für alle Beteiligten geworden.

„Die Qualität und Sicherheit der angebotenen Schutzmaterialien ist aktuell nicht nur erheblichen Schwankungen ausgesetzt, sondern immer häufiger stammen Waren aus zweifelhaften Quellen, sind hygienisch hoch bedenklich, teilweise völlig unbrauchbar“, erklärt Dipl.-Ing. Ralf Scheller, Mit-glied des Vorstands der TÜV Rheinland AG. „Wir stehen weltweit im direkten Kontakt zu Regierungen, Ministerien, kommunalen Behörden oder Unternehmen aus dem Gesundheitssektor und er-fahren immer häufiger von Fällen und Vorkommnissen, in denen Lieferketten schlicht kollabieren und überteuerte Waren nicht ankommen.“

Teilweise steckt dahinter kriminelles Treiben, wenn bespielweise Zertifikate gefälscht oder Waren mehrfach verkauft werden. Die Experten von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) bei TÜV Rheinland werden daher immer häufiger zu Einsätzen vor Ort in den Herstellungsländern gerufen. Sie testen die Schutzmaterialien in ihrem weltweiten Labor-Netzwerk direkt vor Ort, überprüfen Dokumente oder überwachen den Transport der Waren vom Hersteller bis zum Kunden.

Unterstützung und Begleitung von multinationalen Hilfsprojekten
„Seit Beginn der Pandemie unterstützen wir viele multinationale Hilfsprojekte und engagieren uns selbst wie im Kreis Heinsberg, wo wir 9.000 FFP3-Schutzmasken für den intensiv-medizinischen Bereich gespendet haben“, erklärt Scheller. „Auch unsere Kolleginnen und Kollegen in China haben kürzlich durch qualitätssichernde Maßnahmen in der Lieferkette eine Hilfssendung von mehreren Millionen Schutzmasken, Schutzbekleidung und Hand-schuhen sowie vieler Beatmungsgeräte unterstützt, die von einem privaten Spender nach Großbritannien verschickt wurde.“

Bei persönlicher Schutzausrüstung stehen für TÜV Rheinland die Sicherheit und Qualität im Vordergrund. Umso wichtiger ist es, dass Sicherheitskleidung die entsprechenden Anforderungen er-füllen, sodass ihre Schutzfunktion sichergestellt werden kann.

„Unsere Experten führen alle relevanten Prüfungen und Zertifizierungen an persönlichen Schutz-ausrüstungen gemäß PSA Verordnung 2016/425 durch. Durch die langjährige und aktive Gremienarbeit im Bereich PSA sind wir nah am Marktgeschehen und besitzen ein umfangreiches Know-how“, weiß Dr.-Ing. Kristina Fuhrmann, Abteilungsleiterin Textil und PSA bei TÜV Rheinland. „Die so gewonnene Fachexpertise fließt in unsere tägliche Arbeit mit ein und spiegelt sich in umfangreichen Dienstleistungen wider.“ So werden beispielsweise sogenannte „Community Masken“ zahlreichen chemischen und physikalischen Prüfungen nach einer eigenen Prüfgrundlage (2PFG S 0193/04.20) unterzogen und können zusätzlich mit einem TÜV Rheinland-Prüfzeichen (Schad-stoffgeprüft) versehen werden. Community Masken werden überwiegend aus textilen Stoffen gefertigt und dienen als Barriere. Medizinische Masken sowie OP-Masken können hingegen über TÜV Rheinland Greater China getestet beziehungsweise kontrolliert werden. „Unsere Dienstleistungen erstrecken sich auf viele Arten von Schutzkleidung“, so Fuhrmann. Hinzu kommt der große Bereich an Medizinprodukten, wie beispielsweise Beatmungsgeräte.

TÜV Rheinland begleitet auch Arbeitsschutzprojekte in Corona-Zeiten
Geschäfte, Möbelhäuser und Elektromärkte dürfen wieder öffnen, Betriebe nehmen die Produktion wie-der auf – für sie alle gilt: Der Infektionsschutz für die Beschäftigten muss erhöhten Ansprüchen genügen und der normale Arbeits- und Gesundheitsschutz weiterhin erfüllt werden. Den Rahmen für die erweiterten Schutzmaßnahmen steckt der SARS-CoV-2-Arbeitsschutzstandard des Bundesarbeitsministeriums ab. Arbeitgeber sind verpflichtet, für ihr Unternehmen geeignete Maßnahmen festzulegen, umzusetzen und die Kontrolle zu überwachen. Dabei sind die Lösungen so individuell wie die Unternehmen: Gilt es in einem Produktionsbetrieb die Schichtpläne zu entzerren und den Kontakt der Mitarbeitenden zu minimieren, stellen sich in einem Verkaufshaus andere Herausforderungen: Wie können beispielsweise die Kundenströme geleitet werden, um den Mindestabstand zu wahren? Wie werden Kundenberaterinnen und -berater, Kassiererinnen oder Kassierer und Lieferanten geschützt?

„Unsere Experten haben für den SARS-CoV-2-Arbeitsschutzstandard des Bundesministeriums für Arbeit und Soziales einen detaillierten Leitfaden entwickelt, um Unter-nehmen bei der aufwändigen Implementierung der strengen Auflagen zu beraten und zu unterstützen“, erklärt Dipl.-Ing. Norbert Wieneke, Geschäftsfeldleiter Betriebliches Gesundheitsmanagement, Arbeitsmedizin und Arbeitssicherheit bei TÜV Rheinland. Die Vorgaben des SARS-CoV-2-Arbeitsschutzstandards umfassen persönliche, organisatorische und bauliche Hygienemaßnahmen sowie die dazugehörigen Unterweisungen. Sie gehen mit Angeboten für die betriebsärztliche und psychologische Beratung der Mitarbeitenden sowie von Risikogruppen einher und noch deutlich dar-über hinaus. Es liegt in der Verantwortung des Arbeitgebers, Corona-Verdachtsfälle unter Mitarbeitenden zu identifizieren und im Falle einer erkannten Infektion eine Routine zur Pandemievorsorge im Unternehmen zu etablieren. Um dieser umfassenden Aufgabenstellung gerecht zu werden, sind Fachkenntnisse von Arbeitsmedizinerinnen und -medizinern, Fachkräften für Arbeitssicherheit, Betriebspsychologinnen und -psychologen sowie Gesundheitsexperten notwendig. In den interdisziplinären Teams von TÜV Rheinland arbeiten diese Fachleute bereits erfolgreich zusammen und setzen branchenübergreifende Projekte für ihre Kunden um.