弗劳恩霍夫工业数学研究所 (ITWM) 开发了一个工具箱，用于模拟和优化过滤器非织造布质量。杰西卡欧文报道。

由于 Covid-19，口罩产量在过去几年急剧增加。

根据 EDANA 的数据，与大流行前相比，仅欧盟（并不以制造口罩而闻名）2020 年的产量就增加了 20 倍——这相当于每月生产 15 亿个三层口罩。

但是，尽管口罩生产商对大流行的快速反应应该受到赞扬，但质量很可能因此而受到影响。毕竟，严重缺乏供应意味着这是许多公司第一次生产这种商品。

这就是为什么在 2020 年 5 月，德国弗劳恩霍夫工业数学研究所 (ITWM) 的一个跨部门团队决定启动 ProQuIV（非织造感染防护服的生产和质量优化）项目——以提高熔喷非织造布的质量和帮助生产者优化流程。

量化同质性

该项目的第一步是模拟熔喷非织造布制造过程，以定量测量最终织物的均质性——这是一个极大地影响织物质量和过滤效率的因素。

Fraunhofer ITWM 过滤和分离团队负责人 Ralf Kirsch 博士说：“可以说，均质无纺布的‘美丽’与其提供的保护密不可分。”

模拟这一过程具有挑战性，因为熔喷过程非常复杂：熔融聚合物被迫通过喷嘴进入向前流动的高速流，然后在高度湍流的气流中拉伸和冷却，然后铺设成网。Steiner 说，所有纤维都具有不均匀的直径并且以随机方式铺设，因此材料的基重总是存在波动。

也就是说，这些参数最终作为数字双胞胎集成到模拟中。为此，拍摄了真实过程的图像以确定纤维分布等因素，并使用先前验证的模型来确定气流和其他参数。 

Steiner 说：“整个链条都可以在计算机中进行模拟。因此，最终您将拥有一个可以像机器一样控制流程的模型。”

接下来，研究人员拍摄了形成的非织造织物的图像，并使用图像分析技术来量化均匀性，也称为“混浊度”。混浊指数 (CLI) 描述了与局部基重及其方差互补的同质性，并且可以选择进入计算的频率，以便 CLI 对特定应用领域有意义。

Kirsch 解释说：“在对给定的非织造材料进行校准后，图像数据与非织造布的克重分布相关联。因此，例如，像素的某个灰度级代表每平方英寸克数的某个值。”

他补充说：“一旦您获得克重分布信息，您就可以指定诸如局部流阻和效率之类的属性。由此您可以推断出与材料的均匀性有关的整体过滤效率。”

该团队使用图像分析技术来量化同质性

优化

开发的数字孪生和计算还帮助团队了解熔喷工艺中的哪些生产参数与均匀性相关。这意味着他们可以调整不同的因素，看看它们如何影响最终生产的无纺布。这几乎就像是生产优质材料的备忘单。

Kirsch说：“在大流行之前，很多公司都没有生产口罩的经验，他们无法满足透气性和防护等级的要求。我们的开发现在可以帮助这些人控制流程，以实现不同的材料和不同级别的保护。”

ProQuIV 工具不仅可以提高质量，还有助于节省浪费、时间和金钱。例如，一旦模拟预测过滤效率水平存在故障，就可以重新配置流程。

Kirsch 补充道：“我们的目标是，生产商在做出反应和调整工艺参数之前，只损失几米的非织造材料。这在材料供应成为问题的大流行中尤为重要。”

此外，由于所有这些都可以虚拟完成，因此节省了可能在测试设施中用于升级过程的时间。放大到真实机器是开发过程中一个耗时且经常出现问题的步骤，因为真实机器的操作与测试工厂略有不同。但通过这种方式，公司可以快速跟踪测试和生产能力，同时保持甚至提高质量。

Steiner 说：“你可以模拟测试，看看是什么对过程产生了影响。例如，您可能需要增加气流或改变加热。所有这些都可以提前进行预计算和优化，以便在真机上实现。”

参数已作为数字孪生集成到模拟中

获取工具箱

Fraunhofer ITWM 开发的工具箱正是这样一个工具箱。它不适用于任何机械或应用（例如，它还可以用于卫生或液体过滤）。取而代之的是，需要进行调整并需要校准程序来优化特定公司流程的模拟和模型。

Steiner 说：“您必须为每台机器、每道工序、每一种材料和您想要的每项功能调整因素。因此，我们进行咨询项目和研究，以根据特定需求调整这些工具。公司已经对这项技术感兴趣，并且真的想利用它取得成功。我们正在与几家非织造布生产商合作，并与一家机器制造商保持联系。”

Kirsch 补充道：“是的，对于熔喷机的生产商来说，这是一个非常有趣的工具，因为它可以帮助客户相信最终产品具有所需的质量。”

或者，可以将工具箱许可给公司。尽管 Steiner 和 Kirsch 提出了不同的建议，因为公司可能首先需要 Fraunhofer ITWM 提供的实验调查、产品质量保证和科学专业知识。

未来能力

展望未来，Kirsch 和 Steiner 希望将充电过程本身包含在数字孪生中，以便优化和控制生产的这一重要部分。

Kirsch 说：“我认为未来人们对了解静电充电的兴趣将会真正提高。个人防护业务新手的主要失败之一是他们没有正确地为防护口罩充电。因此，我们看到了改进和优化此过程的空间。”

Kirsch 说，这个项目提出了几个挑战，因此可能需要一年或更长时间才能量化此功能。例如，人们需要弄清楚如何在如此小的尺度上测量纤维的电荷，如何验证实验以及如何开发一种方法来测量这些因素而不破坏电荷。

该团队希望未来将充电过程包含在数字孪生中

Kirsch 补充道：“这是真正的多物理场，因为你需要考虑很多。这需要一些时间，但现在是开始的正确时机，因为静电荷及其对保护水平的影响至关重要。”

由于带电纤维提高了防护等级，您可以将无纺布设计得更轻、更透气——这一改进可以鼓励更多人戴口罩。

Kirsch 补充说：“透气性是不戴口罩最广为人知的论据之一，尤其是对于那些必须在整个轮班期间戴口罩的人。”

事实上，施泰纳表示，该团队即将启动一个项目，该项目将使用 ProQuIV 技术设计和制造新一代改进型口罩。

除了 ProQuIV，Steiner 和 Kirsch 表示，他们还希望在未来探索与非织造布机械性能相关的许多其他领域。测量柔软度是一种方法，另一种方法是纤维之间的摩擦如何影响粘合剂。Kirsch 说，如果他们能够仅使用少量参数对所有这些因素进行建模和模拟，“这将是梦想成真”。

在其他地方，可持续性是团队越来越多地遇到的问题。他们参与模拟新纤维，例如合成纤维的生物基、回收和碳中性替代品，以了解如何优化这些非织造布的制造。

Kirsch 总结道：“用于过滤和其他应用的非织造布设计创新肯定会受益于合适的数字技术。在某些应用领域，竞争来自不锈钢编织过滤材料或膜，这可能会影响非织造布及其几十年来主导的行业。”