Als sich die COVID-19-Pandemie im Jahr 2020 weltweit rasch ausbreitete, überstieg die Nachfrage nach N95-Gesichtsmasken bald das Angebot. Globale Lieferketten brachen zusammen. Und die Länder, die zuvor den Großteil ihrer Masken importiert hatten, mussten bald feststellen, dass sie nicht über ausreichende inländische Produktionskapazitäten verfügten, um den Bedarf der medizinischen Gemeinschaft zu decken.
Meltblown-Vliesstoff ist eine wichtige Komponente von N95-Gesichtsmasken sowie von filtermaterialien. Das aus Polypropylen hergestellte Hochleistungsmaterial ist darauf ausgelegt, strenge Filteranforderungen zu erfüllen.
"Zu unseren Fachgebieten gehört die Verarbeitung von Vliesstoffen, einschließlich Meltblown-Produktionsstraßen", sagte Michael Pappas, Präsident von Catbridge Machinery. "Unser Unternehmen hat sich schnell an die Arbeit gemacht, um ein Paket zu schnüren, das helfen könnte, Materialengpässe zu beheben."
Mit Hauptsitz in Montville, New Jersey, Catbridge Machinery ist ein weltweit führender Anbieter von Maschinen für die Materialbahnverarbeitung und einzigartigen schlüsselfertigen Lösungen. Derzeit ist das Unternehmen der einzige Anbieter von schlüsselfertigen Meltblown-Produktionsstraßen mit Sitz in Nordamerika.
Fachwissen in die Praxis umsetzen
Schon lange vor der Pandemie hatte Catbridge Machinery sowohl kompakte als auch mehrstrahlige Meltblown-Anlagen im Portfolio. Darüber hinaus hatte das Unternehmen eine kleine Pilotstraße für Messen entwickelt, die die Schlüsselelemente des Prozesses enthielt.
"Es gibt immer einen gewissen Grad an Individualisierung in unseren Lösungen", sagte Pappas. "In diesem Fall haben wir unsere bisherigen Arbeiten genutzt, um ein Paket speziell für N95-Maskenmaterial zu schnüren."
Um die typischen Standards für Filtermaterialien zu erfüllen, schnürte das Unternehmen ein Paket mit einer Materialbahnbreite von 1.6 m (5.2″). Die schlüsselfertige Produktionsstraße umfasst sowohl Zwischengeschoss- als auch Anlagenebene – und beinhaltet Extrusionsverfahren, das Meltblown-Formungssystem, Materialbahnverarbeitungsausrüstung, alle mechanischen Verbindungen, ein Steuerungspaket und elektrische Schaltschränke.
Komplexer Prozess
Der Prozess beginnt auf der Zwischengeschossebene, wo Polypropylenpellets in den Extruder gegeben werden, der das Material auf etwa 240 °C (470 °F) erhitzt. Ein einzelner „Strahl“ aus verflüssigtem Polymer wird durch eine Düsenbaugruppe gepumpt, die eine Reihe winziger Löcher aufweist.
Gleichzeitig wird auf beiden Seiten der Lochaustrittspunkte heiße Luft mit hoher Geschwindigkeit geblasen, um die Fasern zu strecken oder zu verfeinern. Während die Filamente abkühlen, werden sie zu einem Vakuumtisch und Materialbahnverarbeitungsausrüstung auf der unteren Ebene gezogen.
"Wir sprühen kontinuierlich extrem dünne Polymerstränge auf den Vakuumtisch, um eine Materialbahn zu erzeugen", erklärte Pappas. "So entsteht ein filtermaterial, das Luft durchlässt, aber auch viele Partikel auffangen kann."
"Um die Filterung zu optimieren, wird die Materialbahn auch statisch aufgeladen", ergänzte Pappas. "Dadurch erhält das Material eine statische Haftung, um noch mehr Partikel einzufangen."
Das Material wird schließlich transportiert, geschnitten und für den Versand aufgewickelt.
Leistungsstarke Steuerung – an der Quelle
Die Meltblown-Produktionsstraße läuft auf einer Rockwell Automation-Steuerungsplattform mit Allen-Bradley GuardLogix®-Sicherheitssteuerungen und Allen-Bradley Kinetix®-servoantrieben und servomotoren. Das System ist in ein EtherNet,IP™-Netzwerk integriert.
"Typischerweise haben wir für unsere Maschinen-Bedienerschnittstelle Grafikterminals verwendet", sagte Pappas. "Aber in diesem Fall haben wir uns für Allen-Bradley ASEM™-Industrie-PCs und -Monitore entschieden."
Robuste ASEM-Produkte bieten mehr Rechenleistung an der Quelle der Anwendung – und mehr Flexibilität darin, was von einem Bildschirm aus abgerufen und verwaltet werden kann. In diesem Fall läuft auf dem System FactoryTalk® View Site Edition (SE) HMI-Software, die die Anforderungen mehrerer Interessengruppen erfüllt.
Bediener können problemlos auf Anzeigebildschirme, Alarme und systemweite Diagnose zugreifen. Und Wartung und Engineering können schnell Anwendungen entwickeln und das System einfach warten.
Die Schönheit von Modularität – und Agilität
Neben dem Paket einer schlüsselfertigen Produktionsstraße, die den unmittelbaren Bedarf an N95-Maskenmaterial decken konnte, konzentrierte sich Catbridge auf einfache Erweiterbarkeit und Maschinen-Flexibilität.
"Die gesamte Balkenbaugruppe auf der Zwischengeschossebene wurde so gebaut, dass sie unabhängig, modular – und einfach erweiterbar ist", sagte Pappas. "Unsere Kunden können einfach Polymerstrahlen und Formtische hinzufügen, um die Kapazität zu erhöhen oder einzigartige Mischungen zu produzieren."
Tatsächlich hat der Kunde, der die erste N95-Masken-Produktionsstraße gekauft hat, bereits gefragt, wie er einen zweiten Strahl hinzufügen kann, um die Leistung zu steigern.
Die Meltblown-Produktionsstraße ist auch für eine einfache Umrüstung ausgelegt.
"Viele der Menschen, mit denen wir in der Vergangenheit zusammengearbeitet haben, produzieren nicht ausschließlich ein Produkt", sagte Pappas. "Sie könnten an Material für die Luftfilterung in der Automobilindustrie, an saugfähigen Tüchern und Masken arbeiten – und jedes dieser Produkte hat spezifische Faseranforderungen."
Die Verarbeitung eines anderen Produkts erfordert in der Regel eine Änderung der Düsenkonfiguration. Typischerweise ist die einzige mechanische Änderung das Entfernen und Ersetzen der Düsenspitze. Alle anderen Anpassungen erfolgen durch Änderung des Rezepts über die Bedienerschnittstelle.
"Die COVID-19-Pandemie war für viele von uns eine Achterbahnfahrt", sagte Pappas. "N95-Masken sind immer noch knapp, aber was wird zur Norm? Wir wissen es einfach nicht. In diesen unsicheren Zeiten ist Maschinen-Flexibilität genauso wichtig wie Leistung."