Demcon bouwt modulaire mondmaskermachine

In de coronacrisis bleek eens te meer dat Europa afhankelijk is van productie elders. Een schrijnend voorbeeld waren de mondmaskers, waaraan de Nederlandse zorg een groot tekort had. Demcon Industrial Systems nam het initiatief om een modulaire mondmaskermachine te ontwerpen en te bouwen. Uitdagingen lagen in de variëteit aan materialen, de cyclustijd en het ultrasoon lasproces.

Erik Heijdens, Klaus-Gerd Schoeler, Frederik Heller, Edwin Gerritsen
6 oktober

Hartverwarmend waren de initiatieven om in de private en semiprofessionele sfeer mondkapjes te gaan maken. Maar zelfvoorzienend wordt Europa alleen als er regionaal op industriële schaal mondmaskers kunnen worden gefabriceerd. Demcon-directeur Dennis Schipper: ‘De gedachte om zelf een mondmaskermachine te realiseren, is ontstaan door enerzijds het tekort aan mondmaskers in Nederland en anderzijds de kwaliteitsissues die speelden. We werden gebeld door allerlei ziekenhuizen. Toen dachten wij: we gaan dit doen. Dat deze machine een grote diversiteit aan materialen kan verwerken en tegelijkertijd de kwaliteit van de maskers kan borgen, is bijzonder.’

Demcon mondmaskermachine
Ontwerp van de modulaire mondmaskermachine.

Al dit voorjaar zijn we gestart met het ontwerp van een modulaire hoogvolumemachine voor de productie van ademhalingsbeschermingsmaskers (mondmaskers) die zorgprofessionals gebruiken als persoonlijke beschermingsmiddelen. Deze maskers beschermen de drager tegen stofdeeltjes en verschillende virussen in de lucht (zoals Covid-19). Qua materiaalsamenstelling en voorgeschreven filtereigenschappen zijn ze een stuk complexer dan bijvoorbeeld chirurgische mondmaskers. Die zijn voornamelijk bedoeld om de patiënt te beschermen tegen micro-organismen afkomstig van de uitademing van de drager. Daarnaast zijn er ook nog de (goedkopere) niet-professionele maskers in allerlei soorten en maten. Afhankelijk van het type masker worden er verschillende materialen toegepast, zowel geweven als non-woven, van polypropyleen tot cellulose of katoen.

Flexibel en modulair

De machine van Demcon richt zich primair op de productie van gecertificeerde FFP-ademhalingsbeschermingsmaskers (filtering face piece) die aan de EN 149-norm moeten voldoen. De markt voor het benodigde meerlaagse FFP-materiaal is op dit moment erg gespannen vanwege de grote, wereldwijde vraag. Daarom hebben wij de machine zo ontworpen dat er standaardmateriaal vanaf vier (verschillende) rollen kan worden toegevoerd, met de optie voor uitbreiding tot zes rollen. Op deze manier kan de producent ook niet-conventionele materialen toepassen, in een materiaalsamenstelling naar eigen receptuur.

Ontwerpdetail van het stansmes.

Transport van het materiaal – ook wel aangeduid als web – gebeurt met walsen die het web door de machine trekken. Elke module bevat een eigen set walsen omdat voor elke bewerkingsstap de optimale spanning in het web anders kan zijn en dus lokaal moet worden geregeld. Het bepalen van de optimale parameters is een kwestie van trial-and-error per materiaal en processtap. Een machine bevat zo tientallen motoren.

Voor extra flexibiliteit – om een maskerproducent maatwerk te kunnen bieden – is de machine modulair opgebouwd, met voor elke bewerkingsstap een aparte module. Naast de feitelijke productiestappen is er nu een module voor markering; modules voor bijvoorbeeld verpakking en het plaatsen van een beademingsventiel kunnen nog worden toegevoegd. Elke module is voorzien van één motionregelaar, die tot acht assen synchroon kan aansturen. De regelaars communiceren via ethernet met een centrale pc.

Ultrasoon lassen

Een eerste module verzorgt het verbinden van de laagjes. De norm voor FFP-maskers schrijft voor dat de materialen op elkaar moeten worden gelast en dat er dus geen naaiproces mag worden gebruikt. Op de gewenste plekken worden de laagjes op elkaar geperst, waarna ultrasone transducers energie inbrengen die voor plaatselijk smelten en dus lassen van het materiaal zorgt. Eenzelfde proces is er voor de bevestiging van de elastische draagbanden. Vanwege de ergonomie hebben we gekozen voor bevestiging om het hoofd en dus niet achter de oren.

De mondmaskermachine in opbouw.

De geschiktheid voor ultrasoon lassen bepaalt of een (filter)materiaal de maskerfabricage haalt. Een belangrijke ontwerpvraag was of het ultrasoon lassen on the fly, dus op een doorlopend web, of in een start-stopproces moet plaatsvinden. Die tweede optie blijkt voor een betere procesbeheersing te zorgen en levert dus een betere laskwaliteit. Het proces is namelijk afhankelijk van druk, tijd en vermogen. In een continu proces is het lastig om de druk gelijk te houden in het lasgebied, vanwege de variatie in onder meer materiaaldikte en lasoppervlak. Met een start-stopsysteem zijn deze procesparameters gemakkelijker te beheersen omdat de gehele lascontour in één keer wordt gelast.

Dit start-stopproces stelt natuurlijk extra eisen aan de besturing, met name aan de synchronisatie tussen de verschillende modules. Reden waarom die via digitale, hard-wired i/o verloopt. Zo hebben we de cyclustijd tot 1,5 à 2 seconden weten te beperken. Dat is mede te danken aan het mechanische concept voor de machine, waarin zo veel mogelijk functies zijn opgesplitst, zodat processtappen parallel kunnen worden uitgevoerd. Bij 24/7-productie levert een machine zo’n veertig- tot zestigduizend maskers per dag af.

Andere modules verzorgen onder meer het vouwen van het materiaal en het op maat snijden van de maskers. Het snijden gebeurt met een roterend stansmes, de beste optie voor het beheersen van de webspanning en het beperken van de cyclustijd. Een visionsysteem verzorgt de kwaliteitscontrole, waardoor dit geen taak meer is voor de operators. Zo is automatische kwaliteitscontrole standaard onderdeel van de productie van de hoogwaardige maskers.

Op het moment van schrijven zijn de assemblage en het testen van een eerste systeem nagenoeg afgerond. We zijn in gesprek met meerdere geïnteresseerden om grootschalig mondmaskers in Nederland te produceren.

Erik Heijdens (systeemengineer) en Edwin Gerritsen (businessdeveloper) werken voor Demcon Industrial Systems in Enschede. Klaus-Gerd Schoeler (hoofd ontwikkeling besturingstechnologie) en Frederik Heller (directeur) zijn verbonden aan Demcon Systec Industrial Systems in Münster.