Medizinische Schutzmasken

Michael Butler, Key Accounts Manger, Medical, für Branson Welding & Assembly bei Emerson/pb,

Mit Ultraschall-Kunststoffschweißen gegen die Pandemie

Als die Pandemie 2020 im vollen Gange war, sah sich Health and Social Care Northern Ireland (HSCNI) mit einer kritischen Knappheit von persönlicher Schutzausrüstung (PSA) konfrontiert, vor allem medizinischer Schutzmasken. Um den Druck auf den medizinischen Sektor des Landes zu senken, erwog der nordirische Gesundheitsminister Robin Swann die Möglichkeit, dass regionale Hersteller die Versorgungslücke schließen. Die Denroy Group, ein Spritzgussunternehmen in Bangor, Nordirland, nahm sich des Anliegens von HSCNI an.

Die Qualitätssicherungstechnikerin Lisa McBride (re.) demonstriert Denroy-Produkte für die Wirtschaftsministerin Diane Dodds (ganz li.), den Gesundheitsminister Robin Swann (zweiter v. li.), den Chief Executive of Invest NI Kevin Holland und den Unternehmenschef der Denroy Group Kevin McNamee. © Emerson

Nach der Vorstellung eines frühen Designs für eine medizinische Schutzmaske und einer Feedbackrunde mit medizinischen Fachleuten Ende 2020 segnete HSCNI Denroys Vorschlag ab und erteilte einen Auftrag über eine Million Masken im Wert von 19,5 Millionen Pfund. Der Vertrag war an die Bedingung geknüpft, dass Denroy die Masken nach den Anforderungen der britischen Normungsorganisation BSI und den Conformité-Européenne-Maßgaben (CE) zertifizieren lassen und sie bis zum Sommer 2021 von einer neuen Produktionsstätte ausliefern könnte.

Das Produktdesign nahm schnell Form an

Medizinisches Personal, das Covid-19-Patienten behandelt, benötigte medizinische Schutzmasken, die dicht mit dem Gesicht abschließen und eine hocheffektive Filtration von Aerosolen und Partikeln gewährleisten. Die CE-Standards sehen zwei Typen vor: FFP2-Masken (Atemschutzfilter) bieten eine Filtration von mindestens 94 Prozent der Partikel und Tröpfchen und ermöglichen ein Eindringen von höchstens 8 Prozent der Umgebungsluft (vergleichbar mit den N95-Masken des National Institute for Occupational Safety and Health NIOSH), während für FFP3-Masken eine Partikelfiltration von 99 Prozent und eine maximale Leckage von nur 2 Prozent gelten.

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"Um die BSI- und CE-Zertifizierung zu erhalten, muss die Maske strenge Prüfkriterien zur Filtration, Atmungsaktivität und zu CO2-Werten auf der Innenseite erfüllen", gibt der Unternehmenschef von Denroy, Kevin McNamee, an und fügt hinzu, dass sie auch Tragekomfort bieten, die Sicht nicht behindern und leicht anzulegen sein muss. Den Fachleuten aus dem medizinischen und klinischen Bereich sowie dem Einkauf bei HSCNI seien Ratschläge "von unschätzbarem Wert" zu verdanken, die Denroy dabei geholfen hätten, das Design der medizinischen Schutzmaske Denpro FFP3 zu finalisieren.

Während bei typischen FFP3-Masken auf eine warmverformte Hülle aus Filtermaterial gesetzt wurde, ist die Denpro-Maske um eine leichte, im Spritzgussverfahren hergestellte Unterkonstruktion herum aufgebaut, an der vier verstellbare Elastikbänder befestigt sind. Auf die eine Seite der Konstruktion ist eine weiche Filterschale aus vier Vliesstoffschichten aufgeklebt, auf die andere eine bequeme, sich an die Gesichtsform anpassende Schaumdichtung aus thermoplastischem Elastomer (TPE). Diese Kombination verleiht der Denpro-Maske eine gute Passform, Tragekomfort für den ganzen Tag und eine hocheffektive Filtration.

Herausforderungen bei der Herstellung

Ultraschall-Schweißmaschine Branson GSX-E1. © Emerson

Die Covid-19-Notlage lastete schwer auf den Schultern des Produktentwicklungs- und Produktionsteams. "Bei der Planung der Herstellungsverfahren, der Maschinenspezifikation und des Anlagenlayouts haben wir buchstäblich mit einem weißen Blatt begonnen", sagt McNamee und fügt hinzu, dass die Produktion von den Mitarbeitern die Nutzung einer neuen Technologie erforderte, dem Ultraschallschweißen von Kunststoffen. Dieses Verfahren war für das schnelle, automatisierte Zusammenfügen verschiedener Kunststoffe und der Filtermaterialien aus Vlies zu fertigen medizinischen Masken notwendig. Hilfe erhielt Denroy von HTE Engineering Services (Dunboyne, Irland), einem Hersteller automatisierter Montagesysteme mit Anlagen zum Kunststoffschweißen. "Denroy trat mit einem Prototypen für ein Maskendesign an uns heran – einem Filter, der mit einer im Spritzgussverfahren gefertigten Unterkonstruktion und einer Elastomerdichtung für das Gesicht verbunden war. Das Unternehmen bat uns um Hilfe bei der Entwicklung automatisierter Verfahren und Fertigungsmittel zur Montage dieser Teile zu fertigen Masken mithilfe von Ultraschallschweißen", sagt Patrick Wood, der Geschäftsführer von HTE. "Bei täglichen Meetings über mehrere Wochen hinweg, in denen mehrere Iterationen von Denroy durchgeführt wurden, entwickelten und evaluierten wir Lösungen und Fertigungsmittel für die Schweißverfahren und Anlagenkonfigurationen, während das geplante Design und die Materialien Gestalt annahmen."

Iterative Annäherung an das Resultat

Das Maskenkonzept mit der Unterkonstruktion bot eine ausgezeichnete Filtrationsleistung und Atmungsaktivität. Zugleich resultierte aus der Schalenform eine große Oberfläche aus Vliesstoff als Filtermaterial. So hatten die Produktdesigner zu entscheiden, wie das Filtermaterial in die Schalenform gebracht werden sollte, wie viele Schweißpunkte nötig wären, um die Materialschichten miteinander zu verbinden, und ob der Filter durch Schweißen an der Unterkonstruktion befestigt werden könnte. Auch der Einsatz von geformtem TPE-Schaum für die Berührungsfläche mit dem Gesicht, der entscheidend für Passform und Tragekomfort war, erforderte eine intensive Entwicklungsarbeit in Sachen Programmierung der Schweißanlagen und Werkzeugbestückung. Es sollte ein Ultraschallschweißverfahren realisiert werden, das den weichen Teil mit hoher Wiederholgenauigkeit mit den Konturen des Kunststoffrahmens der Maske verkleben könnte.

Es begann ein Produktionslauf mit geringem Volumen unter Einsatz eines manuellen Schweißverfahrens mit mehreren Ultraschallschweißanlagen des Typs Branson 2000 Xc von Emerson. Nach weiteren Optimierungen wurde die Produktion mit vier fertiggestellten Montagemaschinen der zweiten Generation hochgefahren, die jeweils mithilfe von vier integrierten Branson-2000-Xc-Ultraschallschweißanlagen und maßgeschneiderten Schweißwerkzeugen Masken fertigten. Da weitere langfristige Maskenbestellungen erwartet wurden, arbeitete HTE laut Wood mit Denroy an einer dritten Generation von Produktionsanlagen, bei denen eine automatische Zuführung und vollautomatisierte Fertigungszellen zum Einsatz kommen sollen.

"Die Entwicklung und CE-Zertifizierung der FFP3-Maske, die Werkzeugbereitstellung, die Planung der Fertigungsmaschinen und der Bau einer komplett neuen Produktionseinrichtung erfolgten in kürzester Zeit, sodass nur fünf Monate vom Konzept bis zur Fertigung des Produkts vergingen. Die FFP3-Fabrik, in der 150 Personen arbeiten, ist nun voll in Betrieb und hat eine jährliche Kapazität von über zehn Millionen Denpro-Masken", resümiert McNamee.

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