[論文レビュー] Project 1000 x 1000: Centrifugal melt spinning for distributed manufacturing of N95 filtering facepiece respirators

Anton Molina, Pranav Vyas+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2020

Additive Manufacturing and 3D Printing Technologies参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、改造したキャンディー・マシンを用いた遠心射出スピンニング（CMS）を用いて、分散型で低コストな方法でN95フィルターフェイスピースリスピレーター（FFR）のフィルターマテリアルを製造する手法を提案している。この技術により、0.30–0.49 µmの粒子に対して最大96％のフィルトレーション効率を達成するポリプロピレン不織布繊維が得られ、1サイト6台のマシンを用いて200カ所の拠点で1日あたり100万個のFFRをスケーラブルかつモジュラーに生産可能であり、パンデミック期における世界的なN95不足の解決策として実用的である。

ABSTRACT

The COVID-19 pandemic has caused a global shortage of personal protective equipment. While existing supply chains are struggling to meet the surge in demand, the limited supply of N95 filtering facepiece respirators (FFRs) has placed healthcare workers at risk. This paper presents a method for scalable and distributed manufacturing of FFR filter material based on a combination of centrifugal melt spinning utilizing readily available cotton candy machines as an example. The proposed method produces nonwoven polypropylene fabric material with filtering efficiency of up to 96% for particles 0.30-0.49 μm in diameter. We additionally demonstrate a scalable means to test for filtration efficiency and pressure drop to ensure a standardized degree of quality in the output material. We perform preliminary optimization of relevant parameters for scale-up and propose that this is a viable method to rapidly produce up to one million N95 FFRs per day in distributed manner with just six machines per site operating across 200 locations. We share this work as a starting point for others to rapidly construct, replicate and develop their own affordable modular processes aimed at producing high quality filtration material to address the current FFR shortage globally.

研究の動機と目的

• コロナ禍期における、特にリソースが限られた地域でのN95フィルターフェイスピースリスピレーター（FFR）の世界的な不足を解消すること。
• 入手可能な低コスト設備を用いて、高効率なFFRフィルターマテリアルのスケーラブルかつ分散型の製造方法を開発すること。
• 現地で生産された材料のフィルトレーション効率と圧力損失を標準化されたテストにより品質管理を実施すること。
• 工業用射出ブローイング装置が不要な状況下でも、ポリプロピレンを用いた遠心射出スピンニング（CMS）がN95レベルの性能を達成できることを示すこと。
• モジュラーかつ再現可能なプロセスを用いて、地域コミュニティでのFFR生産を迅速に展開可能とすること。

提案手法

• 商業用キャンディー・マシンを遠心射出スピンニング（CMS）装置として用い、高速回転により溶融ポリプロピレンを細繊維に抽出した。
• 収集ドラムにバンデグラーフ発電機を接続し、静電気的充電（e-CMS）を誘発し、安定状態での電圧が約−18 kVに達した。
• 高電圧源（4800 V）と点電極を用いてコロナ充電を実施し、静電気的寄与度を評価した。
• 表面電荷密度を測定するために、装置固有のキャリブレーション係数（α = 3.6×10⁻¹⁴）を用いた表面ドレイン電圧計を用い、式 Q/A = αVf(f−1) に従い、f = √(1 + D²/(4L²)) を適用した。
• ハンディ型粒子カウンター（Lighthouse 3016）を用い、香りのついたろうそくを粒子源として使用し、2.83 L/minの空気流量でフィルトレーション効率を測定した。
• 質量流量メーター（SFM3300）と圧力センサー（Honeywell HSCDANN005PGSA3）を用い、4.00 L/minの空気流量で圧力損失を測定し、Arduino Megaマイコンを介してデータをログ記録した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャンディー・マシンのような低コストで広く入手可能な設備を用いた遠心射出スピンニングにより、N95レベルのフィルトレーション効率を達成するポリプロピレン不織布繊維を製造可能か？
• RQ2 e-CMSやコロナ処理による静電気的充電は、CMSで得られたポリプロピレン繊維のフィルトレーション性能をどの程度向上させるか？
• RQ3 フィルトレーション効率と圧力損失を標準化された低コストプロトコルで現地レベルで実施可能であり、材料の品質を保証できるか？
• RQ4 回転速度、電圧、材料供給速度などの主要プロセスパラメータは、スケーラブルかつ分散型のFFRフィルターマテリアル生産を最適化するためにどのように調整可能か？
• RQ5 1サイト6台のマシンを用いて200カ所の拠点で、1日あたり100万個のN95 FFRを分散型CMS製造により達成することは可能か？

主な発見

• 改造したキャンディー・マシンを用いた遠心射出スピンニングにより、0.30–0.49 µm粒子に対して最大96％のフィルトレーション効率を達成するポリプロピレン不織布繊維が得られた。
• e-CMS（−18 kV）による静電気的充電がフィルトレーション性能を顕著に向上させ、提示されたキャリブレーション式を用いて表面電荷密度を1.2×10⁻⁷ C/cm²と推定した。
• 4800 Vで30分間のコロナ充電により表面電荷が増加したが、それ以上の改善は得られず、飽和状態に達したことが示された。
• トリアボ電気的充電の実験から、金属やカーボン紙はポリプロピレンに負の電荷を付与する一方、ポリスチレンは正の電荷を付与することが分かった。
• フィルターマテリアルの圧力損失は4.00 L/minの空気流量で測定され、キャリブレーション済みセンサーとマイコンを介してデータ収集が行われ、標準化された性能評価が可能となった。
• 提案手法により、1サイト6台のCMSマシンを用いて200カ所の拠点で、1日あたり100万個のN95 FFRをスケーラブルかつ分散型に生産可能であり、中央集権的な産業生産の代替手段として実用的である。