为了帮助解决持续的个人防护设备 (PPE) 短缺问题，位于安大略省的纳米纤维制造商 BIG-nano 与雷尼绍合作，使用增材制造 (AM) 为防护口罩创建了本地供应链。

BIG-nano 开发了一种用于生产纳米纤维的精细液体吹塑技术，使其能够以可承受的成本更轻松地扩大生产规模。雷尼绍使用其位于加拿大的 RenAM 500Q 系统之一，为喷液工艺构建了一种新型钛喷嘴，能够生产 N99 质量的织物，同时降低维护成本和停机时间。

背景

2018 年，BIG-nano 开发了一种新型气体辅助喷射工艺来制造纳米纤维——直径在纳米范围内的聚合物纤维。它的技术将高速气体流过针头，同时将聚合物液体溶液加速到同一喷嘴的尖端。两股流相互作用，使聚合物从熔融状态变为纤维状态，并产生聚乙烯（乙烯醇）非织造纤维垫。

纳米纤维在药物输送系统、医疗植入设备、水和空气过滤以及防护服应用中越来越受欢迎。在 COVID-19 导致医护人员 PPE 短缺之后，BIG-nano 看到了做出贡献的机会。

N95 和 N99 口罩使用聚合物纤维的细网过滤颗粒生产，被视为医护人员和其他医疗急救人员的黄金标准。为了符合标准，这些面罩必须确保空气中颗粒的过滤率为 95% 和 99%，从而保护用户免受 COVID-19 的侵害。纳米纤维在实现高百分比的颗粒过滤方面特别有效。

BIG-nano 的联合创始人 John Rawlins 解释说：“冠状病毒大流行向世界各国表明，为了国家利益，应该在本地制造一些 PPE 等产品。” “世界各地的供应链以一种没有人预料到的方式崩溃了。加拿大政府呼吁以对我们感兴趣的社区安全的方式在当地开展 PPE 工作。这是我们可以做的直接而好的事情，所以我们加强了这一挑战。”

挑战

BIG-nano 面临的最初挑战是使其技术在大规模制造中切实可行，同时保持 N95 纳米纤维的质量。 BIG-nano 的第一个设备设计是整体式的，这意味着单个组件发生故障将需要昂贵的维护和整个机器的停机时间。特别是，喷嘴必须承受巨大的压力和温度变化，这导致团队优先考虑重新设计。

“喷嘴由加热空气的压缩机系统和熔化聚合物的挤出机组成，”约翰罗林斯解释说。 “然后将该聚合物带入挤出机与加热的气体相遇。喷嘴负责将聚合物从熔融状态加工成纤维状态，它确实是整个系统的核心。”

“我们最初的设计非常高效，这使我们能够以超细纤维的价格制造纳米纤维。缺点是它以非常规的方式排列，”罗林斯继续说道。 “我们的设计也非常复杂，这意味着我们必须与在热力学以及加压和加热流体方面具有经验的工程合作伙伴合作。”

在接触雷尼绍时，BIG-nano 强调了可扩展性、易于维护和一致质量的重要性。此外，推动N95口罩制造的紧迫因素也意味着该项目必须尽快完成。

“雷尼绍带来了我们内部没有的宝贵的增材制造专业知识，使我们能够快速为新喷嘴设计生产原型，尽管它们很复杂。”

BIG-nano（加拿大）

解决方案

“我们意识到为我们的喷射过程加工喷嘴意味着我们无法及时完成项目，因此我们寻求增材制造的解决方案，”罗林斯分享道。 “雷尼绍带来了我们内部没有的宝贵的增材制造专业知识，使我们能够快速为新喷嘴设计生产原型，尽管它们很复杂。”

“BIG-nano 向我们展示了一个具有挑战性但显然很有价值的 AM 应用项目，”雷尼绍增材应用专家 Carl Hamann 解释说。 “我们面临着生产新原型以改进具有复杂内部几何形状的设计的时间压力。我们选择使用 RenAM 500Q 机器，因为多激光系统将使构建速度提高四倍。”

RenAM 500Q 具有四个高功率 500 W 激光器，可以处理整个构建板。该机器还配备了自动化粉末和废物处理系统，可实现一致的过程质量。雷尼绍的系统完全符合 BIG-nano 的要求，使工程师能够最大限度地缩短构建时间并确保一致的零件质量。

“我们不能采用机器的原始设计并直接使用 AM 制造它。它太大了，由许多更容易加工的大块金属组成，”哈曼继续说道。 “相反，我们选择了最能带来好处的组件，并为 AM 工艺重新设计它们。这导致我们将机器的设计更改为模块化设计，可以无限期地拆卸和改装 AM 零件。”

模块化设计为时间敏感的制造带来了显着优势，就像喷嘴会随着时间的推移而失效或磨损，可以使用 AM 快速构建并安装替代品。这可以减少维护成本和整体停机时间。此外，N95 是一个难以达到的标准，因此要使纳米纤维始终达到该质量，喷嘴必须耐磨。这促使雷尼绍生产钛合金零件，以进一步减少维护。

“为了快速从一个迭代到下一个迭代，我们用铝制原型测试了组件。这使我们能够在短短三周内设计、生产、测试和改进三个迭代，”Hamann 解释说。 “这带来了一些新的挑战，因为铝比钛更容易受到热膨胀的影响。冷热温度的循环对工具造成了影响，但幸运的是，快速原型制作使我们能够找到更好的方法来循环聚合物和气体。”

“喷嘴每次迭代的周转给我留下了特别深刻的印象。在三周内，我们实现了原本可能需要长达九个月的时间，”罗林斯分享道。 “每个过程都有不稳定性；我们设计的核心方面是了解它们将如何影响最终产品，并最大限度地减少可能阻止我们达到 N95 质量的任何因素。对我们来说，实现这一目标的速度比预期快 9 倍以上是前所未有的.”

结果

雷尼绍和 BIG-nano 仍在合作完善系统。该团队的目标是使喷嘴更大，以增加纳米纤维的吞吐量并允许更大批量的口罩生产。

“虽然我们最初的目标是 N95 质量，但我们改进的 AM 设计可以生产 N99 纳米纤维，”罗林斯解释说。 “这是一个非常受欢迎的惊喜，因为我们最初关注的是以可扩展的方式保持 N95 的质量。它展示了增材制造原型的有效性。”

“我们现在正在审视 PPE，并考虑纳米纤维可以造福社会的新应用。冠状病毒将对室内空间构成挑战，因为人们似乎最有可能在密闭空间中感染它。对于供暖、通风和空调 (HVAC) 设备以有效保护办公空间中的工人，必须对其进行大幅升级。虽然这样做可以通过硬件改进来实现，但我们认为通过在当前过滤系统中改造纳米纤维，我们可以实现可比的结果。这可以为用户节省大量的硬件成本。”罗林斯总结道。