In Zukunft kann jede und jeder eine FFP2-Maske tragen, die sich der Gesichtsform anpasst – bequem, dicht und noch dazu recyclingfähig.
Die Voraussetzungen dafür sind jedenfalls seit dem kürzlichen Abschluss des Projekts «Bestcomfort» am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle an der Saale (D) gegeben.
FFP2-Masken sind in der Corona-Pandemie der breiten Öffentlichkeit bekannt geworden. Sie boten Schutz vor luftgetragenen Krankheitskeimen, doch zuweilen sassen sie nicht ganz richtig, liessen «Luftlöcher» und drückten an bestimmten Stellen, den einen hier den anderen dort. Denn wie gut die Standard-FFP2-Maske schützt und sitzt, hängt von der Gesichtsform des Trägers ab.
«Drückt und sitzt nicht richtig» gibt es nicht mehr
Auch aus der Medizin und dem industriellen Arbeitsschutz sind FFP2-Masken nicht wegzudenken. Sie bewahren sowohl vor Krankheitserregern als auch vor sonstigen Schadstoffen und partikulären Luftverunreinigungen. Die volle Schutzwirkung entfalten die Masken allerdings nur dann, wenn sie perfekt sitzen. Darüber hinaus sollte der Tragekomfort so gross sein, dass der Träger nicht der Versuchung zum Ablegen einer hier und da zu stark drückenden Maske erliegt.
Im Forschungsprojekt «Bestcomfort» hat das Fraunhofer IMWS gemeinsam mit Partnern aus der Industrie eine innovative FFP2-Maske entwickelt. Dank einer ergonomischen Optimierung passt sie sich individuellen Gesichtsgeometrien an, verhindert dadurch Leckagen und bietet so eine besonders hohe Schutzwirkung.
Im Projektzeitraum von 2 Jahren wurden auf Grundlage umfangreicher Kopf- und Gesichtsanalysen neuartige Maskenkomponenten entwickelt. Im Fokus standen die Nasen- und Ohrenbügel. Sie wurden in unterschiedlichen Varianten konstruiert und getestet. Die Bügel wurden schliesslich so gestaltet, dass sie Druckstellen reduzieren und den Dichtsitz deutlich verbessern, also neben dem Tragekomfort auch die Filterwirkung steigern.
Endlich ein recyclingfähiges Masken-Monomaterial
Darüber hinaus kümmerte sich die Projektgruppe um die Nachhaltigkeit von FFP2-Masken. Bisher gab es dafür allenfalls behelfsmässige Konzepte (immerhin sollen alte FFP2-Masken die Eigenschaften von Zement als Beton-Bindemittel verbessern).
Das Hauptproblem: Einem Recycling steht die Zusammensetzung der meisten Produkte entgegen. Sie bestehen aus mehreren verschiedenen Materialien, was eine sortenreine Wiederverwertung nahezu unmöglich macht. Das Projekt «Bestcomfort» setzte hier an und kombinierte die ergonomische Gestaltung mit materialwissenschaftlicher Innovation und nachhaltigem Produktdesign.
Dazu entwickelten die Forschenden ein sogenanntes Monomaterial-Konzept. Mit im Boot waren die A+M GmbH, Schopfheim, eine Spezialistin für reinraumgefertigte medizinische Masken, OP-Masken und FFP2-Masken, und die Portec GmbH, Zella-Mehlis, eine Entwicklungspartnerin für Prototypen und Kleinserien aus Metall und Kunststoff. Sämtliche Maskenkomponenten bestehen aus polymerbasierten Werkstoffen wie Polypropylen oder anderen polypropylenbasierten Materialien. Damit lassen sich die Masken nach Gebrauch vollständig und sortenrein recyceln.
Effizientere Produktentwicklung ohne Probandenstudien
Um die neuen Konzepte praxisnah zu erproben, kamen moderne Fertigungsverfahren wie 3-D-Druck, Vakuumguss und Spritzguss zum Einsatz. Diese Methoden ermöglichten es, verschiedene Designs schnell umzusetzen und funktionsfähige Prototypen herzustellen. Anschliessend wurden die Maskendemonstratoren in umfangreichen Probandenstudien getestet. Dabei wurden sowohl Alltagssituationen als auch körperliche Belastungen simuliert, zusätzlich wurden physiologische Untersuchungen zur Wärme- und Feuchtigkeitsentwicklung während des Tragens durchgeführt.
Ein zentrales Element der Forschungsarbeit am Fraunhofer IMWS war die Entwicklung eines automatisierten Messplatzes zur Bewertung der Passform und Dichtigkeit der Masken. Ein Prüfstand nach DIN EN 149:2001 ermöglicht es, objektive Messdaten zur Maskenleistung zu erheben, ohne in jedem Fall auf aufwändige und zeitintensive Probandenstudien angewiesen zu sein. «Das ist ein grosser Vorteil. Diese Automatisierung trägt wesentlich zur Effizienzsteigerung in der Produktentwicklung bei und erlaubt eine reproduzierbare, standardisierte Bewertung unter praxisnahen Bedingungen», sagt Annika Thormann, Projektleiterin am Fraunhofer IMWS.
Darüber hinaus ermöglicht die materialwissenschaftliche Expertise am Institut eine tiefgehende Charakterisierung der verwendeten Materialien bis auf die Mikrostruktur-Ebene. Mit Hilfe moderner Analysetechniken wurden die mechanischen, thermischen und mikrostrukturellen Eigenschaften der Maskenkomponenten untersucht. «Im Projekt ist es uns zusammen mit den Partnern gelungen, eine Maske zu entwickeln, die Schutz, Komfort und Nachhaltigkeit gleichermassen vereint. Damit zeigen wir, dass Hightech-Materialforschung und praxisnahe Entwicklung Hand in Hand gehen können», ergänzt Annika Thormann.
Ein kommerziell erhältliches Produkt gibt es zwar noch nicht. Erste Gespräche mit potenziellen Partnern eröffnen jedoch nach Angaben des Instituts vielversprechende Perspektiven für die Weiterentwicklung und Markteinführung.
