obráceně na hlavu

V čistém prostoru společnosti ENGEL AUSTRIA ve Štýrbergu, Rakousko, byl intenzivně zkoumán vliv teploty formy na kvalitu čistého prostoru. Výsledky této práce tvořily základ pro vývoj zcela nové koncepce čistého prostoru. (Obrázek: ENGEL) / The influence of mold temperature on cleanroom quality was investigated intensively in the cleanroom of ENGEL AUSTRIA in Schwertberg, Austria. The results of this work formed the basis for development of a completely new cleanroom concept. (Picture: ENGEL)

Obrázek 1. Obvyklý průtok čistého vzduchu jde proti směru tepelného toku. Při velmi vysokých teplotách nástroje již čistý vzduchový proud nedosáhne na nástroj. (Obrázek: Engel)

Obrázek 1. Čistý proud vzduchu obvykle proudí proti tepelnému toku. Při velmi vysokých teplotách formy čistý proud vzduchu dokonce nedosáhne na formu. (Obrázek: ENGEL)

Obrázek 2. Při teplotě formy 90 °C již nepřevládá stálý průtok vzduchu. Turbulence se objevuje především těsně po otevření formy. Po čtyřech sekundách se proudění opět ustálí. (Obrázek: ENGEL) / Obrázek 2. Při teplotě formy 90 °C již nepřevládá stálý průtok vzduchu. Turbulence se objevuje především těsně po otevření formy. Po čtyřech sekundách se proudění opět ustálí. (Obrázek: ENGEL)

Obrázek 3. Při teplotě nástroje 140 °C bylo možné dosáhnout průtoku pouze zvýšením rychlosti proudění, což však v praxi není povoleno kvůli stanovené rychlosti 0,45 m/s. (Obrázek: ENGEL) / Obrázek 3. Při teplotě formy 140°C bylo možné dosáhnout průtoku pouze zvýšením rychlosti proudění, což však v praxi není povoleno kvůli stanovené rychlosti 0,45 m/s. (Obrázek: ENGEL)

Obrázek 4. Aby bylo možné udržet zatížení částicemi nízké i při vysokých teplotách nástroje, je vhodné obrátit proudění čistého vzduchu. ENGEL AUSTRIA a Max Petek Reinraumtechnik již realizovali první průmyslové řešení. Pohled do prostoru formy ukazuje vzduchový mříž, kterým je vzduch z čisté místnosti foukán vzhůru. (Obrázek: Engel) / Figure 4. In order to keep the particle load low even at high mold temperatures, it is expedient to reverse the flow of clean air. ENGEL AUSTRIA and Max Petek Reinraumtechnik have already built a first industrial solution. A view into the mold area shows the air grille through which the cleanroom air is blown upwards. (Picture: ENGEL)

Obrázek 5: Modul čisté místnosti s obráceným prouděním vzduchu, vyvinuté společností Max Petek Reinraumtechnik, se vkládá do rámu vstřikovacího stroje s úsporou místa. (Obrázek: Engel) / Obrázek 5: Modul čisté místnosti s obráceným prouděním vzduchu vyvinutý společností Max Petek Reinraumtechnik se vkládá do rámu vstřikovacího stroje s úsporou místa. (Obrázek: ENGEL)

Obrázek 6. Simulace potvrzuje dobrý výsledek nového řešení čistého prostoru. Obrázek ukazuje rozložení teploty v čistém prostoru. Forma má teplotu 180 °C a vzduch v čisté místnosti proudí shora dolů. Je dobře vidět, jak se horký vzduch od formy rychle pohybuje vzhůru. Tento efekt využívá právě nový koncept čistého prostoru. (Obrázek: ENGEL)

Vysoké teploty jsou v čistém prostředí nežádoucí. Při vstřikování však nelze jejich výskyt úplně zabránit. Výzkumné práce o vlivu teploty nástroje na laminární proudění čistého vzduchu ukazují na závažnost tématu a zároveň vytvářejí základ pro zcela novou koncepci čistého prostředí s obráceným řízením vzduchu. První průmyslové implementace slibují velký potenciál pro ještě vyšší kvalitu čistého prostředí.

Pro vstřikování termoplastických plastů se granulát zahřívá v dávkovacím válci, dokud nedosáhne viskózního nebo tekutého stavu, a poté je vstřikován do temperovaného nástroje. Teplota nástroje je materiálově specifický parametr, který významně ovlivňuje průběh procesu a zejména dobu cyklu. Navíc teplota nástroje ovlivňuje proudění vzduchu, což má při vstřikování v čistém prostředí procesovou relevanci. Teplý vzduch vyzařovaný z nástroje stoupá vzhůru a tím odporuje obvyklému proudění čistého prostředí shora dolů (Obrázek 1). S rostoucí teplotou se zvyšuje zatížení částicemi, což ohrožuje kvalitu čistého prostředí. I při nerovnoměrném proudění v oblasti nástroje může dojít k tomu, že díly nevysávají čistý vzduch v plánovaném rozsahu a na dílech se usazují částice.

Už od 40 °C je vliv prokazatelný

V rámci diplomové práce bylo zkoumáno, od jaké teploty nástroje je použití běžné filtrační jednotky (FFU) nebo laminárního proudového boxu neúčinné. [1] Zkoušky probíhaly v čistém prostředí výrobce vstřikovacích strojů ENGEL AUSTRIA ve Schwertbergu, Rakousko. Laminární proudové moduly typu LMP byly poskytnuty firmou Max Petek Reinraumtechnik (Radolfzell, Německo). Byly navrženy speciálně pro použití na vstřikovacích strojích.

Pro srovnání byl použit buď běžný proud vzduchu v čistém prostředí, nebo byl oblast nástroje a výtlačného mechanismu dodatečně uzavřen do LMP. Pro vizualizaci proudění vzduchu byl u obou pokusů shora do oblasti nástroje zaveden mlha a nástroj byl trvale zahříván.

U jednoduché konstrukce bez dodatečného laminárního modulu bylo zjištěno, že již teplota nástroje 40 °C narušuje proudění čistého vzduchu v oblasti nástroje. Tento výsledek ukazuje na velký význam tohoto výzkumu, neboť pro většinu aplikací je tak nízká teplota nástroje nedostačující.

S použitím LMP měla být dosažena ještě stabilnější laminární proudění shora dolů. Rychlost vzduchu byla nastavena podle směrnice EU-GMP na 0,45 m/s. Mlha v této uzavřené konfiguraci byla zaznamenána na videu. Statické snímky ukazují, že při teplotě nástroje od 90 °C již není proudění konstantní a dochází k víření (Obrázek 2). Víření se objevuje především ihned po otevření nástroje, přičemž po čtyřech sekundách se proudění opět ustálí a nástroj je znovu konstantně prouděn.

Též stejný pokus byl proveden při teplotě nástroje 140 °C (Obrázek 3). Čtyři sekundy nestačí k odstranění víření. Při této vysoké teplotě je celý prostor nástroje silně ohřát a dochází k většímu uvolňování částic. Pouze zvýšením rychlosti vzduchu na 0,8 m/s je možné opět dosáhnout dostatečného laminárního proudění.

Rychlost otevírání nástroje jako další faktor

Kromě teploty má vliv i rychlost otevírání nástroje na proudění vzduchu. Byly zkoumány proudění při rychlostech otevírání 1100 mm/s a 220 mm/s. Zkoušky ukázaly, že pomalejší pohyb upínací desky méně narušuje víření než velmi rychlé otevírání. Pokud se však testují extrémy, ukazuje se, že příliš pomalé otevírání opět posiluje víření vzduchu, protože se vzduch mezi polovinami nástroje po dlouhou dobu ohřívá. Naopak extrémně rychlé otevírání může proudění stabilizovat tak, že nástroj i díly jsou konstantně zásobovány čistým vzduchem. Pro zobrazení těchto extrémních rychlostí byly zkoumány doby otevírání 12 a 3 sekundy. Optimální rychlost otevírání z hlediska bezpečnosti čistého prostředí závisí na výrobním procesu a typu nástroje. V praxi však není vždy možné při nastavování rychlosti dostatečně zohlednit proudění vzduchu. Také zdravotnický průmysl je vystaven velkému tlaku na náklady a právě doba cyklu rozhoduje o ekonomické efektivnosti.

Výzva tekutého silikonu

S uvedenými pokusy byly položeny důležité základy pro další zkoumání vstřikování v čistém prostředí. Cílem druhé diplomové práce bylo na nich postavit řešení, která při vysokých teplotách nástroje zajistí vysokou čistotu. [2] Aby bylo možné posoudit i extrémní teplotní podmínky, nebyly další pokusy prováděny s termoplasty, ale s LSR (tekutým silikonovým kaučukem). Specifikem tekutého silikonu je, že se při zpracování chladí v dávkovacím válci, zatímco v nástroji dosahují teploty až 180 °C. Pouze při těchto vysokých teplotách může LSR vulkanizovat a vytvářet síťové struktury. K vysokým teplotám nástroje se přidává problém uvolňování plynu z LSR. Při vysokých teplotách se uvolňují silany, které jsou již pouhým okem viditelné jako oblak. Tyto prchavé složky tekutého silikonu znečišťují v průběhu výroby čisté prostředí a koncentrace částic se může rychle překročit hranici stanovenou pro danou třídu čistého prostředí. Pro pokusy v rámci diplomové práce byl čistý prostor v technickém centru ENGEL nastaven na třídu ISO 7. Již po několika cyklech měření ukázalo, že koncentrace částic s průměrem 0,5 µm je příliš vysoká.

První pokus o řešení spočíval v uzavření prostoru nástroje pomocí LMP, čímž by se rozptýlil oblak silanů. Na rozdíl od běžného postupu však nebyl vzduch přiváděn shora, ale zdola do prostoru nástroje. K odstraňování silanových částic měla sloužit běžná odsávací soustava v čistém prostředí. Tento pokus sice nevedl k požadovanému výsledku, ale již při srovnání s předchozím měřením bylo zaznamenáno snížení koncentrace částic, i když ještě nesplňovalo požadavky třídy ISO 7.

Simulace podpořila empirický výzkum

Ve druhém kroku byla důsledně realizována myšlenka obráceného proudění vzduchu. Nejenže byl vzduch veden zdola nahoru, ale také mlha byla odsávána z prostoru nástroje směrem vzhůru (Obrázky 4 a 5). Díky termickým efektům mlha rychle získala na rychlosti a výrazně se zředila.

Pro potvrzení výsledků pokusů byla konstrukce simulována (Obrázek 6). Použit byl program ANSYS ve verzi R16.2 Academic. Výpočty potvrdily dobré výsledky zkušebních pokusů a umožnily předpovědět chování při změnách okolních podmínek.

Max Petek Reinraumtechnik na základě těchto výsledků vyvinul řešení čistého prostředí s obráceným laminárním prouděním. Vzduch je odsáván směrem vzhůru z prostoru nástroje.

První průmyslová instalace realizována

Výsledky dvou výše citovaných diplomových prací jasně ukazují, že vliv teploty nástroje nesmí být při zajištění bezpečného provozu čistého prostředí opomíjen. Již při teplotě 40 °C je laminární proudění narušeno. Jako hraniční teplota pro konvenční proudění čistého vzduchu shora dolů (bez dodatečného laminárního modulu) byla stanovena teplota 110 °C. Empirické měření i simulace potvrzují, že obrácením proudění vzduchu lze minimalizovat zatížení částicemi.

ENGEL AUSTRIA a Max Petek Reinraumtechnik již tyto vývojové výsledky průmyslově realizovaly. Nové řešení má potenciál stát se standardem pro vysokoteplotní aplikace.

Literatura

1. Denisa Costas, Analysis of the impact of process temperatures on the cleanroom airflow during the injecting moulding of medical grade high performance thermoplastics, Diplomová práce v oboru Medical Engineering na Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Rakousko, 2015.
2. Helene Schöngruber, Identification and analysis of thermal flux in the cleanroom during liquid injection moulding, Diplomová práce v oboru Medical Engineering na Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Rakousko 2016.