Al revés

En la sala limpia de ENGEL AUSTRIA en Schwertberg, Austria, se investigó intensamente la influencia de la temperatura de la herramienta en la calidad de la sala limpia. Los resultados de estos trabajos sirvieron de base para el desarrollo de un concepto de sala limpia completamente nuevo. (Imagen: 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)

Imagen 1. Normalmente, el flujo de aire limpio va en dirección opuesta al flujo de calor. A temperaturas muy altas de la herramienta, el flujo de aire limpio ya no llega a la herramienta. (Imagen: Engel)

Figura 1. El flujo de aire limpio generalmente corre en dirección opuesta al flujo térmico. A temperaturas muy altas del molde, el flujo de aire limpio ni siquiera alcanza el molde. (Imagen: ENGEL)

Figura 2. A una temperatura de la herramienta de 90 °C, ya no prevalece un flujo constante. Las turbulencias ocurren principalmente justo después de abrir el molde. Después de cuatro segundos, el flujo vuelve a estabilizarse. (Imagen: ENGEL)

Figura 3. A una temperatura de la herramienta de 140 °C, solo fue posible lograr un flujo continuo aumentando la velocidad de flujo, lo cual, sin embargo, no está permitido en la práctica debido a la velocidad fija de 0,45 m/s. (Imagen: ENGEL)

Imagen 4. Para mantener la carga de partículas baja incluso a altas temperaturas de la herramienta, es recomendable invertir el flujo de aire limpio. ENGEL AUSTRIA y Max Petek Reinraumtechnik ya han implementado una primera solución industrial. La vista en el área de la herramienta muestra la rejilla de aire a través de la cual se sopla el aire del cuarto limpio hacia arriba. (Imagen: ENGEL)

Imagen 5: El módulo de sala limpia con flujo de aire invertido desarrollado por Max Petek Reinraumtechnik encaja de manera compacta en el marco de la máquina de moldeo por inyección. (Imagen: Engel) / Figura 5: El módulo de sala limpia con flujo de aire invertido desarrollado por Max Petek Reinraumtechnik encaja de manera compacta en el marco de la máquina de moldeo por inyección. (Imagen: ENGEL)

Imagen 6. La simulación confirma el buen resultado de la nueva solución para la sala limpia. La imagen muestra la distribución de temperatura en la sala limpia. El molde tiene una temperatura de 180 °C, y el aire de la sala limpia fluye de abajo hacia arriba. Se puede ver claramente cómo el aire caliente se desplaza rápidamente hacia arriba desde el molde. El nuevo concepto de sala limpia aprovecha exactamente este efecto. (Imagen: ENGEL)

Las altas temperaturas son indeseables en la sala limpia. Sin embargo, durante el moldeo por inyección no se pueden evitar. Los trabajos de investigación sobre la influencia de la temperatura de la herramienta en la circulación laminar del aire limpio muestran la importancia del tema y, al mismo tiempo, sientan las bases para un concepto completamente nuevo de sala limpia con una conducción de aire invertida. Las primeras implementaciones industriales prometen mucho potencial para una calidad aún mayor en la sala limpia.

Para el moldeo por inyección de plásticos termoplásticos, el gránulo se calienta en el cilindro de masa hasta alcanzar un estado viscoso o líquido, y se inyecta en la herramienta templada. La temperatura de la herramienta es un parámetro específico del material que influye significativamente en el proceso y, en particular, en el tiempo de ciclo. Además, la temperatura de la herramienta afecta la circulación del aire, lo que adquiere relevancia en el proceso durante el moldeo en sala limpia. El aire caliente emitido por la herramienta sube hacia arriba y contrarresta la circulación de la sala limpia, que generalmente va de arriba hacia abajo (Imagen 1). A medida que aumenta la temperatura, también aumenta la carga de partículas, lo que pone en peligro la calidad de la sala limpia. Incluso con una circulación desigual en la zona de la herramienta, puede suceder que las piezas moldeadas no se limpien completamente con aire puro y que partículas se depositen en las piezas.

Ya a partir de 40 °C se puede detectar un efecto

En el marco de un trabajo de diploma, se investigó a partir de qué temperatura de la herramienta el uso de una unidad de filtro convencional (FFU) o una caja de flujo laminar (LFB) deja de ser efectivo. [1] Los experimentos se realizaron en la sala limpia del fabricante de máquinas de moldeo por inyección ENGEL AUSTRIA en Schwertberg, Austria. Los módulos de flujo laminar del tipo LMP fueron proporcionados por Max Petek Reinraumtechnik (Radolfzell, Alemania). Fueron diseñados específicamente para su uso en máquinas de moldeo por inyección.

Para comparación, se trabajó con la circulación normal en la sala limpia y, además, se encapsuló la zona de la herramienta y el expulsor con un LMP. Para visualizar el flujo del aire, en ambas series de experimentos se dirigió niebla desde arriba hacia la zona de la herramienta y esta se mantuvo constantemente caliente.

Ya en la configuración de prueba simple, sin un módulo de flujo laminar adicional, se observó que una temperatura de la herramienta de 40 °C ya perturba la circulación del área de la herramienta con aire puro. Este resultado destaca la gran importancia de esta investigación, ya que para la mayoría de las aplicaciones, una temperatura tan baja de la herramienta no es suficiente.

Con el LMP, se buscaba lograr una circulación aún más constante de arriba hacia abajo. La velocidad del aire se ajustó según la directriz EU-GMP a 0,45 m/s. Las pruebas con niebla en esta configuración encapsulada se documentaron en un video. Las imágenes fijas muestran claramente que, a partir de una temperatura de la herramienta de 90 °C, ya no hay una circulación constante y se producen turbulencias (Imagen 2). Estas turbulencias ocurren principalmente justo después de abrir la herramienta, aunque después de cuatro segundos, el flujo vuelve a estabilizarse y la herramienta vuelve a ser atravesada de manera constante.

La misma medición se repitió con una temperatura de la herramienta de 140 °C (Imagen 3). Aquí, cuatro segundos no son suficientes para resolver las turbulencias. A esta alta temperatura, todo el aire en la zona de la herramienta está muy calentado y se emiten partículas en mayor cantidad. Solo con una velocidad de aire aumentada a 0,8 m/s se puede demostrar nuevamente un flujo laminar suficiente.

Velocidad de apertura de la herramienta, otro factor a ajustar

Además de la temperatura, la velocidad de apertura de la herramienta también influye en la circulación del aire. Se investigaron las circulaciones con velocidades de apertura de 1100 mm/s y 220 mm/s. Los experimentos mostraron que un movimiento lento de la placa de sujeción de la herramienta genera menos turbulencias que una apertura muy rápida. Sin embargo, al probar los extremos, se observa que una apertura demasiado lenta vuelve a aumentar las turbulencias del aire, ya que en el largo período de apertura, el aire entre las partes de la herramienta se vuelve a calentar. Por otro lado, una apertura extremadamente rápida puede estabilizar el flujo de aire, de modo que la herramienta y las piezas moldeadas se inunden constantemente con aire puro. Para representar estas velocidades extremas, se analizaron tiempos de apertura de 12 y 3 segundos. La velocidad de apertura óptima para la seguridad en sala limpia depende del proceso de fabricación y de la herramienta. En la práctica, sin embargo, los efectos de circulación al ajustar la velocidad de apertura no siempre se consideran de manera suficiente. La tecnología médica también enfrenta una fuerte presión de costos, y precisamente, el tiempo de ciclo es un factor decisivo para la rentabilidad.

Desafío del silicón líquido

Con los experimentos descritos, se establecieron fundamentos importantes para la consideración futura de procesos de moldeo por inyección en sala limpia. El objetivo de un segundo trabajo de diploma fue desarrollar, sobre esa base, soluciones que aseguren una alta pureza en condiciones de altas temperaturas de la herramienta. [2] Para poder hacer afirmaciones también en condiciones extremas de temperatura, los experimentos posteriores no se realizaron con termoplásticos, sino con LSR (Silicona Líquida de Caucho). Lo especial del silicón líquido es que, a diferencia de los termoplásticos, el material se enfría en el cilindro de masa, mientras que en la herramienta se alcanzan temperaturas mucho más altas, de 180 °C. Solo a estas temperaturas elevadas, el LSR puede vulcanizarse y entrelazarse. Además de las altas temperaturas de la herramienta, el LSR también emite gases durante su procesamiento. A altas temperaturas, se liberan silanos, que ya son visibles a simple vista como una nube. Estos componentes volátiles del silicón líquido contaminan cada vez más la sala limpia durante la producción en curso, y la concentración de partículas puede superar rápidamente el límite establecido para la clase de sala limpia correspondiente. Para los experimentos del trabajo de diploma, la sala limpia del centro de innovación de ENGEL se configuró en la clase ISO 7. Después de pocos ciclos, la medición de partículas mostró una concentración demasiado alta de partículas con un diámetro de 0,5 µm.

Un primer enfoque para solucionar este problema fue encapsular la zona de la herramienta con un LMP para dispersar la nube de silano. A diferencia de lo habitual, el aire limpio no se dirigió desde arriba, sino desde abajo hacia la zona de la herramienta. Para eliminar las partículas de silano, se utilizó la extracción habitual en la sala limpia, que funciona hacia abajo. Aunque esta configuración no tuvo éxito, ya en comparación con la medición anterior, se pudo detectar una concentración reducida de partículas, aunque aún no cumplía con los requisitos de la clase ISO 7.

La simulación respalda la investigación empírica

En un segundo paso, se implementó de manera coherente la idea de invertir la circulación del aire. No solo se dirigió el aire limpio de abajo hacia arriba, sino que también se succionó la nube de niebla hacia arriba desde la zona de la herramienta (Imagen 4 y 5). Gracias a la ayuda de la termodinámica, la nube de niebla ganó velocidad en poco tiempo y se volvió mucho más delgada.

Para respaldar los resultados de los experimentos, se simuló la configuración experimental (Imagen 6). Para ello, se utilizó el programa ANSYS en su versión R16.2 Academic. Los cálculos confirman el buen resultado de los ensayos en el centro de innovación y permiten predecir el comportamiento ante cambios en las condiciones ambientales.

Max Petek Reinraumtechnik, basándose en estos resultados, desarrolló una solución de sala limpia con flujo laminar invertido. El aire se extrae hacia arriba desde la zona de la herramienta.

Primera planta industrial implementada

Los resultados de los dos trabajos de diploma citados en este artículo dejan claro que la influencia de la temperatura de la herramienta no debe ser subestimada para un funcionamiento seguro en sala limpia. Ya a partir de una temperatura de la herramienta de 40 °C, se perturba la circulación laminar. Como temperatura límite para una circulación convencional de aire limpio de arriba hacia abajo (sin un módulo de flujo laminar adicional), se estableció una temperatura de la herramienta de 110 °C. Tanto las mediciones empíricas como las simulaciones muestran que, mediante la inversión de la circulación del aire limpio, se puede minimizar la carga de partículas.

ENGEL AUSTRIA y Max Petek Reinraumtechnik ya han llevado a la práctica estos resultados de desarrollo. La nueva solución tiene el potencial de establecerse como estándar para aplicaciones de altas temperaturas.

Bibliografía

1. Denisa Costas, Análisis del impacto de las temperaturas del proceso en el flujo de aire en salas limpias durante el moldeo por inyección de termoplásticos de alto rendimiento de grado médico, Trabajo de diploma en Ingeniería Médica en la Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Austria, 2015.
2. Helene Schöngruber, Identificación y análisis del flujo térmico en la sala limpia durante el moldeo por inyección de líquido, Trabajo de diploma en Ingeniería Médica en la Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Austria 2016.