Fejjel lefelé

Az ENGEL AUSTRIA tisztaszobájában, Schwertbergben, Ausztriában, intenzíven vizsgálták a szerszám hőmérsékletének hatását a tisztatér minőségére. Ennek a munkának az eredményei alapot adtak egy teljesen új tisztatér koncepció kidolgozásához. (Kép: 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)

Kép 1. A tiszta levegőáramlás általában ellentétes a hőáramlással. Nagyon magas szerszámhőmérsékleteknél a tiszta levegőáramlás már egyáltalán nem éri el a szerszámot. (Kép: Engel)

Ábra 1. A tiszta légáramlás hagyományosan ellentétes a hőfluxussal. Nagyon magas hőmérsékleten a tiszta légáramlás még csak el sem éri a formát. (Kép: ENGEL)

Kép 2. 90 °C-es szerszámhőmérsékletnél már nem áll fenn állandó áramlás. A turbulenciák elsősorban közvetlenül a szerszámnyitás után fordulnak elő. Négy másodperc után az áramlás ismét kiegyenlítődik. (Kép: ENGEL) / Ábra 2. Egy 90 °C-os szerszámhőmérsékleten már nem uralkodik állandó légáramlás. A turbulenciák elsősorban közvetlenül a szerszámnyitás után jelentkeznek. Négy másodperc múlva az áramlás újra beáll. (Kép: ENGEL)

Kép 3. Egy 140 °C-os szerszámhőmérséklet esetén csak a folyási sebesség növelésével érhető el átfolyás, ami azonban a gyakorlatban a 0,45 m/s-os rögzített sebesség miatt nem megengedett. (Kép: ENGEL) / Ábra 3. 140°C-os szerszámhőmérsékletnél csak a folyási sebesség növelésével lehet elérni az átfolyást, ami azonban a gyakorlatban a rögzített 0,45 m/s sebesség miatt nem megengedett. (Kép: ENGEL)

Kép 4. Annak érdekében, hogy még magas szerszámhőmérsékleten is alacsony maradjon a részecskeszám, célszerű megfordítani a tiszta levegő áramlását. Az ENGEL AUSTRIA és a Max Petek Reinraumtechnik már megvalósított egy első ipari megoldást. A szerszámterületre nyíló nézet megmutatja a légrácsot, amelyen keresztül a tiszta szobalevegő felfelé áramlik. (Kép: ENGEL)

5. kép: A Max Petek Reinraumtechnik által kifejlesztett tisztatér-modul fordított légáramlással, helytakarékosan illeszkedik a fröccsöntő gép keretébe. (Kép: ENGEL) / 5. ábra: A Max Petek Reinraumtechnik által kifejlesztett tisztatér-modul fordított légáramlással, helytakarékosan illeszkedik a fröccsöntő gép keretébe. (Kép: ENGEL)

6. kép. A szimuláció megerősíti az új tisztatér-megoldás jó eredményét. A kép a tisztatérben lévő hőmérsékleti eloszlást mutatja. A szerszám hőmérséklete 180°C, a tisztatéri levegő pedig alulról felfelé áramlik. Nagyon jól látható, ahogyan a forró levegő gyorsan elmozdul felfelé a szerszámtól. Pontosan ezt a hatást használja ki az új tisztatér-koncept. (Kép: ENGEL)

A magas hőmérsékletek a tisztatérben nem kívánatosak. A fröccsöntés során azonban nem lehet elkerülni őket. A kutatási munkák a szerszámhőmérséklet hatásáról a lamináris tiszta levegőáramlásra rámutatnak a téma sürgősségére, és egyben alapot teremtenek egy teljesen új tisztatér-koncepciónak, fordított levegővezetési módszerrel. Az első ipari megvalósítások sok lehetőséget ígérnek a még magasabb tisztatér-minőség eléréséhez.

A termoplasztikus műanyagok fröccsöntésekor a granulátumot a tömegzárban melegítik, amíg viszkózus vagy folyékony állapotba nem kerül, majd a temperált szerszámba injektálják. A szerszám hőmérséklete egy anyagspecifikus paraméter, amely jelentősen befolyásolja a folyamat menetét, különösen a ciklusidőt. Emellett a szerszám hőmérséklete befolyásolja a levegőáramlást, ami a tisztatérben a folyamat szempontjából lényegessé válik. A szerszámból sugárzó meleg levegő felfelé száll, így ellentétes a hagyományos, felülről lefelé irányuló tisztatéri áramlással (1. kép). A hőmérséklet növekedésével nő a részecskeszám, ami veszélyezteti a tisztatér minőségét. Már az egyenetlen szerszámterületen történő áramlás esetén is előfordulhat, hogy a fröccsöntött alkatrészek nem tiszta levegővel tisztulnak meg teljes mértékben, és részecskék rakódnak le az alkatrészeken.

Már 40 °C-tól kimutatható hatás

Egy diplomamunkában vizsgálták, hogy milyen szerszámhőmérsékletnél válik hatástalan a hagyományos szűrőventilátor egység (FFU) vagy lamináris áramlású doboz alkalmazása. [1] A kísérletek az osztrákországi Schwertbergben, az ENGEL AUSTRIA fröccsöntőgép-gyártó cég tisztatéri üzemében zajlottak. A Max Petek Tisztatértechnika (Radolfzell, Németország) által biztosított LMP típusú lamináris áramlású modulokat külön fejlesztették ki fröccsöntőgépekhez.

Összehasonlításképpen az egyik esetben a hagyományos áramlást alkalmazták, a másikban a szerszám- és kilépőterületet további LMP-vel burkolták. A levegőáramlás vizualizálására mindkét kísérlet során füstöt vezettek a szerszámtérbe felülről, miközben a szerszámot folyamatosan melegítették.

Egyszerű kísérleti felállásban, lamináris áramlású modul nélkül már 40 °C szerszámhőmérsékletnél is zavar támadt a szerszámterület tiszta levegővel való átáramlásában. Ez a eredmény rámutat a kutatás jelentőségére, hiszen a gyakorlatban a legtöbb alkalmazásnál ez az alacsony szerszámhőmérséklet nem elegendő.

A LMP-vel cél volt egy még állandóbb, felülről lefelé irányuló áramlás elérése. A levegő sebességét az EU-GMP irányelvek szerint 0,45 m/s-ra állították be. A füstkísérleteket ebben a burkolt elrendezésben videón rögzítették. A képkockák jól mutatják, hogy 90 °C feletti szerszámhőmérsékletnél már nem állandó a szerszámterület áramlása, és örvények keletkeznek (2. kép). Ezek főként a szerszámnyitás közvetlenül utáni időszakban jelentkeznek, de négy másodperc múlva az áramlás újra stabilizálódik, és a szerszám ismét állandóan átáramlik tiszta levegővel.

Ugyanezt a mérést megismételték 140 °C szerszámhőmérsékleten (3. kép). Itt a négy másodperc nem elegendő a örvények feloldására. Ennél a magas hőmérsékletnél a szerszámban lévő levegő erősen felmelegedett, és megnövekedett részecske kibocsátás tapasztalható. Csak 0,8 m/s légsebességgel lehet ismét megfelelő lamináris áramlást biztosítani.

Szerszámnyitási sebesség további beállítási lehetőség

A hőmérséklet mellett a szerszámnyitási sebesség is befolyásolja a levegőáramlást. Vizsgálták az áramlást 1100 mm/s és 220 mm/s nyitási sebességeknél. A kísérletek azt mutatták, hogy a lassabb szerszámrögzítő tábla mozgása kevesebb turbulenciát okoz, mint a nagyon gyors nyitás. Az extrém esetek vizsgálatakor azonban kiderült, hogy a túl lassú nyitás ismét növeli a levegő örvénylését, mivel a szerszámnyitás hosszú ideje alatt a levegő a szerszámnyílások között újra felmelegszik. Ezzel szemben a rendkívül gyors nyitás stabilizálhatja a levegőáramlást, így a szerszám és a fröccsöntött alkatrészek folyamatosan tiszta levegővel öntözhetők. Ezeket az extrém sebességeket 12 és 3 másodperces szerszámnyitási időkkel vizsgálták. A tisztatérbiztonság szempontjából optimális nyitási sebesség mindig a gyártási folyamattól és a szerszámtól függ. A gyakorlatban azonban a levegőáramlási hatásokat nem mindig lehet megfelelően figyelembe venni a nyitási sebesség beállításakor. A gyógyászati technikában is nagy költségnyomás van, és különösen a ciklusidő döntő szerepet játszik a gazdaságosság szempontjából.

Folyékony szilikon kihívásai

A leírt kísérletek fontos alapokat teremtettek a tisztatéri fröccsöntési folyamatok további vizsgálatához. Egy második diplomamunka célja az volt, hogy ezekre alapozva megoldási javaslatokat dolgozzanak ki, amelyek magas szerszámhőmérsékleteknél is biztosítják a magas tisztasági osztályt. [2] A szélsőséges hőmérsékleti viszonyok vizsgálatához nem termoplasztikus anyagokkal, hanem LSR-rel (folyékony szilikon gumi) végeztek kísérleteket. A folyékony szilikon különlegessége, hogy az anyagot a tömegzárban hűtik, míg a szerszámban jelentősen magasabb, 180 °C-os hőmérsékletek uralkodnak. Csak ezeken a magas hőmérsékleteken képes a LSR vulkanizálódni és keresztkötni. A magas szerszámhőmérsékletek mellett nehezíti a feldolgozást, hogy a folyékony szilikon gázokat szabadít fel. Magas hőmérsékleten szilánokat szabadít fel, amelyek szabad szemmel is láthatók, mint egy felhő. Ezek a gyorsan szabaduló összetevők egyre inkább szennyezik a tisztatér levegőjét, és a részecskeszám gyorsan elérheti a megadott határértéket az adott tisztatéri osztály számára. A diplomamunkához tartozó kísérleteknél az ENGEL technikumában az ISO 7-es osztályú tisztatérbe helyezték a berendezést. Néhány ciklus után a részecskeszám-mérés már túl magas koncentrációt mutatott 0,5 µm-es részecskékből.

Első megoldási javaslatként a szerszámtér LMP-vel való burkolása merült fel, hogy a szilánfelhőt eloszlassák. A hagyományos módhoz képest azonban nem felülről, hanem alulról vezették be a tiszta levegőt a szerszámtérbe. A szilán részecskék elszállítására a tisztatérben addig alkalmazott szívóberendezést használták. Ez a kísérleti elrendezés nem hozott eredményt, de már a korábbi méréshez képest csökkent a részecskeszám-koncentráció, bár még nem érte el az ISO 7-es osztály követelményeit.

Szimuláció megerősíti az empirikus kutatást

Második lépésként következetesen megvalósították a levegőáramlás megfordításának ötletét. Nemcsak a tiszta levegőt vezették fel alulról felfelé, hanem a füstfelhőt is a szerszámtérből kifelé szívják (4. és 5. kép). A termikus hatás támogatásával a füstfelhő rövid idő alatt felgyorsult és jelentősen hígult.

A kísérleti eredmények alátámasztására a felállást szimulálták (6. kép). Ehhez az ANSYS R16.2 Academic programot használták. A számítások megerősítik a laboratóriumi próbák jó eredményét, és lehetővé teszik a viselkedés előrejelzését környezeti változások esetén.

A Max Petek Tisztatértechnika ezen eredmények alapján kifejlesztett egy fordított lamináris áramlású tisztatér-megoldást. A levegőt a szerszámtérből felfelé szívják ki.

Első ipari rendszer megvalósítva

A két, ebben a cikkben idézett diplomamunka eredményei világossá teszik, hogy a szerszámhőmérséklet hatása nem hagyható figyelmen kívül a biztonságos tisztatéri működés érdekében. Már 40 °C szerszámhőmérsékletnél zavar támad a lamináris áramlásban. A hagyományos, felülről lefelé irányuló tisztatéri levegőáramlás határhőmérséklete 110 °C. Mind az empirikus mérések, mind a szimulációk igazolják, hogy a levegőáramlás megfordításával minimalizálható a részecskeszám.

Az ENGEL AUSTRIA és a Max Petek Tisztatértechnika már ipari szinten alkalmazza ezeket a fejlesztéseket. Az új megoldás potenciálisan bevezethető a magas hőmérsékletű alkalmazások standardjaként.

Irodalom

1. Denisa Costas, A folyamat-hőmérsékletek hatásának elemzése a tisztatéri légáramlásra orvosi minőségű magas teljesítményű termoplasztikus anyagok fröccsöntése során, Diplomamunka az Oberösterreichi Főiskolán, Linz, Ausztria, 2015.
2. Helene Schöngruber, A hőáramlás azonosítása és elemzése a folyékony fröccsöntés során, Diplomamunka az Oberösterreichi Főiskolán, Linz, Ausztria, 2016.