Capovolto

Nel ambiente sterile di ENGEL AUSTRIA a Schwertberg, Austria, è stato condotto uno studio approfondito sull'influenza della temperatura dello stampo sulla qualità della camera bianca. I risultati di questo lavoro hanno costituito la base per lo sviluppo di un concetto di camera bianca completamente nuovo. (Immagine: 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)

Immagine 1. Di consueto, il flusso di aria pulita va contro il flusso di calore. A temperature molto elevate degli utensili, il flusso di aria pulita non raggiunge più l'utensile. (Immagine: Engel)

Figura 1. Il flusso d'aria pulita di solito scorre in senso opposto al flusso termico. A temperature di stampo molto elevate, il flusso d'aria pulita non raggiunge nemmeno lo stampo. (Immagine: ENGEL)

Immagine 2. A una temperatura dello stampo di 90 °C non prevale più un flusso costante. Le turbolenze si verificano principalmente subito dopo l'apertura dello stampo. Dopo quattro secondi, il flusso si stabilizza di nuovo. (Immagine: ENGEL)

Immagine 3. A una temperatura dello stampo di 140 °C, è stato possibile ottenere un flusso attraverso solo aumentando la velocità di flusso, cosa che però non è consentita in pratica a causa della velocità fissata di 0,45 m/s. (Immagine: ENGEL)

Immagine 4. Per mantenere il carico di particelle basso anche a temperature elevate dello stampo, è opportuno invertire il flusso di aria pulita. ENGEL AUSTRIA e Max Petek Reinraumtechnik hanno già realizzato una prima soluzione industriale. Uno sguardo nell'area dello stampo mostra la griglia d'aria attraverso cui l'aria della camera bianca viene soffiata verso l'alto. (Immagine: ENGEL)

Immagine 5: Il modulo di camera bianca con flusso d'aria invertito sviluppato da Max Petek Reinraumtechnik si inserisce salvaspazio nel telaio della macchina per stampaggio a iniezione. (Immagine: Engel) / Figura 5: Il modulo di camera bianca con flusso d'aria invertito sviluppato da Max Petek Reinraumtechnik si inserisce salvaspazio nel telaio della macchina per stampaggio a iniezione. (Immagine: ENGEL)

Immagine 6. La simulazione conferma il buon risultato della nuova soluzione per la camera bianca. L'immagine mostra la distribuzione della temperatura nella camera bianca. Lo stampo ha una temperatura di 180°C e l'aria della camera bianca scorre dall'alto verso il basso. È molto evidente come l'aria calda si sposti rapidamente verso l'alto, allontanandosi dallo stampo. È proprio questo effetto che sfrutta il nuovo concetto di camera bianca. (Immagine: ENGEL)

Le alte temperature sono indesiderate in ambienti di produzione puliti. Tuttavia, durante lo stampaggio ad iniezione non possono essere evitate. Studi di ricerca sull'influenza della temperatura dello stampo sulla ventilazione laminare dell'aria pulita evidenziano l'importanza del tema e pongono le basi per un concetto completamente nuovo di ambiente di produzione pulito con una gestione dell'aria invertita. Le prime applicazioni industriali promettono un grande potenziale per un livello di purezza ancora superiore.

Per lo stampaggio ad iniezione di polimeri termoplastici, il granulato viene riscaldato nel cilindro di massa fino a raggiungere uno stato viscoso o liquido, e quindi iniettato nello stampo riscaldato. La temperatura dello stampo è un parametro specifico del materiale, che influisce significativamente sul processo e in particolare sui tempi di ciclo. Inoltre, la temperatura dello stampo influisce sulla ventilazione dell'aria, assumendo rilevanza nel processo di produzione in ambienti di produzione puliti. L'aria calda irradiata dallo stampo si solleva verso l'alto, contrastando la ventilazione dell'ambiente di produzione pulito, che di norma si muove dall'alto verso il basso (Immagine 1). Con l'aumentare della temperatura, aumenta il carico di particelle, compromettendo la qualità dell'ambiente di produzione pulito. Anche una ventilazione non uniforme dell'area dello stampo può portare al fatto che i pezzi stampati non vengano puliti completamente con aria pura e che si depositino particelle sulle parti.

Già a partire da 40 °C si può rilevare un effetto

Nel quadro di una tesi di diploma è stato studiato a quale temperatura dello stampo l'uso di un'unità di filtrazione standard (FFU) o di una cappa a flusso laminare diventa inefficace. [1] I test sono stati condotti nel ambiente di produzione pulito del costruttore di presse ENGEL AUSTRIA a Schwertberg, Austria. I moduli di flusso laminare di tipo LMP sono stati forniti da Max Petek Reinraumtechnik (Radolfzell, Germania). Sono stati sviluppati appositamente per l'uso sulle presse di stampaggio ad iniezione.

Per confronto, sono stati condotti due test: uno con la normale ventilazione dell'ambiente di produzione pulito e l'altro con l'area dello stampo e dell'estrattore ulteriormente isolata con un modulo LMP. Per visualizzare il flusso dell'aria, in entrambe le serie di prove è stato introdotto del vapore dall'alto nel vano stampo e lo stampo è stato mantenuto costantemente riscaldato.

Già con una configurazione di prova semplice, senza modulo di flusso laminare aggiuntivo, si è riscontrato che una temperatura dello stampo di 40 °C interrompe la ventilazione del settore stampo con aria pura. Questo risultato evidenzia l'importanza di questa ricerca, poiché per la maggior parte delle applicazioni una temperatura così bassa dello stampo non è sufficiente.

Con il modulo LMP si mirava a ottenere una ventilazione ancora più costante dall'alto verso il basso. La velocità dell'aria è stata impostata a 0,45 m/s, in conformità con le linee guida EU-GMP. I tentativi con il vapore in questa configurazione isolata sono stati registrati in un video. Le immagini statiche mostrano chiaramente che, a partire da una temperatura dello stampo di 90 °C, non si verifica più una ventilazione costante e si formano vortici (Immagine 2). Questi vortici si verificano soprattutto subito dopo l'apertura dello stampo, ma dopo quattro secondi il flusso si stabilizza e lo stampo viene nuovamente ventilato in modo costante.

Lo stesso test è stato ripetuto con una temperatura dello stampo di 140 °C (Immagine 3). In questo caso, quattro secondi non sono sufficienti per eliminare i vortici. A questa temperatura elevata, l'intera aria all'interno dello stampo si riscalda notevolmente e vengono emessi più particelle. Solo aumentando la velocità dell'aria a 0,8 m/s si può nuovamente dimostrare un flusso laminare adeguato.

Velocità di apertura dello stampo, un'altra variabile

Oltre alla temperatura, anche la velocità di apertura dello stampo influisce sulla ventilazione dell'aria. Sono stati studiati i flussi d'aria con velocità di apertura di 1100 mm/s e 220 mm/s. I test hanno mostrato che un movimento lento del piatto di fissaggio dello stampo provoca meno turbolenze rispetto a un'apertura molto rapida. Tuttavia, testando gli estremi, si è scoperto che un'apertura troppo lenta aumenta le vortici d'aria, poiché l'aria tra le due metà dello stampo si riscalda nuovamente durante il lungo tempo di apertura. Al contrario, un'apertura estremamente rapida può stabilizzare il flusso d'aria, garantendo che lo stampo e i pezzi stampati siano costantemente ricoperti da aria pura. Per rappresentare queste velocità estreme, sono stati studiati tempi di apertura di 12 e 3 secondi. La velocità di apertura ottimale per la sicurezza in ambienti di produzione puliti dipende dal processo di produzione e dallo stampo. In pratica, tuttavia, gli effetti di ventilazione durante la regolazione della velocità di apertura non vengono sempre considerati adeguatamente. Anche la tecnologia medica è soggetta a forti pressioni di costo e, in particolare, il tempo di ciclo è determinante per la redditività.

La sfida del silicone liquido

Con i test descritti sono state poste le basi per un'ulteriore analisi dei processi di stampaggio ad iniezione in ambienti di produzione puliti. L'obiettivo di una seconda tesi di diploma era sviluppare soluzioni che garantiscano un alto livello di purezza anche a temperature elevate dello stampo. [2] Per poter fare affermazioni anche in condizioni estreme di temperatura, i test successivi sono stati condotti non con polimeri termoplastici, ma con LSR (Liquid Silicone Rubber). La peculiarità del silicone liquido è che, a differenza dei termoplastici, viene raffreddato nel cilindro di massa, mentre nello stampo si raggiungono temperature molto più elevate, fino a 180 °C. Solo a queste alte temperature, il LSR può vulcanizzarsi e reticolarsi. A complicare la situazione, il LSR emette gas durante la lavorazione. A temperature elevate, vengono rilasciati silani, visibili ad occhio nudo come una nube. Questi componenti volatili del silicone liquido contaminano progressivamente l'ambiente di produzione, e la concentrazione di particelle può superare rapidamente il limite stabilito per la classe di ambiente di produzione pulito corrispondente. Per i test della tesi, l'ambiente di produzione pulito nel centro di ricerca ENGEL è stato impostato sulla classe ISO 7. Dopo pochi cicli, la misurazione delle particelle ha rilevato una concentrazione troppo elevata di particelle con diametro di 0,5 µm.

Un primo tentativo di soluzione di questo problema è stato quello di isolare lo stampo con un modulo LMP, al fine di disperdere la nube di silano. Diversamente dal metodo usuale, l'aria pulita non è stata immessa dall'alto, ma dall'alto verso il basso nel vano stampo. Per rimuovere le particelle di silano, si è previsto un sistema di aspirazione che funzionasse come di consueto nell'ambiente di produzione pulito, aspirando verso il basso. Sebbene questa configurazione non abbia portato al successo sperato, è stato comunque possibile ridurre la concentrazione di particelle rispetto alla misurazione precedente, anche se ancora non soddisfaceva i requisiti della classe ISO 7.

La simulazione supporta la ricerca empirica

In un secondo momento, è stata implementata con coerenza l'idea di invertire il flusso d'aria. Non solo l'aria pulita è stata convogliata dall'alto verso il basso, ma anche la nube di vapore è stata aspirata verso l'alto dal vano stampo (Immagine 4 e 5). Supportata dalla termica, la nube di vapore ha rapidamente acquisito velocità e si è notevolmente diluita.

Per confermare i risultati sperimentali, è stato simulato il setup di prova (Immagine 6). Per questo scopo è stato utilizzato il software ANSYS versione R16.2 Academic. I calcoli hanno confermato l'ottimo risultato delle prove di laboratorio e consentono di prevedere il comportamento in caso di variazioni delle condizioni ambientali.

Max Petek Reinraumtechnik ha sviluppato sulla base di questi risultati una soluzione per ambienti di produzione puliti con flusso laminare invertito. L'aria viene aspirata verso l'alto dal vano stampo.

Prima installazione industriale realizzata

I risultati delle due tesi di diploma citate in questo articolo dimostrano che l'influenza della temperatura dello stampo non può essere trascurata per un funzionamento sicuro di ambienti di produzione puliti. Già a partire da una temperatura dello stampo di 40 °C, la ventilazione laminare viene disturbata. Come temperatura limite per un flusso di aria pulita convenzionale, che scorre dall'alto verso il basso senza modulo di flusso laminare aggiuntivo, è stata individuata una temperatura di 110 °C. Sia le misurazioni empiriche che le simulazioni dimostrano che invertendo il flusso dell'aria si può minimizzare il carico di particelle.

ENGEL AUSTRIA e Max Petek Reinraumtechnik hanno già implementato industrialmente i risultati di questo lavoro di sviluppo. La nuova soluzione ha il potenziale di diventare uno standard per applicazioni ad alte temperature.

Bibliografia

1. Denisa Costas, Analisi dell'impatto delle temperature di processo sul flusso d'aria in ambienti di produzione puliti durante lo stampaggio a iniezione di termoplastici di alta qualità per uso medico, Tesi di diploma nel corso di laurea in Ingegneria Medica presso Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Austria, 2015.
2. Helene Schöngruber, Identificazione e analisi del flusso termico in ambienti di produzione puliti durante lo stampaggio a iniezione di liquidi, Tesi di diploma nel corso di laurea in Ingegneria Medica presso Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Austria 2016.