Perché la polvere rende la vita difficile?

Immagine 3: Foto di una camera bianca nell'industria microelettronica

Figura 1: Rappresentazione schematica del flusso d'aria laminare in una cella di sala bianca

Figura 2: Diverse modalità di esecuzione delle cassette a flusso laminare

Tabella 1: Classi di camere bianche secondo ISO 14644-1

La polvere, che si trova in grandi ammassi negli angoli, si vede bene, e si può facilmente rimuovere con una spolverata. Ma vogliamo occuparci della polvere che con l'occhio non si percepisce più così bene. A tal fine, prendiamo in considerazione arbitrariamente 2 eventi dell'ultimo anno. Uno di questi è la polvere sahariana, poiché l'anno scorso ci sono stati diversi eventi in cui la polvere sottile proveniente dal Sahara ci ha regalato tramonti particolarmente belli, con un rosso acceso. Questa polvere sottile naturalmente causata può essere molto intensa a seconda della stagione, come conosciamo dalle condizioni meteorologiche influenzate dalla polvere sahariana. I numeri sono impressionanti: oltre la metà dell'aerosol troposferico globale e circa il 35% della massa di particelle emesse primariamente è costituito da particelle di polvere minerale, di cui in Europa circa la metà proviene dal Sahara e il resto da altre regioni desertiche del mondo. Con circa 1,8 miliardi di tonnellate all'anno, l'erosione eolica di polvere minerale contribuisce al bilancio globale degli aerosol. La polvere minerale influenza il sistema Terra-atmosfera attraverso la dispersione e parzialmente l'assorbimento della radiazione solare incidente, ma anche durante la formazione delle nuvole tramite nuclei di condensazione.

Dal Sahara sappiamo che la polvere può essere trasportata per centinaia, se non migliaia di chilometri, dalle correnti d'aria e può penetrare in ogni ambiente interno attraverso aperture sottili. Come automobilisti, sappiamo anche quanto sia appiccicosa e rossa sulla vernice di ogni automobile.

Il secondo evento che abbiamo vissuto a fine anno, poiché qui il problema della polvere sottile è diventato visibile: l'aria era "da tagliare". Quest'anno, infatti, è finalmente tornato il momento: il nuovo anno è stato salutato con un grande spettacolo pirotecnico. Anche se uno spettacolo di fuochi d'artificio è bello da vedere, le conseguenze, in particolare per infortuni e danni materiali, sono state quest'anno particolarmente discusse. Tuttavia, sono stati trascurati i danni alla salute e all'economia, poiché ogni anno vengono rilasciate circa 2.050 tonnellate di polvere sottile (PM10) attraverso lo scoppio di fuochi d'artificio, principalmente durante la notte di Capodanno. Questa quantità corrisponde a circa l'1% della quantità totale di polvere sottile antropogenica rilasciata annualmente in Germania.(1)

Per le sue proprietà fisiche, le particelle piccole sono spesso chiamate anche particelle sospese. La polvere sottile è una parte della polvere sospesa. Per polvere sospesa (in inglese "Particulate Matter": PM) si intendono particelle nell'aria che non cadono immediatamente al suolo, ma rimangono sospese nell'atmosfera per un periodo più lungo. A seconda della "dimensione delle particelle" della polvere, distinguiamo diverse frazioni: con "PM10" (PM2,5) si intendono semplicemente tutte le particelle di polvere con un diametro aerodinamico inferiore a 10 micrometri (2,5 µm). Entrambe le frazioni di dimensioni vengono monitorate quotidianamente in oltre 600 punti di misurazione in tutta la Germania, e spesso si verificano superamenti quotidiani dei limiti, anche se nel 2021 il limite medio annuo di 40 µg/m³ non è stato superato. In generale, la frazione PM10 è chiamata polvere sottile. La polvere sottile, infatti, non è percepibile ad occhio nudo, ma solo in determinate condizioni meteorologiche o come nel caso della polvere sahariana o dei fuochi d'artificio di Capodanno, può essere visibile sotto forma di una "nebbia" o "filtro di foschia".

Indipendentemente dalla loro origine, le proprietà di queste particelle sono principalmente caratterizzate da due parametri, cioè dalla loro dimensione, più precisamente dal loro diametro idrodinamico, e dalla loro concentrazione, cioè dalla loro massa o dal numero di particelle per metro cubo d'aria.

La polvere sottile proviene da due fonti diverse: da fonti naturali e antropogeniche. La polvere naturale può essere, come spiegato, causata dall'erosione del suolo, ma può anche derivare da fonti biologiche, come si osserva in primavera durante la stagione dei pollini. I pollini sono fastidiosi anche in concentrazioni minime per gli allergici, e altre particelle biologiche sospese come spore di muffe o germi, come batteri o virus, possono rovinare alimenti o provocare malattie. Questa quota di polvere naturale è inevitabile. Tuttavia, una quota ancora maggiore, ma evitabile, di polvere sottile è prodotta dall'attività umana: questa polvere si genera attraverso emissioni di veicoli a motore, centrali di riscaldamento a combustione, forni e sistemi di riscaldamento domestici, durante la produzione di metalli e acciaio o anche durante il movimentamento di materiali sfusi. Nelle aree densamente popolate, il traffico stradale è la principale fonte di polvere. La polvere sottile non entra solo nell'aria dai motori — principalmente dai motori diesel — ma anche attraverso l'usura di freni e pneumatici, e sollevata dal vento. Un'altra importante fonte è l'agricoltura, poiché le emissioni di sostanze precursor gassose, in particolare le emissioni di ammoniaca dall'allevamento di animali, contribuiscono alla formazione secondaria di polvere sottile. Le emissioni antropogeniche di polvere sono stimate in circa 200.000 tonnellate all'anno in Germania, secondo l'Ufficio Federale per l'Ambiente.

In sintesi, possiamo dire che le particelle sospese (particelle di polvere e polvere sottile, germi, aerosol o altri bioparticelle) sono presenti ovunque nell'aria ambiente e negli ambienti interni e, a causa delle loro piccole dimensioni inferiori a 10 µm, possono rimanere a lungo nell'aria o essere trasportate su grandi distanze dal flusso d'aria.

Dove e cosa dobbiamo proteggere dalla polvere sottile?

Non solo per l'uomo, ma anche per prodotti microelettronici, medici o farmaceutici, la polvere sottile può essere dannosa e può compromettere la qualità! Questo è particolarmente vero per la produzione di componenti meccanici ed elettronici, le cui proprietà strutturali sono nell'ordine dei micrometri, come nella microelettronica, nei componenti ottici ad alta risoluzione, come sensori, in particolare nelle telecamere e nei sensori di immagini video, ma anche nella memorizzazione dei dati.

Per i prodotti medico-tecnici e farmaceutici, sono particolarmente disturbanti le particelle di origine biologica, poiché per molti prodotti deve essere garantita l'assenza di germi o il numero di germi non deve superare determinati limiti.
Prodotti le cui proprietà possono essere alterate, compromesse o completamente distrutte da particelle di qualsiasi origine devono essere protetti da tutte le particelle di qualsiasi tipo, se si vogliono garantire determinate qualità e caratteristiche del prodotto.
Quando parliamo di carichi di particelle negli ambienti interni, dobbiamo tenere d'occhio due fonti. Le particelle di polvere sottile provenienti dall'aria circostante possono essere facilmente controllate mediante sistemi di ventilazione e filtri adeguati. Ma la seconda fonte di particelle è l'uomo stesso, poiché rilascia un numero molto elevato di queste particelle sospese come aerosol parlando, respirando o direttamente come particelle ( squame di pelle, fibre dei vestiti) ad ogni movimento. Quando le persone sono coinvolte nella produzione, nell'assemblaggio o nell'imballaggio, è quindi necessario un ulteriore intervento. Solo con la pelle e i vestiti, in una stanza pulita (classe ISO 8), ogni persona rilascia più di 600 milioni di particelle (> 0,5 µm di diametro) per metro cubo, come mostrano i dati dell'Istituto Fraunhofer per la tecnologia dei processi e l'automazione (IPA) di Stoccarda.

Come possiamo proteggere i prodotti dalla polvere sottile?

Tra le varie tecniche per la pulizia dell'aria interna, le tecniche di filtrazione si sono dimostrate particolarmente efficaci, perché rappresentano un'alternativa economica e a basso costo di gestione, e possono essere aggiunte anche successivamente. Solo con una corretta pulizia dell'aria si possono evitare particelle sospese e polvere sottile!

Installare un sistema di purificazione dell'aria non basta da solo per tenere lontane le particelle dalla produzione e dall'imballaggio, ma è necessario sviluppare un piano strategico complessivo. Questo comprende una serie di misure, come la pulizia dell'aria tramite filtri adeguati, l'uso di indumenti protettivi appropriati, l'ottimizzazione dei processi di lavoro e la schermatura diretta dei prodotti dalle particelle che possono essere emesse dai lavoratori. In casi di requisiti particolarmente elevati, sono necessari anche sistemi di passaggi per persone e prodotti, nonché la formazione del personale e il controllo della qualità dell'aria attraverso misurazioni regolari del numero di particelle.

La qualità di una camera bianca o di aree più piccole come una flow box viene valutata secondo la norma DIN EN ISO 14644, in cui le classi di qualità sono definite dal numero di particelle di una determinata frazione di dimensione: vedere Tabella 1.(2)

Il funzionamento di una camera bianca è piuttosto semplice, come illustrato nella rappresentazione schematica del flusso d'aria laminare in una cella di camera bianca in Figura 1. L'aria viene aspirata mediante una ventola (spesso preferita dai nostri clienti per il suo funzionamento molto silenzioso della serie Super-Silent) e pressurizzata attraverso un filtro a particelle ad alte prestazioni. Entrambi i componenti sono installati nel soffitto in un modulo della serie FMS della ditta Spetec GmbH. Il filtro HEPA 14 ha un fattore di isolamento di 10^4 e riduce il numero di particelle, migliorando la qualità dell'aria interna di almeno 10.000 volte rispetto all'aria esterna. La disposizione del filtro genera nel settore di lavoro dietro i pannelli di vetro (o lamelle) un flusso d'aria laminare, cioè che l'aria scorre come una tenda dall'alto verso il basso in linee parallele, proteggendo il campione, il prodotto o l'area di lavoro da particelle entranti tramite una sovrapressione. Le particelle sospese presenti nell'aria o rilasciate dal personale vengono catturate dal flusso d'aria e rimosse tramite un condotto di scarico o reintrodotte nel sistema di filtraggio tramite un condotto di ricircolo.

In alternativa a una grande cella di camera bianca, per molte applicazioni si sono dimostrati efficaci moduli più piccoli, come le flow box lamellari, e in Figura 2 sono mostrate diverse configurazioni sviluppate per diverse applicazioni di produzione, assemblaggio o imballaggio di componenti microelettronici o optoelettronici. A seconda della variante, sono disponibili anche come banchi di lavoro certificati di classe ISO 5 in diverse dimensioni o realizzati con materiali specifici per soddisfare i requisiti delle linee guida GMP, allegato Biocontaminazione, e per evitare in modo duraturo la presenza di germi nell'area di lavoro.

Combinando camere bianche o flow box lamellari, è possibile creare intere linee di produzione, in modo che il prodotto non venga più a contatto con particelle di qualsiasi tipo in nessuna fase del processo di produzione. La disposizione o l'organizzazione, così come il dimensionamento di singoli componenti, possono essere adattati alle esigenze del cliente.

Esempio di applicazione: montaggio di sensori microelettronici per videocamere ad alta risoluzione

Qui si vuole discutere un esempio di concetto di camera bianca. Durante il montaggio di sensori di videocamere e telecamere ad alta risoluzione, anche le più piccole particelle di polvere possono diventare enormi fattori di disturbo. Quanto più alta è la risoluzione delle telecamere, tanto più complesso diventa il processo di produzione e montaggio. Per evitare qualsiasi contaminazione nei loro sistemi di tecnologia video, un cliente ha deciso di installare una camera bianca di classe ISO 5 di SPETEC GmbH di Erding, poiché la domanda di sensori di telecamere ad alta risoluzione e sempre più veloci cresce costantemente, così come le esigenze di qualità.

La purezza delle particelle è necessaria durante il montaggio dei sensori installati nelle telecamere, per proteggere le componenti molto sensibili alla polvere nei sistemi microelettronici complessi. Il concetto sviluppato congiuntamente prevedeva, oltre alle dimensioni tipiche delle camere bianche, anche la richiesta di condizioni di lavoro ottimali dal punto di vista ergonomico.

La cella di camera bianca SPETEC installata, con dimensioni di 9 x 4 m, vedi foto in Figura 3, è composta da un sistema di pareti in alluminio con elementi fissi e finestre di visualizzazione, oltre a porte scorrevoli per il passaggio del personale, una porta a battente come uscita di emergenza e ingressi di servizio. Oltre al sistema di climatizzazione, sono stati installati sei moduli lamellari di filtrazione dell'aria nella versione "SuSi Super Silent" per garantire condizioni di lavoro ergonomiche ottimali ai quattro posti di lavoro o di montaggio, come in tutta l'azienda, e per ridurre al minimo il rumore di fondo. Il personale indossa abbigliamento antistatico, cuffie, mascherine e copriscarpe, riducendo drasticamente le emissioni di particelle da parte dei lavoratori e mantenendo la purezza dell'ambiente anche durante le varie fasi di lavoro.

I moduli di flusso laminare SPETEC® installati utilizzano un filtro di alta qualità di tipo H14 con un'efficienza di captazione del 99,995%, raggiungendo un fattore di isolamento di 10^4. Ciò significa che la qualità dell'aria sotto il modulo di flusso laminare viene migliorata di almeno 10.000 volte rispetto all'ambiente esterno, e la concentrazione di particelle all'interno dell'unità, che si aggira intorno a 15 milioni/m³, viene ridotta a circa 1.500 particelle di dimensione superiore a 0,5 µm.

Inoltre, l'installazione comprende un misuratore di particelle, una camera di carico con pulizia ad aria compressa, un sistema di aspirazione locale per aerosol generati durante la saldatura, un'illuminazione a LED integrata nel soffitto e una flow box aggiuntiva nella camera di ingresso per la pre-pulizia dei componenti elettronici e ottici. In questa configurazione, anche con personale al completo, si garantisce una classe di camera bianca ISO 5, che viene controllata e documentata quotidianamente.

Nella cella di camera bianca sono presenti anche un armadio guardaroba e una panca, garantendo, secondo l'azienda, il massimo livello di purezza nel processo di montaggio e assicurando la massima qualità del prodotto, quando le schede sensore e gli obiettivi dei vari tipi di telecamere vengono assemblati in modo ermetico sotto queste condizioni ottimali.

Conclusione

In sintesi, le flow box lamellari sono ideali per proteggere i prodotti da particelle e germi quando i processi di produzione richiedono poco spazio. Se le esigenze del cliente aumentano, è possibile creare un'intera linea di produzione combinando moduli di camere bianche. Se è richiesto uno spazio maggiore o che le box siano accessibili, perché siano necessarie produzioni o imballaggi più complessi, una camera bianca o una cella di camera bianca rappresentano una soluzione ideale. Una camera bianca esistente può essere ampliata in qualsiasi momento tramite il sistema modulare utilizzato, evitando costose cattive investimenti e risultando particolarmente sostenibile, poiché i componenti esistenti possono essere integrati in un nuovo concetto.

La ditta SPETEC GmbH vanta decenni di esperienza nello sviluppo e nell'applicazione di sistemi di camere bianche e di depurazione dell'aria, offrendo ai clienti non solo una soluzione tecnica, ma anche lo sviluppo di un piano strategico economico e complessivo.

(1) Polvere sottile da fuochi d'artificio di Capodanno / Ufficio Federale per l'Ambiente
(2) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-iso-14644-1/238330395