Ondersteboven

In de cleanroom van ENGEL AUSTRIA in Schwertberg, Oostenrijk, werd de invloed van de gereedschaptemperatuur op de cleanroomkwaliteit intensief onderzocht. De resultaten van dit werk vormden de basis voor de ontwikkeling van een volledig nieuw cleanroomconcept. (Afbeelding: 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)

Afbeelding 1. Traditioneel verloopt de verse luchtstroom tegengesteld aan de warmteafvoer. Bij zeer hoge gereedschapstemperaturen bereikt de verse luchtstroom het gereedschap niet meer. (Afbeelding: Engel)

Figuur 1. De schone luchtstroom loopt conventioneel gezien tegen de thermische flux in. Bij zeer hoge maltemperaturen bereikt de schone luchtstroom de mal zelfs niet. (Afbeelding: ENGEL)

Afbeelding 2. Bij een gereedschapstemperatuur van 90 °C is er geen constante doorstroming meer. De verstoringen treden vooral direct na het openen van het gereedschap op. Na vier seconden kalmeert de stromingsstroom weer. (Afbeelding: ENGEL) / Figure 2. A constant airflow no longer prevails at a mold temperature of 90 °C. The turbulence occurs primarily directly after opening the mold. The airflow settles again after four seconds. (Picture: ENGEL)

Afbeelding 3. Bij een maltemperatuur van 140 °C kon door een verhoging van de stromingssnelheid alleen een doorstroming worden bereikt, wat in de praktijk echter niet toegestaan is vanwege de vastgestelde snelheid van 0,45 m/s. (Afbeelding: ENGEL) / Figure 3. At a mold temperature of 140 °C, it was only possible to achieve a throughflow by increasing the flow velocity, which, however, is not permitted in practice due to the fixed velocity of 0.45 m/s. (Picture: ENGEL)

Bild 4. Um auch bei hohen Werkzeugtemperaturen die Partikellast gering zu halten, bietet es sich an, die Reinluftströmung umzukehren. ENGEL AUSTRIA und Max Petek Reinraumtechnik haben dafür eine erste industrielle Lösung umgesetzt. Der Blick in den Werkzeugraum zeigt das Luftgitter, durch das die Reinraumluft nach oben geblasen wird. (Bild: 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)

Afbeelding 5: Het door Max Petek Reinraumtechnik ontwikkelde cleanroommodule met omgekeerde luchtstroom past ruimtebesparend in het frame van de spuitgietmachine. (Afbeelding: ENGEL) / Figure 5: The cleanroom module with reversed airflow developed by Max Petek Reinraumtechnik fits space-savingly in the frame of the injection molding machine. (Picture: ENGEL)

Afbeelding 6. De simulatie bevestigt het goede resultaat van de nieuwe cleanroom-oplossing. De afbeelding toont de temperatuurverdeling in de cleanroom. De mal heeft een temperatuur van 180 °C, en de cleanroomlucht stroomt van onder naar boven. Het is goed te zien hoe de warme lucht zich snel van de mal weg beweegt naar boven. Dit exacte effect wordt benut door het nieuwe cleanroomconcept. (Afbeelding: ENGEL)

Hoge temperaturen zijn in de cleanroom ongewenst. Tijdens het spuitgieten kunnen ze echter niet worden vermeden. Onderzoek naar de invloed van de gereedschaps-temperatuur op de laminaire luchtstroom in de cleanroom maakt de urgentie van het onderwerp duidelijk en legt tegelijkertijd de basis voor een volledig nieuw cleanroomconcept met omgekeerde luchtgeleiding. Eerste industriële implementaties beloven veel potentieel voor een nog hogere cleanroomkwaliteit.

Bij het spuitgieten van thermoplastische kunststoffen wordt het granulaat in de massa-cilinder verwarmd tot het een viscose of vloeibare toestand heeft bereikt, en in de verwarmde matrijs geïnjecteerd. De temperatuur van de matrijs is een materiaalspecifieke parameter die de procesgang en met name de cyclustijd aanzienlijk beïnvloedt. Daarnaast beïnvloedt de matrijstemperatuur de luchtstroom, wat bij het spuitgieten in de cleanroom procesrelevant wordt. De warme lucht die door de matrijs wordt uitgestraald, stijgt naar boven en werkt daarmee tegen de gebruikelijke van boven naar beneden gerichte cleanroomstroom (Afbeelding 1). Met toenemende temperatuur neemt de deeltjesbelasting toe, wat de kwaliteit van de cleanroom in gevaar brengt. Al bij een ongelijke doorstroming van het matrijsgebied kan het gebeuren dat de spuitgietonderdelen niet in de beoogde mate met schone lucht worden gereinigd en dat zich deeltjes op de onderdelen afzetten.

Al vanaf 40 °C aantoonbare invloed

In het kader van een scriptie werd onderzocht vanaf welke matrijstemperatuur het gebruik van een conventionele filterfanunit (FFU) of laminaire stroomkastje onwerkzaam wordt. [1] De proeven vonden plaats in de cleanroom van de spuitgietmachinebouwer ENGEL AUSTRIA in Schwertberg, Oostenrijk. De laminaire-stroommodules van het type LMP werden ter beschikking gesteld door Max Petek Reinraumtechnik (Radolfzell, Duitsland). Ze werden specifiek ontwikkeld voor gebruik op spuitgietmachines.

Ter vergelijking werd enerzijds gewerkt met de normale stroom in de cleanroom en anderzijds werd het matrijs- en uitwerpergebied extra afgeschermd met een LMP. Om de luchtstroom te visualiseren, werd voor beide proefseries van bovenuit nevel in de matrijsruimte geleid en de matrijs constant verwarmd.

Al bij de eenvoudige opzet zonder extra laminaire-flow-module werd vastgesteld dat al een matrijstemperatuur van 40 °C de doorstroming van het matrijsgebied met schone lucht verstoort. Dit resultaat benadrukt het grote belang van dit onderzoek, want voor de meeste toepassingen is een zo lage matrijstemperatuur niet voldoende.

Met de LMP moest uiteindelijk een nog constantere stroom van boven naar beneden worden bereikt. De luchtsnelheid werd volgens de EU-GMP-richtlijn op 0,45 m/s ingesteld. De nevelproeven in deze afgeschermde opstelling werden vastgelegd in een video. De stilstaande beelden maken duidelijk dat bij een matrijstemperatuur vanaf 90 °C geen constante doorstroming meer bestaat en dat er wervelingen ontstaan (Afbeelding 2). De wervelingen treden vooral direct na het openen van de matrijs op, waarna de stromingsstroom zich na vier seconden weer stabiliseert en de matrijs weer constant wordt doorstroomd.

Dezelfde meting werd herhaald met een matrijstemperatuur van 140 °C (Afbeelding 3). Hier zijn vier seconden niet voldoende om de wervelingen op te lossen. Bij deze hoge matrijstemperatuur is de gehele lucht in de matrijsruimte sterk opgewarmd en worden meer deeltjes uitgezonden. Alleen met een verhoogde luchtsnelheid van 0,8 m/s kan weer een voldoende laminaire stroom worden vastgesteld.

Matrijsopening-snelheid als verdere instellingsparameter

Naast de temperatuur heeft ook de snelheid van het openen van de matrijs invloed op de luchtstroom. Er werden de luchtstromingen onderzocht bij openingsnelheden van 1100 mm/s en 220 mm/s. De proeven toonden aan dat een langzame beweging van de matrijsopspanningsplaat minder turbulentie veroorzaakt dan een zeer snelle opening van de matrijs. Echter, wanneer de extremen worden getest, blijkt dat een te langzame opening de luchtwervelingen weer versterkt, omdat de lucht tussen de matrijshalven tijdens de lange openingstijd weer opwarmt. Daarentegen kan een uiterst snelle opening de luchtstroom stabiliseren, zodat matrijs en spuitgietonderdelen constant met schone lucht worden overspoeld. Om deze extreme snelheden te illustreren, werden matrijsopeningen van 12 en 3 seconden onderzocht. De voor de cleanroomveiligheid optimale openingssnelheid hangt telkens af van het productieproces en de matrijs. In de praktijk kunnen de stromingseffecten bij het instellen van de openingssnelheid echter niet altijd voldoende worden meegenomen. Ook de medische technologie onderhevig aan sterke kostendruk, en vooral de cyclustijd bepaalt in belangrijke mate de economische haalbaarheid.

Uitdaging vloeibaar siliconenrubber

Met de beschreven proeven werden belangrijke fundamenten gelegd voor de verdere beschouwing van spuitgietprocessen in de cleanroom. Het doel van een tweede scriptie was het ontwikkelen van oplossingsrichtingen die bij hoge matrijstemperaturen een hoge reinheidsklasse garanderen. [2] Om ook uitspraken te kunnen doen over extreme temperatuursituaties, werden de vervolgproeven niet met thermoplasten, maar met LSR (Liquid Silicon Rubber) uitgevoerd. Het bijzondere aan vloeibaar siliconenrubber is dat het materiaal, in tegenstelling tot thermoplasten, in de massa-cilinder wordt gekoeld, terwijl in de matrijs aanzienlijk hogere temperaturen van 180 °C heersen. Pas bij deze hoge temperaturen kan het LSR vulkaniseren en netwerken. Daarnaast ontsnapt bij verwerking van LSR bij hoge temperaturen gas, waarbij silanen vrijkomen die met het blote oog zichtbaar zijn als wolk. Deze vluchtige bestanddelen van het vloeibaar siliconenrubber vervuilen de productieomgeving steeds meer en de deeltjesconcentratie kan snel de voor de betreffende reinheidsklasse vastgestelde grenswaarde overschrijden. Voor de proeven in het kader van de scriptie werd de cleanroom van het ENGEL-technikum op ISO-klasse 7 ingesteld. Al na enkele cycli gaf de deeltjesmeting een te hoge concentratie deeltjes met een diameter van 0,5 µm.

Een eerste aanpak om dit probleem op te lossen was het afschermen van de matrijsruimte met een LMP, om zo de silanwolke te verstrooien. In tegenstelling tot gebruikelijk werd de schone lucht niet van boven, maar van onder in de matrijsruimte geleid. Voor het afvoeren van de silandeeltjes moest de in de cleanroom gangbare afzuiging naar beneden worden gebruikt. Het succes bleef uit met deze proefopstelling, maar er kon al wel een gereduceerde deeltjesconcentratie worden vastgesteld in vergelijking met de vorige meting, hoewel deze nog niet voldeed aan de eisen van ISO-klasse 7.

Simulatie onderbouwt empirisch onderzoek

In een tweede stap werd uiteindelijk het idee van het omkeren van de luchtstroom consequent doorgevoerd. Niet alleen werd de schone lucht van onder naar boven geleid, maar ook werd de nevelwolk uit de matrijsruimte omhoog afgezogen (Afbeelding 4 en 5). Ondersteund door de thermiek wint de nevelwolk al snel snelheid en wordt sterk verdund.

Om de proefresultaten te onderbouwen, werd de opstelling gesimuleerd (Afbeelding 6). Hiervoor werd het programma ANSYS in versie R16.2 Academic gebruikt. De berekeningen bevestigen het goede resultaat van de technikumproeven en maken het mogelijk het gedrag bij veranderingen in de omgevingscondities te voorspellen.

Max Petek Reinraumtechnik heeft op basis van deze resultaten een cleanroomoplossing met omgekeerde laminaire stroom ontwikkeld. De lucht wordt uit de matrijsruimte naar boven afgezogen.

Eerste industriële installatie gerealiseerd

De resultaten van de twee in dit artikel genoemde scripties maken duidelijk dat de invloed van de matrijstemperatuur niet mag worden verwaarloosd voor een veilige cleanroomwerking. Al vanaf een matrijstemperatuur van 40 °C wordt de laminaire stroom verstoord. Als grenswaarde voor een conventionele, van boven naar beneden verlopende cleanroomstroom (zonder extra laminaire-flow-module) werd een matrijstemperatuur van 110 °C vastgesteld. Zowel empirische metingen als simulaties bevestigen dat door een omkering van de cleanroomstroom de deeltjesbelasting kan worden geminimaliseerd.

ENGEL AUSTRIA en Max Petek Reinraumtechnik hebben de resultaten van dit ontwikkelingswerk al industrieel toegepast. De nieuwe oplossing heeft het potentieel om zich te vestigen als standaard voor hoogtemperatuurbewerkingen.

Literatuur

1. Denisa Costas, Analyse van de impact van proces-temperaturen op de airflow in de cleanroom tijdens het spuitgieten van medisch hoogwaardige thermoplasten, Scriptie in de opleiding Medical Engineering aan de Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Oostenrijk, 2015.
2. Helene Schöngruber, Identificatie en analyse van thermische flux in de cleanroom tijdens vloeibaar injectiegieten, Scriptie in de opleiding Medical Engineering aan de Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Oostenrijk 2016.