Odwrócone do góry nogami

W pomieszczeniu czystym ENGEL AUSTRIA w Schwertberg, Austria, intensywnie badano wpływ temperatury narzędzia na jakość pomieszczenia czystego. Wyniki tych prac stanowiły podstawę do opracowania całkowicie nowej koncepcji pomieszczenia czystego. (Zdjęcie: 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)

Obraz 1. Tradycyjnie przepływ czystego powietrza przebiega przeciwnie do kierunku przepływu ciepła. Przy bardzo wysokich temperaturach narzędzia przepływ czystego powietrza w ogóle nie dociera do narzędzia. (Obraz: Engel)

Rysunek 1. Czysty przepływ powietrza zazwyczaj przebiega przeciwnie do strumienia termicznego. Przy bardzo wysokich temperaturach formy czysty przepływ powietrza nie dociera nawet do formy. (Zdjęcie: ENGEL)

Obraz 2. Przy temperaturze narzędzia 90 °C nie panuje już stały przepływ. Wiry pojawiają się głównie bezpośrednio po otwarciu formy. Po czterech sekundach przepływ ponownie się wyrównuje. (Obraz: ENGEL) / Rysunek 2. Przy temperaturze formy 90 °C nie występuje już stały przepływ powietrza. Turbulencje pojawiają się głównie bezpośrednio po otwarciu formy. Przepływ powietrza ustala się ponownie po czterech sekundach. (Zdjęcie: ENGEL)

Bild 3. Bei einer Werkzeugtemperatur von 140 °C konnte nur durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eine Durchströmung erreicht werden, was aufgrund der festgesetzten Geschwindigkeit von 0,45 m/s in der Praxis jedoch nicht erlaubt ist. (Bild: Engel) / Rysunek 3. Przy temperaturze formy 140 °C można było osiągnąć przepływ tylko poprzez zwiększenie prędkości przepływu, co jednak w praktyce nie jest dozwolone ze względu na ustaloną prędkość 0,45 m/s. (Zdjęcie: ENGEL)

Bild 4. Aby nawet przy wysokich temperaturach narzędzi utrzymać niskie obciążenie cząstkami, warto odwrócić przepływ czystego powietrza. ENGEL AUSTRIA i Max Petek Reinraumtechnik wdrożyli już pierwsze rozwiązanie przemysłowe. Widok na przestrzeń narzędzia ukazuje kratkę powietrzną, przez którą powietrze z pomieszczenia czystego jest dmuchane do góry. (Zdjęcie: ENGEL) / Rysunek 4. Aby utrzymać niskie obciążenie cząstkami nawet przy wysokich temperaturach formy, wskazane jest odwrócenie przepływu czystego powietrza. ENGEL AUSTRIA i Max Petek Reinraumtechnik zrealizowali już pierwsze rozwiązanie przemysłowe. Widok na przestrzeń formy ukazuje kratkę powietrzną, przez którą powietrze z pomieszczenia czystego jest dmuchane do góry. (Zdjęcie: ENGEL)

Obraz 5: Moduł czystego pomieszczenia z odwróconym przepływem powietrza, opracowany przez Max Petek Reinraumtechnik, mieści się oszczędnie w ramie maszyny do wtrysku. (Zdjęcie: ENGEL) / Rysunek 5: Moduł czystego pomieszczenia z odwróconym przepływem powietrza, opracowany przez Max Petek Reinraumtechnik, oszczędnie mieści się w ramie maszyny do wtrysku. (Zdjęcie: ENGEL)

Obraz 6. Symulacja potwierdza dobry wynik nowego rozwiązania czystego pomieszczenia. Rysunek przedstawia rozkład temperatury w czystym pomieszczeniu. Forma ma temperaturę 180°C, a powietrze w czystym pomieszczeniu przepływa od dołu do góry. Widać wyraźnie, jak gorące powietrze z formy szybko unosi się ku górze. To dokładnie ten efekt wykorzystuje nowa koncepcja czystego pomieszczenia. (Obraz: ENGEL)

Wysokie temperatury są niepożądane w pomieszczeniu czystym. Jednak podczas wtryskiwania nie można ich uniknąć. Prace badawcze dotyczące wpływu temperatury narzędzia na laminarny przepływ powietrza w pomieszczeniu czystym ukazują wagę tego tematu i jednocześnie tworzą podstawy dla zupełnie nowej koncepcji pomieszczenia czystego z odwróconym kierunkiem przepływu powietrza. Pierwsze przemysłowe wdrożenia zapowiadają duży potencjał dla jeszcze wyższej jakości pomieszczeń czystych.

Do wtryskiwania termoplastów granulaty są podgrzewane w cylindrze na masę, aż osiągną lepki lub płynny stan, a następnie wtryskiwane do podgrzanego narzędzia. Temperatura narzędzia jest parametrem specyficznym dla materiału, który znacząco wpływa na przebieg procesu, a w szczególności na czas cyklu. Dodatkowo temperatura narzędzia wpływa na przepływ powietrza, co w przypadku wtryskiwania w pomieszczeniu czystym nabiera znaczenia procesowego. Ciepłe powietrze emitowane przez narzędzie unosi się do góry i tym samym przeciwdziała tradycyjnemu przepływowi powietrza od góry do dołu w pomieszczeniu czystym (rysunek 1). Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta obciążenie cząstkami, co zagraża jakości pomieszczenia czystego. Już przy nierównomiernym przepływie powietrza w obszarze narzędzia może się zdarzyć, że elementy wtryskowe nie będą oczyszczone w przewidzianym zakresie czystym powietrzem, a cząstki osadzą się na elementach.

Już od 40 °C można zaobserwować wpływ

W ramach pracy dyplomowej zbadano, od jakiej temperatury narzędzia stosowanie zwykłej jednostki filtrującej (FFU) lub laminarnego modułu przepływu (LMP) staje się nieskuteczne. [1] Próbki przeprowadzono w pomieszczeniu czystym producenta wtryskarek ENGEL AUSTRIA w Schwertberg, Austria. Moduły laminarnego przepływu typu LMP zostały udostępnione przez Max Petek Reinraumtechnik (Radolfzell, Niemcy). Zostały one specjalnie zaprojektowane do zastosowania na wtryskarkach.

Do porównania użyto zarówno standardowego przepływu powietrza w pomieszczeniu czystym, jak i dodatkowo zamknięcia obszaru narzędzia i wyrzutników za pomocą LMP. Aby zwizualizować przepływ powietrza, dla obu serii prób z góry wprowadzono mgłę do obszaru narzędzia, które było stale podgrzewane.

Już przy prostym układzie bez dodatkowego laminarnego modułu stwierdzono, że temperatura narzędzia na poziomie 40 °C zakłóca przepływ czystego powietrza w obszarze narzędzia. Wynik ten podkreśla dużą wagę tych badań, ponieważ dla niewielu zastosowań taka niska temperatura narzędzia jest wystarczająca.

Z zastosowaniem LMP dąży się do uzyskania jeszcze bardziej stabilnego przepływu od góry do dołu. Prędkość powietrza została ustawiona zgodnie z wytycznymi EU-GMP na 0,45 m/s. Próby mgłą w tej zamkniętej konfiguracji zostały nagrane na filmie. Zdjęcia statyczne wyraźnie pokazują, że przy temperaturze narzędzia od 90 °C nie ma już stałego przepływu i pojawiają się wiry (rysunek 2). Wiry te występują głównie bezpośrednio po otwarciu narzędzia, ale po czterech sekundach przepływ ponownie się ustala, a narzędzie jest ponownie stale przepuszczane.

Ta sama pomiar została powtórzona przy temperaturze narzędzia 140 °C (rysunek 3). Cztery sekundy nie wystarczają, aby rozproszyć wiry. Przy tak wysokiej temperaturze narzędzia cała przestrzeń w narzędziu jest mocno nagrzana, a cząstki są emitowane w większej ilości. Dopiero przy zwiększonej prędkości powietrza do 0,8 m/s można ponownie zaobserwować wystarczająco laminarny przepływ.

Prędkość otwarcia narzędzia – kolejny parametr do regulacji

Oprócz temperatury, na przepływ powietrza wpływa także szybkość otwarcia narzędzia. Przeprowadzono badania przepływu powietrza przy prędkościach otwarcia 1100 mm/s i 220 mm/s. Wyniki pokazały, że wolniejsze otwieranie płyty mocującej narzędzie powoduje mniej turbulencji niż bardzo szybkie otwarcie. Jednakże testując skrajne wartości, okazuje się, że zbyt wolne otwarcie zwiększa wiry powietrza, ponieważ w długim czasie otwarcia narzędzia powietrze między szczelinami narzędzia się ponownie nagrzewa. Z kolei bardzo szybkie otwarcie może ustabilizować przepływ powietrza, zapewniając stałe zalanie narzędzia i elementów wtryskowych czystym powietrzem. Aby przedstawić te ekstremalne prędkości, badano czasy otwarcia narzędzia 12 i 3 sekundy. Optymalna prędkość otwarcia, z punktu widzenia bezpieczeństwa pomieszczenia czystego, zależy od procesu produkcyjnego i narzędzia. W praktyce jednak efekty przepływu powietrza podczas ustawiania prędkości otwarcia nie zawsze są w pełni uwzględniane. Również technika medyczna podlega silnej presji kosztowej, a czas cyklu decyduje w dużej mierze o opłacalności.

Wyzwanie związane z kwasem silikowym

Przeprowadzone badania stanowiły ważną podstawę do dalszych rozważań nad procesami wtryskiwania w pomieszczeniach czystych. Celem drugiej pracy dyplomowej było opracowanie rozwiązań, które zapewnią wysoką czystość przy wysokich temperaturach narzędzia. [2] Aby móc wyciągać wnioski również w ekstremalnych warunkach temperaturowych, dalsze próby przeprowadzono nie na termoplastach, lecz na LSR (Liquid Silicone Rubber). Charakterystyczne dla płynnego silikonu jest to, że materiał jest chłodzony w cylindrze na masę, podczas gdy w narzędziu panują znacznie wyższe temperatury, sięgające 180 °C. Dopiero przy tych wysokich temperaturach LSR ulega vulkanizacji i sieciowaniu. Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że LSR podczas przetwarzania wydziela gazy. W wysokich temperaturach uwalniane są silany, które są widoczne gołym okiem jako chmura. Te lotne składniki płynnego silikonu coraz bardziej zanieczyszczają pomieszczenie czyste w trakcie produkcji, a koncentracja cząstek może szybko przekroczyć graniczną wartość dla danej klasy czystości. W ramach prób do pracy dyplomowej pomieszczenie czyste w centrum badawczym ENGEL zostało ustawione na klasę ISO 7. Już po kilku cyklach pomiar cząstek wykazał zbyt wysoką koncentrację cząstek o średnicy 0,5 µm.

Pierwszym podejściem do rozwiązania tego problemu było zamknięcie przestrzeni narzędzia za pomocą LMP, aby rozproszyć chmurę silanu. W odróżnieniu od zwykłych rozwiązań, powietrze czyste nie było kierowane od góry, lecz od dołu do przestrzeni narzędzia. Do odprowadzania cząstek silanu miała służyć dotychczas stosowana wentylacja od dołu w pomieszczeniu czystym. Mimo że to rozwiązanie nie przyniosło oczekiwanych efektów, udało się już w porównaniu z wcześniejszym pomiarem zmniejszyć koncentrację cząstek, choć jeszcze nie spełniało ono wymagań klasy ISO 7.

Symulacja potwierdza empiryczne badania

W drugim kroku konsekwentnie wdrożono pomysł odwrócenia przepływu powietrza. Powietrze czyste kierowano od dołu do góry, a mgłę z narzędzia odsysano do góry (rysunki 4 i 5). Wspomagana przez termikę, chmura mgły w krótkim czasie zyskała prędkość i uległa znacznej rozrzedzeniu.

Aby potwierdzić wyniki prób, przeprowadzono symulację układu (rysunek 6). Do tego celu użyto programu ANSYS w wersji R16.2 Academic. Obliczenia potwierdzają dobre wyniki prób laboratoryjnych i umożliwiają przewidywanie zachowania przy zmianach warunków otoczenia.

Max Petek Reinraumtechnik na podstawie tych wyników opracował rozwiązanie pomieszczenia czystego z odwróconym laminar flow. Powietrze jest odsysane z przestrzeni narzędzia od dołu do góry.

Wdrożenie pierwszej przemysłowej instalacji

Wyniki dwóch przytoczonych w tym artykule prac dyplomowych jasno pokazują, że wpływ temperatury narzędzia nie może być pomijany dla bezpiecznej pracy w pomieszczeniu czystym. Już od temperatury narzędzia 40 °C laminarny przepływ jest zakłócony. Graniczną temperaturą dla konwencjonalnego przepływu powietrza od góry do dołu (bez dodatkowego laminarnego modułu) ustalono 110 °C. Zarówno pomiary empiryczne, jak i symulacje potwierdzają, że odwrócenie kierunku przepływu powietrza pozwala zminimalizować obciążenie cząstkami.

Firma ENGEL AUSTRIA i Max Petek Reinraumtechnik już wdrożyły wyniki tych prac rozwojowych na skalę przemysłową. Nowe rozwiązanie ma potencjał, aby stać się standardem dla wysokotemperaturowych zastosowań.

Literatura

1. Denisa Costas, Analysis of the impact of process temperatures on the cleanroom airflow during the injecting moulding of medical grade high performance thermoplastics, Diplomarbeit im Studiengang Medical Engineering an der Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Österreich, 2015.
2. Helene Schöngruber, Identification and analysis of thermal flux in the cleanroom during liquid injection moulding, Diplomarbeit im Studiengang Medical Engineering an der Fachhochschule Oberösterreich, Linz, Österreich 2016.