Шприцване на пластмаси в чисти помещения

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 1/2020 • 18.02.2020

Редица съвременни промишлени сектори, сред които електрониката, медицинската, фармацевтичната, аерокосмическата, военната и биотехнологичната индустрия, изискват производството на компоненти и изделия да се извършва в чисти помещения. Много пластмасови продукти в тези отрасли се изработват посредством леене под налягане в специална среда, оптимизирана за намаляване на риска от замърсяване с прах или други частици. Чистите стаи отдавна не са привилегия изключително и само на производствата на медицински изделия, полупроводници или микрочипове. Голям брой технически приложения налагат повишени изисквания за чистота на производствената среда, включително инжекционното формоване на детайли с прецизни повърхности или чувствителни микроструктури. Все повече производители на пластмасови изделия стигат до извода, че в “чисти” (защитени от прах, микроби, бактерии и други замърсители) околни условия се постига по-високо качество на произведените детайли, което, от своя страна, повишава значително рентабилността на производството. В такива сценарии освен самият шприцавтомат на адаптация към стандартите за чисти помещения се подлагат и последващата обработка на изделията, както и всеки етап от движението на материалите, компонентите и крайните продукти из производствената линия.

Съществуват 9 различни типа или класове чисти стаи според типа производство и приложението на изделията, като клас 1 се отличава с най-висока степен на чистота, а клас 9 – с най-ниска. Най-голяма част от съвременните приложения в сферата на леене на пластмаси под налягане в чисти стаи се извършват в помещения от клас 7 или 8.

 

Особености на метода и производствената конфигурация

Въпреки че стандартите за шприцване в чисти помещения могат да бъдат приблизително същите като тези в други индустрии, процесът на формоване поставя уникален набор от изисквания към всеки производител на пластмасови детайли, който трябва да произвежда в такава среда. От една страна, височината на подемно-транспортния механизъм, необходим за зареждане и изваждане на матриците, налага производствените чисти помещения да разполагат с вертикален клирънс от порядъка на 5-5,5 м. Триосните роботизирани системи за обслужване на шприцавтоматите, които подхождат към работния блок отгоре, понякога изискват още по-големи височини на тавана.

В допълнение, има редица съществени разлики между стандартната среда за леене на пластмаси под налягане и условията в чиста стая. За да се осигури съответната степен на чистота на въздуха и да се поддържа строго предписаното количество на праховите частици в граници, в чистите помещения от клас 7 и клас 8 се използва положителен въздушен поток. Налице са и стриктни изисквания за работното облекло на персонала. В чиста стая от клас 7 инженерите и операторите влизат изцяло покрити в помещението – включително с калцуни, костюми за цялото тяло и покрития за глава.

За да се избегне увеличаване броя на частиците във въздуха, електрическите машини се предпочитат пред хидравличните им аналози в голяма част от приложенията.

Съществуват и съответните ограничения за опаковане. Някои гофрирани материали, използвани в конвенционалните опаковъчни процеси, могат да генерират допълнителни частици и не се допускат в чисти помещения. Картонените или пластмасовите опаковки обикновено са допустими.

Чистите стаи по принцип изискват сериозна инвестиция за изграждане и експлоатация. Създадените за производствени процеси типично струват много повече от тези, направени само за монтаж и асемблиране. В допълнение са необходими сложни ОВК системи за циркулация и филтриране на въздуха. В много производства се залага на една опростена стратегия, която предлага начин да се отговори на строгите изисквания на високите санитарни класове чисти стаи, без да се налага да се инвестира в цялостна инфраструктура за чисто помещение.

Отговорът е да се трансформира самият шприцавтомат в чиста стая. Тази концепция е ефективен подход към производство с по-ниски разходи, когато приложението го позволява. За целта откритите зони на шприц машината, в които формованите детайли могат да влязат в контакт с околната среда, трябва да бъдат капсулирани.

След всеки цикъл на леене под налягане детайлите могат да бъдат транспортирани към защитена станция за монтаж и опаковане (отново по съответния стандарт за чисто помещение) чрез затворен стерилен конвейер. По този начин не се налага изделията да напускат чистата среда.

 

Изисквания към средата и оборудването

Според GMP директивата за добри производствени практики на Европейската общност чистите стаи от клас 7 могат да съдържат максимум 350 хил. частици с размер 0,5 mm и 2 хил. частици от 5 mm на куб. м въздух в режим на празен ход. С инсталирани машини за леене на пластмаси под налягане това ниво може да се постигне, като се монтира специален модул за чиста среда над матрицата. Този модул използва предварителен филтър с йонизация на въздуха и високоефективни филтри за твърди частици във въздуха (HEPA) над затварящите се елементи и конвейерните ленти. След това конвейерната лента, която представлява връзката между чистата стая и автомата, прехвърля формованите детайли от машината (разположена извън чистото помещение) през въздушен портал в чистото помещение, където се извършва окончателното им сглобяване и опаковане.

Стандартните машини за шприцване на пластмаса могат сравнително лесно да бъдат сертифицирани до необходимата класификация за чисти помещения. За да се изключат напълно биологичните рискове и да е лесна поддръжката на шприцавтоматите в допустимите норми, е препоръчително затягащите устройства да са изработени от неръждаема стомана, а фиксираните и подвижните плочи да разполагат с никелово покритие и защитни капаци на отворите. Така тези механизми ще са удобни за почистване и нечувствителни към агресивните агенти, които обикновено се използват при стерилизиране на шприцваните изделия.

Едно от задължителните изисквания за обслужване на шприцавтоматите в чисти помещения е всекидневното почистване на машината и конвейерната лента от специално обучен персонал посредством дезинфектант на база алкохол или подобен почистващ препарат. Почистването обикновено се извършва сравнително бързо и надеждно поради високото качество (гладкост) на повърхностите.

Най-общо в чисти помещения се предпочитат изцяло електрически или хибридни преси за леене под налягане, оборудвани със сервосистеми с директно задвижване и двигатели с водно охлаждане в зоната на затваряне, за да се избегне замърсяване с прахови частици. Избягват се също машините с двигатели с въздушно охлаждане (с вентилатори) и ремъчните затягащи системи. Добре е да се елиминират и въртеливите движения на шпиндела в областта на затваряне.

Важно е да се осигури активно разсейване на отпадната топлина от машините и управляващите блокове чрез затворен, несложен и трудно износващ се воден контур. Така се изключва наличието на всякакви турбулентни въздушни течения, които биха били налице при охлаждане с вентилатори.

Сред ключовите изисквания към оборудването са още: машинната база да е покрита и повдигната от страната на шприцването, което да улеснява почистването под нея; повърхностите да са прахово боядисани и устойчиви на абразия и драскотини, препоръчително – в светли цветове. Необходими са също: корпуси за водните колектори и щрангове; смазки, сертифицирани по стандартите на FDA/NSF H1 или съответния регулаторен орган; както и специални клапи за сортиране, така че падащите детайли да влизат в контакт само с повърхности от неръждаема стомана.

Интегрирането на машини за леене под налягане в производствени линии от клас 6 изисква и някои допълнителни мерки. Автоматите трябва да бъдат оборудвани с хоризонтален или вертикален затварящ елемент. Необходими са извънредно гладки и лесни за почистване повърхности. Връзките за електропроводи е наложително да се монтират в долните секции на машините, близо до пода. Всички подвижни части, особено втулките за колони, трябва да бъдат без смазване и нужда от поддръжка.

В идеалния случай конфигурацията на тръбите за въздушния поток определя позиционирането на машината в производствената зона. Оптималното място на затварящото устройство е директно под изпускателния им отвор, за да бъде постигнат поток от пречистен въздух над матрицата, който е възможно най-равномерен.

Спецификациите по отношение на системите за производство на изделия за медицинската, биотехнологичната или фармацевтичната промишленост са значително по-строги от тези за други пластмасови изделия. В някои приложения може да е необходимо нанасяне на антистатична боя върху повърхностите и заграждане на затварящия блок. Трябва да се избягват мъртвите ъгли и зони в дизайна на машината, за да се предотврати натрупването на прах и замърсявания. Прозоречните рамки и самите прозорци в капаците е важно да пасват идеално гладко от вътрешната страна, за да се елиминира рискът от задържане на частици върху стърчащите ръбове. Освен това, всички гумени маркучи трябва да бъдат обвити в пластмасови защитни кожуси, а всички отвори, които не се използват за затваряне на работните плочи – да бъдат затворени и уплътнени.

 

Поддръжка на машините и матриците при клас 3

Стандартите за матрици за чисти стаи от клас 3 изискват през затварящото устройство да протича ламинарен въздушен поток. Колкото по-малко е възпрепятствано движението на въздуха през машината, толкова по-лесно е да се постигне и поддържа желаното му качество. Доставките на въздух в чисти помещения от клас 3 влияят и върху дизайна на затварящия блок. Машина за леене под налягане с вертикално затваряне на матрицата на теория също би могла да се използва. В такава конфигурация обаче доставката и извличането на въздух би станала значително по-сложна и следователно – по-скъпа.

Поддръжката на машините, използвани за производство в чисти помещения, е особено важна. Регулярната поддръжка на оборудването обаче трябва да се разграничава от дейностите по почистване, които трябва да се извършват също толкова често.

Обслужването е от ключова важност, тъй като почти всяка неизправност може да доведе до замърсяване на машината, матрицата или заобикалящата среда.

Спиранията на машините и производствените прекъсвания в случай на авария са значително по-дълги поради необходимостта от цялостно почистване. Ето защо е препоръчително да се спазват стриктно интервалите за поддръжка, определени от производителя, особено сроковете за подмяна на уплътненията.

Както машините за леене на пластмаси под налягане, така и спомагателните инсталации е важно да се подлагат на ежеседмично общо почистване, за да се отстранят отлаганията, праховите частици и други замърсявания от повърхностите. В зависимост от произвеждания продукт почистването може да бъде и по-често. Всяко по-грубо замърсяване трябва да бъде премахвано незабавно, а ако то се повтаря редовно – неговият източник да бъде намерен и отстранен.

 

Инструментална екипировка за чисти помещения

Производството на инструментална екипировка за леене на пластмаси под налягане, които отговарят на съответните спецификации за чисти помещения, е сложен процес. Едно от основните предизвикателства е ограничаването на употребата на смазочни материали. В случаите, когато това изискване е непреодолимо, при никакви обстоятелства смазочният агент не трябва да влиза в зоната на кухината на матрицата. Смазката трябва да се отклони от вътрешността на формата, като се приложи подходяща разлика в налягането.

По очевидни причини някои от освобождаващите механизми не са разрешени при производствата в чисти помещения. Пневматичните цилиндри, работещи с въздух от чистия поток, са разрешени за задвижване на изхвърлящите системи, но изваждането на изделието не бива да е инициирано чрез въздушни удари. За целта трябва да се използват изваждащи механизми, задействани механично или с пневматични цилиндри. За предпочитане е механичната версия с положително водене, тъй като е по-надеждна и гарантира контролирано изваждане на детайла от матрицата. При другите методи е възможно отливката да се залепи в матрицата и да се деформира по време на последващо й затваряне, което да наложи матрицата да се почисти напълно.

Очевидно е, че леяковите канали също трябва да се избягват. Това може да се постигне например чрез щифтове. Матриците с горещи канали не са целесъобразни, тъй като дюзите са склонни да протичат, което създава условия за замърсяване със стопилка или газове.

При производствата в чисти помещения всяка промяна по матриците може да отнеме време и да струва скъпо, особено в по-високите класове чисти стаи. Отначало матрицата трябва да бъде разглобена напълно и почистена съгласно съответния стандарт. За тази цел е подходяща камера с ламинарен поток, разположена извън чистата стая. Камерата може да се използва и за последващо сглобяване на инструменталната екипировка. След това матрицата или се капсулира в троен слой филм, който впоследствие се запечатва чрез спояване, или се опакова в специална транспортна кутия. Външният слой от филма може да бъде отстранен само в преддверието на чистата стая. Втората обвивка се сваля във въздушния портал между двете категории чисти зони. Вътрешната трета обвивка се отстранява само в корпуса на машината.

 

Доставка на суровини

За производството на изделия в класифицирани чисти помещения са разрешени за използване само пластмасови материали, произведени при особено чисти условия. Профилът на формовъчните материали зависи от спецификациите на потребителя или клиента, както и от планираното приложение за готовите изделия. Някои от критериите за пластмаси, използвани в медицински приложения, са: висока чистота, добри реологични свойства и физиологични показатели, биологична съвместимост и цветоустойчивост. Материалите се доставят в специални контейнери, които са запечатани херметично.

Целесъобразно е обработваният материал да се подава към машините чрез централизирана затворена система за транспортиране със специална интегрирана система за изваждане на формованите изделия. Възможно е използването на вакуумни захранващи системи, прикрепени към машините. Всички дозиращи устройства трябва да работят с пречистен въздух. Инсталираните в системата тръбопроводи също трябва да отговарят на условията за чисти помещения, тъй като не бива да се допуска замърсяване на пластмасовия материал с абразивни частици. Тръбните системи е препоръчително да бъдат заземени, за да се предотврати електростатичното им зареждане.

Преди да бъдат обработени, хидрофилните пластмаси е важно да бъдат дехидратирани в специални сушилни извън чистото помещение. При определени обстоятелства може да е необходимо да се приложи чист сух въздух върху дехидратирания гранулат, за да се отстранят праховите частици.

 

Шприцване и допълнителна обработка

След като машината е оборудвана и системата за подаване на суровини е настроена, производството може да започне. В зависимост от приложението и специфичните изисквания готовите изделия могат или да напускат машината за леене под налягане през специален отвор, или да бъдат отстранявани от оператор или автоматичен манипулатор. При по-високите класове на чисто производство обикновено е задължително използването на специално устройство за изваждане. Причината е, че въпреки специалното защитно облекло и допълнителните предпазни мерки хората все пак са най-големият източник на прах и замърсявания. За събиране на свободно падащи изделия са подходящи или контейнери, които могат да бъдат запечатани с херметични, газонепроницаеми торби, или пневматични тръбни системи за транспортиране. Ако се използват торби, обикновено три от тях се влагат една в друга. Всяка торба трябва да бъде индивидуално запечатана, преди да бъде транспортирана до места извън производствената зона. Различни пневматични или вакуумни транспортиращи системи могат да се използват, когато артикулите се отвеждат директно до работните станции за довършителни работи. Довършителните станции са обект на същите основни мерки за адаптиране към санитарните стандарти, както и самите машини за леене под налягане в чисти помещения.

 

Top