Statische Aufladung kann bei der Herstellung medizinischer Geräte zu Problemen führen, aktive Luftionisierung ist jedoch eine wirksame und praktische Lösung.
Matt Fyffe (VP/General Manager – Meech USA)
Im Jahr 600 v. Chr. berichtete der Philosoph und Mathematiker Thales von Milet, dass nach dem Reiben eines Stücks Bernstein auf dem Fell einer Katze der Bernstein Federn anzog und festhielt. Dies war der erste Bericht über statische Elektrizität (wörtlich: ruhende Elektrizität).
Was Thales beobachtete, war das, was wir heute als triboelektrische Aufladung kennen, bei der bestimmte Materialien nach Kontakt mit einem anderen Material durch Reibung elektrisch aufgeladen werden. Während die Erzeugung einer kontrollierten statischen Aufladung in manchen Fertigungsszenarien positive Anwendungen hat – beispielsweise durch die vorübergehende Haftung zwischen zwei oder mehr Oberflächen entgegengesetzter Polarität – verursacht unkontrollierte statische Elektrizität in vielen Betrieben einer Vielzahl von Branchen ernsthafte Produktionsprobleme. Diese reichen von Ausfallzeiten aufgrund von Maschinenstaus aufgrund von Produktverunreinigungen bis hin zu Produktverlusten in Branchen wie der Elektronikindustrie, wo bereits eine geringe statische Spannung empfindliche Komponenten zerstören kann. Auch Menschen können geschädigt werden, wenn Mitarbeiter einen Stromschlag erleiden. Wo brennbare Materialien verwendet werden, besteht auch die reale Gefahr von Bränden und Explosionen, wie der tragische Tod eines Mannes aus Pennsylvania im Jahr 2010, als er sein Auto mit Benzin betankte, anschaulich gezeigt hat.
Unkontrollierte statische Anziehung ist ein besonderes Problem für die Kunststoffindustrie und damit für Hersteller medizinischer Geräte. Zu den Prozessen, bei denen dies ein Problem darstellen kann, gehören Spritzguss, Blasformen, Thermoformen, Teiletransport und -sammlung sowie Montageprozesse. Selbst in den strengsten Reinräumen zieht statische Aufladung Partikel von Menschen, Prozessen und Geräten an. Daher ist es wichtig, geeignete Maßnahmen zu ergreifen, um sicherzustellen, dass die statische Aufladung auf ein Minimum beschränkt oder sogar vollständig beseitigt wird.
In diesem Artikel werden die allgemeinen Produktionsherausforderungen betrachtet, die sich aus statischer Aufladung ergeben, erklärt, was statische Aufladung ist, und beschreibt die wichtigsten Techniken zur Neutralisierung statischer Aufladung. Insbesondere wird erklärt, warum die aktive Luftionisierung eine besonders effektive und praktische Lösung ist.
Der statische Schaden kann anrichten
Die Hauptprobleme, die sich aus elektrostatischen Aufladungen ergeben, sind elektrostatische Anziehung, Fehlverhalten des Materials und Stöße des Bedieners.
Elektrostatische Anziehung (ESA). Nicht nur, dass in der Luft befindliche kontaminierende Partikel von geladenen Oberflächen angezogen werden; Geladene Partikel in der Luft können auch kostenlos von Oberflächen angezogen werden. Dieses Problem betrifft in der einen oder anderen Form die meisten Industrien, die auf Kunststoff basieren, aber in der Herstellung medizinischer Geräte ist es die häufigste Ursache für Ausschussprodukte. Das Problem betrifft eine Reihe von Geräten, darunter Katheter, Spritzen, Ersatzgelenke, Herzschrittmacher und Stents.
Wesentliches Fehlverhalten. Eine unkontrollierte ESA führt neben der Produktkontamination auch zu Problemen. Es kann automatisierte Prozesse stören, indem es Teile falsch leitet, abstößt oder dazu führt, dass Teile aneinander oder an Geräten haften bleiben. Dies führt zu erheblichen Kosteneinbußen, da die Hersteller gezwungen sind, ihre Maschinen mit viel langsameren Geschwindigkeiten laufen zu lassen, als dies sonst erforderlich wäre.
Bedienerschocks. Erschütterungen für den Bediener sind in der Regel das Ergebnis einer Akkumulation oder eines Batterieeffekts, der beim Sammeln von Teilen in einem Behälter oder Montagebereich auftritt. Obwohl sie schmerzhaft sein können, sind die Auswirkungen in den meisten Fällen nicht lebensbedrohlich und nur von kurzer Dauer. Die Rückstoßreaktion, die mit dem ersten Schock einhergeht, hat jedoch auch Kostenfolgen. Danach kann es zu einem Moment der Orientierungslosigkeit kommen, der Folgegefahren mit sich bringt, wie z. B. eine Kollision mit anderen Bedienern oder Maschinen. Strengere Gesundheits- und Sicherheitsstandards stellen eine zunehmende Verantwortung für die Hersteller dar, ihre Mitarbeiter vor statischer Entladung zu schützen.
Statik verstehen Wenn ein Material oder Objekt eine elektrische Nettoladung – positiv oder negativ – trägt, spricht man von einer statischen Ladung. Der Begriff statisch ist relativ, da statische Aufladungen in vielen Fällen mit der Zeit langsam abnehmen. Wie lange es dauert, bis die Ladung abnimmt, hängt vom Widerstand des Materials ab. Aus praktischen Gründen können die beiden Extreme als Kunststoff und Metall betrachtet werden. Kunststoffe weisen im Allgemeinen sehr hohe Widerstände auf, so dass sie statische Aufladungen über lange Zeiträume aufrechterhalten können; Metalle haben sehr niedrige Widerstände und ein geerdeter Metallgegenstand behält seine Ladung für eine unmerklich kurze Zeit bei.
Die an einem Material anliegende Spannung hängt von der Ladungsmenge des Materials und der Kapazität des Materials ab. Die einfache Beziehung lautet Q=CV, wobei Q die Ladung, V die Spannung und C die Kapazität des Materials ist. Bei einer gegebenen Ladung eines Materials gilt: Je niedriger die Kapazität, desto höher die Spannung und umgekehrt. Kunststoffe haben im Allgemeinen sehr niedrige kapazitive Werte und daher kann eine kleine Ladung sehr hohe Spannungen erzeugen. Probleme mit statischer Aufladung machen sich am deutlichsten bei der Arbeit mit Kunststoff bemerkbar, da der Spannungspegel die Anziehung von Staub, Erschütterungen des Bedieners und Fehlverhalten der Materialien verursacht.
Statische Elektrizität entsteht durch ein Ungleichgewicht in der molekularen Struktur des Materials. In einem ausgeglichenen Atom sind die positiven Ladungen im Kern gleich den negativen Ladungen der den Kern umkreisenden Elektronen, sodass die Gesamtladung Null ist. Dieses Gleichgewicht kann sich jedoch ändern. Werden Elektronen entfernt, entsteht eine größere positive Ladung im Kern; Wenn zusätzliche Elektronen hinzugefügt werden, wird die Gesamtladung negativ. In beiden Fällen ist statische Elektrizität die Folge.
Es gibt drei Hauptursachen für solche Ungleichgewichte: Reibung, Trennung und Induktion.
Reibung. Wenn zwei Materialien aneinander gerieben werden, kommen die Elektronen, die mit den Oberflächenatomen jedes Materials verbunden sind, sehr nahe aneinander und können sich von einem Material zum anderen bewegen. Die Richtung, in der sich die Elektronen bewegen – von Material A zu Material B oder umgekehrt – hängt von der triboelektrischen Reihe ab, die auf der Reihenfolge der Polarität der Ladungstrennung basiert, wenn ein Material von einem anderen berührt wird. Wenn ein Material am oberen Ende der Reihe berührt wird, erhält ein Material am unteren Ende der Reihe eine negativere Ladung und umgekehrt.
Zudem gilt: Je stärker sie zusammengepresst werden, desto größer ist der Elektronenaustausch und desto höher ist die erzeugte Ladung. Ein praktisches Beispiel: Wenn ein Stück Polyethylen mit sanfter Kraft auf einem Nylonteppich gerieben wird, wird eine mäßige negative Ladung auf dem Polyethylen erzeugt, wohingegen bei erhöhter Kraft eine größere negative Ladung erreicht wird. Auch die Geschwindigkeit des Reibvorgangs beeinflusst den Ladungsgrad; Je schneller gerieben wird, desto höher ist die Ladung. Dies liegt daran, dass die Oberflächenelektronen durch die Reibung Wärmeenergie gewinnen und diese zusätzliche Energie es ihnen ermöglicht, ihre Atombindungen aufzubrechen und auf andere Atome zu übertragen.
Trennung Wenn Materialien in Kontakt kommen, befinden sich Oberflächenelektronen in unmittelbarer Nähe, und wenn sie getrennt werden, neigen sie dazu, an dem einen oder anderen Material zu haften, abhängig wiederum von ihrer Position in der triboelektrischen Reihe. Je schneller die Trennung, desto höher ist die erzeugte Ladung, und je langsamer die Trennung, desto geringer ist die Ladung. Ein häufiges Beispiel ist eine PVC-Bahn, die über eine teflonbeschichtete Walze läuft. Wenn sich die beiden trennen, haften die Elektronen tendenziell am Teflon und erzeugen eine negative Nettoladung auf dem Teflon und eine positive Nettoladung auf dem PVC.
Induktion. Die Oberfläche eines Materials in unmittelbarer Nähe einer hohen positiven Spannung neigt dazu, positiv aufgeladen zu werden. Dies wird durch die Ionisierung der Luft zwischen der Oberfläche des Materials und der Spannungsquelle verursacht, die Oberflächenelektronen vom Material weg zur Quelle transportiert. Dies kann auftreten, wenn ein Bediener in der Nähe aufgeladener Materialien arbeitet und selbst aufgeladen wird. Wenn er einen geerdeten Gegenstand berührt, entlädt er sich und erleidet einen Stromschlag.
Neutralisierung statischer Aufladung durch aktive Luftionisierung
Dasselbe Grundprinzip unterliegt jeder Technik zur Neutralisierung statischer Aufladung: Wenn ein Material eine positive Oberflächenladung hat, müssen Elektronen zur Oberfläche hinzugefügt werden, um die Ladung wieder auszugleichen; Bei negativer Oberflächenladung müssen die überschüssigen Elektronen entfernt werden.
Die beiden grundlegenden Techniken zum Ladungsausgleich sind Leitfähigkeit und Ersatz. Bei ersterem geht es darum, einen Isolator leitend zu machen und ihn dann zu erden. Zu den Möglichkeiten, dies zu erreichen, gehören Befeuchtung und die Anwendung antistatischer Chemikalien (entweder als Beschichtung oder als Zugabe zu Kunststoffen während der Herstellung). Ebenso kann bei der Herstellung Kohlenstoff hinzugefügt werden, um Kunststoff leitfähig zu machen.
Wenn es darum geht, statische Aufladung während des Produktionsprozesses zu bekämpfen, ist die Austauschtechnik mittels aktiver Luftionisation praktischer. Bei der aktiven Luftionisierung wird Hochspannungs-Wechselstrom oder gepulster Gleichstrom eingesetzt, um ionisierte Luft zur Neutralisierung von Oberflächenladungen zu erzeugen. Die Spannung wird einer Reihe von Titan-Emitterstiften zugeführt, die auf einem Ionisierungsstab montiert sind. Dadurch entsteht eine hochenergetische Ionenwolke aus einer großen Anzahl positiver und negativer Ionen, die von Partikeln oder Oberflächen mit entgegengesetzter Ladung angezogen wird und so die Oberfläche schnell neutralisiert.
Die Wahl zwischen Wechselstrom und Gleichstrom hängt von der Anwendung ab. Ein Wechselstromsystem kann nur Ionen entsprechend der Wechselstromfrequenz erzeugen. Die gepulste Gleichstromionisierung ermöglicht die Steuerung sowohl der Frequenz als auch des relativen Gleichgewichts zwischen positiven und negativen Ionen und bietet optimale Lösungen für bestimmte Materialien und anspruchsvollere Anwendungen. Niedrigere Frequenzen ermöglichen beispielsweise die Ionisierung über größere Entfernungen und die Balance-Steuerung ermöglicht die Anpassung der Leistung an die Ladungspolarität des Ziels.
Der Niederfrequenzbetrieb ermöglicht gepulste Gleichstromeliminatoren zur Neutralisierung über große Entfernungen. Die relativ lange Dauer jeder Zyklushälfte führt dazu, dass große Wolken von Ionen wechselnder Polarität aus dem Stab emittiert werden. Dieser Abstand zwischen den positiven und negativen Ionen in der Nähe des Balkens verringert die Rekombinationsrate erheblich (positive und negative Ionen kommen zusammen und heben sich gegenseitig auf). Beachten Sie, dass bei großer Entfernung vom Stab weniger Ionen an eine statisch geladene Oberfläche abgegeben werden können, sodass die Neutralisierungsgeschwindigkeit verringert wird. Achten Sie daher bei der Verwendung gepulster Gleichstromgeräte auf den Abstand, in dem der Stab von der Zieloberfläche montiert wird.
Ein zusätzliches Merkmal gepulster Gleichstromsysteme besteht darin, dass die Ausgangswellenform geändert und die Dauer der negativen und positiven Abschnitte verlängert oder verkürzt werden kann. Wenn beispielsweise bekannt ist, dass die zu neutralisierende Ladung positiv ist, kann die Dauer des negativen Abschnitts verlängert und der positive Teil der Wellenform verringert werden. Dadurch wird die Produktion negativer Ionen erhöht und die Produktion positiver Ionen verringert, wodurch das System die positive Ladung effizienter neutralisiert. In ähnlicher Weise kann der Ausgang bei bekannter negativer Ladung auf die Erzeugung positiver Ionen ausgerichtet sein.
Da das Bewusstsein für die Probleme, die unkontrollierte statische Aufladung verursachen kann, wächst, installieren immer mehr Hersteller medizinischer Geräte Geräte zur Neutralisierung statischer Elektrizität. Beispielsweise verwendet ein Hersteller, der sich auf die Entwicklung und Herstellung von Formwerkzeugen, spritzgegossenen Kunststoffkomponenten und die Montage komplexer Geräte für die Pharma-, Medikamentenverabreichungs-, Medizin- und Gesundheitsindustrie spezialisiert hat, Geräte zur statischen Kontrolle für die Montage von Spritzgussteilen -geformte Arzneimittelverabreichungsgeräte und den gesamten Spritzgussprozess bis hin zur Handmontage.
Während der Montage der Kunststoffkomponenten neutralisieren ionisierende Gebläse und Düsen die Teile und entfernen überschüssige Kunststoffpartikel und statisch angezogene Verunreinigungen aus der Luft. Dies erfolgt in einem Reinraum der Klasse 7. Während des Betriebs der auf dem Tisch montierten Ionisierungsdüse werden die entfernten Partikel zu einem Klebemattenbereich geleitet, wo sie aufgefangen werden, um eine zukünftige Rekontamination des Produkts zu verhindern. Sobald das Arzneimittelverabreichungsgerät sauber ist, wird es manuell unter einer beleuchteten Lupe auf Sauberkeit überprüft.
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