La estática puede causar problemas en los procesos de fabricación de dispositivos médicos, pero la ionización activa del aire es una solución eficaz y práctica.
Matt Fyffe (vicepresidente/gerente general – Meech USA)
En el año 600 a. C., el filósofo y matemático Tales de Mileto informó que después de frotar un trozo de ámbar en el pelaje de un gato, el ámbar atraía y retenía plumas. Ésta fue la primera explicación de la electricidad estática (literalmente, electricidad en reposo).
Lo que Tales observó fue lo que ahora conocemos como carga triboeléctrica, donde ciertos materiales se cargan eléctricamente después del contacto con un material diferente a través de la fricción. Si bien generar una carga estática controlada tiene aplicaciones positivas en algunos escenarios de fabricación (permitiendo la adhesión temporal entre dos o más superficies de polaridad opuesta, por ejemplo), en muchas operaciones en una multitud de industrias, la electricidad estática no controlada causa serios problemas de producción. Estos van desde tiempo de inactividad debido a atascos de maquinaria debido a la contaminación del producto hasta la pérdida de producto en industrias como la electrónica, donde incluso un voltaje estático bajo puede destruir componentes sensibles. Las personas también pueden sufrir daños y los empleados sufren descargas eléctricas. Cuando se utilizan materiales inflamables, también existe la posibilidad real de que se produzcan incendios y explosiones, como lo demostró gráficamente la trágica muerte de un hombre de Pensilvania en 2010 mientras llenaba su automóvil con gasolina.
La atracción estática incontrolada es un problema particular para las industrias del plástico y, en consecuencia, para los fabricantes de dispositivos médicos. Entre los procesos en los que puede suponer un problema se encuentran el moldeo por inyección, el moldeo por soplado, el termoformado, el transporte y recogida de piezas y los procesos de montaje. Incluso en las salas blancas más estrictas, la carga estática atrae partículas de personas, procesos y equipos, por lo que es importante tomar las medidas adecuadas para garantizar que la estática se mantenga al mínimo, si no se elimina por completo.
Este artículo considera los desafíos de producción comunes que surgen de la estática, explica qué es la estática y describe las principales técnicas para neutralizarla. En particular, esto explica por qué la ionización activa del aire es una solución especialmente eficaz y práctica.
El daño que puede causar la estática
Los principales problemas resultantes de las cargas electrostáticas son la atracción electrostática, el mal comportamiento del material y los golpes del operador.
Atracción Electrostática (ESA). No sólo las partículas contaminantes en el aire son atraídas por las superficies cargadas; Las partículas cargadas en el aire también pueden ser atraídas hacia superficies libres de carga. Este problema afecta a la mayoría de las industrias basadas en plástico de una forma u otra, pero la estática en la fabricación de dispositivos médicos es la causa más común de productos rechazados. El problema afecta a una variedad de dispositivos, incluidos catéteres, jeringas, articulaciones de reemplazo, marcapasos y stents.
Mal comportamiento material. Los ESA no controlados dan lugar a problemas además de la contaminación del producto. Puede interrumpir los procesos automatizados al desviar, repeler o hacer que las piezas se peguen entre sí o al equipo. Esto impone importantes penalizaciones de costos porque obliga a los fabricantes a hacer funcionar sus máquinas a velocidades mucho más lentas de lo que sería necesario de otro modo.
Choques del operador. Los choques del operador suelen ser el resultado de una carga acumulada, o efecto de la batería, que ocurre durante la recolección de piezas en un contenedor o área de ensamblaje. Si bien pueden ser dolorosos, en la mayoría de los casos los efectos no ponen en peligro la vida y son de corta duración. Sin embargo, también hay implicaciones de costos en la reacción de retroceso asociada con el impacto inicial, después del cual puede haber un momento de desorientación, trayendo consigo peligros posteriores como colisión con otros operadores o maquinaria. Unas normas de salud y seguridad más estrictas imponen a los fabricantes una carga cada vez mayor de responsabilidad para proteger al personal de las descargas estáticas.
Entendiendo la estática Cuando un material u objeto tiene una carga eléctrica neta, positiva o negativa, se dice que tiene carga estática. El término estática es relativo, ya que en muchos casos las cargas estáticas disminuirán lentamente con el tiempo. El tiempo que tarda la carga en disminuir depende de la resistencia del material. A efectos prácticos, los dos extremos pueden considerarse como plástico y metal. Los plásticos generalmente tienen resistencias muy altas, por lo que pueden mantener cargas estáticas durante largos periodos; Los metales tienen resistencias muy bajas y un objeto metálico conectado a tierra mantendrá su carga durante un tiempo imperceptiblemente corto.
El voltaje presente en un material depende de la cantidad de carga del material y de la capacitancia del material. La relación simple es Q=CV, donde Q es la carga, V es el voltaje y C es la capacitancia del material. Para una carga dada en un material, cuanto menor sea la capacitancia, mayor será el voltaje y viceversa. Los plásticos generalmente tienen valores capacitivos muy bajos y por lo tanto una pequeña carga puede producir voltajes muy altos. Los problemas con la estática son más notorios cuando se trabaja con plástico porque el nivel de voltaje provoca la atracción de polvo, golpes al operador y mal comportamiento de los materiales.
La electricidad estática resulta de un desequilibrio en la construcción molecular del material. En un átomo equilibrado las cargas positivas del núcleo son iguales a las cargas negativas de los electrones que orbitan alrededor del núcleo, por lo que la carga total es cero. Sin embargo, este equilibrio puede cambiar. Si se eliminan electrones, el resultado es una mayor carga positiva en el núcleo; Si se añaden electrones adicionales, la carga total se vuelve negativa. En ambos casos, el resultado es electricidad estática.
Hay tres causas principales de tales desequilibrios: fricción, separación e inducción.
Fricción. Cuando dos materiales se frotan, los electrones asociados con los átomos de la superficie de cada material se acercan mucho entre sí y pueden pasar de un material a otro. La dirección en la que viajan los electrones (del material A al material B o viceversa) depende de la serie triboeléctrica, que se basa en el orden de polaridad de separación de carga cuando un material es tocado por otro. Cuando se toca un material cerca de la parte superior de la serie, un material hacia la parte inferior de la serie alcanzará una carga más negativa y viceversa.
Además, cuanto más se aprietan entre sí, mayor será el intercambio de electrones y mayor será la carga generada. Un ejemplo práctico es si se frota un trozo de polietileno sobre una alfombra de nailon con una fuerza suave, se generará una carga negativa moderada en el polietileno, mientras que si se aumenta la fuerza, se logrará una carga negativa mayor. La velocidad de la acción de frotamiento también afecta el nivel de carga; cuanto más rápido sea el roce, mayor será el nivel de carga. Esto se debe a que los electrones de la superficie ganan energía térmica generada por la fricción, y esta energía adicional les permite romper sus enlaces atómicos y transferirse a otros átomos.
Separación. Cuando los materiales están en contacto, los electrones de la superficie están muy cerca y, cuando se separan, tienden a adherirse a un material u otro, dependiendo (nuevamente) de sus posiciones en la serie triboeléctrica. Cuanto más rápida es la separación, mayor carga se genera y cuanto más lenta es la separación, menor es la carga. Un ejemplo común es una red de PVC que se mueve sobre un rodillo recubierto de teflón. A medida que los dos se separan, los electrones tienden a adherirse al teflón, generando una carga neta negativa en el teflón y una carga neta positiva en el PVC.
Inducción. La superficie de un material muy cerca de un voltaje positivo alto tenderá a cargarse positivamente. Esto es causado por la ionización del aire entre la superficie del material y la fuente de voltaje, que transporta los electrones de la superficie desde el material hasta la fuente. Esto puede ocurrir cuando un operador está trabajando cerca de materiales cargados y él mismo se carga. Al tocar un objeto conectado a tierra, se descargará y recibirá una descarga eléctrica.
Neutralización de la estática mediante ionización activa del aire
El mismo principio fundamental gobierna todas las técnicas para neutralizar la estática: cuando un material tiene una carga superficial positiva, se deben agregar electrones a la superficie para reequilibrar la carga; donde la carga superficial es negativa, se deben eliminar los electrones sobrantes.
Las dos técnicas básicas para reequilibrar la carga son la conductividad y el reemplazo. El primero implica hacer que un aislante sea conductor y luego conectarlo a tierra. Las formas de lograrlo incluyen la humidificación y la aplicación de productos químicos antiestáticos (ya sea como recubrimientos o añadiéndolos a los plásticos durante la fabricación). De manera similar, se puede agregar carbono durante la fabricación para hacer que el plástico sea conductor.
Cuando se trata de combatir la estática durante el proceso de producción, la técnica de sustitución mediante ionización activa del aire resulta más práctica. La ionización activa del aire emplea CA de alto voltaje o CC pulsada para producir aire ionizado para neutralizar las cargas superficiales. El voltaje se alimenta a una serie de pines emisores de titanio montados en una barra ionizante. Esto crea una nube de iones de alta energía formada por una gran cantidad de iones positivos y negativos, que son atraídos por partículas o superficies que llevan una carga opuesta, neutralizando así rápidamente la superficie.
La elección de CA o CC está determinada por la aplicación. Un sistema de CA sólo puede generar iones de acuerdo con la frecuencia de CA. La ionización de CC pulsada permite el control tanto de la frecuencia como del equilibrio relativo entre iones positivos y negativos, ofreciendo soluciones óptimas para materiales específicos y aplicaciones más exigentes. Por ejemplo, las frecuencias más bajas permiten la ionización en distancias más largas y el control de equilibrio permite ajustar la salida para adaptarla a la polaridad de la carga del objetivo.
La operación de baja frecuencia permite a los eliminadores de CC pulsados una neutralización de largo alcance. La duración relativamente larga de cada mitad del ciclo hace que desde la barra se emitan grandes nubes de iones de polaridad alterna. Esta distancia entre los iones positivos y negativos cerca de la barra reduce en gran medida la tasa de recombinación (los iones positivos y negativos se juntan y se anulan entre sí). Tenga en cuenta que a largas distancias de la barra, se entregan menos iones a una superficie cargada estáticamente, por lo que se reduce la velocidad de neutralización. Por lo tanto, cuando utilice equipos de CC pulsada, preste atención a la distancia a la que se montará la barra desde la superficie objetivo.
Una característica adicional de los sistemas de CC pulsada es que la forma de onda de salida se puede alterar y la duración de las secciones negativa y positiva se puede aumentar o disminuir. Por ejemplo, si se sabe que la carga a neutralizar es positiva, se puede aumentar la duración de la sección negativa y reducir la parte positiva de la forma de onda. Esto aumentará la producción de iones negativos y disminuirá la producción de iones positivos, haciendo que el sistema sea más eficiente para neutralizar la carga positiva. De manera similar, para una carga negativa conocida, la salida puede estar sesgada hacia la producción de iones positivos.
A medida que crece la conciencia sobre los problemas que puede causar la estática incontrolada, más fabricantes de dispositivos médicos están instalando equipos de neutralización de estática. Por ejemplo, un fabricante especializado en el desarrollo y fabricación de herramientas para moldes, componentes de plástico moldeados por inyección y el ensamblaje de dispositivos complejos para las industrias farmacéutica, de administración de medicamentos, médica y sanitaria utiliza equipos de control estático para el ensamblaje de dispositivos de inyección. -dispositivos de administración de medicamentos moldeados y durante todo el proceso de inyección del molde, hasta el montaje manual.
Durante el ensamblaje de los componentes de plástico, los sopladores y boquillas ionizantes neutralizan las piezas y eliminan el exceso de rebabas de plástico y los contaminantes transportados por el aire atraídos estáticamente. Esto se lleva a cabo dentro de una sala limpia de Clase 7. Durante el funcionamiento de la boquilla ionizante montada en el banco, las partículas eliminadas se dirigen hacia un área pegajosa, donde se capturan para evitar una futura recontaminación del producto. Una vez limpio, el dispositivo de administración de medicamentos se inspecciona manualmente bajo una lupa iluminada para verificar su limpieza.
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