L’électricité statique peut entraîner des problèmes dans les processus de fabrication des dispositifs médicaux, mais l’ionisation active de l’air constitue une solution efficace et pratique.
Matt Fyffe (VP/Directeur général – Meech USA)
En 600 avant JC, le philosophe et mathématicien Thalès de Milet rapportait qu'après avoir frotté un morceau d'ambre sur la fourrure d'un chat, l'ambre attirait et retenait les plumes. Ce fut la première découverte de l'électricité statique (littéralement, l'électricité au repos).
Ce que Thales a observé est ce que nous appelons maintenant la charge triboélectrique, où certains matériaux se chargent électriquement après un contact avec un autre matériau par friction. Bien que la génération d'une charge statique contrôlée ait des applications positives dans certains scénarios de fabrication (permettant l'adhésion temporaire entre deux ou plusieurs surfaces de polarité opposée, par exemple), dans de nombreuses opérations dans une multitude d'industries, l'électricité statique non contrôlée entraîne de graves problèmes de production. Celles-ci vont des temps d'arrêt dus à des blocages de machines dus à la contamination des produits jusqu'à la perte de produits dans des industries telles que l'électronique, où même une faible tension statique peut détruire des composants sensibles. Les personnes peuvent également être blessées, les employés subissant des chocs électriques. Lorsque des matériaux inflammables sont utilisés, il existe également un risque réel d'incendies et d'explosions, comme l'a clairement démontré la mort tragique d'un homme de Pennsylvanie en 2010 alors qu'il faisait le plein d'essence dans sa voiture.
L’attraction statique incontrôlée constitue un problème particulier pour les industries du plastique et, par conséquent, pour les fabricants de dispositifs médicaux. Parmi les processus où cela peut poser problème figurent les processus de moulage par injection, de moulage par soufflage, de thermoformage, de transport et de collecte de pièces et d'assemblage. Même dans les salles blanches les plus strictes, la charge statique attire les particules provenant des personnes, des processus et des équipements. Il est donc important de prendre les mesures appropriées pour garantir que l'électricité statique soit réduite au minimum, voire complètement éliminée.
Cet article examine les défis de production courants liés à l'électricité statique, explique ce qu'est l'électricité statique et décrit les principales techniques permettant de neutraliser l'électricité statique. Il explique notamment pourquoi l’ionisation active de l’air constitue une solution particulièrement efficace et pratique.
Les dégâts que l’électricité statique peut causer
Les principaux problèmes résultant des charges électrostatiques sont l’attraction électrostatique, le mauvais comportement des matériaux et les chocs de l’opérateur.
Attraction électrostatique (ESA). Non seulement les particules contaminantes en suspension dans l’air sont attirées par les surfaces chargées ; les particules chargées en suspension dans l’air peuvent également être attirées vers les surfaces sans aucune charge. Ce problème affecte la plupart des industries basées sur le plastique sous une forme ou une autre, mais la statique dans la fabrication de dispositifs médicaux est la cause la plus fréquente de produits rejetés. Le problème affecte toute une série de dispositifs, notamment les cathéters, les seringues, les articulations de remplacement, les stimulateurs cardiaques et les stents.
Mauvaise conduite matérielle. L'ESA non contrôlée donne lieu à des problèmes autres que la contamination des produits. Cela peut perturber les processus automatisés en provoquant un mauvais acheminement, en repoussant ou en faisant coller les pièces les unes aux autres ou aux équipements. Cela impose des pénalités de coûts importantes, car cela oblige les fabricants à faire fonctionner leurs machines à des vitesses beaucoup plus lentes que ce qui serait autrement nécessaire.
Chocs de l'opérateur. Les chocs de l'opérateur sont généralement le résultat d'une charge accumulée, ou effet de batterie, se produisant lors de la collecte de pièces dans un bac ou une zone d'assemblage. Bien qu’ils puissent être douloureux, dans la plupart des cas, les effets ne mettent pas la vie en danger et sont de courte durée. Cependant, la réaction de recul associée au choc initial a également des implications financières, après quoi il peut y avoir un moment de désorientation, entraînant des dangers ultérieurs tels qu'une collision avec d'autres opérateurs ou des machines. Des normes de santé et de sécurité plus strictes imposent aux fabricants une responsabilité croissante en matière de protection du personnel contre les décharges électrostatiques.
Comprendre la statique Lorsqu’un matériau ou un objet détient une charge électrique nette – positive ou négative – on dit qu’il a une charge statique. Le terme statique est relatif, car dans de nombreux cas, les charges statiques diminuent lentement avec le temps. Le temps nécessaire à la diminution de la charge dépend de la résistance du matériau. Pour des raisons pratiques, les deux extrêmes peuvent être considérés comme le plastique et le métal. Les plastiques ont généralement des résistances très élevées, ils peuvent donc maintenir des charges statiques pendant de longues périodes ; les métaux ont des résistances très faibles et un objet métallique mis à la terre conservera sa charge pendant un temps imperceptiblement court.
La tension présente sur un matériau dépend de la quantité de charge présente sur le matériau et de sa capacité. La relation simple est Q=CV, où Q est la charge, V est la tension et C est la capacité du matériau. Pour une charge donnée sur un matériau, plus la capacité est faible, plus la tension est élevée et vice versa. Les plastiques ont généralement des valeurs capacitives très faibles et donc une petite charge peut produire des tensions très élevées. Les problèmes d'électricité statique sont plus visibles lorsque l'on travaille avec du plastique, car le niveau de tension provoque l'attraction de poussière, des chocs pour l'opérateur et un mauvais comportement des matériaux.
L'électricité statique résulte d'un déséquilibre dans la construction moléculaire du matériau. Dans un atome équilibré, les charges positives du noyau sont égales aux charges négatives des électrons en orbite autour du noyau, donc la charge globale est nulle. Cet équilibre peut cependant changer. Si des électrons sont supprimés, le résultat est une charge positive plus importante dans le noyau ; si des électrons supplémentaires sont ajoutés, la charge globale devient négative. Dans les deux cas, il en résulte de l’électricité statique.
Il existe trois causes principales à ces déséquilibres : la friction, la séparation et l’induction.
Friction. Lorsque deux matériaux sont frottés l’un contre l’autre, les électrons associés aux atomes de surface de chaque matériau se rapprochent très étroitement les uns des autres et peuvent se déplacer d’un matériau à l’autre. La direction dans laquelle les électrons se déplacent – du matériau A au matériau B ou vice versa – dépend de la série triboélectrique, qui est basée sur l'ordre de polarité de séparation des charges lorsqu'un matériau est touché par un autre. Lorsqu'il est touché par un matériau proche du haut de la série, un matériau situé vers le bas de la série atteindra une charge plus négative et vice versa.
De plus, plus ils sont pressés l’un contre l’autre, plus l’échange d’électrons est important et plus la charge générée est élevée. Un exemple pratique est que si un morceau de polyéthylène est frotté sur un tapis en nylon avec une force douce, une charge négative modérée sera générée sur le polyéthylène, tandis que si la force est augmentée, une charge négative plus importante sera obtenue. La vitesse de l’action de frottement affecte également le niveau de charge ; plus le frottement est rapide, plus le niveau de charge est élevé. En effet, les électrons de surface gagnent de l’énergie thermique générée par le frottement, et cette énergie supplémentaire leur permet de rompre leurs liaisons atomiques et de la transférer à d’autres atomes.
Séparation Lorsque les matériaux sont en contact, les électrons de surface sont très proches et, lorsqu'ils sont séparés, ils ont tendance à adhérer à l'un ou l'autre matériau, en fonction, encore une fois, de leur position sur la série triboélectrique. Plus la séparation est rapide, plus la charge générée est élevée et plus la séparation est lente, plus la charge est faible. Un exemple courant est une bande de PVC se déplaçant sur un rouleau recouvert de téflon. Lorsque les deux se séparent, les électrons ont tendance à adhérer au Téflon, générant une charge négative nette sur le Téflon et une charge positive nette sur le PVC.
Induction. La surface d’un matériau située à proximité d’une tension positive élevée aura tendance à se charger positivement. Ceci est dû à l'ionisation de l'air entre la surface du matériau et la source de tension, qui éloigne les électrons de surface du matériau vers la source. Cela peut se produire lorsqu'un opérateur travaille à proximité de matériaux chargés et se charge lui-même. En touchant un objet mis à la terre, il se déchargera dessus et recevra un choc électrique.
Neutralisation de l'électricité statique grâce à l'ionisation active de l'air
Le même principe fondamental régit chaque technique de neutralisation de l'électricité statique : lorsqu'un matériau a une charge de surface positive, des électrons doivent être ajoutés à la surface pour rééquilibrer la charge ; là où la charge de surface est négative, les électrons en excès doivent être éliminés.
Les deux techniques de base pour rééquilibrer la charge sont la conductivité et le remplacement. La première consiste à rendre un isolant conducteur puis à le mettre à la terre. Les moyens d'y parvenir incluent l'humidification et l'application de produits chimiques antistatiques (soit sous forme de revêtements, soit en les ajoutant aux plastiques pendant la fabrication). De la même manière, du carbone peut être ajouté lors de la fabrication pour rendre le plastique conducteur.
Lorsqu’il s’agit de lutter contre l’électricité statique pendant le processus de production, la technique de remplacement utilisant l’ionisation active de l’air est plus pratique. L'ionisation active de l'air utilise du courant alternatif haute tension ou du courant continu pulsé pour produire de l'air ionisé afin de neutraliser les charges de surface. La tension est transmise à un ensemble de broches émettrices en titane montées sur une barre ionisante. Cela crée un nuage d’ions à haute énergie composé d’un grand nombre d’ions positifs et négatifs, qui sont attirés par des particules ou des surfaces portant une charge opposée, neutralisant ainsi rapidement la surface.
Le choix du courant alternatif ou continu est déterminé par l'application. Un système AC ne peut générer des ions qu’en fonction de la fréquence AC. L'ionisation CC pulsée permet de contrôler à la fois la fréquence et l'équilibre relatif entre les ions positifs et négatifs, offrant des solutions optimales pour des matériaux spécifiques et des applications plus exigeantes. Par exemple, des fréquences plus basses permettent une ionisation sur de plus longues distances, et le contrôle de la balance permet d'ajuster la sortie en fonction de la polarité de charge sur la cible.
Le fonctionnement à basse fréquence confère aux éliminateurs de courant continu pulsé une neutralisation à longue portée. La durée relativement longue de chaque moitié du cycle provoque l’émission de grands nuages d’ions de polarité alternée depuis la barre. Cette distance entre les ions positifs et négatifs proches de la barre réduit considérablement le taux de recombinaison (les ions positifs et négatifs se réunissent et s'annulent). Notez qu'à de longues distances de la barre, moins d'ions sont délivrés à une surface chargée statiquement, donc la vitesse de neutralisation est réduite. Par conséquent, lorsque vous utilisez un équipement à courant continu pulsé, faites attention à la distance à laquelle la barre sera montée par rapport à la surface cible.
Une caractéristique supplémentaire des systèmes à courant continu pulsé est que la forme d'onde de sortie peut être modifiée et la durée des sections négatives et positives peut être augmentée ou diminuée. Par exemple, si l’on sait que la charge à neutraliser est positive, la durée de la section négative peut être augmentée et la partie positive de la forme d’onde réduite. Cela augmentera la production d’ions négatifs et diminuera la production d’ions positifs, rendant le système plus efficace pour neutraliser la charge positive. De même, pour une charge négative connue, la sortie peut être orientée vers la production d’ions positifs.
À mesure que la prise de conscience des problèmes que l’électricité statique non contrôlée peut causer augmente, de plus en plus de fabricants de dispositifs médicaux installent des équipements de neutralisation de l’électricité statique. Par exemple, un fabricant spécialisé dans le développement et la fabrication d'outils de moulage, de composants plastiques moulés par injection et dans l'assemblage de dispositifs complexes pour les secteurs pharmaceutique, de l'administration de médicaments, médical et de la santé, utilise un équipement de contrôle statique pour l'assemblage des pièces d'injection. -des dispositifs d'administration de médicaments moulés et tout au long du processus de moulage par injection, jusqu'à l'assemblage manuel.
Lors de l'assemblage des composants en plastique, des souffleurs et des buses ionisants neutralisent les pièces et éliminent l'excès de plastique et les contaminants atmosphériques attirés statiquement. Ceci est réalisé dans une salle blanche de classe 7. Pendant le fonctionnement de la buse ionisante montée sur banc, les particules éliminées sont dirigées vers une zone de tapis collant, où elles sont capturées pour éviter une recontamination future du produit. Une fois propre, le dispositif d’administration de médicament est inspecté manuellement sous une loupe éclairée pour en vérifier la propreté.
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