DISEÑO DE SALAS LIMPIAS

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1 1 DISEÑO DE SALAS LIMPIAS Autores: Gonzalo García Alonso y Marcos Adeliño Ramos SUMMARY The criteria used for cleanroom design are normally based in previous successful experience or in criteria recommended by regulatory authorities. This paper describes the development of clean room design for carbon fibber aircraft components. The main original elements of this project requirements are: a) The room size, up to 50 m x 100 m x 11 m high. b) The size of the produced pieces: 17 m length x 5 m de wide / high. c) The environmental quality requirements, for both cleanliness and temperature & humidity control (reaching 37% RH). The combination of the three above said factors means an engineering issue with few precedents, and the design results reached differ in some aspects from the cleanroom design standards generally accepted. RESUMEN Los criterios que se emplean para el diseño de salas limpias suelen estar basados en precedentes cuya eficacia haya sido probada o bien hayan adoptados por organismos de reconocida solvencia. Esta ponencia describe el desarrollo del diseño de salas para la fabricación de piezas de fibra de carbono para la industria aeronáutica. Los principales elementos de originalidad de los requerimientos de este proyecto son: a) El tamaño de las salas, de hasta 50 m x 100 m x 11 m de altura. b) El tamaño de las piezas fabricadas: 17 m de largo x 5 m de ancho / alto. c) Los requerimientos de calidad ambiental, tanto de limpieza como de control de temperatura y humedad (hasta 37% HR). La combinación de los tres factores anteriores implica un problema de ingeniería con pocos precedentes y que ha llevado a soluciones de diseño en algunos sentidos diferentes de las convencionales adoptadas para salas limpias. 1. ANTECEDENTES o AIRBUS España. La fibra de Carbono como material de componentes aeronáuticos La empresa aeronáutica privada AIRBUS tiene en marcha el proceso de fabricación de un nuevo modelo de aeronave, que será el mayor avión comercial en funcionamiento en el año 2006: el A-380. Admitirá 555 viajeros en dos alturas, reduciendo de esta manera los colapsos en los aeropuertos y las emisiones contaminantes por pasajero. Para esta nueva aeronave, AIRBUS apuesta por un avance muy significativo en el porcentaje de piezas construidas con fibra de carbono, sustituyendo a piezas que 1347

2 2 antiguamente se construían mediante elementos metálicos. Esto ha dado un impulso sin precedentes a las plantas españolas de esta compañía, que lideran dentro de su grupo la fabricación de piezas de este material compuesto. Como parte de este proyecto de expansión, AIRBUS adoptó la decisión de ampliar su planta de Illescas (Toledo), para acoger la producción de componentes asociados al nuevo A-380. o Requerimientos de la planta de Illescas El proyecto contempla la demolición de edificaciones existentes, movimiento de tierras y urbanización, y construcción de seis nuevos edificios (anexos a los existentes). Respecto a las infraestructuras, en algunos casos las nuevas instalaciones se conectan a las infraestructuras existentes. En otros casos se crearon infraestructuras nuevas o bien se modificaron las infraestructuras existentes para adaptarlas al nuevo uso conjunto. El total de la construcción objeto del proyecto ocupa m2. Las características singulares de los edificios proyectados y construidos residen en las especiales características ambientales requeridas durante el proceso de conformado de las piezas de fibra de carbono. Por una parte, el tamaño de las piezas a fabricar es inusualmente grande: 17 m de largo x 5 m de ancho / alto. En total se han construido m2 de este tipo de salas, que tienen una superficie de entre m2 y m2, y una altura de 11 m. La luz libre de alguno de los pórticos de estas salas es de hasta 51 m, poco habitual en las edificaciones convencionales. Por otra parte, las condiciones del ambiente en el que se fabrican estas piezas ha de estar estrictamente controlada, lo que es una condición poco habitual en salas del tamaño descrito. El tamaño del autoclave es proporcional al tamaño de las piezas: 500 m3. o Alcance de los trabajos de EPTISA en este proyecto En este proyecto EPTISA desarrolló los trabajos de Diseño, Gestión de Proyecto, Ingeniería, asistencia a la Gestión de Compras, Dirección y supervisión de Obra, y Coordinación de Seguridad y Salud. El proyecto contempla una variedad de sistemas y de zonas no descritos en este documento, que se centrará en aquéllos aspectos originales respecto a los estándares de la industria en Europa. 2. PROCESO DE FABRICACIÓN Esquemáticamente el proceso de producción de las piezas de fibra de carbono consiste en una fase de conformado, un curado en autoclave, y un posterior mecanizado (operación que se realiza en otras plantas). La fase de conformado, representada en color amarillo en la figura 1, es la que presenta requerimientos ambientales especiales. Las operaciones en las zonas de curado están controladas, pero al ser muy breve la presencia de la pieza sin curar en estas zonas, no existen requerimientos ambientales demasiado estrictos, por lo que no se tratarán en esta ponencia. 1348

3 3 Una vez curada la pieza, ésta es menos sensible a la contaminación o al deterioro debido a las condiciones ambientales, por lo que puede trasladarse en transportes convencionales. Fibra de carbono materia prima Conformado Curado Mecanizado Molde Planta de Illescas Otras Plantas Figura 1. Esquema de proceso de fabricación 3. CARACTERÍSTICAS DE LAS ZONAS DE PRODUCCIÓN o Características geométricas Como se ha mencionado anteriormente, las dimensiones de las salas no son en absoluto convencionales, debido al gran tamaño de las piezas que se fabrican. Esta característica limita mucho los precedentes que existen en el diseño de este tipo de instalaciones. En efecto, las salas limpias empleadas en la industria farmacéutica tienen tamaños muy inferiores. Por otra parte, las salas limpias para uso de microelectrónica, que a veces sí tienen dimensiones en planta considerables, generalmente tienen una altura muy inferior a la de este proyecto, por lo que el control del flujo de aire se realiza de modo diferente. La configuración de las salas en planta, que se irá justificando durante la ponencia, se recoge en la figura nº 2: Curado Sala 3 Sala 2 Otras Plantas Sala 1 Figura 2. Layout de planta 1349

4 4 o Parámetros ambientales Por una parte, debe evitarse que la fibra de carbono fresca esté en contacto con partículas no deseadas que trasporte el aire, de manera que se asegure la ausencia de contaminación entre capas del material compuesto, o en su superficie. Además, en las zonas donde las piezas no han pasado todavía el proceso de curado, los parámetros ambientales han de cumplir también unas condiciones estrictas de temperatura y humedad, con objeto de que la fibra no pierda sus características mecánicas de flexibilidad, resistencia a la tracción, adherencia, etc. Así, para las salas 1 y 2, las condiciones a mantener son 21 ºC, 45% HR, y para la sala 3, 20 ºC, 37% HR (más restrictiva). Las tolerancias son de +/- 2 ºC y +/- 5% HR. Por supuesto, la incidencia de la luz solar en las zonas limpias no está permitida. Estos parámetros deben mantenerse a una distancia del suelo entre 1 m y 5 m, que es la zona en que se conforman las piezas. El resto de la altura de las salas se reserva para las manipulaciones, y para alojar el canto de los puentes-grúa (2.5 m) 4. CRITERIOS GENERALES A TENER EN CUENTA EN EL DISEÑO DE LAS INSTALACIONES A continuación se describirán los principios generales a tener en cuenta en el diseño de las instalaciones. En el capítulo siguiente se describirá la solución adoptada para obtener los objetivos establecidos los resultados obtenidos de su aplicación, para justificar la solución concreta que se llevó a la práctica. Para obtener un determinado grado de limpieza en una sala de producción, es necesario tener en cuenta conjuntamente los criterios de diseño de la climatización, la arquitectura, y las operaciones de producción. Si alguno de estos tres capítulos no corresponde a los requerimientos del grado de limpieza requerido, será muy difícil compensarlo con medidas extraordinarias en el resto de los aspectos. o Tratamiento y distribución del aire Temperatura y humedad El sistema de climatizadores y la red de distribución asociada a ellos debe ser capaz de compensar el efecto de las cargas interiores (equipos y personas) y exteriores (ganancias por conducción a través del cerramiento e infiltraciones por entrada de aire del exterior). Limpieza En los climatizadores se realiza también el filtrado del aire que retorna de las salas, y del aire exterior, para lo que debe escogerse el nivel de filtración adecuado a cada uso. La efectividad de la filtración depende de la elección del número de renovaciones de la sala y, más importante aún, del esquema de velocidades del aire en el volumen de la sala y en la zona de trabajo, de manera que se asegure un buen barrido de las partículas generadas hacia los conductos de retorno que recogerán el aire a tratar. 1350

5 5 Presiones La presión relativa de cada sala influye en el nivel de las infiltraciones y en su direccionalidad. Habitualmente se diseñan saltos de 15 Pa o al menos de 10 Pa, pues diferencias de presión inferiores son difíciles de regular con los sistemas de control convencionales. Por otra parte, es difícil conseguir presurizaciones de más de 50 Pa en salas construidas mediante elementos comunes. o Arquitectura Disposición de las salas (layout) Uno de los orígenes de la contaminación del ambiente y de la introducción de cargas indeseadas es la comunicación de la sala con los volúmenes limítrofes, y en particular de las salas adyacentes a través de las puertas. En esta caso particular, las dimensiones de los huecos de comunicación entre salas superan con mucho las dimensiones habituales para zonas limpias (hasta 130 m2 por puerta). Los criterios que se suelen adoptar para mantener el grado de limpieza de una sala es dotarla de puertas sólo hacia salas que también estén controladas. En general se disponen de vestíbulos de independencia tratados de la misma manera que la sala de grado más estricto, con dos juegos de puertas, de manera que uno de ellos siempre permanezca cerrado y se evite así la comunicación directa entre salas. De esta manera, sólo las salas con un grado de limpieza más bajo tienen comunicación directa al exterior del edificio. La disposición de las salas tiene asimismo una importancia vital en la operación de la planta. Materiales y acabados Los materiales de los paramentos de las salas deben asegurar estanquidad impidiendo el paso del aire. Esto obliga a que las superficies sean no porosas y a que todas las juntas se encuentren selladas. Al mismo tiempo, han de evitarse materiales de los que se puedan desprender partículas. Los paramentos deben permitir su limpieza y por lo tanto deben tener sus superficies accesibles, además de ser impermeables y resistentes a los productos que empleen para limpiarlos. Los acabados y la configuración de las superficies ha de permitir la fácil detección de la suciedad, por ejemplo, mediante colores y acabados lisos. o Operaciones El tercer concepto que condiciona el nivel de control del ambiente de las salas son las operaciones de producción y mantenimiento que se lleven a cabo en ellas, que en la práctica son las que condicionan las medidas a adoptar en los dos capítulos anteriores. Así, los movimientos de personas o materiales, los procedimientos de apertura de puertas, las operaciones de producción, el tipo de ropas empleadas y el estado de limpieza de los materiales, etc. suelen ser los principales focos de contaminación, cuyos efectos deben controlar los elementos arquitectónicos y la instalación de climatización. 1351

6 6 5. RESULTADOS ADOPTADOS o Distribución de las salas Las salas de conformado, que en el esquema de la figura 2 se representan en colores amarillo y naranja, se implantan de manera que la sala nº 3, de requerimientos más estrictos que las otras dos, queda aislada de las zonas no tratadas de manera que el acceso a ella se realice solamente desde la sala 2, que será para aquélla el único foco de contaminación posible. El acceso a la zona de curado se realiza indistintamente desde las salas 1 o 2, y a su vez la salida de las piezas al exterior del edificio se realiza sólo desde la zona de curado. o Características geométricas El principal efecto de los elevados volúmenes de aire a tratar en cada sala es la disminución relativa del efecto de la ocupación, así como de las superficies de los paramentos de las salas. Así pues, en el primer caso, tanto la influencia en el grado de limpieza como en la temperatura y humedad del local debida a las operaciones de producción es muy escasa en términos relativos. En lo que respecta a la influencia de las superficies, su efecto relativo al volumen de aire a tratar también es muy inferior al de las salas limpias convencionales e incluso a las salas destinadas a microelectrónica, donde casi toda la influencia es debida a suelos y techos. De esta manera, incluso los grandes huecos de puertas anteriormente descritos se pueden admitir sin poner en riesgo el control del ambiente de las salas. Como contrapartida, los efectos de inercia son considerables, necesitando la sala un tiempo considerable para alcanzar las condiciones de operación desde la puesta en marcha de los equipos, así como recuperar la presurización de cada local (la pérdida de presión es inmediata). o Niveles de presión Con los condicionantes anteriores se plantean ahora los niveles de presión relativos a adoptar en cada una de las salas, lo cual es una condición prácticamente indispensable para conseguir el aislamiento necesario entre zonas. La primera medida adoptada ha sido el desistimiento de la instalación de vestíbulos de independencia parea el paso de piezas entre salas, ya que dado su gran tamaño, la implantación de los vestíbulos se haría impracticable. Por otra parte, se ha diseñado un pasillo técnico perimetral alrededor de las salas de producción, con un doble objetivo: - Alojar la estructura del edificio y el paso de las instalaciones auxiliares tales como tubería, conductos, bandejas de cables, cuadros secundarios, etc. de manera que su estado de limpieza no influya en la sala de producción. - Crear un doble aislamiento térmico y de estanqueidad, alojando a la vez los vestíbulos de pasos de personas y las vías de evacuación protegidas. Estos pasillos tienen anchos que varían entre los 2,5 m y los 4,5 m. Con las medidas anteriores, es posible alcanzar 45 Pa de presión en la sala 3, manteniendo saltos de 15 Pa hasta la sala de curado. 1352

7 7 A pesar de tener los mismos requerimientos ambientales, la sala 2 tiene una presión superior a la sala 1, como medida de protección del ambiente de la sala 3 (aquélla actúa como un vestíbulo de ésta). 45 Pa 30 Pa Curado +0 Pa 15 Pa Sala 3 Sala 2 Sala 1 +0 Pa Figura 3. Pasillos técnicos y niveles de presión o Movimiento del aire en las salas En primer lugar, debido a la altura de las salas, se han escogido difusores cónicos, que permitan alcanzar la zona de aire entre los +1 m y +5 m. Los difusores rotacionales estarían limitados para el control de la estratificación del aire en este tipo de alturas. Para la configuración geométrica anteriormente descrita, el retorno a nivel del techo presenta el riesgo de: a) No permitir el barrido de las partículas del ambiente. b) Dificultar el tratamiento térmico del aire, obligando a impulsar con velocidades elevadas para barrer las zonas bajas, lo que a su vez dificulta el grado de limpieza del ambiente. Una vez decidida la ubicación de los retornos en la parte baja de la sala (ocultando los conductos en los pasillos técnicos descritos anteriormente), el esquema simple de circulación de aire de la figura 4 presenta el riesgo de movimientos no deseados en las zonas cercanas a las paredes, debido a la lejanía de la influencia de los difusores, además de la distancia entre los retornos: 1353

8 8 Impulsión Retorno Figura 4. Impulsión sólo en techo Se ha optado por tanto por un esquema de circulación como el representado en la figura 5, ubicando una pequeña impulsión adicional en el perímetro, que evite el movimiento ascendente del aire: Impulsión Impulsión Retorno Figura 5. Impulsión en techo y paredes De esta manera se consigue que las partículas desprendidas en la sala que pasen al aire se recojan lo más ordenadamente posible en los retornos, evitando que circulen durante un tiempo prolongado en el ambiente y que se depositen en las superficies de las piezas. o Tratamiento del aire Dadas las proporciones de las salas y sus efectos, descritos anteriormente, se han pedido unos parámetros de diseño no excesivamente elevados (que darían lugar, por otra parte, a unas dimensiones de instalaciones absolutamente inmanejables). Para las salas 1, 2 y 3 se han adoptado 2,7 renovaciones /hora. En las salas 1 y 2 se mantiene una renovación del 10% del aire tratado. En la sala 3, de HR más baja, este porcentaje puede variar del 10% hasta el 3% si la HR lo requiere. 1354

9 9 En cuanto al control de humedad, para las salas 1 y 2 es suficiente el empleo de la batería de frío para desecar cuando ésta es excesiva (esto ha de tenerse en cuenta en el dimensionamiento de la batería de calor), más la humectación en los climatizadores en caso de que sea necesario elevar la humedad. Para la sala 3, se hace un tratamiento previo del aire exterior, que a continuación se seca en secadores frigoríficos (uno para cada climatizador). La batería de frío de los climatizadores también permite retirar el exceso de humedad del aire que se recircula. En cuanto a los niveles de filtración, estas salas no requieren el uso de filtros terminales, por lo que se han montado dos niveles de filtrado en los climatizadores. Inicialmente se han montado prefiltros EU4 y filtros de bolsa de eficacia EU7, con resultados satisfactorios. Se han instalado dos climatizadores por sala en las salas 1 y 2, y tres en la sala 3, para garantizar una disponibilidad mínima en caso de avería. Se mantienen registros continuos de los parámetros críticos para la calidad del producto, de manera que se pueda mantener la trazabilidad del proceso de producción. En total, en las salas limpias se tratan m3/h o Materiales constructivos seleccionados Como se ha expuesto, la configuración de la sala y sus acabados, tienen una importancia vital a la hora de permitir el control del ambiente. El criterio más importante que se adoptó en estas salas fue el de alojar las múltiples instalaciones en los pasillos técnicos fuera de las salas, no atravesando los paramentos más que para pasar las tomas de servicios a los equipos de producción. En algunos casos en los que la distancia al perímetro no lo permitió, el trazado de las instalaciones se realizó mediante galerías subterráneas. El acabado del suelo es una resina epoxídica autonivelante, resistente a los productos de limpieza empleados, y que presenta una superficie muy lisa y brillante que por una parte impide la adherencia de partículas, y por otra permite la fácil detección de la suciedad en caso de producirse algún incidente o durante la limpieza. Las paredes se realizaron con panel prefabricado de chapa y aislamiento de poliuretano, limitando el uso de la fibra de vidrio a la piel exterior del edificio para evitar el desprendimiento de partículas de tamaño considerable. Estos paneles presentan al interior una cara de chapa lacada totalmente resistente a la limpieza, siendo las juntas selladas como en las cámaras frigoríficas. El doble cerramiento creado por los pasillos técnicos asegura un nivel de aislamiento elevado. En las paredes se dispuso un zócalo de fábrica de 1,5 m de altura, acabado con el mismo recubrimiento que el suelo, de manera que se proteja de los golpes el delicado panel de chapa. 1355

10 10 Las tres salas se dotaron de falso techo justo por encima de los puentes grúa, donde se empotran las instalaciones de alumbrado y distribución y difusión de aire, disminuyendo de esta manera las superficies donde se pueda depositar suciedad. El techo es modular y tiene un acabado vinílico, que impide el desprendimiento de partículas y la permeabilidad a la humedad, además de permitir una limpieza más fácil. Para mantener la estanquidad de las salas se sellaron las placas a los perfiles de soporte. En cuanto a las carpinterías, las puertas se dotaron de burletes y de juntas de estanquidad en el perímetro. Las puertas seccionales entre salas son enrollables, de manera que las guías verticales aseguren un cierto grado de contención del aire, además de resistir la diferencia de presión entre salas. Como se ha mencionado, se ha evitado la entrada de luz solar en las salas. Figura 6. Estado actual de las instalaciones 6. CONCLUSIÓN La creación de salas de ambiente controlado para la fabricación de piezas de fibra de carbono de las dimensiones descritas requiere la adopción de criterios de diseño que difieren en algunos aspectos de los convencionalmente empleados para salas limpias de uso sanitario, farmacéutico o de microelectrónica. Asimismo, la robustez, fiabilidad, mantenibilidad y bajo coste son criterios que han de ser tenidos en cuenta en el diseño de estas instalaciones, así como el ahorro energético y de mantenimiento. CORRESPONDENCIA Marcos Adeliño Eptisa Arapiles, MADRID Tf fax

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