»Eine Achse für alle Reinraumklassen«

MATTHIAS DI MAURO - Der Geschäftsführer von El.More erzählt über die Anforderungen der Produktion unter Reinraumbedingungen und über reinraumtaugliche Linearachsen, die in seinem Unternehmen entwickelt wurden.

03. August 2007

Herr Di Mauro, immer mehr Fertigungsprozesse finden unter Reinraumbedingungen statt. Wie sind diesbezüglich die Anforderungen?

Genau genommen unterscheidet man nach DIN EN ISO 14644-1 hierzulande die Reinraumklassen zwei bis acht. Für die Industrie relevant sind jedoch die ISO-Klassifizierungen drei bis acht. Sie finden ihre Entsprechung in der US-Norm F.S. 209 D mit den Klassifizierungen eins, zehn, 100, 1.000, 10.000 und 100.000. Entscheidend für diese Klassifizierung sind die Grenzwerte der jeweils in den Räumen herrschenden kumulativen Partikelkonzentration verschiedener Partikelbezugsgrößen je Kubikmeter Luft. So dürfen beispielsweise in einem Reinraum der ISO-Klassifizierung drei in einem Kubikmeter Luft nicht mehr als 1.000 Partikel mit einer Größe von 0,1 Mikrometer oder 237 Partikel mit einer Größe von 0,2 Mikrometer oder 102 Partikel mit einer Größe von 0,3 Mikrometer oder 35 Partikel mit einer Größe von 0,5 Mikrometer oder acht Partikel mit einer Größe von fünf Mikrometer enthalten sein. Zum Vergleich: In einem Reinraum der ISO-Klassifizierung acht sind 3,52 Millionen Partikel mit einer Größe von 0,5 Mikrometer oder 83.200 mit einer Partikelgröße von fünf Mikrometern pro Kubikmeter Luft erlaubt.

Reinräume der ISO-Klassifizierung drei, vier und fünf sind beispielsweise relevant für die Halbleiterfertigung. Reinräume der Klasse fünf finden sich auch in der Chemie- und - abgestuft bis ISO-Klasse acht - in der Pharmaindustrie, in der Medizintechnik und bei Herstellern sogenannter Consumer Electronic, also bei der Fertigung von DVD- und CD-Recordern, Festplatten und so weiter. Die Fertigung von elektronischen und optoelektronischen Komponenten und Systemen, von mikromechanischen Präzisionsinstrumenten und die Lebensmittelherstellung erfolgen in Reinräumen ab ISO-Klasse sechs. Reinraumbedingungen der ISO-Klassifizierungen sieben und acht herrschen beispielsweise in Lackierereien der Automobil-Industrie sowie bei der Fertigung von Luft- und Raumfahrzeugen.

Sämtliches in Reinräumen eingesetzte Fertigungsequipment muss so beschaffen sein, dass es die definierten Partikelkonzentrationen nicht negativ beeinflusst. Wie das sichergestellt wird, obliegt den Herstellern.

Handlingkomponenten wie etwa Linearachsen kommen schon seit einiger Zeit in Reinräumen zum Einsatz. Hersteller werben mit emissionsarmer Schmierung und gekapselten Ausführungen. Wohin geht der Trend?

Mit Blick auf die Technik lässt sich das nicht sagen. Die Konstrukteure und Entwickler werden sich etwas einfallen lassen müssen. In den genannten Marktsegmenten sind bereits einige Hersteller aktiv, ein paar davon sogar bis ISO-Klasse vier mit einer erlaubten Kontamination von 10.000 Partikeln der Größe von 0,1 Mikrometer pro Kubikmeter Luft. Bei den Reinraumklassen eins bis drei hingegen wird aufgrund der höheren Anforderungen die Luft für Hersteller im übertragenen Sinne »dünn«- hier enden erfahrungsgemäß die Kompetenz und die Produktauswahl. Es ist aus unserer Sicht davon auszugehen, dass die Automation jedoch auch in diesen höheren Reinraumklassen Einzug hält - unsere Kunden haben uns das zumindest gelehrt.

Ihr Unternehmen hat ja bereits auch Erfahrungen in höheren Reinraumklassen sammeln können.

Das ist richtig. Mit unserer Linearachse vom Typ ELM, die seit ein paar Jahren auf dem Markt verfügbar ist, konnten wir seinerzeit speziellen Anwendungsfällen mit hoher Schmutzbelastung begegnen. Dies war gleichzeitig eine ideale Voraussetzung für eine Produktneuausrichtung. Die Idee dahinter: Wir hatten eine Achse, die den Schmutzeintritt weitestgehend verhindert - warum diese also nicht im Umkehrschluss zu einem Reinraumprodukt entwickeln, das den Schmutzaustritt verhindert. So gibt es bei näherem Hinsehen heute auch eine gewisse Verwandtschaft zwischen der Serie ELM und unserer neuen Reinraumserie ONE ...

. die sich für höhere Reinraumklassen eignet?

Ja, sie erfüllt alle Voraussetzungen für den Einsatz bis einschließlich Reinraumklasse ISO eins, das entspricht der DIN EN ISO 14644-1. Das Fraunhofer-Institut hat dies für uns und damit für unsere Kunden nach langen und ausführlichen Tests attestiert. Meines Wissens gibt es bislang kein weiteres Produkt, das sich für diese Verwendung vor dem Hintergrund entsprechender Anforderungen eignet. Darum haben wir es auch zum Patent angemeldet.

Wie haben das Ihre Entwickler technisch hinbekommen?

Um Verunreinigungen in dieser gewünschten Form auszuschließen, muss an mehreren Fronten gekämpft werden: Die Kombination von Abdichtungen, Schmierstoffen und vor allem der abriebfesten Komponenten wie dem Polyurethanriemen ist dabei besonders wichtig. Uns ging es in erster Linie darum, die übliche Freisetzung der nicht unerheblichen Menge an Partikeln auf ein Minimum zu reduzieren, indem wir bewusst auf bestimmte Bauteile in der Konstruktion verzichtet haben.

Aber das Verhüten der Kontamination in Reinräumen ist sicher nicht nur über die Güte von Bauteilen zu erzielen.

Die Partikelentstehung ist in unserem Fall primär gleichbedeutend mit »Reibungsverlust«. Insofern ist also die Beschaffenheit der Komponenten das allererste Kriterium - speziell dann, wenn es um die Reduzierung von Partikeln durch Reibung geht. Andererseits lässt sich keine Werkstoff-Partikelemission bei mechanischer Beanspruchung auf null reduzieren. Im Bereich der Linearführungen, bei den Kugelumläufen bis hin zu den Stellen, an denen das Profil des Antriebsriemens in die Zahnriemenscheibe greift - überall dort befinden sich Geburtsstätten der Partikelemission.

Bei der Serie ONE wird der Austritt selbst minimaler Partikelmengen allein schon durch die Bauweise erschwert. Ein Beispiel: Gegenüber den bekannten Lineareinheiten ist der Polyurethan-Abdeckriemen unserer Achse nicht einfach nur in die Gegennut des Profils eingeclipst, sondern fügt sich über eine beidseitige Negativ-Positiv-Profilierung in das Aluminiumgehäuse ein. Beim Vorgang des Einfügens über ein cleveres Umlenksystem wird auf Druck und Quetschungen des Riemens gänzlich verzichtet, was den Abrieb auf ein Minimum reduziert. Hinzu kommt, dass die Serie ONE nahezu an allen Seiten geschlossen ist und dadurch entweichenden Partikeln ohnehin kaum Öffnungen bietet.

Das heißt, die letzten unvermeidlichen Partikel werden im Inneren des Profils gehalten?

Ja und nein. Wie eben gesagt, handelt es sich bei der Serie ONE um ein nahezu geschlossenes System, das entweichenden Partikeln wenig Öffnungen bietet. Wenn überhaupt, dann entstehen Partikel vornehmlich an den beiden Endköpfen der Achsen, wo beide Zahnriemen über die Riemenscheiben laufen.

Hier erzeugen wir durch einen ständigen Luftstrom einen Unterdruck, der die Partikel allerdings direkt über einen Schlauch nach außen führt. So vermeiden wir, dass sich allein durch die permanenten Bewegungen des Laufwagens eine Ausbreitung der Verunreinigungen im Inneren des Systems zur Mitte hin verlagert, wo sie unkontrolliert entweichen. Der Sog an den Außenflanken führt dazu, dass weitestgehend auch die letzten Partikel aus der Mitte zu den Seiten hin abgezogen werden können. Aber um Ihre Frage mit einem Satz zu beantworten: Ja, nach innen an zwei Stellen, um sie anschließend kontrolliert aus dem Reinraum zu führen.

Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung attestiert den Achsen der ONE-Serie nun schon die Eignung für eine Anwendung in der höchsten Reinraumklasse. Bis auf die Mikroelektronik und die Halbleiterherstellung fällt mir da auf Anhieb nicht viel ein. Wie sieht es mit den anderen Reinraumklassen aus?

Also, Sie dürfen getrost davon ausgehen, dass sich die Automatisierung auch in der höchsten Reinraumklasse durchsetzt. Vergessen Sie auch nicht die Mikromechanik, Pharmazie oder Medizintechnik. Die Serie ONE soll durchaus auch in niedrigeren Reinraumklassen zum Einsatz kommen, damit sie demonstrieren kann, in welchem Umfang sie die Standzeiten der anderen Achsen überflügelt; quasi eine Achse für alle Reinraumklassen. Viele Unternehmen wissen sicherlich diesen Entwicklungsvorteil zu schätzen, wenn es auch um die dauerhafte Sicherheit ihrer Anwendung geht.

Ralf Goffin

Erschienen in Ausgabe: DIGEST/2007