Gestaltungsrichtlinien für reinraumgerechte Montagemaschinen

Wer Montagemaschinen herstellt, wird zunehmend mit der Anforderung konfrontiert, seine Produktionsanlagen auch für besonders reine Umgebungsbedingungen zu entwickeln: für die Reinraumproduktion beim Kunden. ¿Reinraum¿ steht dabei für wesentlich mehr, als nur für eine Umgebungsbedingung, denn die Reinraumproduktion beeinflusst das Design einer Montagemaschine nachhaltig. Hierbei ist einiges zu beachten.

In der Medizintechnik, der Pharma- und Lebensmittelindustrie, bei der Herstellung von Halbleitern und in der Mikromontage ist die Montage im Reinraum nicht mehr wegzudenken.

Definierte Sauberkeit: Die Reinraumklassifizierung

Eine Produktion im Reinraum soll Personal und Produkt vor dem Einfluss von Kontaminationen jeglicher Art schützen. Definiert wird hierbei die maximal zulässige Verunreinigung für das Produkt oder das Personal. Dabei unterscheidet man zwischen zwei gängigen Methoden zur Klassifizierung der Luftreinheit: Die meist verbreitete Methode ist die amerikanische, sie wird im US Federal Standard 209 definiert. Sie misst die Anzahl der Partikel ³ 0,5 mm pro Kubikfoot (cft) = 28 Liter. Anhand des Messungsergebnisses findet eine Klassifizierung in die Klassen 10n (n=1 bis 6) statt. Die zweite Methode nach ISO 14644-1 misst Partikel unterschiedlicher Größe pro Kubikmeter und wurde kürzlich als weltweiter Standard akzeptiert.

Um Montagemaschinen zur Produktion in Reinräumen der Klassen 100 bis 100 000 bzw. ISO Klasse 5 bis 8 herzustellen, müssen gewisse Standards erfüllt werden. Einige wichtige Grundlagen und Beispiele sind für die Herstellung von reinraumtauglichen Montagemaschinen von Bedeutung:

Fließend rein: Die Strömungsverhältnisse

Strömungsverhältnisse spielen im Hinblick auf die Reinheit eine entscheidende Rolle: Montageanlagen müssen im Reinraum durchströmbar sein, das Produkthandling mittels Greifer oder Personal sollte auf der Abluftseite stattfinden, und angefallene Kontaminationen sind mit der Abluft abzutransportieren. Die geometrischen Formen beeinflussen das Strömungsverhalten entscheidend, weshalb Ecken und Kanten bei der Gestaltung von Montagemaschinen grundsätzlich zu vermeiden sind.

Weiterhin sollte im Reinraum die Luft ungehindert die Maschine durchströmen und das Produkt umströmen. Im Idealfall ist die Maschine nach oben offen. Ist dies nicht möglich, kann man der Maschine auch auf andere Weise Luft zuführen. In diesem Fall muss, zum Beispiel mit Filtern, sichergestellt werden, dass es sich um reine Luft handelt (Bild 1).

Bild 1

Feine Unterschiede: Die Werkstoffauswahl

Auch die eingesetzten Werkstoffe spielen eine wichtige Rolle. Sie sollten generell abriebfrei sein. Verschiedene Sachverhalte sind für die Materialeignung zu hinterfragen: Werden die Partikel ständig oder nur sporadisch emittiert? Sind diese für das Produkt kritisch oder unkritisch? Auch sichtbare Zeichen wie Korrosion, Abrieb, Bruch und Ablagerungen von Schmiermitteln geben Auskunft darüber, inwieweit das Material geeignet ist. Bild 2 zeigt die Eignung von Materialien hinsichtlich Abrieb und Aufladung.

Bild 2

Reibungselemente und Materialkombinationen

Aufeinander reibende Flächen können die Partikelemission erheblich erhöhen und sind daher zu vermeiden. Ist dies nicht möglich, stehen folgende Möglichkeiten zur Wahl: GMP-taugliche Schmiermittel einsetzen, das Einkapseln von reibenden Paarungen oder ein Absaugen der Partikel. Auch hier spielt die Auswahl der Materialkombinationen eine wichtige Rolle. Zusätzlich haben Oberflächenstruktur, Oberflächenrauhigkeit, Anpressdruck und Relativgeschwindigkeit einen entscheidenden Einfluss auf die Partikelemission.

Praxisgerecht lösen: Systematisch vorgehen

Eine häufige Vorgehensweise in der Praxis ist die Risikoanalyse FMEA (Failure Mode Effects Analysis). Sie bewertet systematisch die Produkt-Risiken hinsichtlich Auswirkung, Auftrittswahrscheinlichkeit und Kontrolle. Auf dieser Basis werden dann die Maßnahmen zur Reduzierung des jeweiligen Risikos entwickelt. Die FMEA ist für alle mög- lichen ¿Partikelverursacher¿ anzuwenden (Bild 3).

Bild 3

Die reinraumgerechte Bauteile-Zuführung

Das klassische Zuführen von Schüttgut über Fördergeräte birgt ebenfalls ein hohes Risiko der Partikelemission. Bunkersysteme und Abdeckhauben helfen dabei, Partikel zu vermeiden. Auch der Antrieb von Sortiergeräten und Linearförderern muss abgedeckt werden. Allerdings bleiben die Zuführschienen wegen der optimalen Luftumströmung offen. Die Zuführbänder sollten getaktet, antistatisch, abschaltbar und in mehrere Pufferstrecken aufgeteilt sein (Bild 4).

Bild 4

Die reinraumgerechte Montagestation

Beim Konstruieren von reinraumgerechten Montagestationen sind viele Einzelfaktoren zu berücksichtigen. Einige Beispiele erklären das Selbstverständnis der reinraumgerechten Konstruktion: So sollten über dem Produkt keine Bewegungen stattfinden, um die bereits erwähnten Strömungsverhältnisse nicht zu behindern. Auch sind Ecken und Kanten, Fasen und Kantenbrüchen zu vermeiden ¿ ebenfalls für optimale Strömungsverhältnisse und ein reinigungsfreundliches Design. Des Weiteren müssen komplette Stationen abgedeckt werden können und Maßnahmen gegen eine statische Aufladung sollten möglich sein (Bild 5).

Bild 5

Fazit

Zusammenfassend bleibt festzustellen, dass Partikel nur durch ein systematisches Gestalten und Überprüfen des Montageablaufs vermieden werden können. Geeignete Sekundärmaßnahmen, wie zum Beispiel Absaugen oder Schutzumhausungen, sind in vielen Fällen unerlässlich.

Zum Thema:

Wer seine Maschine in einem Reinraum betreiben will, muss schon bei der Konstruktion einiges beachten. Am Beispiel einer Montagemaschine zeigt der Beitrag grundlegende Konstruktionsprinzipien auf und gibt Hilfestellung bei der Materialwahl.

Silke Fischer

Links: http://www.sortimat.de