Reinheitsgerechte Produktionsanlagen nach Maß

Reinheitsgerechte Produktionsanlagen nach Maß

Kick-off Meeting zum Industrieverbund »Cleanroom Suitable Materials CSM, Phase 4« am 28. Januar 2009 am Fraunhofer IPA in Stuttgart

Ausgangssituation

Bei verschiedensten technischen Komponenten wird die Forderung nach steigender Leistung und Geschwindigkeit sowie Reduzierung von Gewicht und Energiebedarf mit einem Miniaturisierungsprozess realisiert. Dieser seit mehreren Jahrzehnten beobachtbare und anhaltende Trend zur Miniaturisierung von Strukturen in Wissenschaft und Technik bedingt dabei nicht zuletzt die Bereitstellung kontrolliert ?reiner? Produktionsumgebungen. Deren Aufgabe ist es, produktschädigende Einflüsse zu minimieren. Die durch Filterung der Luft erzeugten, ?Reinraum? genannten Umgebungen ? ursprünglich v. a. für die Belange der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik entwickelt ? finden sich mittlerweile in nahezu allen Hochtechnologiesektoren wieder.

Je nach Branche und Prozess haben dabei unterschiedliche Reinheitsfaktoren eine produktschädigende Wirkung. Eine im Jahr 2003 vom Fraunhofer IPA durchgeführte Umfrage hat bestätigt, dass für Markteilnehmer die größte Gefahr in der reinen Produktion immer noch von Partikeln ? kleinsten Teilchen im Mikrometerbereich ? ausgeht, gefolgt von molekularen Verunreinigungen (Ausgasung) und elektrostatischen Entladungsphänomenen (ESD).

Bei den Ursachen für Verunreinigungen ist in den letzten Jahren ein Wandel zu beobachten: Der Reinraum selbst besitzt nur noch einen marginalen Einfluss auf die Kontaminationen der Fertigung. Auch das Personal, das bis vor ca. 15 Jahren noch den größten Einfluss auf die Sauberkeit einer Produktionsumgebung hatte, verliert durch seine Verdrängung aus den kritischen Bereichen zunehmend an Kontaminationspotenzial. Im Gegenzug wächst durch den vermehrten Einsatz von Automatisierungslösungen das von Produktionsanlagen ausgehende Kontaminationsrisiko stark an und wird von Experten gegenwärtig auf über 40 % geschätzt.

Produktionsanlagen und damit die in ihnen verbauten Werkstoffe, die meist in direktem Kontakt mit dem Produkt stehen, avancieren so zunehmend zum wichtigsten, beeinflussbaren Kontaminationsfaktor einer reinen Produktion. Diese Tendenz spiegelt sich auch in der vom Fraunhofer IPA durchgeführten Umfrage wider: 91 % der Betreiber reiner Produktionen halten die Reinheitstauglichkeit von Werkstoffen für die wichtigste, zu kontrollierende Größe. Für über 85 % der teilnehmenden Firmen besteht ein Bedarf an einer Werkstoff- und Produktdatenbank mit Angaben über deren Reinheitstauglichkeit. Werkstoffe für Produktionsanlagen so auszuwählen, dass nur noch minimale bzw. nicht kritische Kontaminationen entstehen, ist für die Industrie ein äußerst wichtiges, bisher allerdings kaum erforschtes Anliegen.

Nachhaltige Entwicklung des Industrieverbunds

Der Resonanz, die diese im Rahmen einer Marktanalyse durchgeführte Umfrage in der Industrie erzeugte, ist es schließlich zu verdanken, dass das Fraunhofer IPA den Industrieverbund »Cleanroom Suitable Materials CSM« ins Leben rief.

Übergeordnetes Ziel des Industrieverbunds ist es, den Konstrukteuren von Anlagen für reine Produktionsumgebungen Hilfsmittel an die Hand zu geben, mit denen die Auswahl reinheitstauglicher Werkstoffe ermöglicht wird. Grundvoraussetzung hierfür ist eine enge Kommunikation zwischen den Endanwendern der Produktionsanlagen und den Anlagenbauern. Eine geeignete Plattform bildet der Industrieverbund: Key Player aus den relevanten Industrien sitzen an einem Tisch und entwickeln gemeinsam mit dem Fraunhofer IPA aussagekräftige Verfahren zur Prüfung und Bewertung der Reinheitstauglichkeit von Werkstoffen (s. Abb. 1). Besonders nachhaltig wird die Arbeit des Industrieverbunds durch seine Mitarbeit an aktuell entstehenden Standards und Richtlinien, in die die Prüfverfahren des Industrieverbunds einfließen.

Durch eine Vielzahl von Werkstoffprüfungen an verschiedenen Kombinationen aus Keramik-, Metall-, Beschichtungs- sowie Kunststoffwerkstoffen, die die einzelnen Teilnehmer frei nach ihren Bedürfnissen auswählen können, entsteht seit zwei Jahren ein für die am Industrieverbund beteiligten Firmen exklusiver und umfangreicher Wissenspool über die Reinheitstauglichkeit von Werkstoffen. In Form einer weltweit einmaligen internetbasierten Ergebnisdatenbank erhalten die Teilnehmer Zugriff auf alle im Industrieverbund untersuchten Werkstoffe und profitieren so von den Synergieeffekten des großen Teilnehmerkreises, der einen schnell wachsenden Werkstoffdatensatz mit sich bringt. Die benutzerfreundliche graphische Oberfläche der Datenbank mit diversen Abfragefunktionen ermöglicht es den Teilnehmern, die Ergebnisse der Werkstoffprüfungen gezielt und auf diese Weise gewinnbringend für die Entwicklung, Planung und Optimierung ihrer Fertigungsanlagen einzusetzen.

Umsetzungsbeispiel

Bei der Entwicklung eines automatisierten Reinigungssystems konnte bereits auf das Wissen des Industrieverbunds zurückgegriffen werden. Zur Vermeidung überhöhter, unzulässiger Partikelemissionswerte beim späteren Anlageneinsatz wurden Vorversuche mit möglichen Werkstoffen durchgeführt. Durch das im Industrieverbund entwickelte Prüf- und Bewertungsverfahren konnte die Anzahl in Frage kommender Werkstoffe bereits vor der Anlagenrealisierung eingegrenzt und bewertet werden. Ergebnis ist ein reinheitsgerecht nahezu maßgeschneidertes Reinigungssystem (s. Abb. 2).

Ausblick

Um stets eine möglichst ganzheitliche Bewertung der Werkstoffe hinsichtlich deren Eignung für reinheitstaugliche Produktionsanlagen zu ermöglichen, sind neben den Untersuchungen der Partikelemission, des ESD-Verhaltens und der Ausgasung zusätzliche Erweiterungen der Bewertungsverfahren geplant, z. B. die Untersuchung der Partikelabgabe von Werkstoffen im Vakuum und mikrobiologische Untersuchungen, die für LifeScience-Anwendungen wichtig sind. Über das weitere Vorgehen wird am 28. Januar 2009 während eines offenen und unverbindlichen Kick-off Meetings des Fraunhofer IPA in Stuttgart entschieden, zu dem alle Interessierten hiermit herzlich eingeladen sind.

Der Industrieverbund freut sich weiterhin auf die Aufnahme neue Partner, die ihre Anliegen und spezifischen Werkstoffe in den Untersuchungen einbringen, um auch in Zukunft am Puls der Industrie zu bleiben.

Abb. oben: Aufbau eines automatisierten Reinigungssystems, bei welchem die Werkstoffauswahl für die verbauten Bewegungselemente aufgrund von Voruntersuchungen nach dem CSM-Bewertungsverfahren erfolgte

Abb. unten: Am Industrieverbund »Cleanroom Suitable Materials CSM« beteiligte Firmen