Preventie in plaats van schadebeperking

Cleanroom in de halfgeleiderindustrie.

Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle, Geschäftsführer der Merkle CAE Solutions GmbH.

Cleanrooms zijn kostbare bouwprojecten. Het investeringsvolume ligt tussen 1.000 en 5.000 euro per vierkante meter, in de halfgeleiderproductie kunnen ze zelfs tot 20.000 euro per vierkante meter oplopen. Een cleanroom met 1.000 vierkante meter oppervlakte bereikt dus snel kosten in de miljoenen. Toch laten veel bouwheren een maatregel achterwege die slechts een fractie van de totale investering uitmaakt, maar centrale risico's kan minimaliseren: de stromings- en deeltjes technische analyse met behulp van CFD-simulatie (Computational Fluid Dynamics).

Gesprekken met fabrikanten en uitrusters tonen een verrassend eenduidig beeld: simulaties worden zelden in de vroege projectfasen ingezet – vaak pas wanneer tijdens de bedrijfsvoering onverwachte stromingsfenomenen, deeltjes terugstromingen of dode zones optreden. In dergelijke gevallen moeten oorzaken achteraf worden geïdentificeerd en soms kostbaar worden gecorrigeerd. Merkle CAE Solutions, gespecialiseerd in numerieke simulatieberekeningen, wordt vaak pas ingeschakeld wanneer problemen al zijn ontstaan. Veel van deze uitdagingen hadden vooraf kunnen worden voorkomen door digitale analyses.

Een CFD-simulatie kost gemiddeld ongeveer één tot twee procent van de bouwkosten van een cleanroom. Bij een projectvolume van een miljoen euro komt dit neer op ongeveer 5.000 tot 20.000 euro – een bedrag dat in verhouding tot mogelijke vervolgkosten gering is. De simulatie maakt een vooruitziende beoordeling van de luchtstroming mogelijk, visualiseert deeltjesbewegingen en analyseert temperatuurvelden. Dode zones, ongewenste wervelingen of kritische deeltjesconcentraties kunnen zo al vóór de bouw worden herkend. Voor exploitanten van gevoelige productie-installaties, bijvoorbeeld in de optiek, medische technologie of farmacie, biedt dit belangrijke planningszekerheid.

Stromingsprocessen in cleanrooms reageren gevoelig op kleinste veranderingen in geometrie, uitrusting en bedrijfsparameters. Ervaringsgegevens alleen zijn daarom vaak niet voldoende om complexe interacties betrouwbaar te voorspellen. De simulatie dient hier als objectieve basis om luchtuitlaten, filterposities of machine-indelingen zo te ontwerpen dat de gespecificeerde reinheidsklassen blijvend worden gehandhaafd. Foutieve planning kan aanzienlijke economische schade veroorzaken – bijvoorbeeld wanneer een klant de ingebruikname weigert omdat deeltjesafzettingen de productkwaliteit aantasten.

„Met multiphysics-simulaties kunnen we de cleanrooms inmiddels al inclusief de geplande productie- en werkomgeving simuleren. Zo weten we niet alleen of de cleanroom op zich functioneert, maar ook of de geplande productie storings-, kiem- en deeltjesvrij kan verlopen“, aldus Dipl.-Ing. (TU) Stefan Merkle, algemeen directeur van Merkle CAE Solutions GmbH.

Merkle CAE Solutions ziet de CFD-analyse daarom niet als een extra element, maar als een integraal onderdeel van een vooruitziende cleanroomplanning. Het draagt bij aan het minimaliseren van risico's, het voorkomen van herwerkingen en het waarborgen van de functionaliteit van hooggevoelige productieomgevingen. Voor bouwheren betekent dit dat een relatief geringe planninginspanning wordt geleverd, waardoor tijd- en kostenintensieve correcties tijdens de bedrijfsvoering worden voorkomen.