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Reinraumtechnik Reinraumtechnik: Die richtige Idee kann oft aus einer anderen Branche kommen

Autor / Redakteur: Christian Ehrensberger / Anke Geipel-Kern

Reinraumtechnik ist nicht nur eine Domäne der Pharmaindustrie. Deshalb können aus anderen Branchen wichtige Impulse kommen, denn die Standards sind in der Halbleiter- oder der Medizintechnik nicht minder hoch.

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(Bild: Klaus Hohnwald/STZ-EURO)

Der Reinraum führt wie kaum ein anderer Zweig der angewandten Technik viele Kompetenzen zusammen. Hier treffen sich Luft- und Klimatechnik, Wasseraufbereitung, Steuer- und Regelungstechnik, Sensorik und ganz allgemein analytische Verfahren (z.B. Partikelzähler). Von Fortschritten in diesen Bereichen profitieren so unterschiedliche Anwendungsgebiete wie die kleinstrukturierten Welten von Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, die unendlichen Weiten des Weltalls.

Quer durch alle Branchen geht ein starker Trend weg vom großen Reinraum zu kleinen, lokalen Lösungen. Dies hat viel mit der Miniaturisierung der herzustellenden Strukturen zu tun. So versucht man in der Halbleitertechnik, immer mehr Informationen auf eine Siliziumscheibe zu bringen. Dazu will man die aufgebrachten Linienbreiten noch winziger machen, als sie heute schon sind. Strukturen bis hinunter zu Feinheiten von 20 Nanometern sind bereits in der Produktion. Für das kommende Jahr hat das bekannte Unternehmen Intel 14 Nanometer angekündigt. Die zurzeit angestrebte Zielmarke liegt sogar bei 7 Nanometern.

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In diesen Bereichen kann ein einzelnes Staubkorn den gesamten Prozess beeinträchtigen – bis zum Verwerfen ganzer Chargen. Schon aus Qualitätsgründen empfehlen sich daher in der Halbleitertechnik möglichst kleine Reinräume. Hinzu kommen Kostenaspekte: Jeder Kubikzentimeter Reinraum ist teuer.

Darinnen sollten sich daher nur die wirklich sensiblen Komponenten befinden und Maschinen sowie andere Geräte, die „unrein“ sein dürfen, von extern angekoppelt werden. Der kostengünstigste Reinraum ist der, den der Betreiber auf diese Weise eingespart hat. Als weitere Herausforderung schon für die nächste Wafer-Generation kommt übrigens die geplante Verwirklichung größerer Durchmesser hinzu: 450 Millimeter statt bisher 300 Millimeter.

So fungiert die Medizintechnik als Impulsgeber

Impulsgeber Medizintechnik

Ein Schub in Richtung lokaler Lösungen für kleine Reinräume kommt nun zur rechten Zeit aus der Medizin bzw. Medizintechnik. Dazu ein Exempel: Ein OP-Termin ist vorzubereiten, mit Operationsbesteck, Implantaten et cetera. Einige der Hilfsmittel werden klassischerweise in einer zentralen Werkstätte für eine Region oder sogar für die ganze Welt in großen Reinräumen produziert. Beispiele dafür sind stereolithographisch hergestellte individuelle Bohrschablonen im zahnärztlichen Bereich.

Hier geht man inzwischen vermehrt dazu über, transportable Reinraum-Container per LKW zum Krankenhaus bzw. zur Arztpraxis zu transportieren. Die OP-Hilfsmittel werden direkt vor Ort gefertigt und dem Operateur steril zur Verfügung gestellt. Dieser Trend zu kleineren Einheiten dürfte sich in Zukunft verstärkt auch in der Halbleitertechnik und Mikroelektronik niederschlagen, wobei die vorhandenen Erfahrungen genutzt werden können.

Ein weiteres Beispiel, bei dem medizintechnische Vorbilder ein Pendant in anderen Bereichen finden, stellt die Fertigung von Kunststoff-Zahnbohrern aus PEEK (Polyether-etherketon) dar. Diese Einmal-Instrumente könnten in Zukunft helfen, bei der Entfernung von Karies mehr Zahnsubstanz zu erhalten. Denn ihre Härte liegt genau in einem solchen Bereich, dass sie das erkrankte Gewebe wegfräsen, beim Kontakt mit dem gesunden Zahnbein (Dentin) aber abstumpfen – es bleibt intakt.

Ein solches Instrument muss der Zahnarzt selbstverständlich im sterilen Zustand einsetzen. Für die gewohnten Metallbohrer gibt es aufwendige Reinigungs- und Desinfektionsvorschriften. Bei einem Einmal-Instrument ist es dagegen am bequemsten, wenn es sich einfach der Verpackung entnehmen, verwenden und anschließend entsorgen lässt. Dazu muss es steril angeliefert werden.

Was benötigt man dazu? Eine Kunststoff-Spritzgießmaschine, einen leistungsfähigen Roboter (Sechs-Achs-System), eine Verpackungsanlage und dazu die Gewissheit: Am Ende kommen die sterilen Bohrer in einer Kunststofffolie heraus - und zwar so herum, dass der Zahnarzt nach dem Aufreißen den Schaft des Instruments greift. Das ist ingenieurstechnisch keine einfache Aufgabe.

Die Lösung besteht darin, alles in einen speziellen Reinraum zu integrieren: Roboter, Verpackungsanlage, darum eine geschlossene Schutzeinhausung – insgesamt eine komplett gekapselte Zelle der Klasse 7. Das Ganze wird dann an die Spritzgussmaschine angedockt und mit Reinluftmodulen verbunden. Typisch für dieses Beispiel ist, dass es sich um eher kleine Hersteller handelt. Darum kommt es auf eine kompakte und kostengünstige Reinraum-Bauweise an.

Auch Autos beginnen ihr Leben im Reinraum

Autos aus dem Reinraum

Mit einer ganz ähnlichen Aufgabenstellung sehen sich immer häufiger mittelständische Automobilzulieferer konfrontiert. Da kommt von Daimler, VW, Bosch etc. die Auflage: „Produziere mir deine Spritzgussteile in Zukunft unter Reinraumbedingungen.“ Dann muss die betroffene Firma aus dem Stand eine ihr wenig vertraute Technik installieren und betreiben.

Dazu erfordert ein Reinraum mit einer Spritzgussmaschine schnell einmal eine Investition von einer knappen halben Million Euro. Das treibt die Produktionskosten in die Höhe. Schlimmstenfalls fliegt die Firma dann doch beim Automobilbauer aus der Lieferkette, weil sie zu teuer wird.

Die Lösung lautet auch hier: kleinerer Reinraum, Spritzgussmaschine extern angedockt, eine FFU dazu, d.h. eine Filter-fan-unit, die Filter und Ventilator in einer fixen Einheit kombiniert. Das Ganze kostet ein Zehntel des Preises für die (zu) große Lösung. Der Anwender braucht dafür freilich einen Reinraum-Anbieter, der Prozesskenntnisse miteinbringt.

So ist der Luftstrom genau so führen, dass Partikel sicher vom Produkt ferngehalten werden; vollständig vermeiden lassen sie sich schließlich nie. Teamarbeit zwischen Anwender und Anbieter ist daher Trumpf. Nach dem Divide-et-impera-Prinzip zerlegen sie gemeinsam einen großen Prozess in kleinere Teile. Manchmal braucht die Reinraumzelle schließlich nur noch die Dimensionen einer Glove-box aufzuweisen.

Kostenbremse FFU

Halbleitertechnik und Mikroelektronik fungieren vielfach als Schrittmacher für andere Branchen. So hat man die oben erwähnte FFU-Technologie ursprünglich für die Mikroelektronik entwickelt und setzt sie dort seit zwanzig Jahren ein. Ein FFU-Modul lässt sich heute typischerweise zwischen 1000 und 2000 Euro erwerben und spart große Klimaanlagen und Luftführungen.

Fan-Filter-Units – auch ein Fall für die Pharmaproduktion

In der Pharmabranche werden FFUs bisher nur vereinzelt eingesetzt. Sicher müssen verschiedene Dinge wie beispielsweise Deckenraster hier neu angepasst werden oder es sind spezielle Versiegelungen nötig. Die Anschlüsse und die verwendeten Werkstoffe haben dabei spezielle behördliche Anforderungen und Normen zu erfüllen (z.B. cGMP, VDI 2083, „EG-Leitfaden einer guten Herstellerpraxis“).

Auch die Qualifizierung der Anlage unterliegt eigenen gesetzlichen Regelungen. Das sind jedoch lösbare Probleme. Die Belohnung liegt in deutlichen Kostensenkungen – wobei aktuell ein großes, bisher ungenutztes Kostensenkungspotential besteht.

Ähnlichen Aufgabenstellungen wie die Pharma- sieht sich die Lebensmittelbranche gegenüber, wobei die Schnittstelle in der Mikrobiologie liegt, sprich: beim Schutz vor Verkeimung bzw. bei der Haltbarkeit von Arznei- und Lebensmitteln. Mit einer besonders großen Angriffsfläche für potentiell pathogene Keime hat man es etwa beim Schneiden und anschließenden Verpacken von Fleisch zu tun.

Hier bietet sich ein Zu-und-Abluft-Management mit turbulenzarmer Verdrängungsströmung („laminar flow“) in Kombination mit einer mehrstufigen Luftfilterung an. Im Pharma-Bereich ist es gang und gäbe. Der eine oder andere Fleischverarbeiter wird sich hier, salopp gesagt, eine Scheibe davon abschneiden und seine Anlage damit optimieren können.

Kleine Reinräume liegen im Trend

Sowohl in der Halbleiter- wie in der Medizintechnik existiert ein starker Trend zu kleineren Reinräumen, wobei man sich gegenseitig befruchten und auch weiteren Branchen Erfahrungen weitergeben kann. Im Pharmabereich erfüllen die vorhandenen Reinräume ihre Funktion mit Bravour. Sie ließen sich jedoch zu deutlich niedrigeren Kosten betreiben – und davon könnte auch die verwandte Chemiebranche profitieren. Im Lebensmittelbereich findet zurzeit eine Angleichung an die (noch höheren) Pharma-Standards statt.

Überall kann der eine vom anderen lernen, z.B. auf einer Branchenmesse, die viele Fachdisziplinen zusammenbringt. Diesen Transfer zu leisten, das versucht u. a.die Cleanzone in Frankfurt, die am 22. und 23. Oktober 2013 das zweite Mal stattfindet.

* Der Autor arbeitet als freier Fachjournalist.

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