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Pneumatik

Saubere Sache

| Redakteur: Güney Dr.S.

Konstruktive Änderungen an kolbenstangenlosen Zylindern ermöglichen die Anwendung in Reinräumen

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( Archiv: Vogel Business Media )

Aufgrund des Trends zur Miniaturisierung ist es in vielen Branchen zunehmend erforderlich, die Produktion unter Reinraumbedingungen durchzuführen. Dies gilt besonders für die Bereiche Lebensmittelindustrie, pharmazeutische Industrie, Medizintechnik sowie für die Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik. Kleinste Luftverunreinigungen können dort zu hohen Ausschussraten führen. Betreiber von Produktionsanlagen in Reinräumen messen daher der Sicherstellung der nötigen Luftreinheit große Bedeutung bei. So ist es verständlich, dass auch die Auswahl von Linearantrieben für den Einsatz in Reinräumen aller Reinheitsklassen sehr sorgfältig erfolgt. Die wirtschaftliche Bedeutung der Mikrosystemtechnik und Mikroelektronik hat in den vergangenen Jahren stark zugenommen. Das wird auch in den nächsten Jahren so sein. Insofern besteht ein steigender Bedarf an geeigneten Linearantrieben für Anwendungen in allen Reinraumklassen. Voraussetzung für einen erfolgreichen Einsatz von Linearantrieben ist eine optimale Ausrichtung der Linearantriebe auf die Bedürfnisse des Reinraums sowie die Erfüllung eines hohen Kundennutzens bei optimalem Preis-Leistungs-Verhältnis.Aufgabe der Reinraumtechnik ist es, Produktion oder Prozessschritte unter Bedingungen zu ermöglichen, die einen schädigenden Einfluss von Verunreinigungen auf das herzustellende Produkt oder auf Menschen ausschließen. Die Gestaltung eines Reinraums – also die Festlegung der Gebäude-, Raum- und Maschinentechnik und somit auch der Linearantriebe – richtet sich dabei nach der erforderlichen Reinheitsklasse. In der Regel werden Reinraumbedingungen durch Anwendung von Absaug-Vakuum-Systemen im Ansaugbetrieb erzeugt, wobei die Luft möglichst über die ganze Fläche einer der raumbegrenzenden Wände zugeführt wird, um eine raumfüllende, gleichgerichtete Strömung zu erreichen. Dieser Idealfall liegt immer dann vor, wenn im ganzen Raum keine Stelle vorhanden ist, an der die Luft ruht, und wenn keine quer zur Strömungsrichtung liegenden Störquellen vorhanden sind.Gefordert sind auch gleichförmige, relativ langsame Bewegungsabläufe, um keine Partikel aufzuwirbeln und keinen Umschlag von laminarer in turbulente Strömung zu begünstigen. Dies hätte außer einem erhöhten Energiebedarf eine zusätzliche Kontaminierung des herzustellenden Produkts zur Folge. Die zulässige Partikelkonzentration der Luft in Reinräumen ist gestuft nach Reinheitsklassen festgelegt, die in diversen Normen wie VDI 2083, US Federal Standard 209E, DIN EN ISO 14644-1 definiert sind. Sie beinhalten die zulässigen Kontaminationen der Reinraumluft nach Größe und Anzahl der Partikel.Partikelabsaugung zwischen DichtbändernPraxisübliche kolbenstangenlose Pneumatikzylinder sind in der Regel zur Anwendung in Reinräumen nicht geeignet. Sie sind oft Ursache für Schmutzemissionen, weil sie während des Betriebs Abriebpartikel produzieren, feine Schmierstoffpartikel und Ölnebel verbreiten sowie bei zu hoher Verfahrgeschwindigkeit Staub und Schmutzpartikel aufwirbeln ] obwohl moderne kolbenstangenlose Zylinder minimalen Verschleiß, geringste Leckraten und ein akzeptables Laufverhalten haben.Die Mehrzahl kolbenstangenloser Pneumatikzylinder ist mit einem axial geschlitzten Zylinderrohr ausgestattet. Die Kraftübertragung durch den Schlitz nach außen an den Mitnehmer erfolgt formschlüssig. Der Schlitz wird in praxisgerechter Ausführung auf der Innenseite durch ein inneres Dichtungsband – korrosionsbeständiges Stahlband – entlang der Zylinderrohrwand metallisch abgedichtet. Außen verhindert ein Abdeckband – korrosionsbeständiges Stahlband – das Eindringen von Schmutz.Der reinraumtaugliche kolben-stangenlose Pneumatikzylinder unterscheidet sich von diesen Standardzylindern dadurch, dass im Raum zwischen äußerem Abdeckband und innerem Dichtband über eine Unterdruckleitung ein Teilvakuum erzeugt wird. Dadurch werden mögliche Emissionen – wie Abriebpartikel der Kolbendichtungen oder Gleitschienen – abgesaugt und nachgeschalteten Filtern zugeführt. Dazu sind spezielle Vakuumanschlüsse an beiden Enden des Zylinderrohrs angebracht. Das Vakuum erzeugt einen Saugstrom aus dem Zylinder heraus. Bei genügend großer Absaugleistung lässt sich somit sicherstellen, dass Emissionen abgesaugt werden und keine Partikel in die Reinraumatmosphäre gelangen.Erfassen der Partikelemission mit Laser-MessgerätenDie Wirksamkeit der integrierten Absaugung wurde im Prüfzentrum für Halbleiterfertigungsgeräte des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung (IPA), Stuttgart, untersucht. Ziel war die Ermittlung der Partikelemission des kolbenstangenlosen Pneumatikzylinders der Serie OSP-P zur Einschätzung der Reinraumtauglichkeit bei eingeschalteter Absaugung abhängig von der Kolbengeschwindigkeit. Die Messungen wurden in einem Reinraum der Klasse 1 nach DIN EN ISO 14644-1 [1] bei folgenden Bedingungen durchgeführt:- Die vertikale, turbulenzarme Verdrängerströmung gelangte durch die Decke in den Reinraum und wurde am Boden abgesaugt. Strömungsgeschwindigkeit der Luft (0,45 m/s), Raumtemperatur (22 °C) und relative Luftfeuchtigkeit 45% blieben konstant.- Der Pneumatikzylinder hatte eine horizontale Einbaulage. Der Mitnehmer wurde seitlich angeordnet.- Der Bohrungsdurchmesser des Zylinders beträgt 25 mm, der Kolbenhub 1000 mm. Hinsichtlich des Seitenmoments MS ist der Zylinder mit bis zu 1,2 Nm belastbar.- Die mittlere Kolbengeschwindigkeit betrug bei zyklischem Betrieb 0,14 und 0,5 m/s. Der Absaugvolumenstrom lag bei 4 m3/h. Der Versuch dauerte mehrere Stunden.Bei den Untersuchungen wurden zur Ermittlung der Partikelemission Laser-Partikelmessgeräte mit den Messbereichen $0,2, $0,3, $0,5 und $ 5 µm verwendet. Optische Partikelzähler arbeiten nach dem Streulichtprinzip: Mit Hilfe von Probenahmesonde wird ein Luftvolumen von 1 Kubikfuß (1 cf = 28,3 l) pro Minute angesaugt und über einen Messschlauch in eine Messkammer geleitet. Die angesaugte Luft wird von einer Lichtquelle - bei modernen Geräten Laser oder Laserdiode - durchleuchtet. Trifft der Lichtstrahl auf einen vom Luftstrom mitgetragenen Partikel, kommt es zur Lichtstreuung, die von Photodetektoren erfasst wird. Die Zahl der registrierten Impulse entspricht der Anzahl der im Volumen befindlichen Partikel, die Höhe der Impulse ist ein Maß für die Partikelgröße.Ziel der Untersuchungen war die Klärung, ob der Linearantrieb in reinen Umgebungen ] wie diese in den Regelwerken DIN EN ISO 14644-1 oder VDI 2084 definiert sind ] betrieben werden kann. Die folgende Klassifizierung des Linearantriebs wurde anhand der Norm DIN EN ISO 14644-1 und der statistischen Analyse vorgenommen: - Für den Linearantrieb der Hoerbiger-Origa GmbH kann aus den jeweiligen Wahrscheinlichkeitsberechnungen für die Überschreitung der Grenzwert-Detektionsgrößen 0,2, 0,3, 0,5 und 5 µm bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 0,14 m/s und Vakuumabsaugung eine eindeutige Eignung für Reinräume der ISO-Klasse 4 nach DIN EN ISO 14644-1 abgeleitet werden.- Für den Linearantrieb der Hoerbiger-Origa GmbH kann aus den jeweiligen Wahrscheinlichkeitsberechnungen für die Überschreitung der Grenzwert-Detektionsgrößen 0,2, 0,3, 0,5 und 5 µm bei einer Betriebsgeschwindigkeit von 0,5 m/s und Vakuumabsaugung eine eindeutige Eignung für Reinräume der ISO-Klasse 5 nach DIN EN ISO 14644-1 abgeleitet werden.Preis-Leistungs-Verhältnis besser als bei SchrittmotorenIn Bild 2 ist eine Reinraum-Anwendung eines kolbenstangenlosen Pneumatikzylinders in einem Reinraum der Klasse 4 nach DIN EN ISO 14644-1 dargestellt. Sie wurde bei einem IT-Spezialisten umgesetzt. Die Aufgabe besteht darin, Festplattenscheiben von einem ersten, unten angeordneten Förderband aufzunehmen, per Hub um etwa 2 m vertikal anzuheben und auf einem zweiten, oben angeordneten Förderband abzulegen. Bei der Auf- und Abbewegung wird der Linearantrieb zudem um 180° geschwenkt. Exaktes Positionieren der Scheiben sowohl in der oberen wie in der unteren Ebene ist dabei zu gewährleisten. Die Anwendungsingenieure des Betreibers bescheinigen dem reinraumtauglichen kolbenstangenlosen Pneumatikzylinder einen hohen Kundennutzen bei sehr gutem Preis-Leistungs-Verhältnis. Als Grund dafür wird die Erfüllung folgender Merkmale angegeben:- In der Anwendung wird eine hohe Sauberkeit und Reinraumtauglichkeit erreicht. - Aufgrund spezieller Kolbendichtungen und eines stick-slip-freien Laufverhaltens bei niedriger Geschwindigkeit (0,025 m/s) werden hervorragende Langsamlaufeigenschaften erreicht.- Als Duplex-Version (32 mm Bohrungsdurchmesser) verdoppelt sich die Aktionskraft. Zudem wird die Steifigkeit erhöht, was bei hoher Last und schneller Rotationsbewegung von Vorteil ist.- Das Führungssystem ist integriert. Kompaktbauweise und Zuverlässigkeit sind vorhanden.- Ein adaptiertes magnetisches Wegmesssystem ermöglicht genaue Positionierung. Die Reproduzierbarkeit beträgt 61 mm.- Im Vergleich zu einer Schrittmtor-Lösung liegt die Kostenreduktion bei 60%.Kein signifikanter PartikelnachweisDer für Reinraum der Klasse 1 geprüfte, kolbenstangenlose Standardzylinder der Serie OSP-P zeigt, dass sich eine aufgrund des Funktionsprinzips für Reinraumanwendungen kaum geeignete Pneumatikkomponente mit Hilfe einer konstruktiven Maßnahme ] Absaugung im Schlitzbereich zwischen innerem Dichtband und äußerem Abdeckband - reinraumtauglich machen lässt:Beim Standardzylinder konnten ohne Absaugung eine Anzahl emittierter Partikel von bis zu 80 000 pro Kubikfuß bei 0,45 m/s Kolbengeschwindigkeit nachgewiesen werden. Dagegen ließen sich beim konstruktiv modifizierten Zylinder in keinem Fall Partikel im Reinraum ermitteln, die statistisch signifikant vom Zylinder stammten. Die im Bereich des Pneumatikzylinders gemessenen Partikelwerte entsprachen denen der Umgebungsluft des Reinraums. Der vorgestellte Zylinder ist generell für Reinräumen der ISO-Klassen 4 und 5 geeignet. Voraussetzung ist eine genügend hohe Leistung des Absaugsystems.