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    Abbildung 1: Ungenügend gereinigte Anlagen bergen ein unkalkulierbares Verunreinigungsrisiko für den Reinraum (Quelle aller Abbildungen: Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung).

    Reinigung von Anlagen zur Einschleusung in den Reinraum

    Ein neuer Ansatz

    Reinigung & Desinfektion

    Key Words: Reinraum, Einschleusen, Reinigung, Anlagen, Verpackung

    Dr.-Ing. Markus Rochowicz, Kevin Hildenbrand, Max Metzmacher, Ralf Grimme · Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Stuttgart

    Korrespondenz:

    Dr.-Ing. Markus Rochowicz, Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung, Nobelstraße 12, 70569 Stuttgart; E-Mail: Markus.Rochowicz@ipa.fraunhofer.de

    Zusammenfassung

    Bei Arbeiten im Reinraum spielt nicht nur die Reinheit der Luft, die Kleidung, das Verhalten des Personals und die Reinheit der eingesetzten Prozessmedien eine wichtige Rolle, sondern ganz entscheidend die Partikelfreiheit aller Oberflächen. Aus diesem Grund werden Reinräume regelmäßig akribisch gereinigt und alle Materialien aufwendig eingeschleust. Das Einschleusen selbst ist dabei ein strukturiertes Entpacken von sauberen mehrfach verpackten Teilen oder eine Reinigung der einzuschleusenden Güter. Was in diesem an sich sehr guten Konzept regelmäßig vernachlässigt wird, ist die Reinheit von Produktionsanlagen, die in den Reinraum eingebracht werden. In der Regel werden solche Produktionsanlagen (Prozessgeräte, Reinigungsanlagen, Bauteilaufnahmen, Arbeitsplatzsysteme usw.) in einer normalen Werkstattumgebung produziert mit Prozessen, die sehr viele Verunreinigungen mit sich bringen z. B. Späne, Schweißperlen, Schleifstaub, Textilfasern, Schmieröle. Die finale Reinigung solcher Anlagen vor der Einbringung in den Reinraum, in dem sie dann betrieben werden, kommt meist zu kurz.

    Problemstellung

    Es gibt 2 wesentliche Gründe für die Vernachlässigung der abschließenden Reinigung vor Einschleusung der Anlage in den Reinraum:

    • Der Anlagenhersteller hat häufig nicht die technischen Möglichkeiten und das entsprechend kompetente Personal, um eine Anlage auf Reinraumniveau zu reinigen.

    • Beim Reinigen in der Kunden-Reinraumschleuse sind die Anlagen i. d. R. geschlossen und ein Großteil der partikelbelasteten Bereiche für die Reinigung nicht mehr zugänglich; so werden nur die zugänglichen Außenflächen gereinigt.

    Hinzu kommt oft großer Zeitdruck, sowohl auf Lieferantenseite bei der Fertigstellung der Anlagen und Auslieferung als auch bei der Einbringung in den Reinraum. Die Folge ist häufig eine Anlagentechnik im Reinraum mit einem sehr großen Partikelaufkommen an mehr oder weniger unzugänglichen Stellen. Dadurch kann aber ein unkalkulierbares Verunreinigungsrisiko für den Reinraum und die darin gefertigten Produkte entstehen (Abb. 1), sei es durch unkontrolliertes Austreten von Partikeln, z. B. durch die Luftströmung von Ventilatoren oder bewegten Anlagenkomponenten, durch Vibrationen, durch unbeabsichtigte Freisetzung bei der Wartung oder Reparatur oder durch Verschleppung über Kontakt zu Personal.

    Abbildung 1: Ungenügend gereinigte Anlagen bergen ein unkalkulierbares Verunreinigungsrisiko für den Reinraum (Quelle aller Abbildungen: Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung).

    Lösungsansatz

    Das Fraunhofer IPA in Stuttgart hat einen Methodenbaukasten erarbeitet, um solche Produktionsanlagen auf Reinraumniveau zu reinigen, risikofrei in den Reinraum einzuschleusen und ohne weitere Reinigung sofort in Betrieb nehmen zu können. Die einzelnen Elemente dieses Methodenbaukastens sind in Abb. 2 dargestellt und werden im Rahmen des Artikels erläutert:

    • technische Klärung

    • Ort der Reinigung

    • Reinigungsstrategie

    • durchführendes Personal

    • Reinigungsvalidierung

    • Einschleusen

    Abbildung 2: Methodenbaukasten zur reinraumgerechten Reinigung von Anlagen vor dem Einschleusen.

    Technische Klärung

    Der erste Baustein der Methodik ist die technische Klärung mit dem Betreiber und/oder Hersteller der zu reinigenden Anlage. Hier erfolgt die Festlegung der zu reinigenden sauberkeitsrelevanten Bereiche sowie deren Staffelung nach Sauberkeitsanforderungen, z. B. Prozesskammern, medienführende Bereiche, Antriebstechnik und Mechanik, Elektrik und Elektronik, Tragstruktur und Gehäuse. Ebenso werden die Bereiche festgelegt, die nicht gereinigt werden müssen oder dürfen, z. B. weil kein Risiko einer Partikelfreisetzung besteht oder weil diese Bereiche durch den Kunden selbst gereinigt werden, etwa durch das Spülen mit einer besonderen Prozesschemikalie. Ein ebenfalls sehr wichtiger Punkt ist die Klärung, ob bestimmte Bereiche einer Anlage sehr empfindlich sind gegenüber den eingesetzten Reinigungsprozessen, etwa bei chemischen Unverträglichkeiten oder sehr empfindlichen Komponenten wie Sensoren oder optischen Elementen, die dann besonders vorsichtig gereinigt werden müssen, nicht gereinigt werden können oder sogar während der Reinigung besonders geschützt werden müssen. Hier steht die Unversehrtheit der Technik an erster Stelle.

    Ort der Reinigung

    Eine zentrale Voraussetzungen für die Erzielung und Aufrechterhaltung eines guten Reinigungsergebnisses ist eine hochreine Reinigungsumgebung. Hier gibt es mehrere Möglichkeiten, dies zu gewährleisten mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen:

    • Die Reinigung am Fraunhofer IPA in Stuttgart bietet den Vorteil, dass die Durchführung in Reinräumen je nach Anforderung bis hin zur ISO-Klasse 1 nach ISO 14644-1 erfolgen kann. Diese Reinräume bieten eine quasilaminare Strömung von einer komplett filterbelegten Decke bis zu einem gelochten Doppelboden und gewährleisten so den bestmöglichen Schutz gegen Rückverschmutzung. Auch die Analytik zur Reinigungsvalidierung und die Verpackung der gereinigten Anlagen erfolgt in diesen Reinräumen. Neben der umfangreichen Reinigungstechnik zur Reinigung der Kundenanlagen direkt stehen mehrere Reinigungsanlagen zur Verfügung, in denen z. B. demontierbare Teile der Anlagen mit stabilen Prozessen automatisiert gereinigt werden können.
      Ein weiterer Vorteil dieser Variante ist, dass keine Ressourcen oder räumliche Kapazitäten beim Anlagenbetreiber oder -hersteller gebunden werden.
      Der Nachteil dieser Variante liegt im notwendigen Transport der Anlagen zum Fraunhofer IPA sowie einer geeigneten finalen Verpackung, die den hohen Reinheitszustand bis zum Endaufstellort der Anlagen aufrechterhält. Es kann auch notwendig werden, bestimmte Anlagenteile zu demontieren, um baulich verschlossene Anlagenbereiche für die Reinigung zugänglich zu machen. Dies trifft ebenfalls auf die folgende Variante zu.

    • Die Reinigung beim Anlagenbetreiber vor Ort bietet den Vorteil, dass kein zusätzlicher Transport mit einer entsprechenden Verpackung notwendig wird. Die Reinigung kann direkt im Reinraum am späteren Aufstellort oder einer Reinraumschleuse erfolgen. Die komplette notwendige Reinigungstechnik wird dabei vom Fraunhofer IPA bereitgestellt und von den Reinigungsspezialisten des Instituts vor Ort betreut und angewendet.
      Ist die Reinigung beim Kunden nicht im Reinraum möglich, z. B. wenn der Reinraum saniert, umgebaut oder erweitert wird, so kann durch das Fraunhofer IPA eine eigenentwickelte, mobile Reinraumumgebung zur Verfügung gestellt werden. Diese mobilen, Reinraumkabinen können in sehr kurzer Zeit, i. d. R. weniger als ein Tag, beim Kunden auf- und abgebaut werden, sind in verschiedenen Größen verfügbar und können eine Luftreinheitsklasse 5 nach ISO 14644-1 oder besser erreichen. Diese mobilen CAPE®-Systeme (CAPE = Clean And Protective Environment) können z. B. direkt an die Schleuse des Kundenreinraums angeflanscht werden, sodass nach der Reinigung das Einschleusen der Anlagen ohne weitere Verpackung erfolgen kann.

    • Die dritte Möglichkeit besteht in der Reinigung beim Anlagenhersteller vor Ort. Auch hier ist kein weiterer Transport, außer der ohnehin notwendige zum Anlagenbetreiber, erforderlich. Der Vorteil bei dieser Variante besteht darin, dass die Reinigung der Anlage nicht erst nach der Fertigstellung erfolgen kann, sondern, dass evtl. schon während der Montage immer wieder gereinigt werden kann, bevor bestimmte Anlagenteile nicht mehr zugänglich sind. Auch hier können bei Bedarf die mobilen Reinraumkabinen des Fraunhofer IPA eingesetzt werden.

    Reinigungsstrategie

    In diesem Element des Methodenbaukastens erfolgt die Festlegung der Reinigungsverfahren und Reinigungsparameter für die unterschiedlichen Bereiche der Anlage, die bei der technischen Klärung definiert wurden. Die Auswahl der Reinigungsverfahren richtet sich dabei nach

    • der jeweils zu reinigenden Komponente (Material, Geometrie, Oberfläche sowie Zugänglichkeit),

    • der Art der abzureinigenden Rückstände (Partikel, filmisch-chemische Rückstände, Rückstände aus dem Fertigungsprozess oder bei Gebrauchtanlagen Rückstände von Prozessmedien) und

    • der zu erreichenden Reinheit (Sauberkeitsspezifikation).

    Sowohl am Stuttgarter Fraunhofer IPA als auch im mobilen Einsatz stehen folgende reinraumgeeignete Reinigungsverfahren einzeln oder in Kombination zur Verfügung:

    • CO2-Schneestrahlreiniger als finaler Reinigungsschritt für die höchsten Anforderungen (Abb. 3)

    • Reinraum-Staubsauger

    • Abblasen mit Reinstdruckluft

    • Wischreinigung mit problemangepassten Wischmedien und Reinigern (ISO-Propanol-Wassergemisch oder wässrig-tensidische Reiniger) (Abb. 4)

    • Reinstmedien-Spülbecken z. B. für Anlagenverkleidungen

    • Ultraschallbecken für Präzisionsreinigung von demontierbaren Komponenten

    Abbildung 3: Mobile CO2-Schneestrahl-Werkzeuge stellen eine hocheffiziente und rückstandsfreie Möglichkeit zur Reinigung im Reinraum dar.
    Abbildung 4: Reinigung mit reinraumgeeigneten Wischtüchern (mit Zusatz entsprechender Reinigungsmedien insbesondere bei öligen oder klebrigen Rückständen).

    Abschließend erfolgt die Festlegung der Reinigungsabfolge mit den Prämissen „von der Grobreinigung zur Feinstreinigung“, „vom Bereich mit den niedrigsten Sauberkeitsanforderungen zu dem Bereich mit den höchsten Reinheitsanforderungen“ und „von oben nach unten“, aber auch unter Berücksichtigung praktischer Aspekte wie Aufbau der Anlagen und Zugänglichkeit bestimmter Bereiche.

    Personal und Durchführung

    Im Bereich der Durchführung von Reinigungsaufgaben findet man häufig angelerntes Personal. Zwar werden Reinigungsprozeduren meist von Experten oder Fachkräften ausgearbeitet, aber die Durchführung der Reinigung oder die Bedienung von Reinigungsanlagen erfolgt i. d. R. von weniger qualifizierten Mitarbeitern. Im Gegensatz dazu, werden beim Reinigen von Anlagen für das direkte Einschleusen in den Reinraum vom Fraunhofer IPA ausschließlich hochqualifizierte und erfahrene Mitarbeiter und Reinigungsexperten eingesetzt. Jede Reinigungsaufgabe ist individuell: Neben einer Expertenkenntnis der unterschiedlichsten Reinigungsprozesse und Reinigungschemie (Auswahl und Anwendung) ist auch eine fundierte Kenntnis im Aufbau von Anlagen notwendig. Nur so lassen sich Reinigungsergebnisse auf höchstem Niveau erzielen und gleichzeitig die technische Unversehrtheit der zu reinigenden Anlagen bei Einhaltung von Umwelt- und Arbeitsschutz hundertprozentig gewährleisten. Gerade in Neubau- und Inbetriebnahmeszenarien sind häufig aufgrund von wechselnden Gegebenheiten oder kurzfristigen Änderungen schnelle Lösungen und Entscheidungen notwendig, die nur von qualifiziertem Personal getroffen werden können. Auf der anderen Seite sind hohe Sorgfalt und akribische manuelle Durchführung der Reinigungsaufgaben z. T. über Tage hinweg notwendig, die die entsprechende Motivation und Kondition des Personals erfordern. Je nach Aufgabenstellung und Umfang der Reinigungsaufgabe arbeiten einzelne Reinigungsexperten an einer Anlage oder auch Teams mit mehreren Mitarbeitern bis hin zu mehreren Teams, die zeitgleich an verschiedenen Anlagen bzw. Orten arbeiten können.

    Reinigungsvalidierung und Abnahme

    Während der Durchführung der einzelnen Reinigungsschritte wird das Reinigungsergebnis stetig kontrolliert. Nach Abschluss der Feinstreinigung erfolgt eine finale Kontrolle und Validierung des Reinigungsergebnisses. Dieser abschließende Kontrollschritt wird von den Mitarbeitern des Fraunhofer IPA anhand der in der technischen Klärung festgelegten Sauberkeitsspezifikationen durchgeführt. Häufig findet dies zusammen mit dem Auftraggeber statt und dient als Endabnahme. Liegen keine konkreten Sauberkeitsspezifikationen des Kunden vor, so unterstützen die Mitarbeiter des Fraunhofer IPA auch bei der Festlegung von sinnvollen Sauberkeitsgrenzwerten, die sich nach Branche, Fertigungsumgebung und Einsatz der zu reinigenden Anlagen richten. Für die Bewertung der Reinigungsergebnisse steht die gesamte Bandbreite an Prüfverfahren zu Verfügung, angefangen von Sichtprüfungen mit und ohne spezielle Weißlicht- und UV-Lampen bis hin zur kompletten Laboranalytik für filmisch-chemische oder Partikelrückstände. Die Bilddokumentation der Reinigungsdurchführung sowie die Ergebnisse der Reinigungsvalidierung werden dem Kunden im Rahmen der Dokumentation übergeben (Abb. 5 und Abb. 6).

    Abbildung 5: Die Inspektion mit speziellen UV-Lampen bietet für viele Anwendungen eine gute Möglichkeit zur Kontrolle von Reinigungsergebnissen.
    Abbildung 6: Ein vom Fraunhofer IPA entwickeltes Messgerät zur hochsensiblen Prüfung von filmisch-chemischen Rückständen lässt sich auch mobil bei Kunden zur Reinigungsvalidierung einsetzen.

    Verpackung und Einschleusung

    Ein wichtiger Punkt nach der Reinigung und Abnahme des Reinigungsergebnisses ist die Verpackung der gereinigten Anlagen zur Erhaltung des Sauberkeitszustands. Die Verpackung erfolgt dabei unter denselben Reinraumbedingungen und am selben Ort, an dem auch die Reinigung durchgeführt wurde. In der Regel werden die Anlagen dabei doppelt in reinraumgeeignete Folie verpackt (Abb. 7), wobei die erste Lage vor dem Reinraum des Endanwenders und die zweite Lage in der Reinraumschleuse entfernt wird. Sind für den Transport spezielle Vorrichtungen oder Sicherungen notwendig, die nicht außerhalb der Verpackung angebracht werden können, so werden auch diese auf das notwendige Sauberkeitsniveau gereinigt und mit verpackt.

    Eine Ausnahme bildet die Reinigung beim Endanwender vor Ort. Erfolgt hier die Reinigung bereits im Reinraum für die Aufstellung der Anlage oder kann ein mobiler Reinraum genutzt werden, der direkt mit der Schleuse des Kundenreinraums verbunden wird, so ist eine Verpackung nach der Reinigung nicht notwendig und die Anlage kann direkt an den Aufstellort gebracht und in Betrieb genommen werden.

    Abbildung 7: Die Verpackung der Anlagen erfolgt unmittelbar nach der Reinigung und Abnahmeprüfung in derselben hochwertigen Reinraumumgebung.

    Fazit

    Trotz aufwendiger Reinigungsprozesse für Reinräume und Materialien, die im Reinraum eingesetzt oder verarbeitet werden, bzw. klar geregelter Einschleus-Prozeduren wird die Sauberkeit von Produktionsanlagen häufig vernachlässigt. Weder beim Hersteller noch beim Einschleusen und Aufstellen der Anlagen beim Anwender sind oft das Know-how, die personellen Kapazitäten oder die Zeit für eine hochwertige und akribische Reinigung der häufig sehr komplexen technischen Anlagensysteme vorhanden. Hierdurch kann ein unkalkulierbares Verunreinigungsrisiko für den Reinraum und die darin produzierten Güter entstehen. In Kooperation mit dem Fraunhofer IPA kann diese Lücke geschlossen werden und die Anlagen mit einem etablierten Methodenbaukasten auf das notwendige Sauberkeitsniveau gereinigt werden. So können für die verschiedensten Aufgabenstellungen und Orte, an denen die Reinigung durchgeführt werden soll, Lösungen bereitgestellt werden, unabhängig davon, ob es sich um die Reinigung von Neuanlagen vor dem erstmaligen Einschleusen in den Reinraum handelt oder um Anlagen, die nach einem Umbau oder Umzug weiterverwendet werden sollen oder um die Aufbereitung von kritischen Anlagenkomponenten. Durch die Einbindung einer kompetenten externen Stelle kann für den Kunden zum einen eine hohe Sicherheit in Bezug auf die Reinheit der Anlagen und damit auch für die produzierten Güter erreicht werden, ohne auf der anderen Seite beim Endanwender oder Anlagenlieferanten Ressourcen für Reinigungstechnik, Analyseverfahren, Reinraumreinigungsfläche oder Personal zu binden.

    Für das Fraunhofer IPA bringt diese Unterstützung der Industrie in solchen Projekten neben dem Kundennutzen einen weiteren positiven Aspekt mit sich: Sie bieten einen sehr guten Einblick in aktuelle Industriefragestellungen rund um den Reinraum und die Reinigungstechnik, sodass die aktuellen und zukünftigen Forschungs- und Entwicklungsthemen des Instituts direkt auf solche Bedarfe ausgerichtet werden können.

    Key Words: Reinraum, Einschleusen, Reinigung, Anlagen, Verpackung

    Originaldokument