Der Bedarf an Produktionslösungen unter sauberen und kontrollierten Bedingungen nimmt in der Kunststoffindustrie kontinuierlich zu. Die Gründe: Die zunehmende Verbreitung von Kunststoffen und dem Einsatz in immer neuen Verarbeitungsformen. So werden zum Beispiel bei der Folienhinterspritzung im Automobilbereich Klasse A Oberflächen gefordert, die keine Abdrücke von Schmutzpartikeln zulassen. Dies gilt auch bei optischen Teilen wie Handydisplays die aus transparenten Kunststoffen gefertigt werden. Neue Einsatzfelder in der Nano-Technologie verlangen ebenfalls kontrollierte Bedingungen, da bereits kleinste Verschmutzungen die empfindlichen Oberflächen zerstören könnten und beispielsweise Miniaturkanäle verstopfen würden.
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| Branche: |
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Automobilindustrie |
| Anwendung: |
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Fertigung von Karosserieaußenteilen unter Reinraumbedingungen |
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Optimierung der Oberflächengüte und Verminderung der Ausschussquote |
| Implementierung: |
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10/2001 |
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Ausgangslage/Aufgabenstellung
Max Petek Reinraumtechnik aus Radolfzell am Bodensee hat als eines der ersten Hightech-Unternehmen die wachsende Bedeutung der Reinraumtechnik durch die veränderten Produktionsbedingungen und Qualitätsanforderungen in der Kunststoffverarbeitung erkannt und sich auf diesen Bereich spezialisiert.
Im Rahmen der K-Messe 2001 in Düsseldorf sollte von Max Petek Reinraumtechnik erstmals die Produktion von Karosserieaußenteilen unter Reinraumbedingungen live auf der K 2001 vorgestellt werden. Ziel war es direkt auf der Messe die spezifischen Vorteile der Produktion unter Reinraumbedingungen zu demonstrieren und zu zeigen, dass die Reinraumlösung keinen finanziellen und technischen Kraftakt darstellen muss.
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Realisation
In der Demonstrationsanlage auf der K 2001 wurden tiefgezogene Folien in das Werkzeug eines Spritzgieß- compounders eingelegt und mit Kunststoff hinterspritzt. Für das Einlegen der Folien in das Werkzeug und die Entnahme der fertigen Werkstücke aus der Spritzgießmaschine wurde ein 6-Achs-Knickarmroboter eingesetzt. Hierdurch ergaben sich in der Umsetzung des Reinraumkonzeptes mehrere funktionale wie wirtschaftliche Vorteile.
Um diese Vorteile zu erläutern im Folgenden eine kurze Einführung in die Reinraumtechnik:
Ein Reinraum besteht stark vereinfacht aus einem abgeschlossenem Raum der vertikal oder horizontal mit hochgradig gefilterter Luft durchströmt wird. Hierdurch werden die im Raum befindlichen Schmutzpartikel verdrängt und gleichzeitig innerhalb des Raumes ein leichter Überdruck erzeugt, der das Eindringen von neuen Partikeln von außerhalb des Reinraumes verhindert.
Die Planung, der Bau und die Überwachung eines Reinraumes ist in zahlreichen internationalen Normen geregelt. So wird die Qualität eines Reinraumes durch die Einteilung in Reinheitsklassen der Luft bestimmt. Die seit mehr als 30 Jahren gültige U.S. Federal Standard 209 wurde seit November 2001 durch die ISO 14644-1 (Luftreinheitsklassifizierung) und die ISO 14644-2 (Mindestanforderung für die messtechnische Überwachung von Reinraumsystemen ersetzt). Die Klassen steigen mit zunehmender zulässigen Partikelzahl an. Die Ermittlung der praktisch vorhandenen Reinheitsklasse in einem Reinraum erfolgt durch spezielle Messgeräte, die die Anzahl und Größe der Partikel in einem Kubikmeter Raumluft erfassen.
Bei Reinräumen im medizinisch und pharmazeutischen Bereich kommt zusätzlich eine Erfassung der in der Raumluft vorhandenen Bakterien bzw. Keime hinzu.
Ferner gelten für solche hochwertigen pharmazeutischen Reinräume und der darin stattfindenden Produktion zusätzliche Maßgaben, wie die Richtlinien der GMP (good manufacturing practice) und der FDA (federal drug administration). Diese schreiben vor, dass im Rahmen von Qualifizierungen und Validierungen sämtliche Schritte von der Planung einer Produktionsstätte bis zu deren laufenden Betrieb detailliert geplant dokumentiert und überprüft werden müssen. Darüber hinaus müssen sämtliche kritischen Elemente und Faktoren in Risikoanalysen identifiziert werden. Dieser große personelle und materielle Aufwand ist erforderlich, um eine absolut sichere (null Fehler) Produktion zu gewährleisten. Scherzhaft wird "GMP" auch mit „große Menge Papier" übersetzt, wenn man bedenkt, dass nur die für ein Spritzgießwerkzeug notwendigen Unterlagen problemlos sechs Aktenordner füllen können.
Die Produktionsplanung
Da ein Reinraum kein statisches System, sondern eine Produktionsstätte darstellt, bewegen sich darin Maschinen und Menschen. Deshalb werden in aller Regel Materialien und Hilfsstoffe in den Reinraum zur Verarbeitung eingebracht und Fertigprodukte entnommen. Dies ist mit dem Erzeugen von Verunreinigungen, z. B. Abrieb verbunden, welche den Reinraum und das Produkt verschmutzen könnten.
Eine saubere Produktion unter kontrollierten Bedingungen kann deshalb nur gewährleistet werden, wenn potentielle „Verschmutzer" in der Planungsphase erkannt und weitestgehend ausgeschlossen werden. Dies bedeutet konkret:
• Materialien müssen sauber in den Reinraum gebracht werden
• Da die natürliche Partikelabgabe von Personen eine der Hauptgefahrenquellen für die Verunreinigung des Reinraums darstellt, sollten manuell auszuführende Arbeiten auf das absolut nötigste beschränkt bleiben. Betritt ein Mensch den Reinraum, muss die Partikelbelastung durch entsprechende Ausrüstung wie Reinraumkleidung und Qualifizierung durch Schulung möglichst gering gehalten werden
• Maschinen und Anlagen dürfen nur aus Materialien bestehen, die keine Verunreinigungen an die Umgebung abgeben
• Ferner müssen diese so konstruiert und betrieben werden, dass die Partikelbelastung im laufenden Betrieb möglichst gering ist und die zulässigen Grenzen der Reinraumklassen keinesfalls überschritten werden
Automatisierungstechnik
Einer der Gründe für den hohen Automatisierungsgrad in Reinräumen besteht darin, den "Verschmutzungsfaktor Mensch" aus dem kritischen Bereich fern zu halten. Neben der Senkung der Produktionskosten unterstützt eine Automatisierung das Ziel einer absoluten Wiederholgenauigkeit und Reproduzierbarkeit einzelner Fertigungsschritte um Fehlerquellen zu vermeiden.
In der Demonstrationsanlage auf der K 2001 wurden wie bereits erwähnt tiefgezogene Folien in das Werkzeug eines Spritzgieß- compounders eingelegt und mit Kunststoff hinterspritzt. Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen setzte Max Petek Reinraumtechnik beim Einlegen der Folien und bei der Entnahme der fertigen Teile aus der Spritzgießmaschine im Reinraum auf einen 6-Achs-Knickarmroboter.
Durch die Verwendung dieser Technik ergaben sich folgende Vorteile:
• Durch seine kompakte Bauform bei gleichzeitig großem Aktionsradius kann der erforderliche Reinraum von den Baumaßen her auf ein Minimum begrenzt werden. Da die Größe des Reinraums einen wesentlichen Kostenfaktor darstellt, bietet der intelligente Einsatz eines Knickarmroboters ein deutliches Sparpotential bei der Erstellung entsprechender Anlagen.
• Der seitlich platzierte Roboter behindert den erforderlichen vertikalen Luftstrom über und im Werkzeugbereich nicht.
• Durch seine Kinematik (Drehbewegung) besitzt der Knickarmroboter von Haus aus ein Minimum an bewegten Teilen und ist somit für eine Reinraumproduktion gut geeignet. Beispielsweise entfallen die bei linearen Entnahmesystemen vorhandenen Schleppketten völlig.
• Durch die große Bewegungsfreiheit der sechs Achsen kann ein Roboter unterschiedliche Produktionsschritte ausführen (in diesem Fall Aufnehmen der Teile, Reinigung, Ionisierung, Einlegen, Entnehmen, Magazinieren).
• Der eingesetzte 6-Achs-Roboter war für die Anforderungen im Reinraum optimiert: Er hat möglichst glatte und leicht zu reinigende Flächen, bietet wenig Kanten und tote Ecken in denen sich Schmutz ansammeln kann, die Energieführung ist geschlossen und abriebfest, Motoren und Getriebe sind abgedichtet. Die Pneumatik ist reinraumtauglich, das heißt er kann mit feinstgefilterter Druckluft arbeiten oder alternativ die Druckluft aus dem Reinraum heraus rückführen.
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Ergebnis/Erfolg
Neben den qualitativen und technologischen Aspekten konnte Max Petek Reinraumtechnik auf der K 2001 eindrucksvoll demonstrieren, dass die optimale Umsetzung reinraumtechnischer Aufgabenstellungen mit intelligenten Lösungsansätzen grundsätzlich ohne finanziellen und technischen Kraftakt realisiert werden können.
Grundsätzlich sollte die Reinraumtechnik dafür möglichst früh in die Planung mit einbezogen werden. Dadurch lassen sich Fehler, die im Nachhinein nur mit großem Aufwand oder gar nicht zu beheben sind von Anfang an ausschließen.
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