Während wir oft über die Wichtigkeit sprechen, Verunreinigungen von linearen Bewegungskomponenten wie Linearführungen und Spindeln fernzuhalten, ist das Ziel bei der Verwendung dieser Systeme in einem Reinraum genau das Gegenteil – nämlich zu verhindern, dass diese Komponenten Verunreinigungen in die Umgebung einbringen.

Was genau ist ein Reinraum?
Gemäß ISO 14644-1:2015 gewährleisten Reinräume und zugehörige kontrollierte Umgebungen die Kontrolle der Kontamination von Luft und gegebenenfalls von Oberflächen auf ein Niveau, das für die Durchführung kontaminationssensibler Tätigkeiten erforderlich ist.

Reinräume werden am häufigsten mit Anwendungen in der Halbleiter-, Elektronik- und Medizintechnikindustrie in Verbindung gebracht, obwohl auch andere Branchen – wie die Luft- und Raumfahrt, die Pharmaindustrie sowie die Lebensmittel- und Getränkeindustrie – Reinraumumgebungen in einigen Anwendungen nutzen.

Die Norm ISO 14644-1 bewertet den Reinheitsgrad eines Reinraums auf einer Skala von 1 (am besten) bis 9 (am schlechtesten) anhand der Anzahl der Partikel – unterteilt in sechs Größenbereiche –, die in einem Kubikmeter Luft vorhanden sind.

Beachten Sie, dass der oben genannte Reinraumstandard von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) stammt. Gelegentlich wird auch auf den US-amerikanischen Bundesstandard FS 209E verwiesen, obwohl dieser 2001 zurückgezogen wurde. Die FS-209E-Klassifizierungen lassen sich mit den ISO-Klassifizierungen vergleichen, allerdings stimmen die Klassennummern nicht überein. Beispielsweise entspricht ein Reinraum der Klasse 1 nach FS 209E der Klasse 3 nach ISO 14644-1.

Reibung ist der Feind eines Reinraums
Das übergeordnete Ziel beim Einsatz von Linearbewegungssystemen in Reinräumen ist die Minimierung der Partikelbildung. Lineare Bewegungskomponenten basieren jedoch auf Gleit- oder Rollbewegungen, die aufgrund von Reibung und Verschleiß zwischen den Oberflächen zwangsläufig Partikel erzeugen. Daher sollte ein Hauptaugenmerk auf der größtmöglichen Reduzierung der Reibung liegen.

Dies bedeutet, dass Wälzkontakt dem Gleitkontakt vorzuziehen ist – wodurch Linearkugellager und Kugelgewindetriebe für die meisten Reinraumanwendungen eine bessere Wahl als Gleitlager und Gewindespindeln darstellen.

Die standardmäßigen Vollkontakt-Dichtungen von Linear- und Kugelgewindetrieben weisen jedoch Gleitkontakt mit der Führungsschiene bzw. der Gewindespindel auf. Daher werden reibungsarme oder berührungslose Dichtungen gegenüber Vollkontakt-Dichtungen bevorzugt. Kürzlich durchgeführte Partikelzählungen einiger Hersteller zeigen zudem, wie Kugelabstandshalter oder Kugelketten – die die Kugeln trennen und deren Kollision während der Umlaufbahn im Lager verhindern – die Partikelbildung in Profilschienen und Kugelgewindetrieben reduzieren können.

Schmiermittel sind Freund und Feind zugleich.
Schmierstoffe sind nicht nur nützlich, um Reibung zu reduzieren und einen einwandfreien Betrieb zu gewährleisten, sondern auch, um Partikel, die von Linearlagern oder Spindeln erzeugt werden, aufzufangen und deren Freisetzung in die Umwelt zu verhindern. Gelangt der Schmierstoff jedoch in die Atmosphäre, kann er selbst eine Kontaminationsquelle darstellen. Dies ist besonders problematisch bei Kugelgewindetrieben, die beim Drehen Schmierstoff herausschleudern können.

Dichtungen tragen dazu bei, das Schmiermittel im Linearlager oder Kugelumlaufspindel zu halten. Reibungsarme und berührungslose Dichtungen sind zwar ideal, da sie selbst keine nennenswerten Partikel erzeugen, können aber dennoch ein gewisses Maß an Schmiermittelverlust verursachen. Daher ist in vielen Reinraumanwendungen ein reinraumzugelassenes Schmiermittel erforderlich. Diese Spezialformulierungen enthalten keine (oder nur wenige) Zusätze, die Feststoffpartikel wie Aluminium, Siliziumdioxid und PTFE enthalten.

Reinraumgeeignete Materialien sind ein Muss
Für Reinraumumgebungen werden bevorzugt Edelstahl und PVC verwendet, Aluminium und Kohlenstoffstahl sind jedoch die Hauptwerkstoffe für Linearantriebe. Es gibt jedoch Möglichkeiten, Aluminium und Standard-Kohlenstoffstahl reinraumtauglich zu machen.

Durch Anodisieren von Aluminium erhält man beispielsweise eine gute Korrosionsbeständigkeit. Und Bauteile aus Kohlenstoffstahl können mit einer reinraumgeeigneten Schutzbeschichtung, wie etwa Schwarzchrom oder Nickel, behandelt werden, um Oxidation zu verhindern.

Eine breite Palette an Miniaturführungen und -schnecken ist in Edelstahlausführung erhältlich und eignet sich daher ideal für Reinraumanwendungen mit kürzeren Hüben und geringeren Belastungen. Miniaturversionen sind in der Regel serienmäßig mit reibungsarmen Dichtungen und geringer Vorspannung ausgestattet, wodurch die Partikelerzeugung im Vergleich zu ihren Pendants in Standardgröße deutlich geringer ist.

Beachten Sie außerdem, dass Befestigungselemente häufig mit einer schwarzen Oxidschicht überzogen sind, die selbst bei statischen Bauteilen eine hohe Partikelabgabe aufweist. Für Reinraumanwendungen sollten daher nach Möglichkeit Edelstahlbefestigungen verwendet werden.

Systeme mit reduziertem Kontakt und Reibung

Eine Möglichkeit, viele der oben genannten Probleme zu beheben oder zu reduzieren, besteht darin, lineare Bewegungskomponenten und -systeme zu verwenden, die von Natur aus „sauber“ sind. Dazu gehören Luftlager für die Führung und Linearmotoren für den Antrieb. Beide Systeme vermeiden Gleit- oder Wälzkontakt, sodass praktisch keine Reibung und keine Partikelbildung auftreten.

Beispielsweise erzeugt ein Linearmotortisch mit Luftlagerführungen – theoretisch – keine Reibung und somit auch keine Partikel. In der Praxis stellt das Kabelmanagement jedoch weiterhin ein Problem dar, da bewegliche Kabel und Kabelträger Partikel erzeugen können. Dieses Problem lässt sich jedoch durch den Einsatz von speziell für Reinräume entwickelten Kabeln und Kabelmanagementsystemen lösen.

Ein Beispiel: Einige Kabelhersteller bieten Produkte mit speziellen reibungsarmen Beschichtungen an, um die Partikelbildung zu minimieren, und manche Kabelschienenhersteller bieten Systeme an, die den Verschleiß zwischen den Kettensegmenten durch abriebfeste Verbindungen reduzieren. Bei kürzeren Kabellängen können flache, selbsttragende „schienenlose Kabel“ sogar den Bedarf an einer Kabelschiene oder einem Kabelträger überflüssig machen.