Während wir oft darüber sprechen, wie wichtig es ist, Verunreinigungen von Linearbewegungskomponenten wie Linearführungen und Schrauben fernzuhalten, ist das Ziel beim Einsatz dieser Systeme in einem Reinraum genau das Gegenteil – zu verhindern, dass diese Komponenten Verunreinigungen in die Umgebung einbringen.

Was genau ist ein Reinraum?
Gemäß ISO 14644-1:2015 „sorgen Reinräume und zugehörige kontrollierte Umgebungen für die Kontrolle der Kontamination der Luft und gegebenenfalls der Oberflächen auf ein Niveau, das für die Durchführung kontaminationsempfindlicher Tätigkeiten geeignet ist.“

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

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

Beachten Sie, dass der oben genannte Reinraumstandard von der International Standards Organization (ISO) stammt. In einigen Fällen wird möglicherweise auch auf den US Federal Standard 209E verwiesen, obwohl dieser 2001 widerrufen wurde. Die FS 209E-Bewertungen können mit den ISO-Bewertungen verglichen werden. Beachten Sie jedoch, dass die Klassennummern nicht übereinstimmen. Beispielsweise wird ein Reinraum, der gemäß FS 209E als Klasse 1 eingestuft ist, gemäß ISO 14644-1 als Klasse 3 eingestuft.

Reibung ist der Feind eines Reinraums
Das übergeordnete Ziel beim Einsatz eines linearen Bewegungssystems in einer Reinraumanwendung besteht darin, die Partikelerzeugung auf ein Minimum zu beschränken. Lineare Bewegungskomponenten basieren jedoch auf Gleit- oder Rollbewegungen, die aufgrund von Reibung und Verschleiß zwischen Oberflächen zwangsläufig Partikel erzeugen. Ein Hauptaugenmerk sollte daher darauf liegen, die Reibung so weit wie möglich zu reduzieren.

Dies bedeutet, dass man sich für Rollen gegenüber Gleitkontakt entscheiden muss – was für die meisten Reinraumanwendungen lineare Kugellager und Kugelumlaufspindeln zu einer besseren Wahl macht als Gleitlager und Leitspindeln.

Allerdings haben die standardmäßigen Vollkontaktdichtungen von Linearkugellagern und Kugelumlaufspindeln Gleitkontakt mit der Führungsschiene oder der Spindelwelle, sodass reibungsarme oder berührungslose Dichtungen gegenüber Vollkontaktkonstruktionen bevorzugt werden. Und kürzlich haben einige Hersteller Partikelzählungstests durchgeführt, die zeigen, wie Kugelabstandshalter oder Kugelketten – die die Kugeln trennen und verhindern, dass sie beim Umlauf durch das Lager miteinander kollidieren – die Partikelbildung in Profilschienenführungen und Kugeln reduzieren können Schrauben.

Schmierung ist Freund und Feind zugleich
Schmierung ist nicht nur nützlich, um die Reibung zu reduzieren und einen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen, sondern auch, um einige der von einem Linearlager oder einer Schraube erzeugten Partikel „einzufangen“ und ihre Freisetzung in die Umgebung zu verhindern. Aber auch das Schmiermittel selbst kann eine Kontaminationsquelle darstellen, wenn es in die Atmosphäre gelangt. Dies ist besonders problematisch bei Kugelumlaufspindeln, die beim Drehen die Schmierung „abschleudern“ können.

Dichtungen sorgen dafür, dass die Schmierung im Linearlager oder der Kugelmutter bleibt. Bei reibungsarmen und berührungslosen Ausführungen kann jedoch ein Teil der Schmierung „durchrutschen“ und freigesetzt werden – obwohl sie ideal sind, weil sie selbst keine nennenswerten Partikel erzeugen. Aus diesem Grund erfordern viele Reinraumanwendungen einen für Reinräume zugelassenen Schmierstoff. Diese speziellen Formulierungen enthalten keine (oder weniger) Zusatzstoffe, die feste Partikel wie Aluminium, Kieselsäure und PTFE enthalten.

Reinraumfreundliche Materialien sind ein Muss
Die bevorzugten Materialien für Reinraumumgebungen sind Edelstahl und PVC, aber Aluminium und Kohlenstoffstahl sind die Hauptmaterialien für lineare Bewegungskomponenten. Es gibt jedoch Möglichkeiten, Aluminium und Standard-Kohlenstoffstahl reinraumkonform zu machen.

Eloxiertes Aluminium beispielsweise verleiht ihm eine gute Korrosionsbeständigkeit. Und Komponenten aus Kohlenstoffstahl können mit einer reinraumtauglichen Schutzbeschichtung wie Schwarzchrom oder Nickel behandelt werden, um Oxidation zu verhindern.

Eine große Auswahl an Miniaturführungen und Miniaturschrauben ist in Edelstahlversionen erhältlich, was sie zu einer guten Wahl für Reinraumanwendungen mit kürzeren Hublängen und geringeren Lasten macht. Und Miniaturversionen werden in der Regel standardmäßig mit reibungsarmen Dichtungen und geringer Vorspannung angeboten, sodass ihre Partikelerzeugung von Natur aus geringer ist als bei ihren Gegenstücken in Originalgröße.

Bedenken Sie auch, dass Verbindungselemente häufig mit einer schwarzen Oxidschicht beschichtet sind, die eine hohe Partikelabwurfrate aufweist, auch wenn diese Komponenten statisch sind. Für Reinraumanwendungen sollten nach Möglichkeit Edelstahlbeschläge verwendet werden.

Systeme mit reduziertem Kontakt und Reibung

Eine Möglichkeit, viele der oben genannten Bedenken zu beseitigen oder zu verringern, besteht darin, lineare Bewegungskomponenten und -systeme zu verwenden, die von Natur aus „sauber“ sind. Dazu gehören Luftlager zur Führung und Linearmotoren zum Antrieb. Beide Systeme eliminieren den Gleit- oder Rollkontakt, sodass es praktisch keine Reibung und keine Partikelerzeugung gibt.

Beispielsweise hat ein Linearmotortisch mit Luftlagerführungen theoretisch keine Reibung und daher keine Partikelerzeugung. In realen Situationen stellt das Kabelmanagement jedoch immer noch ein Problem dar, da bei der Bewegung von Kabeln und Kabelträgern Partikel entstehen können. Dies kann jedoch durch den Einsatz von Kabeln und Kabelmanagementsystemen, die speziell für Reinräume entwickelt wurden, behoben werden.

Ein typisches Beispiel: Einige Kabelhersteller bieten Produkte mit speziellen reibungsarmen Beschichtungen an, um die Partikelbildung zu minimieren, und einige Kabelkettenhersteller bieten Systeme an, die den Verschleiß zwischen Kettenabschnitten durch den Einsatz abriebfester Verbindungen reduzieren. Bei kürzeren Kabellängen können flache, selbsttragende „spurlose Kabel“ sogar eine Kabelschiene oder einen Kabelträger überflüssig machen.