Automatisierung für den Reinraum

Kein Staub darf rein, kein Keim darf raus: Ob in der Halbleiterfabrik oder im Gentechniklabor – in Reinräumen verhindern ausgefeilte Lüftungs- und Filtertechniken jede Produktions- wie Umweltgefahr, die durch Partikel entstehen könnte. Doch reine Räume dienen längst nicht mehr nur der Chipherstellung oder Biotech-Forschung, inzwischen werden dort auch Kunststoffteile für medizinische Geräte oder sogar auch fürs Auto hergestellt. „Reinräume in kunststoffverarbeitenden Betrieben sind ein starker Trend, der sich am stärksten in der Medizintechnikbranche beobachten lässt“, sagt Johann Malinowski, Reinraum-Berater des Benediktbeurer Ingenieurbüros Dittel Cleanroom Engineering. Pillenverpackungen, Spritzen, Fläschchen: Laut einer Branchenstudie sind Kunststoffe mit 45 % längst die größte verwendete Werkstoffgruppe in der Medizintechnik. Schon jeder zehnte Reinraum in Deutschland ist laut Malinowski in einer Medizintechnikfirma installiert, Tendenz steigend.

Die hochreinen Produktionsbedingungen sind keine freiwillige Kür, sondern gesetzliche Pflicht. Sie werden gleich von mehreren nationalen und internationalen Vorschriften gefordert. Der EU-Leitfaden für die Herstellung von Arzneimitteln (Current Good Manufacturing Practice) und die Vorschriften der FDA (Food and Drug Administration), der US-Behörde zur Arzneimittelüberwachung, schreiben für viele Produkte im Gesundheitswesen die hochreine Fertigung vor.

Die Maschinen und Produktionseinrichtungen werden speziell für die hochreine Produktion entwickelt. So wird beispielsweise das Maschinengehäuse eines Handhabungsgerätes aus rostfreiem Edelstahl statt aus herkömmlichem Blech gefertigt. Um auch Produktionsbedingungen der höchsten Reinheitsanforderungen zu erfüllen, die beispielsweise für medizinische Produkte gefordert werden, arbeitet Krauss Maffei mit einem Trick: Die Spritzgießmaschinen werden so konstruiert, dass nur die Schließeinheit, in der die Teile hergestellt werden, im Reinraum steht. Der Rest der Anlage steht außerhalb der teuren Reinraumkabine. Für den Werkzeugwechsel und für Wartungsarbeiten wird die Schließeinheit dann aus dem Reinraum herausgefahren.

Produktion in sterilen Räumen

Die Herausforderung: Obwohl die meisten Partikel nur die Hälfte eines tausendstel Millimeters klein sind, können sie die Chipfertigung sowie die Herstellung von Nanobauteilen, empfindlichen Oberflächen oder sterilen Medizinprodukten empfindlich stören. Vor allem dort, wo kleinste Strukturen hergestellt werden, wirken einzelne Staubkörner wie Felsen auf einer Landstraße.

Die Lösung: Nachfragen! Die meisten Hersteller von Robotik/Handhabung und Spritzgießmaschinen verfügen über eine ausgewiesene Reinraumkompetenz. Dafür wird eine optimierte Fertigung konzipiert. Nach ausführlicher, kompetenter Analyse wird dann ein wirtschaftliches Maschinenkonzept erstellt. Dafür haben die Hersteller flexible Systeme, das heißt komplette Maschinen im Reinraum können im Reinraum installiert werden oder die Maschine wird außerhalb als Satelliten-Lösung angedockt. In der Regel sind die Maschinen dann vollständig gekapselt sowohl die Antriebe als auch die Führungen. Dann muss auf eine optimale Zugänglichkeit geachtet werden, damit eine leichte Reinigung möglich ist. Damit eine saubere Umgebung sichergestellt wird, empfiehlt Engel zum Beispiel eine GMP Massezylinderabsaugung, damit die Partikel- & Wärmelast im Reinraum minimiert wird. Darüber hinaus ist eine permanente Kon-trolle aller prozessrelevanten Parameter unumgänglich. Arburg arbeitet deshalb auch bei Turn-key-Projeten mit Partnern zusammen, denn welche Variante in Frage kommt, hängt von den jeweiligen Kundenanforderungen ab. Das Spektrum reicht von Spritzgussmaschinen, die komplett im Reinraum stehen, über modulare dezentrale Reinräume, bei denen das Förderband gekapselt ist und die Spritzteile in den Reinraum transportiert werden, bis hin zu Zellen mit Reinraummodulen über der Schließseite der Maschine und dem Robot-System-Bereich.

Universelle Verwendung der Roboter

Nach wie vor dient die Weiterentwicklung der Handhabungsgeräte und Roboter der Produktivitätssteigerung von Produktionsprozessen der verschiedensten Art und so auch der Kunststoffverarbeitung im Reinraum.
Das Jahr 2015 steht bei der Handhabungstechnik im Zeichen der Vertiefung der Entwicklungen von 2014 gibt Wittmann vor. Kundenspezifische Adaptierungen dürfen dabei das Gesamtsystem nicht zu komplex werden lassen, was gerade auch auf die Anwendung in der Fertigung von medizintechnischen Teilen zutrifft. Die einfache Beherrschbarkeit durch den Bediener muss dabei die oberste Prämisse sein. Zur Eingangs angesprochenen Steigerung der Produktivität verweist Engel darauf, dass der Automatisierungsgrad in den Betrieben der Kunststoffverarbeitung weltweit rapide ansteigt. Für diese Entwicklung werden verschiedene Treiber benannt. Darunter sind der Wunsch nach einer höheren Produktqualität, nach stabileren Prozessen oder mehr Effizienz, der Einsatz innovativer Verfahrenstechnologien oder die zunehmende Integration von Arbeitsschritten. Neben maßgeschneiderten Automatisierungslösungen für anspruchsvolle Anwendungen verzeichnen auch standardisierte Roboter für einfache Pick-and-Place-Aufgaben eine verstärkte Nachfrage.

Die Flexibilität in der Fertigung wird nach Krauss Maffei durch Integration von Robotern in flexibel positionierbare Zellen erreicht, was zu kürzeren Inbetriebnahme-Zeiten und schnelleren Produktwechseln führt. Die Integration ist auch ein probates Mittel für Reinräume. Dies spricht auch Engel im Bereich der Pick-and-Place-Anwendungen an. Die Anwender wünschen sich eine One-for-all-Lösung, die mit einem Roboter erfüllt wird, der sich flexibel von einer Spritzgießmaschine auf eine andere transferieren lässt und der sowohl auf eigenen Spritzgießmaschinen als auch auf Maschinen anderer Marken eingesetzt werden kann. In diesem Anwendungsfeld gilt es aber, ein Overengineering zu vermeiden und besonders wirtschaftliche Roboter einzusetzen.

Beim Einsatz von Robotern besteht nach Engel ein genereller Trend darin, die Produktivität pro Quadratmeter Fertigungsfläche zu erhöhen. Roboter sollten daher keinen oder nur wenig Platz benötigen. Sowohl Wittmann als auch Engel weisen auf neue Geräte hin, deren Kinematik eine platzsparende Integration dieser Geräte in die Schutz-Umhausung der Spritzgießmaschine ermöglicht. Arburg berichtet, dass mit kleineren Robotern ein flexiblerer und platzsparenderer Einsatz mit deutlich besserem Preis-Leistungs-Verhältnis möglich ist. Beispielhaft wird auf autarke und damit mobile Zellen mit hängendem Roboter hingewiesen.