CAPE® - Der mobile und flexible Reinraum

© Fraunhofer IPA, Rainer Bez
Das Reinraumzelt »CAPE®«

Problemstellung luftgetragener Kontaminationen

Die seit Jahren anhaltende Miniaturisierung von mechanischen und elektronischen Komponenten führt in vielen Branchen dazu, dass Prozesse und Produkte immer sensibler auf Umgebungsbedingungen reagieren. Dabei spielt die Luftreinheit eine bedeutende Rolle. Um Qualitätsprobleme durch luftgetragene Partikel zu reduzieren haben Unternehmen in verschiedenen Hightech Branchen wie der Halbleiterindustrie, der Luft- und Raumfahrtbranche und der Medizintechnik schon früh kontaminationsgefährdete Fertigungs- und Montageprozesse in Reinräume ausgelagert. Durch lange Planung- und Realisierungszeiten, den großen Flächenbedarf und die langfristige Belegung von Produktionsflächen sind stationäre Reinräume nicht überall eine optimale Lösung.

Mobile Reinraumlösungen

Mit dem CAPE®-System (Clean And Protective Environment) haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA ein zeltähnliches Reinraumsystem entwickelt, mit dem sich kostengünstig, schnell und flexibel eine Reinraumumgebung herstellen lässt. Es erreicht ähnliche Luftreinheitsklassen wie hochwertige, konventionelle Reinräume, kann aber durch die textile Leichtbauweise viel flexibler eingesetzt werden.
Um den Anforderungen unterschiedlicher Branchen und Unternehmen gerecht zu werden, sind kontinuierliche Weiterentwicklungen und individuelle Anpassungen des CAPE®-Systems der entscheidende Erfolgsfaktor. Aus dieser Motivation heraus sind im Laufe der Zeit unterschiedliche CAPE®-Varianten entstanden.

Vorteile des CAPE®-Systems

Mit dem »CAPE®« hat das Fraunhofer IPA ein zeltähnliches Reinraumsystem entwickelt. Je nach Größe und Konfiguration lassen sich CAPE®-Systeme in kürzester Zeit aufbauen und inbetriebnehmen. Auf Grund der textilen Bauweise, dem standardisierten Gestellsystem und dem reduzierten Bedarf an Lüftungstechnik, liegen die Investitionskosten um ein Vielfaches unter denen eines konventionellen Reinraums. Betriebskosten fallen nur dann an, wenn sich das System im Einsatz befindet. Wird das CAPE®-System nicht mehr benötigt, lässt es sich in kürzester Zeit abbauen und einlagern, oder an einen anderen Einsatzort transportieren.

Die Größe und Form des jeweiligen CAPE®-Systems kann individuell an die Kundenbedürfnisse angepasst werden. So eignet sich ein portables 2 x 2 x 2 m »CAPE®« insbesondere zur Abschirmung einzelner Arbeitsplätze, Fertigungsprozesse oder den Laborbetrieb, während ein 10 x 10 x 5 m System sich z.B. zur Abschirmung ganzer Fertigungs- und Montagesysteme oder zur Montage größerer Anlagen unter Reinraumbedingungen eignet.

Optional können mehrere unterschiedlich große CAPE®-Systeme mit verschiedenen Druckverhältnissen zusammengefügt und im Zonenbetrieb eingesetzt werden.

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© Fraunhofer IPA, Rainer Bez
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Im Pandemiefall ist es besonders wichtig schnell und ortsgebunden zu handeln. Entscheidend ist die Trennung von gesunden und infizierten Personen, die durch Quarantänemassenlager nicht gewehrleistet werden kann. Eine Lösung bietet das reinheitstechnische Einpersonen-Quarantänesystem »Quarantine-CAPE®«.

  • Geeignet zur dezentralen Anwendung im Pandemiefall, flexibel erweiter- und kombinierbar
  • Erzielung der Schutzwirkung durch strömungsdurchlässiges, textiles Mehrschichtsystem für eine zeltähnliche Raumbegrenzung aus sterilisier- und dekontaminierbaren Aufbauwerkstoffen
  • Tridirektionale Barrierewirkung:
    • (1) Schutz eines quarantänisierten Patienten im Innenraum vor einer mikrobiologisch belasteten Außenluft
    • (2) Schutzes von Personen, die sich im Umgebungsbereich befinden und
    • (3) Verhinderung der Kontaminationsverschleppung zwischen Innenraum und Außenbereich
  • Schneller Aufbau/Abbau und Inbetriebnahme innerhalb weniger Minuten
  • Sicherstellung von steriler, mikrobiologisch kontaminationsfreier Zuluft, Umluft und Fortluft
  • Geringe Anschaffungs- und Betriebskosten

In bestehenden, stationären Reinräumen müssen immer wieder Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten oder Reparaturen durchgeführt werden. Dabei wird die ultrareine Umgebungsluft durch kleinste Partikel und chemische Verunreinigungen kontaminiert. Diese Verunreinigungen lagern sich an Produktionsanlagen in der Reinraumumgebung ab und verlangsamen so die Regeneration des Reinraums nach Abschluss der Arbeiten. Um notwendige Produktionsstillstände zu verkürzen, haben Wissenschaftler der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion am Fraunhofer IPA das »Maintenance-CAPE®« entwickelt.

  • Innovatives Wartungssystem für stationäre Reinräume
  • Räumliche Abgrenzung und Abführung von Verunreinigungen, die durch Wartungsarbeiten oder Reparaturen entstehen
  • Integration in bestehende Systeme durch Montage eines Schienensystems (an der Decke)
  • Variable Positionierung durch beweglichen Rahmen
  • Bedienerfreundliches System: Zur Inbetriebnahme wird der Rahmen herabgelassen, Textilbahnen werden am Boden eingehängt und anschließend hochgezogen
  • Platzsparende Konstruktion

 

Das neue »FastBuild-CAPE®« wurde entwickelt, um in kürzester Zeit eine hochreine Umgebung zu realisieren. Im Gegensatz zum ursprünglichen CAPE®-System, ist das Gestell des neuen Reinraumzeltes luftgetragen. Die Konstruktion besteht aus speziellen, luftdichten Schläuchen und kann über ein Ventil innerhalb von wenigen Minuten mit Druckluft aufgebaut werden. Für die Inbetriebnahme wird anschließend eine Filter-Fan-Unit angeschlossen.

  • Innerhalb von wenigen Minuten aufgebaut und einsatzbereit
  • Installation durch eine Person möglich
  • Kein fester Untergrund zum Aufbau nötig
  • Leicht zu reinigen und zu verstauen
  • Sehr geringes Gewicht und Packmaß

In den Life Science Branchen wie der Pharma-, Medizin- und Lebensmittelindustrie ist der Hygienegedanke traditionell stark verankert. Neben Partikeln gelten insbesondere biologische Kontaminationen als kritisch für die Produktion. Im Anhang des Regelwerkes der „Guten Herstellungspraxis“ (Good Manufacturing Practice – GMP) werden alle Anforderungen an die Reinheitsklassen A/B, C und D beschrieben.

Zur Erfüllung der GMP-Anforderungen müssen zusätzlich Kriterien wie chemische- und biologische Beständigkeit, antibakterielle Wirksamkeit sowie Reinigbarkeit berücksichtigt werden. Diese Kriterien können nur durch geeignete Materialien, hygienisches Design, thermodynamische Luftaufbereitung, Lüftungstechnik, Schleusensysteme und ein Monitoring System erfüllt werden.

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Eine schnelle und flexible Lösung für die Herstellung reiner Produktionsumgebungen im Life Science Bereich bietet das Hygienic-CAPE® 

  • GMP-gerechtes Reinraumzelt
  • Spezielle Oberfläche aus Folie:
    • (1) Gut zu reinigen und desinfizierbar
    • (2) Chemische Beständigkeit
    • (3) Ausgasungsarm und antistatisch
  • Stabiles, korrosionsbeständiges Grundgerüst aus Edelstahl außerhalb der CAPE®-Hülle
  • Hygienisch angepasste Konstruktion und Verbindungselemente 
  • Luftaufbereitung mithilfe von Schwebstofffiltern
  • Optionale Klimatisierung 
  • Schleusensysteme mit Druckkaskaden
  • Bedarfsgerechte Beleuchtung

Die Nutzung von Standard-Industriekomponenten im Reinraum stellt eine besondere Herausforderung dar. Problematisch sind dabei vor allem Partikel oder chemische und biologische Rückstände, die vom Equipment abgegeben werden. Da die Einhausung der Kontaminationsquelle durch ein Zeltsystem nicht immer möglich ist, wurde 2ndSCIN® entwickelt. Es handelt sich um eine atmungsaktive, textile Schutzumhüllung, die sich individuell auf dynamische Automatisierungskomponenten anpassen lässt.

Weitere Informationen finden Sie hier  

© Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Details zum CAPE®

  • © CAPE®-System in Überdruckfunktion

    Das CAPE®-System funktioniert ähnlich wie ein stationärer Reinraum. Die partikelreiche Umgebungsluft z.B. in einer Montagehalle wird über eine Filter Fan Unit (FFU) angesaugt und über ein zweistufiges Filtersystem auf groben Feinstaub und feinste Schwebstoffe gefiltert. Die partikelfreie Reinstluft wird dann über ein Schlauchsystem in das Deckenplenum des CAPE®-System geleitet. Die Luft strömt weiter durch die Unterseite des Plenums in den Innenraum des CAPE®-Systems. Durch das gleichmäßige Einströmen der Luft über das Plenum kommt es im CAPE® Innenraum zu einer turbulenzarmen Verdrängungsströmung. Diese entweicht anschließend durch die Wände und Öffnungen im Bodenbereich.

  • CAPE®-System in Unterdruckfunktion

    Ein Betrieb in Unterdruckfunktion wird dann benötigt, wenn sensible Umgebungen vor Partikel emittierenden Maßnahmen wie z.B. Wartungsarbeiten geschützt werden sollen. Die Funktion des Luftsystems wird dabei umgekehrt. Die Ansaugseite der FFU-Einheit wird hierbei mit dem Innenraum des CAPE®-Systems verbunden. Die FFU-Einheit saugt dann die kontaminierte Luft aus dem CAPE® Innenraum an, filtert diese und gibt sie direkt an die Umgebung ab.

    CAPE®-System in Umluftfunktion

    Neben dem Überdruck- und Unterdruckbetrieb ist auch ein Umluftbetrieb zur Effizienzsteigerung der Filtration möglich. Ähnlich wie in der Unterdruckfunktion wird die Innenluft im CAPE®-System angesaugt , gefiltert und dann über das textile Luftsystem als gerichtete Strömung über den Deckenbereich in den CAPE® Innenraum geleitet.

  • Aufbau und Funktionsweise einer FFU-Einheit

    Um das CAPE®-Systems mit Reinstluft zu versorgen wird eine Filter Fan Unit (FFU) verwendet. Diese sorgt für den Luftaustausch, den Überdruck im System und die Filtration von kontaminierter Luft. Durch den Einsatz eines Vor- und Hauptfilter ist die Reinigung besonders effizient. Je nach Bedarf können für den Hauptfilter unterschiedliche Filterklassen bis ISO 1 ausgewählt werden. Die standardmäßig verwendeten FFU-Einheiten können mit einem handelsüblichen 230V Anschluss betrieben werden und sind in der Lage einen Volumenstrom von bis zu 3000m³/h zu erzeugen. Je nach Größe und Luftreinheitsklasse des CAPE®-System werden mehrere FFU-Einheiten parallel betreiben.

  • Die hohen Luftreinheitsklassen des CAPE®-Systems werden neben dem innovativen Luftführungssystem auch durch die Verwendung der speziellen reinraumtauglichen Textilien ermöglicht. Die Spezialtextilien zeichnen sich vor allem durch eine sehr geringe Partikelemission, ein hohes Partikelrückhaltevermögen, eine gute elektrostatische Ableitfähigkeit und eine geringe Emission chemischer gasförmige Substanzen aus. Diese Eigenschaften ermöglichen es, das CAPE®-System innerhalb von stationären Reinräumen einzusetzen um z.B. lokal eine höhere Luftreinheitsklasse zu erzeugen oder einen Reinraum vor Prozessen mit hohem Kontaminationsrisiko zu schützen.

  • Der Preis der CAPE®-Systeme richtet sich nach der Größe, der geforderten Luftreinheitsklasse und evtl. kundenindividuellen Sonderlösungen. Kleine, einfache Varianten des CAPE®-Systems sind schon unter 10.000 € erhältlich.
    Die Lieferzeiten für die Kaufoptionen liegen je nach Auftragslage, zwischen 3 und 6 Monaten. Bei einer befristeten Bereitstellung kann je nach Verfügbarkeit auch schneller auf Anfragen reagiert werden.

Weitere Informationen

 

2ndSCIN® - Enabler für sauberkeitskritische Automatisierung

Das Thema ultrareine Produktion zunehmend an Bedeutung. Forscher und Forscherinnen des Fraunhofer IPA haben mit 2ndSCIN ® eine atmungsaktive, textile Schutzumhüllung entwickelt, die Industriekomponenten für den Reinraum ertüchtigt.

 

Reinraum Zertifizierung

Die Reinheitstauglichkeit von Materialien, Anlagen oder Anlagenkomponenten kann sich je nach Branche und Anwendung aus unterschiedlichen Aspekten zusammensetzen. Wir bieten eine zielgerichtete, neutrale und zertifizierte Bewertung dieser Aspekte nach gültigen internationalen Standards.