CAPE® - flexibles, mobiles Reinraumsystem

© Fraunhofer IPA, Rainer Bez

Das Reinraumzelt »CAPE®«

Problemstellung luftgetragenen 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. Neben Einflüssen wie Schwingungen, klimatischen Bedingungen spielt auch die Luftreinheit zunehmend eine bedeutende Rolle.

Abhängig von der Empfindlichkeit der Produkte können luftgetragen Partikel auf Leiterplatten Kurzschlüsse verursachen, als Einschlüsse optische Komponenten verunreinigen, in der Feinmechanik für Fehlfunktionen sorgen oder in den Life Science Branchen Produkte kontaminieren.

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.

Die Installation stationärer Reinräume ist jedoch aufgrund der aufwändigen Filter- und Klimatechnik mit hohen Investitions- und Betriebskosten verbunden. Die langen Planung- und Realisierungszeiten, der große Flächenbedarf, die langfristige Belegung von Produktionsflächen und eine schlechte Skalierbarkeit machen stationäre Reinräume nicht überall die optimale Lösung.

Gerade in Branchen in denen flexibel auf schwankende Auftragszahlen reagiert werden muss oder nur projektbezogen bestimmte Prozesse oder Produkte vor luftgetragenen Kontaminationen geschützt werden müssen besteht ein Bedarf nach einer flexibleren Lösung. 

© Fraunhofer IPA

Mitarbeiter in Reinraumbekleidung

© Fraunhofer IPA

Mitarbeiter in Reinraumbekleidung

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Mitarbeiter in Reinraumbekleidung

Mit dem CAPE®-System (Clean And Protective Environment) hat das Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA ein zeltähnliches Reinraumsystem entwickelt mit dem sich kostengünstig, schnell und flexibel eine Reinraumumgebung herstellen lässt.

Das CAPE®System erreicht ähnliche Luftreinheitsklassen wie hochwertige  konventionelle Reinräume kann aber durch die textile Leichtbauweise viel flexibler eingesetzt werden. Je nach Größe und Konfiguration lassen sich die CAPE®-Systeme in kürzester Zeit, bei Bedarf auch komplett werkzeugfrei, aufbauen und inbetriebnehmen.

Die Investitionskosten liegen aufgrund der textilen Bauweise, dem standardisierten Gestellsystem und dem reduzierten Bedarf an Lüftungstechnik um ein Vielfaches unter denen eines konventionellen Reinraums. Betriebskosten fallen nur dann an, wenn sich das CAPE®-System im Einsatz befindet. Wird das CAPE®-System nicht mehr benötigt, lässt es sich in kürzester Zeit abbauen, einlagern oder an einen anderen Einsatzort transportieren.

Die Größen und Form des jeweiligen CAPE®-Systems kann individuell an die Kundenbedürfnisse angepasst werden. Aktuell befinden sich bereits mehrere 2 x 2 m, 3,2 x 3,2 m, 4,5 x 4,5 m und eine 10 x 10 m CAPE® Varianten in der Luft- und Raumfahrtbranche, der Feinmechanik und der Optik- und Halbleiterindustrie im Einsatz.

Im Detail

Das CAPE®-System funktioniert ähnlich wie ein stationärer Reinraum. Die partikelreiche Umgebungsluft z.B. in einer Montagehalle wird über eine FFU-Einheit (Filter Fan Unit) angesaugt und über ein zweistufiges Filtersystem auf groben Feinstaub und feinste Schwebstoffe gefiltert. Die fast vollständig partikelfreie Reinstluft wird dann über ein Steigschlauchsystem in das Luftplenum im Deckenbereich des CAPE®-System geleitet. Durch die einströmende Luft entsteht in dem hohlförmigen Luftplenum ein Überdruck. Der Überdruck im Luftplenum kann nur durch das fein perforierte Textil an der Unterseite des Luftplenums in Richtung des CAPE® Innenraums entweichen. Durch das gleichmäßige Einströmen der Reinstluft über das Luftplenum kommt es im CAPE® Innenraum zu einer homogenen, vertikalen und gleichmäßigen nach unten gerichteten Luftströmung. Die Luftströmung und wird durch Öffnungen im Bodenbereich nach außen geleitet.

(CAPE System in Überdruckfunktion

CAPE System Komponenten

Das Luftsystem versorgt das CAPE® mit Reinstluft und sorgt im Innenraum für einen Überdruck und eine gerichtete Luftströmung. Die standardmäßig verwendeten FFU-Einheiten verfügen über eine Leistung von 2300 m³/Std. und sind mit austauschbaren F7 Feinstaubfiltern und H14 Schwebstofffiltern ausgerüstet. Je nach Größe und Luftreinheitsklasse des CAPE®-System werden mehrere FFU Einheiten oder FFU Einheiten verschiedener Leistungsklassen eingesetzt. In der Standardkonfiguration erreicht das CAPE®-System mit einer Luftgeschwindigkeit von 0,1 m/s und einem Überdruck von ca. 10 Pa problemlos die Luftreinheitsklassen 3-4 gemäß ISO 14644-1 „at rest“. In einer high Performance Version mit U17 Schwebstofffilter und einer erhöhten Luftgeschwindigkeit wurde die Luftreinheitklasse 1-2 gemäß ISO 14644-1 „at rest“ getestet.

Durch die Verwendung einstufiger Filtersysteme auf textiler Basis bietet das CAPE®-System auch für die Luftreinheitsklassen ISO 5-9 passende und kosteneffiziente Lösungen.

Aufbau und Funktion FFU Einheit

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.

Durch die Verwendung eines modularen Aluminium-Gestellsystems ermöglicht das CAPE®-System eine Realisierung von nahezu allen Größen und Formen. Sonderlösungen wie Klickadapter für eine schnelle werkzeugfreie Verbindung der Traversenelemente oder Towersysteme zur teilautomatisierten Errichtung des CAPE®-Systems ohne zusätzliche Personen- oder Lastenhubsysteme erleichtern und beschleunigen den Auf- und Abbau der CAPE®-Systeme.

Neben den selbsttragenden Gestellsystemen besteht auch die Möglichkeiten das CAPE®-System ohne ein Gestellsystem z.B. über Schienensysteme, Magnethaken oder Seilsysteme individuell in Gebäude- und Anlagentechnik zu integrieren. Diese Möglichkeiten bieten sich vor allem dann an wenn eine Reinraum- oder Schutzumgebung nachträglich in bestehende Gebäude- und Fertigungsstrukturen integriert werden soll.

Modulares Gestellsystem

Das CAPE®-System kann in der Größe und Form flexibel auf 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.

Um einen optimalen Material- und Personenfluss zu realisieren, können passive und aktiv belüftete Material- und Personalschleusen an das CAPE®-System angebaut oder integriert werden.

Mittleres und großes CAPE System

Neben dem Einsatz in Überdruckfunktion zum Schutz von sensiblen Produkten und Prozessen im Innenraum des CAPE®-Systems, kann das CAPE®-System auch in Unterdruckfunktion zum Schutz von sensiblen Umgebungen genutzt werden.

Ein Betrieb in Unterdruckfunktion ist dann sinnvoll, wenn sensible Umgebungen wie Reinräume oder empfindliche Produktionsprozesse vor einzelnen kontaminationskritischen Prozessen oder Maßnahmen wie z.B. Wartungsarbeiten geschützt werden sollen. Die Funktion des Luftsystems wird dabei umgekehrt. Die Ansaugseite der FFU Einheit wird entweder direkt oder über ein textiles Luftsystem mit dem Innenraum des CAPE®-Systems verbunden. Die FFU Einheit saugt dann die potenziell kontaminierte Luft aus dem CAPE® Innenraum an, filtert diese und gibt diese wahlweise direkt oder über ein Schlauchsystem an die Umgebung ab.

Neben dem Überdruck- und Unterdruckbetrieb ist auch ein Umluftbetrieb zur effiziente Filtration luftgetragener chemischer Substanzen möglich. Um den Wirkungsgrad der Filtermedien zur Abscheidung von gasförmigen Substanzen (VOC [Volatile Organic Compounds], Säuren, Basen) zu verbessern wird im CAPE®-System ein Luftkreislauf erzeugt. 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.

CAPE System in Unterdruckfunktion

CAPE System in Umluftfunktion

Neben zahlreichen zum CAPE®-System passenden Serviceleistungen wie der Übernahme des Aufbaus und Abbaus, der schnellen Reaktion im Servicefall und der Einweisung- und Schulung von Betriebspersonal, unterstützen wir unsere Kunden gerne zusätzlich mit weiteren ergänzenden Leistungen.

Zu unserer Expertise in der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion am Fraunhofer IPA gehören u.a.:

  • die reinheitstechnische Prozessberatung und -Optimierung
  • die reinraumtechnische Qualifizierung von Anlagen und Materialien mit dem international anerkannten Prüfzeichen, „Fraunhofer TESTED DEVICE®“ und „Fraunhofer CSM® - Cleanroom Suitable Materials“
  • die reinraumgerechte Konstruktion von Anlagen und Komponenten
  • die Planung und Durchführung von Workshops und Schulungen zu vielen reinheitstechnischen Themen.

Bei Interesse am CAPE®-System oder anderen Leistungen der Abteilung Reinst- und Mikroproduktion freuen wir uns über Ihre Anfrage.

Der Preis der CAPE®-Systeme richten sich nach der Größe, der geforderten Luftreinheitsklasse und evtl. kundenindividuellen Sonderlösungen. Kleine einfache Varianten des CAPE®-Systems sind schon unter 10.000 € erhältlich.

Für den zeitlich begrenzten Einsatz ist es auf Anfrage auch möglich CAPE®-Systeme in Standardgrößen innerhalb von Forschungs- und Dienstleistungsprojekten auf einer monatlichen Basis bereitzustellen. Den Aufbau, die Einweisung von Bedienpersonal, den Service und den Abbau übernimmt in diesem Fall das Fraunhofer IPA.

Die Lieferzeiten für die Kaufoptionen liegen je nach Auftragslage, zwischen 3 und 6 Monaten. Bei der befristeten Bereitstellung kann je nach Verfügbarkeit auch schneller auf Anfragen reagiert werden.

Vorteile des CAPE Systems