Wir sprechen zwar oft davon, wie wichtig es ist, Verunreinigungen von linearen Bewegungskomponenten wie Linearführungen und Schrauben fernzuhalten, doch wenn diese Systeme in einem Reinraum verwendet werden, ist das Ziel 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 von Luft und gegebenenfalls Oberflächen auf ein Niveau, das für die Durchführung kontaminationsempfindlicher Tätigkeiten angemessen ist.“

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

Die Norm ISO 14644-1 bewertet den Sauberkeitsgrad 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 Luft vorhanden sind.

Beachten Sie, dass der oben genannte Reinraumstandard von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) stammt. In einigen Fällen wird auch auf den US-amerikanischen Federal Standard 209E verwiesen, obwohl dieser 2001 aufgehoben wurde. Die FS 209E-Bewertungen können mit ISO-Bewertungen abgeglichen werden, beachten Sie jedoch, dass die Klassennummern nicht übereinstimmen. 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 eines Linearbewegungssystems in Reinräumen besteht darin, die Partikelbildung auf ein Minimum zu reduzieren. Linearbewegungskomponenten basieren jedoch auf Gleit- oder Rollbewegungen, die aufgrund von Reibung und Verschleiß zwischen den Oberflächen zwangsläufig Partikel erzeugen. Daher sollte ein Schwerpunkt darauf liegen, die Reibung so weit wie möglich zu reduzieren.

Dies bedeutet, dass Wälzlager gegenüber Gleitlagern bevorzugt werden. Dadurch sind Linearkugellager und Kugelumlaufspindeln für die meisten Reinraumanwendungen die bessere Wahl als Gleitlager und Leitspindeln.

Da die standardmäßigen Vollkontaktdichtungen von Linearkugellagern und Kugelumlaufspindeln jedoch Gleitkontakt mit der Führungsschiene oder der Spindelwelle haben, sind reibungsarme oder berührungslose Dichtungen Vollkontaktdichtungen vorzuziehen. Kürzlich haben einige Hersteller Partikelzähltests durchgeführt, die zeigen, wie Kugelabstandshalter oder Kugelketten – die die Kugeln voneinander trennen und verhindern, dass sie beim Umlauf durch das Lager miteinander kollidieren – die Partikelbildung in Profilschienenführungen und Kugelumlaufspindeln reduzieren können.

Schmierung ist Freund und Feind zugleich
Schmierung dient nicht nur der Reibungsreduzierung und der Gewährleistung eines ordnungsgemäßen Betriebs, sondern auch dazu, die von Linearlagern oder Spindeln erzeugten Partikel zu binden und deren Freisetzung in die Umwelt zu verhindern. Allerdings kann die Schmierung selbst eine Kontaminationsquelle darstellen, wenn sie in die Atmosphäre gelangt. Dies ist besonders problematisch bei Kugelumlaufspindeln, die beim Drehen Schmiermittel abschleudern können.

Dichtungen sorgen dafür, dass das Schmiermittel im Linearlager oder in der Kugelmutter verbleibt. Reibungsarme und berührungslose Dichtungen sind zwar ideal, da sie selbst keine nennenswerten Partikel erzeugen, können jedoch dazu führen, dass etwas Schmiermittel „durchrutscht“ und freigesetzt wird. Aus diesem Grund ist für viele Reinraumanwendungen ein reinraumzugelassenes Schmiermittel erforderlich. Diese speziellen Formulierungen enthalten keine (oder weniger) Additive mit Feststoffpartikeln wie Aluminium, Kieselsäure und PTFE.

Reinraumfreundliche Materialien sind ein Muss
Die bevorzugten Materialien für Reinraumumgebungen sind Edelstahl und PVC. Für Linearbewegungskomponenten werden jedoch vor allem Aluminium und Kohlenstoffstahl verwendet. Es gibt jedoch Möglichkeiten, Aluminium und Standard-Kohlenstoffstahl reinraumtauglich zu machen.

Durch Eloxieren erhält Aluminium beispielsweise eine gute Korrosionsbeständigkeit. Und Komponenten aus Kohlenstoffstahl können mit einer reinraumkompatiblen Schutzbeschichtung wie Schwarzchrom oder Nickel behandelt werden, um eine Oxidation zu verhindern.

Eine große Auswahl an Miniaturführungen und Miniaturspindeln ist in Edelstahlausführung erhältlich und eignet sich daher gut für Reinraumanwendungen mit kürzeren Hüben und geringeren Lasten. Miniaturausführungen werden in der Regel standardmäßig mit reibungsarmen Dichtungen und geringer Vorspannung angeboten, sodass die Partikelbildung im Vergleich zu ihren Pendants in Originalgröße geringer ist.

Bedenken Sie auch, dass Befestigungselemente oft mit einer schwarzen Oxidschicht überzogen sind, die eine hohe Partikelabstoßung aufweist, obwohl 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 auszuräumen oder zu reduzieren, besteht darin, von Natur aus „saubere“ Linearbewegungskomponenten und -systeme zu verwenden. Dazu gehören Luftlager zur Führung und Linearmotoren zum Antrieb. Beide Systeme eliminieren Gleit- oder Rollkontakte, sodass praktisch keine Reibung und keine Partikelbildung auftreten.

Beispielsweise weist ein Linearmotortisch mit Luftlagerführungen theoretisch keine Reibung und somit keine Partikelbildung auf. In der Praxis stellt das Kabelmanagement jedoch immer noch ein Problem dar, da bewegliche Kabel und Kabelträger Partikel erzeugen können. Dem kann jedoch durch den Einsatz von Kabeln und Kabelmanagementsystemen, die speziell für Reinräume entwickelt wurden, begegnet werden.

Ein typisches Beispiel: Einige Kabelhersteller bieten Produkte mit speziellen reibungsarmen Beschichtungen an, um die Partikelbildung zu minimieren. Andere Hersteller von Schleppketten bieten Systeme an, die den Verschleiß zwischen den Kettenabschnitten durch abriebfeste Verbindungen reduzieren. Bei kürzeren Kabellängen können flache, selbsttragende „spurlose Kabel“ sogar eine Schleppkette oder einen Schleppkettenträger überflüssig machen.