Warum die richtige Energiekette über Qualität und Prozesssicherheit entscheidet

Energiekettensysteme, die unter Normbedingungen eine bestimmte Reinraumklasse erfüllen, sind heute weit verbreitet. Entscheidend ist dabei jedoch, dass diese Reinraumtauglichkeit auch unter dynamischer Belastung zuverlässig gewährleistet wird – und das über mehrere Millionen Bewegungszyklen. Denn genau hier besteht das Risiko für Abrieb, der Partikelemissionen verursacht. In der strengsten Reinraumklasse ISO-Klasse 1 dürfen sich in einem Kubikmeter Umgebungsluft höchstens zehn Partikel der Größe von 0,1 µm befinden. Um diese strengen Anforderungen zu erfüllen, braucht es speziell für den Reinraum entwickelte, langlebige Systeme wie die e-skin Energieführungen des Kölner Kunststoffspezialisten igus.

Energieführungen für unterschiedliche Bewegungsanforderungen

Je nach Anwendung profitieren Einkäufer von unterschiedlichen Konstruktionsprinzipien. Für dreidimensionale Bewegungen in Reinräumen, zum Beispiel an SCARA Robotern oder beweglichen Achsen, eignen sich geschlossene Wellrohrsysteme wie die e-skin. Sie besteht aus einer Ober- und Unterschale aus abriebfestem Hochleistungskunststoff, die zusammengesteckt eine geschlossene Führung bilden. Durch den einfachen und wiederverschließbaren Öffnungsmechanismus per Reißverschluss-Verfahren sind eine unkomplizierte Wartung und Inspektion der eingesetzten Leitungen möglich. Als e-skin soft mit einem weichen Material kann sie auch in kleinen Bauräumen auf kurzen freitragenden Längen zum Einsatz kommen.

Für sehr beengte Bauräume greifen Anwender meist auf Flachkabelsysteme zurück. Im Gegensatz zu marktüblichen Lösungen mit fest definierten Flachbandleitungen, wo Verseilelemente fest verschweißt sind, ist das Flachbandkabel e-skin flat von igus modular aufgebaut. Die Energieführung ist in einer geschlossenen Variante und in einer Variante mit einzeln zu öffnenden Kammern erhältlich. Die einzelnen sogenannten Single-Pod-Profile ermöglichen es, bereits konfektionierte Leitungen einfach einzulegen und einzelne Leitungen im Wartungsfall auszutauschen. Das spart Zeit und Kosten und erhöht zudem die Anlagenverfügbarkeit. Im Inneren laufen die Leitungen in den Pods getrennt von Stützketten, sodass keine relative Bewegung zwischen Leitungen und Kette entsteht. Das reduziert den Verschleiß und minimiert die Partikelbildung. Unterstützt wird dies durch den Einsatz eines hochabriebfesten Hochleistungskunststoffs sowie durch eine Geometrie mit glatten Flächen und exakt definierten Biegeradien. Zusätzlich ermöglicht das geringe Eigengewicht der Energieführung hohe Dynamiken bei reduzierter Belastung der Antriebssysteme. Durch verschiedene neue Multipods der e-skin flat können zudem bis zu 17 Prozent des Bauraums eingespart werden.

Garantierte Reinraumtauglichkeit auch im Langezeitbetrieb

Eine Energieführung im Reinraum muss jedoch nicht nur beim Einbau sauber sein, sondern auch während Millionen Bewegungszyklen partikelarm bleiben. Um genau das zu gewährleisten, betreibt igus in Köln ein Reinraumlabor, entwickelt mit dem Fraunhofer IPA als Zertifizierungspartner. Dort testet und optimiert igus unter realen Bedingungen seine Hochleistungskunststoffe und Geometrien, um Abrieb und Ausgasung in Reinräumen immer weiter zu minimieren. Langzeittests im igus Labor sowie zusätzliche Zertifizierungen des Fraunhofer IPA haben bereits gezeigt, dass die e-skin flat den Anforderungen von ISO 1 auch nach 1,5 Jahren Dauereinsatz und rund 60 Millionen Doppelhüben entspricht. Somit eignet sie sich auch für besonders sensible Produktionsumgebungen, zum Beispiel in Automationsanlagen in der Display- und Halbleiterfertigung sowie bei der Produktion von LCD/LED-Panels.

Einfach konfiguriert: Einkäufer profitieren von Systemlösungen

Eine häufige Fehlerquelle in Reinräumen stellt die getrennte Beschaffung von Leitungen und Energieketten dar. Sind die Komponenten nicht aufeinander abgestimmt, kann sich das negativ auf die Partikelbildung und Lebensdauer auswirken. igus empfiehlt daher den Einsatz von Systemen aus einer Hand. Das Unternehmen bietet dafür Leitungsadern der Serie chainflex CFCLEAN für die Übertragung von Energie, Motorsteuerungs-, Bus- und Ethernetsignalen an. 

Die chainflex Leitungen sind für die Dauerbewegung ausgelegt, auf die Wechselbiegung optimiert und im Komplettsystem mit der e-skin flat vom IPA Institut für Reinräume der ISO Klasse 1 zertifiziert. Die Kombination bietet einen wesentlichen Vorteil gegenüber den weit verbreiteten PTFE-Flachbandleitungen. Denn dort sind die verseilten Adern in einem durchgängigen Flachband verschweißt und nicht trennbar. Anwender müssen beim Bruch einer einzelnen Ader das gesamte System tauschen. Ein weiterer Vorteil der igus Lösung ist, dass im Vergleich zu gängigen Flachbandlösungen keine Mindestbestellmenge erforderlich ist. Das e-skin flat System ist bereits ab Stückzahl 1 verfügbar.

Kurzinterview mit Heidelberg Instruments

Antworten von Jochen Wesch, Leitung E-Konstruktion, und Andreas Barna, Head of Application VPG-Series

 Produktmanagement: Welche Anforderungen stellen Ihre Lithografie Maschinen an die Energieführung im Reinraum?

Unsere Maschinen stellen sehr hohe Anforderungen an die Reinraumtauglichkeit der eingesetzten Komponenten. Entscheidend sind ein minimaler Partikelausstoß, geringe Abriebwerte sowie Materialien mit niedrigen VOC‑Emissionen. Ebenso wichtig sind Präzision und Laufruhe, da Vibrationen oder Unregelmäßigkeiten die Wiederholgenauigkeit beeinträchtigen können. Da viele unserer Anlagen im 24/7‑Betrieb laufen, ist zudem eine hohe Lebensdauer der Energieführung und Leitungen erforderlich.

Mechanische Konstruktion: Welche Vorteile bietet ein modular aufgebautes Energieführungssystem für Ihre mechanische Konstruktion?

Der modulare Aufbau ist für uns deshalb wichtig, weil kaum eine Anlage der nächsten gleicht. Wir können die Energieführung flexibel an unterschiedliche Einbausituationen und Kundenanforderungen anpassen und auch nachträglich um einzelne Leitungen oder Schläuche erweitern.

Elektrische Konstruktion: Sind eine individuelle Konfiguration der Energieführung und Komplettsysteme aus einer Hand für Sie ein wichtiges Auswahlkriterium?

Ja, beides spielt eine wichtige Rolle. Je nach Maschinentyp und Verfahrweg unterscheiden sich die Anforderungen an Leitungsarten und Bestückung der Energieführung. Ein abgestimmtes Komplettsystem erhöht die Betriebssicherheit und reduziert den Abstimmungsaufwand. Gleichzeitig bleiben wir flexibel, da sich die Systeme individuell konfigurieren oder auch eigenständig anpassen lassen.

Für eine schnelle und automatisierte Auslegung von flachen Leitungsführungssystemen im Reinraum, können Anwender den neuen e-skin flat Konfigurator nutzen. Das Online-Tool ist das erste seiner Art für die Konfiguration von Reinraum-Leitungsführungssystemen. Es führt den Anwender Schritt für Schritt durch die Auslegung seines Systems, prüft die Realisierbarkeit und liefert sofort alle relevanten Daten, inklusive technische Zeichnung und Stückliste. So entsteht Planungssicherheit, ohne Wartezeiten und ohne zeitaufwendige Abstimmungen. 

Ergänzend zur Systemauslegung bietet igus auch die Konfektionierung und Verpackung von Energieführungen im Sauberraum an. Die Systeme können so vorbereitet werden, dass sie sich ohne zusätzlichen Reinigungsaufwand direkt in sensiblen Produktionsumgebungen einsetzen lassen. Dieses Konzept wird seit Anfang des Jahres am Hauptsitz in Köln realisiert.

Zusätzliche Sicherheit durch ableitfähige ESD-Varianten

Viele Konstrukteure benötigen für Maschinen und Anlagen in der Mikroelektronikfertigung Energieführungen, die nicht nur abriebfest sind, sondern auch elektrostatisch ableitfähig. Schon kleinste Entladungen können empfindliche Wafer zerstören. Aus diesem Grund hat igus die e-skin flat-Serie um eine ESD-Variante erweitert. Sie besteht aus einem elektrostatisch ableitfähigen Material, das geringe Partikelemission mit einer oftmals geforderten ESD-Zulassung kombiniert. 

Auch seine geschlossenen Wellrohre bietet igus mit dem Namen e-skin soft ESD als ableitfähige Variante an. Elektrostatische Aufladungen lassen sich über die Anschlusselemente ableiten. Konstrukteure können die Energiekette somit ohne zusätzliche Abschirmungen in der Nähe von ESD-sensitiven Produkten einsetzen.

Lange Wege in Reinräumen: Stromschienen und Absaugsysteme im Einkauf einsparen

Im Reinraum stehen immer mehr Hersteller vor einer weiteren, großen Herausforderung: lange Transportwege. Ein Beispiel hierfür ist der sogenannte Overhead Hoist Transport (OHT), ein Schienensystem, das Kassetten mit Wafer unter der Decke transportiert. Viele Halbleiterfabriken nutzen Stromschienen, die allerdings vergleichsweise teuer sind und keine Daten übertragen. 

Andere nutzen Energieketten mit komplexen Absaugvorrichtungen für Partikel. Eine effizientere Lösung bietet igus mit der C6-Energiekette mit dem neuen Führungssystem e-spin. Dabei handelt es sich um Ringe aus Hochleistungskunststoff, die zwischen Ober- und Untertrum der Energiekette sitzen. Die Kettenteile rollen dadurch aufeinander, statt zu gleiten. Sie erzeugen in der Bewegung so wenig Abrieb, dass das System bei Geschwindigkeiten von 0,5 m/s auch ohne Absaugeinheit ISO Klasse 1 erreicht und entsprechend vom Fraunhofer IPA zertifiziert wurde.

Neben Energieketten und Leitungen bietet igus inzwischen ein breites Portfolio weiterer Komponenten für den Einsatz im Reinraum an. Dazu gehören unter anderem Linearführungen, Drehkranzlager und Kugellager, die ebenfalls vom Fraunhofer IPA bis hin zur ISO‑Klasse 1 geprüft wurden. Damit steht Anwendern ein umfassendes Baukastensystem an Maschinenkomponenten zur Verfügung, das auf geringe Partikelemission und lange Lebensdauer ausgelegt ist.