Reinraumtauglichkeit von Beschichtungen

Produktionshalle der Inficon GmbH in Köln: ESD-Cleanroom Bodenbeschichtungssystem der Sto AG (dampfoffenes, wässeriges System: StoPox WB 110)

Conergy SolarModule GmbH & Co. KG in Frankfurt: Cleanroom Bodenbeschichtungssysteme der Sto AG (Systeme: StoPox WHG und StoPox BB OS)

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Einen wesentlichen Einfluss auf die Luftqualität von Reinräumen haben die Beschichtungen von Böden, Wänden und Decken. Dafür sind je nach Branche unterschiedliche Beschichtungssysteme sowie entsprechende Prüfmethoden nötig.

Die Entwicklung auf dem Schweizer Markt in den Bereichen Life Sciences, Medtech-, Food- und Pharma- aber auch Halbleiterindustrie ist enorm. Dies führt dazu, dass für immer mehr Betriebe die Fertigung unter reinen Bedingungen zur Sicherstellung der Prozessabläufe und der Produktqualität unentbehrlich wird. Ziel dieser Bedingungen ist die Senkung der Produktionskosten durch die Verringerung von Ausschuss und die Sicherstellung der Prozessabläufe. Dabei  unter-scheiden sich die Anforderungen der verschiedenen Branchen zum Teil deutlich.

Im Folgenden werden die unterschiedlichen Anforderungen und die dafür erforderlichen Eigenschaften der Beschichtungssysteme von Böden, Wänden und Decken dargestellt.

Sauberkeitsbereiche und Sicherheitsstufen

Sauberkeitsbereiche werden zum Schutz sensibler Oberflächen und Güter eingerichtet. Ein Sauberkeitsbereich dient dazu, die festgelegte Sauberkeitsqualität von Komponenten, Hilfsstoffen und Zusammenbauten während der Verarbeitung möglichst weitgehend aufrecht zu erhalten. Das Sauberkeitsniveau soll nicht aufgrund von Umgebungseinflüssen herabgesetzt werden, weshalb Schmutzeinbringung vermieden wird. Die trotzdem anfallenden Verunreinigungen werden gezielt eingedämmt und beseitigt. Die Ausführung und Nutzungsweise von Sauberkeitsbereichen richtet sich nach erzeugnisbezogenen Sauberkeitsanfor-derungen [1].

Die funktionskritischen Partikelgrössen liegen im Regelfall zwischen 5 und 1000 Mikrometern. Die Klassifizierung der Sauberkeitsbereiche nach VDA 19, Teil 2, erfolgt in  4 Stufen: Nicht regulierter Bereich (Sauberkeitsstufe 0, SaS0), Sauberzone (SaS1), Sauberraum (SaS2) und Reinraum (SaS3). Um die Anforderungen ab Sauberkeitsstufe 1 zu erfüllen, müssen Böden vor allem eine gute Abriebfestigkeit (geringe Partikelbildung beim Befahren mit Flurförderfahrzeugen) und eine gute mechanische Beständigkeit aufweisen. Darüber hinaus ist eine porenfreie, leicht zu reinigende Oberfläche notwendig. Je nach Fertigungsprozess können weitere Eigenschaften, wie etwa chemische Beständigkeit, Rutschhemmung, elektrische Ableitfähigkeit und Rissüberbrückung hinzukommen.

In Laboratorien für Forschung, Entwicklung und mikrobiologische Analyse, in denen mit Mikroorganismen im Rahmen der Bakteriologie, Mykologie, Virologie und Parasitologie umgegangen wird oder in denen gentechnische Arbeiten durchgeführt werden, liegt das Hauptaugenmerk darauf, dass keine für Menschen, Tiere, Pflanzen und Umwelt gefährlichen Mikroorganismen aus den Labors entweichen können. Nach DIN EN 12128 werden diese Laboratorien in vier Sicherheits-stufen eingeordnet, von  S1 bis S4, wobei S1 die niedrigste, S4 die höchste Sicherheitsstufe darstellt. Ab  S3 müssen die Oberflächen der Arbeitstische, Fussböden, Wände und Decken leicht zu reinigen und für Pflegearbeiten gut  zugänglich sein. Die Oberflächen müssen wasserundurchlässig und gegenüber Desinfektionsmitteln, Reinigungsmitteln, Säuren, Laugen, Lösemitteln und anderen Chemikalien, die üblicherweise verwendet werden, beständig sein und dürfen nicht von Mikroorganismen besiedelt und verstoffwechselt werden können. Aus diesem Grund werden die Beschichtungsmaterialien nach ISO 846 auf ihre biostatischen Eigenschaften getestet [8], [9]. Meist sollen mittlerweile die Beschichtungssysteme zudem rissüberbrückend sein, damit sich in womöglich nachträglich im Bauwerk entstehenden Rissen keine Mikroorganismen festsetzen, die dann durch Wischdesinfektion nicht entfernt werden können.

Tauglichkeit der Betriebsmittel in Reinräumen

In den aktuellen Normen und Regelwerken werden Parameter definiert, die der fertige Reinraum erfüllen muss und die der Betreiber im Vorfeld gemäss den Anforderungen seines Produktionsprozesses festlegt. Die Reinheit des Systems «Reinraum» ist massgeblich von verschiedenen Faktoren abhängig (Norm DIN EN ISO 14644-1 [2] bzw. Richtlinien VDI 2083 Blatt 1 [3]). Solche Einflussfaktoren auf die Reinheit eines Reinraums sind neben Zuluftqualität, Zulufteinbringung, Oberflächen und dem Personal auch die im Raum befindlichen Betriebsmittel [4]. Zu den Betriebsmitteln zählen zum Beispiel Inneneinrichtungen wie Wände, Türen, Decken und Böden. Betriebsmittel haben einen wesentlichen Einfluss auf die Verunreinigung der Fertigungsumgebung und müssen daher auf ihre Reinraumtauglichkeit geprüft werden. Wesentliche Parameter der Reinraumtauglichkeit von Betriebsmitteln sind:

–Emission luftgetragener Partikel

–Ausgasungsverhalten

–ESD-Eigenschaften

–Reinigbarkeit

–Chemikalien- bzw. Desinfektionsmittelbeständigkeit

–Glatte und rissfreie Oberfläche 

–Verstoffwechselbarkeit/ Mikrobizidität

Die Anforderungen verschiedener Branchen unterscheiden sich dabei teilweise stark. Ebenso gibt es Unterschiede bei den Partikelreinheitsklassen zwischen der DIN EN ISO 14644-1 und der für die Herstellung von human- und veterinärmedizinischen Produkten gültigen GMP (Good Manufacturing Practice) und cGMP. Nach DIN EN ISO 14644-1 sind die Partikelreinheitsklassen der Luft von Klasse 1 bis 9 eingeteilt, wobei die höchstzulässige Partikelzahl in Klasse 1 am niedrigsten ist. In den GMP erfolgt die Einteilung von Klasse A bis D, wobei Klasse A in etwa der ISO-Klasse 5 entspricht. Zudem wird vermehrt auch die FDA Zulassung gefordert (FDA § 175.300).

Für die meisten Produktionsprozesse stellen luftgetragene Partikel das größte Problem dar. Immer mehr jedoch spielt auch Airborne Molecular Contamination (AMC, luftgetragene molekulare Kontamination) eine Rolle. Dabei handelt es sich um das Vorhandensein molekularer Substanzen in der Gas- oder Dampfphase innerhalb der Atmosphäre eines Reinraums, die eine schädliche Wirkung auf das Produkt, den Prozess, die Ausrüstung oder das Personal haben können [5].

Ausgasungen aus den Werkstoffen, aus denen die Betriebsmittel hergestellt sind, beispielsweise Beschichtungen der Bereiche Wand/ Decke/ Boden, können in nicht unerheblichem Maße negative Auswirkungen haben (siehe VDI 2083 Blatt 8.1 Anhang D). Bei der Planung und dem Bau eines Reinraums sind somit geeignete und geprüfte Werkstoffe für die Betriebsmittel auszuwählen.

Prüfmethoden-Allianz der Industrie

In allen bisherigen Normen und Richtlinien für Reinräume sind keine Prüfkriterien für Betriebsmittel, zu denen auch Beschichtungssysteme für Böden, Wände und Decken zählen, festgelegt. Es gab nur indirekte Hinweise auf die herzustellende beziehungsweise aufrecht zu erhaltende Beschaffenheit der Raumluft in Reinräumen. Daher legten Reinraumhersteller und -betreiber aufgrund von Erfahrungen die Kriterien für Systeme in Reinräumen fest. Teilweise wurden eigene Prüfverfahren entwickelt, wie etwa durch die M+W Group mit ihren «specifications for semiconductor clean rooms» [7]. Um Prüfmethoden für die Reinraum-tauglichkeit von Betriebsmitteln zu erarbeiten und um hierfür optimierte Produkte zu entwickeln, entstand auf Initiative des Fraunhofer Instituts für Produktions-technik und Automatisierung IPA Stuttgart eine Allianz der Industrie, die sogenannte Cleanroom Suitable Materials (CSM). Aufgrund der im Industrieverbund CSM gewonnenen Erkenntnisse wurden 2011 erstmals im Entwurf der VDI 2083 Blatt 17, welches nun im Juni 2013 erschienen ist, Prüfkriterien für die Reinraum-/ Reinheitstauglichkeit von Werkstoffen beschrieben. Die Sto AG arbeitet als Mitglied der CSM aktiv an der Weiterentwicklung geeigneter Werkstoffe für die Beschichtung von Wand, Decke und Boden in Reinräumen mit und bietet für alle Anforderungen geprüfte und abgestimmte Beschichtungsysteme an. Mittlerweile kann durch Prüfverfahren die Reinraumtauglichkeit von Beschichtungssystemen nachgewiesen werden. Das bedeutet eine erheblich größere Sicherheit für den Bau und Betrieb eines Reinraums.

Geeignete Beschichtungssysteme

Am besten geeignet für die Anforderungen in Reinräumen sind fugenlose Epoxidharzsysteme, die sich vor allem durch ihre glatte, porenfreie Oberfläche und eine sehr gute chemische Beständigkeit bewährt haben. Außerdem haben sie bei mechanischer Belastung, wie beispielsweise Geh- oder Fahrverkehr, ein sehr gutes Abriebverhalten und somit auch eine geringe Partikelbildung. Zudem wurde in den letzten Jahren bei der Entwicklung von Produkten durch gezielte Auswahl der Inhaltsstoffe das Ausgasungsverhalten weiter verbessert. Die neuste Generation von Epoxidharzdispersionen oder -emulsionen enthält, außer Wasser, kaum noch flüchtige Anteile.Die Sto AG bietet je nach Reinraumanforderung und vorgesehenem Produktionsprozess verschiedene geprüfte Beschichtungssysteme wie die Sto Cleanroom Floor Systeme und die Sto Cleanroom Wall / Ceiling Systeme. Die Sto AG begleitet Planer und Kunden von der Objektplanung über individuelle Lösungen bis zu Detaillösungen, Materialvorschlägen und Submission durch alle Phasen eines Bauvorhabens. So werden Bauherren, Planer und Verarbeiter mit durchdachten Dienstleistungen unterstützt, um die richtigen Entscheidungen für morgen zu treffen.

Quellen:

[1]  VDA Qualitätsmanagement in der Automobilindustrie Band 19, Teil 2: Technische Sauberkeit in der Montage.

[2]  DIN EN ISO 14644-1, Reinräume und zugehörige Reinraumbereiche, Juli 1999.

[3]  VDI-Richtlinie 2083 Blatt 1, Mai 2005 [4]  VDI-Richtlinie 2083 Blatt 9.1, Dezember 2006.

[5] VDI 2083, Blatt 8.1, Juli 2009.

[6] VDI 2083, Blatt 8.1, Juli 2009.

[7]  M+W Group GmbH, Lotterbergstr. 30, 70499 Stuttgart.

[8]  DIN EN 12128, Mai 1998 [9] VDI 2083, Blatt 17, Juni 2013.