Aluminium in der Reinraumtechnik

Ohne die Reinraumtechnik geht in vielen wichtigen Wirtschaftsbereichen und Schlüsselindustrien nichts ……

… und ohne geeignete Werkstoffe für die Anlagentechnik geht schon gar nichts.

Reinraumtechnik als unverzichtbare Technologie

Ob in der Pharmazie, Medizin- und Biotechnologie, der Lebensmittel- und Kosmetikindustrie, der Optischen- und Laserindustrie, Mikroelektronik und -mechanik, im Automotiv- und vielen anderen Bereichen ist die Reinraumtechnik nicht wegzudenken.

Nur unter den Bedingungen im Reinraum kann eine Vielzahl von Schlüsselprodukten hergestellt werden.

Was ist ein Reinraum?

Der Begriff „Reinraum“ bezieht sich nicht nur auf einen „Raum“ im klassischen Sinne, sondern kann auch z.B. einen geschlossenen Bereich einer Montageeinheit darstellen.

Bestimmte Erzeugnisse dürfen nicht oder nur in sehr geringen Maß durch Fremdstoffe (Partikel) kontaminiert werden, da ansonsten die gewünschte Reaktion, Funktion oder auch die Eigenschaften der Produkte nicht erreichbar oder dauerhaft nicht gewährleistet sind. Es dürfen also in der Atmosphäre des Reinraums nur eine bestimmte Anzahl von elementaren und molekularen Partikeln vorhanden sein. Wieviel solcher Partikel vorhanden sein dürfen, wird in international gültigen Reinraumklassen festgelegt (DIN EN ISO 14644-1 und GMP = Good Manufacturing Practice).

Für die Beurteilung der notwendigen Reinraumklassen kommen zudem auch noch die Richtlinien gemäß VDA 2083 zum Tragen.

Reinraumbedingungen gemäß DIN EN ISO 14644-1 werden u.a. gefordert in den Bereichen

  • Medizintechnik
  • Optik- und Lasertechnik
  • Mikroelektronik
  • Mikromechanik
  • Automotiv
Zusätzlich zur DIN EN ISO 14644-1 gelten auch noch die EU-GMP-Klassen u.a. für die Branchen

  • Pharmazie
  • Biotechnologie
  • Medizintechnik
  • Lebensmittelindustrie
  • Kosmetikindustrie

Ansprüche an Aluminium im Reinraum

Welche Ansprüche (Zielgrößen) muss Aluminium hinsichtlich der Anwendung im Reinraum erfüllen und welche Auminium Produkte mit den notwendigen und reproduzierbaren Eigenschaften sind verfügbar ?

Im Nachfolgenden werden die einzelnen Zielgrößen ausführlich besprochen:

 

Minimierung von molekularer Kontamination

Um die Gefahren einer solchen Kontamination zu minimieren, sollten bei den verwendeten Al-Halbzeugen verschiedene Beimengungen (Legierungsbestandteile) und „Verschmutzungen“ nicht überschritten werden (in % der Masse).

Cu            = 0,1%

Mn          = 0,8%

Zn            = 0,2%

Pb            = 0,05%

Si              = 0,3% (wichtig in der Lasertechnik)

Je geringer die genannten Legierungsbestandteile sind, umso geringer ist jedoch die Festigkeit (und Härte) von Aluminiumwerkstoffen. Den besten (nahezu einzig möglichen) Kompromiss stellt die naturharte Legierung EN AW 5083 (AlMg4,5Mn0,7) dar.

Die Legierung EN AW 5083 ist RoHS- und REACH-Konform und gemäß DIN EN 602 für Anwendungen im Kontakt mit Lebensmitteln zugelassen.

Aus dieser Legierung bestehen z.B. die Produkte G.AL® C210R, G.AL® C210 DYNAMIC, G.AL® C250 und G.AL® C250 ELOXPLUS. Die nach DIN EN 573-3 zulässigen Legierungsbestandteile sind bei diesen Produkten gemäß der GLEICH-Werksnorm deutlich eingeschränkt und erreichen die genannten werde nicht bzw. liegen z.T. signifikant unter diesen. Mit diesen Einschränkungen ist zudem eine größtmögliche Materialgüte und Reproduzierbarkeit der Endprodukte gewährleistet.

G.AL C210 DYNAMIC weist zudem ein hoc kompaktes Gefüge auf, ist vollkommen frei von Mikroporosität, absolut Diffusionsdicht und besteht den (Helium-) Vakuumlecktest mit min. 10-12 mbar. Die mit Förstersonde gemessene Permeabilität dieses Spezialprodukts beträgt nach der Zerspanung 1,000.

Extrem glatte Oberflächen

Je kompakter und homogener ein Werkstoff ist, umso gleichmäßiger ist der Härtegrad über das Metallgefüge verteilt. Die Gefahr, dass während der Bearbeitung einzelne Gefügebestandteile gequetscht oder über andere Bereiche „geschoben“ werden, kann damit drastisch minimiert, ein Eindiffundieren von Fremdstoffen in das Metall deutlich verringert und die Abriebfestigkeit gesteigert werden.

Die Verwendung von Aluminium-Halbzeugen, welche über das gesamte Materialvolumen ein hochkompaktes und vollständig mikroporenfreies Gefüge aufweisen, bieten die besten Voraussetzungen für exzellente Arbeitsergebnisse.

Einzig die Al-Gussplatte G.AL® C210 DYNAMIC kann mit solchen Gefügeeigenschaften aufweisen.

Ist die vollständige Freiheit von Mikroporosität und ein hochkompaktes Gefüge nicht zwingend notwendig, kann auch die Präzisionsgussplatte G.AL® C250 bzw. G.AL® C250 ELOX PLUS Anwendung finden.

Minimierung von Ausgasungen

Jede Form und Größe von Mikroporosität im Metall und mikroskopisch kleine Haarrisse in der Oberfläche, die grundsätzlich bei jeder Zerspanung entstehen, erzeugen Kapillarkräfte, durch die feinste, meist flüssige und/oder gasförmige, Fremdstoffe in das Metall eindringen. Selbst geringe thermische Belastungen oder Temperaturschwankungen führen in Folge zur wiederholten Freisetzung solcher Kontaminationen. Dies ist mit ein Grund, weshalb für solche Anwendungen vorzugsweise Edelstahl verwendet wird.

Von Kunden durchgeführte Versuche haben ergeben, dass ausschließlich G.AL® C210 DYNAMIC ein mit Edelstahl vergleichbares Ausgasungsverhalten aufweist.

Abriebfestigkeit

Eine hohe Abriebfestigkeit geht immer mit einer großen Oberflächenhärte einher. Aluminium ist generell ein recht „weiches“ Metall, die Härte HBW der Legierung EN AW 5083 beträgt immer ca. 65 – 75. Da die Härte von Aluminium nur sekundär eine mechanische, primär aber eine physikalische Größe ist, muss die Oberflächenhärte anderweitig erhöht werden. Dies kann z.B. durch Anodisations- oder chemische Verfahren erreicht werden.

Für das Anodisieren (z.B. Anodisieren/Eloxieren, Harteloxieren/Hartcoatieren) gilt: je homogener und kompakter der Werkstoff, desto gleichmäßiger ausgebildet ist sowohl die anodisch erzeugte Oxidschicht und als auch die Oberflächenhärte und umso besser ist folglich die Abriebfestigkeit.

Alle G.AL®-Produkte aus der Legierung EN AW 5083 weisen eine außergewöhnlich gute Homogenität auf. Sollen die Bauteile nach dem anodisieren/eloxieren zudem auch noch hohen optischen Ansprüchen genügen, geht kein Weg an der Präzisionsgussplatte G.AL® C250 ELOX PLUS vorbei.

Allen Anodisationsverfahren gemein ist: um einen sehr guten Schutz der Oberfläche zu gewährleisten, muss ein sehr gutes Nach- / Heißverdichten erfolgen.

Beispiele für Oberflächenbehandlungen:

  • Bauteile ohne Gleitflächen/Steckbohrungen:
  • Anodisieren/Eloxieren, Schichtdicke 15 µm, Härte HV 250-300, bei eingefärbten Schichten: Schichtdicke ca. 20 µm.
  • Hartanodisieren / Hartcoatieren, Schichtdicke min. 30 µm / max. 70 µm, Härte HV 400-600.
  • Bauteile mit Gleitflächen/Steckbohrungen:
  • Hartanodisieren / Harteloxieren inkl. PTFE-Imprägnierung, Schichtdicke min. 30 µm / max. 70 µm, Härte HV 400-600.
  • Nicht geeignete Oberflächenbeschichtungen:
  • galvanische Beschichtungen mittels Cr, Zn, Ni, Cu, TiNx.

Korrosionsbeständigkeit / Beständigkeit gegen Lösungsmittel

Die Korrosionsbeständigkeit ist bei der Legierung EN AW 5083 physikalisch bedingt sehr gut. Grundsätzlich gilt, dass auch in dieser Disziplin das Metall innerhalb einer Legierung einen Vorsprung hat, welches die beste Homogenität aufweist. Der Homogenisierungsgrad des Metalls ist primär von den Parametern der Wärmebehandlung und der verwendeten Ofentechnik abhängig. Die besten diesbezüglichen Ergebnisse werden in elektrisch beheizten Öfen erzielt, wobei jeder Barren (Vormaterial) einzeln einer individuellen Wärmebehandlung unterzogen wird (Alleinstellungsmerkmal von GLEICH). Grundsätzlich werden alle G.AL®-Produkte in dieser Form wärmebehandelt.

Problematischer ist die Beständigkeit gegenüber den üblicher Weise verwendeten aggressiven Reinigungs- und Desinfektionsmitteln. Auch wenn das Metall durch solche Mittel keinen tiefergehenden Korrosionsangriff erfährt, kann es doch zu einem sogenannten „Schwarzabrieb“ und zur deutlichen Mattierung der Oberfläche kommen.

Verhindert werden kann dies letztendlich nur mit vorgenannten Oberflächenbeschichtungen.

 

Fazit

Insbesondere die GLEICH-Produkte G.AL® C210 DYNAMIC (Spezialgussplatte) und G.AL® C250 ELOX PLUS (Präzisionsgussplatte), erfüllen vollumfänglich die hohen Anforderungen an Aluminium in der Reinraumtechnik.
Wo die spezifischen Anforderungen der Reinraumtechnik nicht im vollem Umfang gefordert sind, finden auch die Produkte G.AL® C250 (Präzisionsgussplatte) und G.AL® C210R (Roh-/Formenbaugussplatte) weit verbreitete Anwendungen.
Allen diesen Produkten gemein ist die einzigartige Spannungsarmut und Formstabilität, sehr gute Spanbarkeit und hohe Dauertemperaturbeständigkeit bis weit über 230° C hinaus

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