Die Versuchsumgebung am Fraunhofer IPA: das Technikum für die Batteriezellenmontage. (Quelle: Fraunhofer IPA)
Rein und trocken
Die Batteriezellenproduktion stellt hohe Anforderungen an Reinheit und Trockenheit, die sich nur schwer miteinander vereinbaren lassen. Ein Forschungsteam vom Fraunhofer IPA hat nun anhand von Versuchen ermittelt, welchen Einfluss Reinigungsaktivitäten auf den Taupunkt in Rein- und Trockenräumen haben.
Die Batteriezelle ist zur Schlüsseltechnologie für die Mobilitäts- und Energiewende geworden. Doch ihre Produktion setzt eine reine und gleichzeitig extrem trockene Umgebung voraus. Während die Trockenheit ungewollte chemische Reaktionen unterbindet, vermeidet die Reinheit Kurzschlüsse durch Partikel.
Die Kombination aus Reinheit und Trockenheit ist jedoch besonders anspruchsvoll: Einerseits ist in Reinräumen eine regelmäßige Nassreinigung zwingend nötig. Andererseits erhöht die Nassreinigung die Luftfeuchtigkeit, die anschließend mit hohem Energieaufwand wieder gesenkt werden muss. Die Wechselwirkungen zwischen Reinheit und Trockenheit sind bislang allerdings kaum erforscht. Mit einer ganzen Reihe von Laborversuchen haben Ann-Katrin Großmann und Achim Henke vom Fraunhofer IPA nun ergründet, welchen Einfluss Reinigungsaktivitäten auf den Taupunkt in Rein- und Trockenräumen haben. Vor jedem Versuch haben die beiden Forscher abgewartet, bis der Raum ein stabiles Taupunkt-Niveau erreicht hatte.
Kurz erklärt: Taupunkt
Je höher die Lufttemperatur ist, desto mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Der Taupunkt ist erreicht, wenn die Luft vollständig mit Wasserdampf gesättigt ist und Kondensation eintritt. In Trockenräumen wird die relative Luftfeuchtigkeit nicht in Prozent, sondern mit dem Taupunkt angegeben.
Versuche mit verschiedenen Wischtüchern
Ihre Versuche haben Großmann und Henke unter kontrollierten Bedingungen im Rein- und Trockenraum des Fraunhofer IPA durchgeführt. Den Taupunkt überwachten sie dabei mit einem Monitoringsystem und mobilen Sensoren. Den Feuchteeintrag durch das Personal haben sie in Voruntersuchungen ermittelt und bei den eigentlichen Versuchen herausgerechnet.
Für ihre Versuche haben die beiden Wissenschaftler zunächst das Abdampfverhalten mehrerer Wischtücher untersucht. Dazu haben sie sie unter einem Sensor platziert, der ihre Feuchtigkeitsabgabe maß. Dabei zeigte sich, dass die Wischtücher jeweils mehrere Stunden lang Feuchtigkeit abgaben, ehe sie vollständig ausgetrocknet waren. Die Tücher sollten deshalb in einem luftdichten Behälter aufbewahrt werden.
Anschließend haben Großmann und Henke zunächst einen Tisch im Rein- und Trockenraum des Fraunhofer IPA gereinigt und dabei den Taupunkt überwacht. Dabei beeinflussten beide Wischtücher den Taupunkt ähnlich. Während des Wischens steig der Taupunkt lokal deutlich an. Eine punktuelle Reinigung ist deshalb nur empfehlenswert, wenn währenddessen keine feuchtekritischen Prozesse ablaufen.
Es folgten mehrere normgerechte Wischreinigungen der Böden im Rein- und Trockenraum, wobei die beiden Forscher wiederum die Auswirkungen auf den Taupunkt bewerteten. Das Ergebnis: Die Bodenreinigung beeinflusste den Taupunkt im gesamten Raum erheblich, wobei sich die Wischtücher in ihrer Feuchtigkeitsabgabe unterscheiden. Es spielt daher eine Rolle, welches Wischtusch für die Bodenreinigung verwendet wird. Empfehlenswert ist es außerdem, die Reinigungszeiten und den Materialverbrauch zu minimieren.
Erkenntnisse über die Planung von und die Arbeit in Rein- und Trockenräumen
Aus den Laborversuchen ergeben sich Aussagen über die Planung von Rein- und Trockenräumen und die Arbeit darin:
- Bei der Planung und Ausführung von Rein- und Trockenräumen sollte der Feuchtigkeitseintrag durch die Nassreinigung stets berücksichtigt werden.
- Produktionsprozesse sollten sauberkeitsgerecht ausgelegt werden, sodass der Reinigungsaufwand möglichst minimiert werden kann.
- Die Anlagen in einem Rein- und Trockenraum sollten leicht zu reinigen sein, um die Zeiten und den Materialeinsatz zu minimieren.
- Mini-Environments können den Feuchtigkeitseintrag bei besonders kritischen Prozessen reduzieren. Deshalb sollten die betreffenden Maschinen und Anlagen eingekapselt werden.
- Nur zwingend notwendiges Personal sollte sich im Rein- und Trockenraum aufhalten. Wichtig ist dabei, dass sich die Personen langsam bewegen und bewusst mit Reinigungsmitteln umgehen.
- Unterhaltsreinigungen sollten möglichst trocken erfolgen und Grundreinigungen am besten im Zuge von Wartungszeiten ausgeführt werden.
- Eine punktuelle Nassreinigung ist möglich, wenn gerade keine feuchtigkeitskritischen Prozesse im Rein- und Trockenraum stattfinden.
- Die Wischmedien sollten nach Gebrauch entfernt oder luftdicht aufbewahrt werden.
Weitere Untersuchungen geplant
Weitere Untersuchungen am Fraunhofer IPA sind geplant, um die Wechselwirkungen zwischen Personal und Trockenräumen zu analysieren. Ziel ist es dabei, Verhaltensregeln aufzustellen, die den Feuchtigkeitseintrag reduzieren und die Reinheitsanforderungen erfüllen. Diese Erkenntnisse sollen das Bewusstsein des Personals schärfen.
Hinweis der Redaktion
Ann-Katrin Großmann und Achim Henke haben ihre Versuche und Erkenntnisse ausführlich in der Zeitschrift »cleanroom & processes« beschrieben (Heft 2/2025). Ihr Text ist online nachzulesen. Dafür ist allerdings eine Registrierung nötig.
Ihre Ansprechpartnerin
Ann-Katrin Großmann
Mitarbeiterin im Forschungsteam Reinheitstechnik
Telefon: +49 711 970-1190