Schutz vor der dreckigen Umgebung
Ob Lithographie, Pharmazie, Lebensmittelindustrie oder Raumfahrt: Die Herstellung und Montage hochempfindlicher Anlagen findet unter strengen Reinraumbedingungen statt.
Auch im Einsatzbetrieb sind die Umgebungsbedingungen sehr sauber, da Kontamination durch Staub oder Bakterien z. B. in Joghurt oder Arzneimitteln nichts zu suchen hat.
In den allermeisten Fällen findet aber die Herstellung und der Betrieb solcher Anlagen an unterschiedlichen Orten statt. Also muss eine Anlage verpackt, transportiert und wieder entpackt werden.
Was während des Transports am Kran, im LKW und per Schiff oder Flugzeug sonst noch alles passieren kann, soll uns jetzt mal nicht weiter interessieren. Darum kann sich im Bedarfsfall die FEM-Abteilung bei Merkle CAE Solutions kümmern.
Dass die Umgebungsbedingungen während des Transportes aber nicht gerade sauber sind, wenn der Satellit von Oberpfaffenhofen zum Startplatz der Rakete nach Kourou in Französisch-Guayana transportiert wird, dürfte klar sein. Auch die Lithographiemaschine wird von Oberkochen bis zur Chipfabrik nicht durch einen Reinraumtunnel transportiert, sondern geniest die schwäbische Bauernluft. Diesen Ausdruck verwende ich nur, weil gerade, während ich den Artikel schreibe, Traktoren laut hupend durch Heidenheim an meinem Fenster vorbeifahren. Zu Recht übrigens, wie ich finde!
Irgendwann aber muss die Verpackung (Käseglocke) wieder von dem hochsauberen Schmuckstück (dem Käse!) herunter.
Unklar ist, was mit dem auf der Verpackung während des Transports eingesammelten Dreck passiert. Landet er unter Umständen wieder ungewollt auf dem Käse?
Diesen Entpackungsvorgang schauen wir uns im Folgenden mit Hilfe einer numerischen CFD-Simulation an unserem Käsebeispiel genauer an.
Zu Beginn unseres CFD-Simulationsbeispiels liegt der Staub nur auf der Käseglocke (siehe Bild 1). Die Glocke wird nun abgenommen (um 90 Grad zur Seite geschwenkt) und wir schauen uns an, was die Staubpartikel machen.
Beim Abheben bewegen sich die Partikel erstmal mit der Glocke weg vom Käse. Es entsteht aber über dem Käse ein Unterdruck und ein Wirbel. Der Wirbel breitet sich im Umfeld der Glocke aus.
Der Unterdruck durch die Bewegung der Verpackung führt, wie die CFD-Simulation zeigt, zu einer Rückströmung, so dass letztendlich Partikel, die vorher auf der Glocke lagen, jetzt über den ungeschützten Käse wehen und sich dort wieder ablagern können.
Auch wenn die Entpackung wieder unter Reinraumbedingungen erfolgt, drückt die saubere, von der Decke kommende Strömung, die eine Strömungsgeschwindigkeit von maximal 0,4 m/s hat, den Dreck nur leicht nach unten und verteilt ihn im Raum. Die Geschwindigkeit der Partikel ist teilweise größer und ist von der Grundströmung im ISO 3, 5 oder 8 Reinraum nicht sonderlich beeindruckt.
In unserem Beispiel beträgt die Geschwindigkeit der Luftströmung bis zu 3 m/s.
Was genau im Einzelnen passiert und was gegebenenfalls Lösungen für Ihre Projekte sind, um diese Kontamination bei der Entpackung zu vermeiden, können wir Ihnen bei Merkle CAE Solutions sagen.
Schauen Sie sich das folgende Video der CFD-Strömungssimulation an, um einen Eindruck darüber zu gewinnen, was physikalisch passiert.
Wenn Sie das Thema, abgesehen von der abendlichen Vesper daheim, weiter interessiert, freuen wir uns auf Ihre Anfragen.
Ansprechpartner ist hier Chadi Serhan.
Ihr Stefan Merkle
PS: Für die technisch Interessierten: Bei der CFD-Simulation handelt es sich um eine transiente Strömungssimulation, in der die Partikel mit der Strömung interagieren.
Eine Rückkopplung der Staubteilchen auf die Strömung ist nicht berücksichtigt, spielt aber im vorliegenden Fall auch keine Rolle. Das heißt, der Strömung ist es wurscht, ob der Staub da ist, oder nicht. Die Bewegung des Staubes wird aber im Gegenzug ganz und gar durch die Strömung dominiert. Der Staub unterliegt der Strömung in einem nahezu sklavischen Verhältnis und kann nur dort gelassen absinken, wo ihn die Strömung weitgehend in Ruhe lässt.
Die Rechenzeiten solcher Simulationen sind hier erheblich, da die Umgebung mit vernetzt werden muss und der real zu untersuchende Zeitraum im Minuten- oder gar Stundenbereich liegen kann. Was aber passieren wird, können wir Ihnen bei Merkle CAE SOlutions bereits nach wenigen Sekunden Realzeit und ein paar Stunden Rechenzeit sagen.
PPS: Die Käseglocke hat nicht nur die Aufgabe, den Käse vor Staub zu schützen, sondern ist eher dazu da, die Umwelt und den Rest des Kühlschranks vor dem Käse bzw. seinen Ausdünstungen zu schützen. Aber das wussten Sie ja bereits. 😊
Kommentare und Antworten
Sei der Erste, der kommentiert