Von der Kundenanforderung zum eigenen Produkt – Die Entwicklung des exateq Laborabzugs (Digestorium) qCFS

Zwei Kundenanfragen als Ausgangspunkt für den Laborabzug

Digestorien – im Alltag meist Laborabzug oder Chemieabzug genannt – erfassen Dämpfe und Gase am Arbeitsplatz und führen sie ab oder behandeln sie. Die Entwicklung unseres Laborabzugs qCFS (Clean Flow System) begann mit zwei Anfragen von Bestandskunden, die innerhalb weniger Monate bei uns eingingen. Einer der Kunden ist ein großer Chemiekonzern, der andere stammt aus der Halbleiterindustrie. Beide Unternehmen kannten unsere Arbeit aus früheren Projekten und vertrauten auf unsere Erfahrung in Konstruktion und Fertigung nasschemischer Anlagen.

Obwohl beide Kunden einen Laborabzug benötigten, unterschieden sich die technischen Anforderungen teilweise deutlich, vor allem bei Luftführung und Filtertechnik. Daraus entstand die Idee, nicht nur zwei individuelle Kundenanlagen zu entwickeln, sondern eine gemeinsame Grundlage für weitere Projekte zu schaffen.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt war dabei von Beginn an der Schutz der Bediener. Beim Umgang mit Chemikalien müssen potenziell gefährliche Dämpfe und Gase entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung sicher erfasst und abgeführt oder behandelt werden.

Selbsttragender Laborabzug aus Polypropylen

Zuerst analysierten wir die Kundenanforderungen und leiteten daraus ein Konstruktionskonzept ab. Wir entschieden uns für einen selbsttragenden Kunststoffabzug aus Polypropylen (PP). Der Werkstoff ist gegenüber vielen in der Nasschemie eingesetzten Medien beständig und lässt sich durch Kunststoffschweißverfahren zu komplexen Baugruppen verarbeiten. Ob er für einen Einsatz geeignet ist, muss stets anhand der verwendeten Chemikalien und Betriebsbedingungen beurteilt werden.

Dabei konnten wir besonders auf unsere Erfahrung in der Kunststoffkonstruktion zurückgreifen. Die selbsttragende Bauweise kommt ohne zusätzliches tragendes Metallgestell aus. Gleichzeitig mussten Stabilität, Anordnung der Baugruppen und Fertigung schon in der Konstruktion berücksichtigt werden.

Auch der Unterbau sollte flexibel nutzbar sein: Neben Auffangwannen und Medienanschlüssen können dort Pumpen, Ventile sowie zusätzliche Labor- oder Prozessgeräte untergebracht werden. Auch wenn die Abzüge meist kundenspezifisch ausgeführt werden, bildet eine gemeinsame Grundkonstruktion die Basis für verschiedene Ausstattungen.

CAD-Ansicht des Laborabzugs: Arbeitsbereich, vertikal bewegter Frontschieber und integrierter Unterbau.

Luftführung im Laborabzug: unterschiedliche Konzepte als Herausforderung

Die größte technische Herausforderung lag in der Integration der unterschiedlichen Luftführungskonzepte. Schon die beiden ersten Kundenprojekte stellten hier deutlich verschiedene Anforderungen an die Lufttechnik.

Je nach Anwendung kann der Laborabzug mit passiver Zuluft aus dem Laborraum oder mit aktiver Zuluftführung über Ventilatoren ausgestattet werden. Für Anwendungen mit erhöhten Anforderungen an die Partikelreinheit wurde außerdem eine Variante mit HEPA-gefilterter Zuluft vorgesehen. Eine weitere Möglichkeit ist ein gefilterter Umluftbetrieb mit anwendungsspezifisch ausgewählten Filterstufen.

HEPA-Filter scheiden Partikel ab, nicht jedoch gasförmige Schadstoffe. Für saure, basische oder organische Gase sind geeignete, auf die jeweiligen Stoffe abgestimmte Filtermedien erforderlich. Insbesondere die Eignung eines Umluftkonzepts muss deshalb für die eingesetzten Chemikalien und Betriebsbedingungen gesondert bewertet werden.

Die wesentlichen lufttechnischen Baugruppen sind größtenteils oberhalb des Arbeitsraums angeordnet; auch die Filtereinheiten sind in den Laborabzug integriert. Schon bei der Grundkonstruktion mussten daher Bauraum für Ventilatoren, Filter und Luftkanäle sowie Montage- und Wartungszugänge berücksichtigt werden. Gleichzeitig sollte der nutzbare Arbeitsbereich möglichst wenig eingeschränkt werden.

Frontschieber-Mechanik und Luftregelung

Der vertikal bewegte Frontschieber (Frontscheibe) kann je nach Ausführung manuell oder elektrisch betätigt werden. Bei der manuellen Variante stand eine leichtgängige Bedienung im Vordergrund. Die automatische Ausführung öffnet und schließt motorisch, wahlweise per Taster oder im Tippbetrieb direkt an der Scheibe.

Eine besondere Herausforderung war die kompakte Integration der Mechanik in die Kunststoffkonstruktion. Neben der Führung des Frontschiebers mussten bei der automatischen Variante auch der elektrische Antrieb, die Positionserfassung und die Hinderniserkennung berücksichtigt werden.

Die erfasste Position des Frontschiebers kann genutzt werden, um den Luftvolumenstrom an den jeweiligen Betriebszustand anzupassen. Die Luftführung wird über eine Differenzdruckmessung überwacht; bei Abweichungen von festgelegten Betriebsgrenzen sind optische und akustische Warnmeldungen vorgesehen. Für geeignete Betriebsbedingungen wurde außerdem ein Absenkbetrieb berücksichtigt: Dabei wird der Luftvolumenstrom reduziert, solange der Laborabzug nicht genutzt wird.

Für die Bedienung ist eine Kombination aus Tastern und Display vorgesehen. Häufig benötigte Funktionen bleiben direkt zugänglich, während weitere Betriebsinformationen am Display dargestellt werden können.

Individuelle Ausstattung für Laboranwendungen

Ein weiterer Schwerpunkt war die Anpassbarkeit des Arbeitsbereichs. Je nach Kundenwunsch können Becken direkt in die Arbeitsfläche integriert oder als aufgesetzte Beckenausführung (Tabletop) vorgesehen werden. Hinzu kommen unter anderem Ablauftrichter, Steckdosen, Vakuumanschlüsse sowie Pistolen für deionisiertes Wasser (DI-Wasser) und Stickstoff.

Die Vielfalt dieser Ausstattungen wirkt sich direkt auf die Konstruktion aus. Arbeitsflächen, Medienanschlüsse, Leitungswege und die Zugänglichkeit der Komponenten müssen aufeinander abgestimmt werden. Ziel war deshalb keine möglichst umfangreiche Standardausstattung, sondern eine Grundkonstruktion, die verschiedene Arbeitsprozesse unterstützt.

Von der Konstruktion zur ersten Kundenanlage

Auf einen separaten Prototyp verzichteten wir. Die ersten Laborabzüge entstanden direkt als Kundenanlagen. Dadurch mussten die konstruktiven Lösungen von Beginn an nicht nur funktionieren, sondern auch zuverlässig herstellbar und montierbar sein.

Da wir einen Großteil der Fertigung im eigenen Haus erledigten, konnten wir auf vorhandene Erfahrung in der Kunststoffbearbeitung und im nasschemischen Anlagenbau zurückgreifen. Besondere Aufmerksamkeit galt der Frontschieber-Mechanik sowie der Montagefreundlichkeit und Zugänglichkeit der einzelnen Komponenten.

Vor der Auslieferung prüften wir bei uns unter anderem die Bewegung des Frontschiebers, die Differenzdruckmessung, die Luftführung und die optischen sowie akustischen Warnmeldungen. Anschließend erfolgten Erprobungen bei den Kunden, um die Anlagen unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen zu beurteilen.

Der Laborabzug qCFS während der Bau- und Inbetriebnahmephase bei exateq – noch mit Schutzfolien und sichtbaren lufttechnischen Komponenten.

Vom Kundenprojekt zur eigenständigen Produktfamilie

Die Erfahrungen aus den ersten beiden Kundenprojekten bildeten die Grundlage für die weitere Entwicklung unseres Laborabzugs. Heute ist das qCFS ein fester Bestandteil unseres Produktportfolios. Die überwiegend positiven Rückmeldungen der ersten Kunden bestätigten uns darin, diesen Weg weiterzugehen.

Auch künftig bleibt die kundenspezifische Ausführung wichtig. Gleichzeitig möchten wir die gemeinsame Basis weiter standardisieren, um verschiedene Anforderungen effizienter umsetzen zu können. Geplant sind zusätzliche Baugrößen und Abmessungen sowie weitere Luftführungs- und Filterkonzepte.

Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit zukünftigen Ausführungen für explosionsgefährdete Bereiche (Ex-Schutz). Diese stellen zusätzliche Anforderungen an Konstruktion, Komponenten und Sicherheitskonzept und müssen für den jeweiligen Einsatz gesondert entwickelt und bewertet werden.

Aus zwei zunächst unabhängigen Kundenanfragen ist damit eine eigenständige Produktfamilie entstanden. Die Entwicklung zeigt, wie sich unsere Erfahrung in der Kunststoffkonstruktion und im nasschemischen Anlagenbau auf neue Anwendungen übertragen lässt.

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