Herr Altenheimer, was bedeutet „Vakuum“ technisch und was ist bei der Arbeit in den verschiedenen Druckbereichen zu beachten?
Mit „Vakuum” - im Gegensatz zu Unterdruck - wird in der Technik der Druck in einem Behälter bezeichnet, der mehr als 70 % unterhalb des Umgebungsdrucks liegt.
Mit sinkendem Druck verändern sich Dichte und Eigenschaften der Gase sowie ihr Strömungsverhalten in einem Vakuumsystem. Dadurch müssen die technischen Verfahren zur Erzeugung, Haltung und Messung des Vakuums an die jeweiligen Druckverhältnisse angepasst werden. Die Unterteilung der Vakuum-Druckbereiche in Grob-, Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuum hilft dabei, geeignete Verfahren, Pumpen, Bauteile und Messgeräte für den Bau und den sicheren Betrieb von Vakuumsystemen festzulegen.
Welche Unterschiede gibt es zwischen Grob-, Fein-, Hoch- und Ultrahochvakuum?
Unterschiede ergeben sich vor allem aus der Gasdichte, d.h. der Anzahl der Gasteilchen im Volumen.
Grobvakuum umfasst Druckbereiche von etwa 300 bis ca. 1 hPa. Typische Anwendungen sind Trocknungsprozesse in der Fertigung, Handhabung und Transport von Bauteilen, Herstellung thermischer Isolationsgefäße, Oberflächenvorbereitung für Beschichtungsprozesse und die Glüh- oder Wärmebehandlung von Werkstoffen und Bauteilen.
Feinvakuum beschreibt den Bereich von 1 bis ca. 10-3 hPa. Hier finden Anwendungen mit mittlerem Sauberkeitsanspruch statt wie z.B. Dünnfilmbeschichtung, Mikrofertigungsprozesse wie Sputtern/CVD/reaktives Sputtern, Leck- und Druckprüfungen, Wärmeübertragungsprozesse oder die Herstellung dünner Filme und Nanostrukturen.
Von Hochvakuum spricht man im Bereich von 10-3 bis ca. 10-7 hPa. Diese Drücke werden z.B. in der Elektronenmikroskopie, bei der Synthese dünner Filme und Nanostrukturen, der E-Beam-Deposition in der Halbleitertechnik, beim Elektronenstrahlschweißen sowie für Tests von Raketen- und Satellitenkomponenten benötigt.
Der Bereich des Ultrahochvakuums beginnt bei ca. 10-8 hPa und zeichnet sich durch geringe Restgasbelastungen aus. Hier finden Prozesse mit höchstem Sauberkeitsstandard statt, z. B. in der Halbleiterfertigung, in der Forschung und Entwicklung, in Teilchenbeschleunigern sowie in der Oberflächen- und Festkörperforschung.
Welche Vakuumpumpe ist für meine Anwendung geeignet?
Vakuumpumpen gibt es in vielen Bauarten mit sehr unterschiedlichen Funktionsprinzipien. Entscheidend für die richtige Wahl ist der Druckbereich, in dem eine Anwendung stattfindet. Zusammen mit dem abzupumpenden Gasvolumen, den Eigenschaften der Gase sowie den Betriebs- und Umgebungsbedingungen ergeben sich Größe, Ausführung und damit auch Anschaffungs-, Betriebs- und Servicekosten der erforderlichen Pumpen.
Im Hoch- und Ultrahochvakuum ist es in der Regel nicht mit einer Pumpe allein getan. Um die erforderlichen niedrigen Drücke zu erreichen, kommen hier mehrstufige, aufeinander abgestimmte Pumpsysteme zum Einsatz.
Wie lege ich ein Vakuumsystem korrekt aus?
Für eine möglichst effektive Auslegung eines Vakuumsystems ist zunächst das Verständnis für den erwarteten Gasstrom des Prozessgases, die Einflüsse des Materials und der inneren Oberflächen, die Dimensionen der Rohrleitungen sowie die Anzahl und Ausführung der Ventile von zentraler Bedeutung.
Je niedriger der Druck, desto höher sind die Anforderungen an die Materialien und Einbauten der Behälter, an die erforderliche Dichtungstechnik und an die technische Ausführung der Vakuumpumpen und Messgeräte. Mittlerweile gibt es im Netz frei verfügbare Rechenprogramme zur Auslegung von Vakuumsystemen, mit deren Hilfe sich Vakuumkammern, Rohre, Ventile und Vakuumpumpen dimensionieren lassen.
Welche Vakuum-Messgeräte benötige ich?
Mit Messgeräten verhält es sich ähnlich wie mit Vakuumpumpen. Entscheidend für die richtige Wahl sind der Druckbereich, in dem das Messgerät eingesetzt wird, die Eigenschaften des abgepumpten Gases sowie die Betriebs- und Umgebungsbedingungen des Vakuumsystems. Weitere wichtige Faktoren sind die erforderliche Messgenauigkeit, die Art der Ausgabe der Messwerte (analog oder digital) und die Kalibrierung der der Geräte.
Um Drücke über mehr als zwei Vakuum Druckbereiche hinweg zuverlässig messen zu können, müssen ähnlich wie bei den Vakuumpumpen mehrere, aufeinander abgestimmte Messsysteme eingesetzt werden.
Welche typischen Betriebsfehler führen zu instabilem Vakuum?
Typische Betriebsfehler, die zu instabilem Vakuum führen, sind falsches Belüften, Undichtigkeiten am Vakuumsystem, Verschmutzungen, die in das Vakuumsystem eingebracht wurden, sowie verschlissene oder verschmutzte Pumpen und Messgeräte. Oftmals führen auch geänderte Prozessparameter oder Umgebungsbedingungen zu veränderten Auspumpzeiten und Schwankungen des End- oder Prozessdruckes.
Wie erkenne ich eine Leckage und wie kann ich ein Leck lokalisieren?
Bei einer Leckage erreicht das Vakuumsystem den notwendigen Enddruck nicht mehr, oder der Druck im System steigt nach dem Abpumpen wieder an.
Die Lecksuche spielt in der Qualitätssicherung von Vakuumsystemen und -prozessen eine zentrale Rolle und trägt dazu bei, Systemintegrität, Prozessqualität, Kosteneffizienz, Sicherheit und langfristige Betriebssicherheit zu gewährleisten.
Für die Lokalisierung von Lecks gibt es je nach deren Größe unterschiedliche Methoden. Größere Lecks werden ermittelt, indem das zu prüfende Bauteil auf leichten Überdruck gesetzt und dann der Abstieg des Druckes über die Zeit gemessen wird. Zur Lokalisierung werden dann Seifenwasser oder Lecksuchspray auf die Außenfläche des Teils aufgetragen.
Sehr kleine Leckagen werden mithilfe eines Helium-Lecksuchgeräts lokalisiert. Dazu wird das zu prüfende Bauteil mit Helium befüllt. Durch ein Leck ausströmendes Helium wird mit einer Sonde, die am Lecksuchgerät angeschlossen ist, angesaugt und detektiert.
Alternativ wird der Prüfling mit dem Lecksuchgerät evakuiert und von außen mit Helium besprüht. Dringt Helium durch ein Leck in das Bauteil ein, wird es vom Lecksuchgerät detektiert und als Leckrate angezeigt. Dieses Verfahren gilt derzeit als industrieller Standard in der Qualitätssicherung.
Wie energieeffizient ist mein Vakuumsystem? Lohnt sich der Wechsel auf eine andere Pumpentechnologie?
Typische Energiefresser in Vakuumsystemen sind die Vakuumpumpen. Oft sind sie zu groß dimensioniert, laufen nicht im optimalen Betriebspunkt oder es fehlen stufenlose Drehzahlregelungen, wodurch sie sich nicht flexibel an variable Prozesse anpassen lassen. Weitere Ursachen können ungeeignete oder verschmutzte Betriebsmittel, erhöhte Gaslasten durch Leckagen oder Verschmutzungen sowie falsch gesteuerte Regelventile sein.
Ein Upgrade veralteter Vakuumsysteme mit moderner, steuer- und regelbarer Pump- und Messtechnik kann sich daher lohnen. Die größten Einsparungen sind meist bei Vakuumsystemen mit langen Laufzeiten und schwankenden Gaslasten im Grob- und Feinvakuum zu erzielen.
