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Top-Thema: Simulationen im Reinraum

Simulationen der Prozesse im Reinraum vereinfachen die Produktion und die Planung von Industriegebäuden. Außerdem können sie bei Schulungen über Virtual Reality eingesetzt werden.

Erfahrungsbasiert trainieren dank Virtual Reality

Sebastian Scheler ist Geschäftsführer der Firma Innerspace in Österreich. Sein Unternehmen hat sich auf virtuelle Trainings im Reinraum spezialisiert. Auf der Cleanzone Conference spricht er zu „Richtiges Verhalten im Reinraum trainieren – Chancen und Risiken von Virtual Reality“. Hier ein Ausblick auf seinen Vortrag.

„Virtual Reality Trainings ermöglichen erfahrungsbasiertes Lernen von Schlüsselmomenten im Reinraum, ohne selbst in kritische Situationen zu kommen oder den „echten“ Reinraum zu betreten.“

Sebastian Scheler

Innerspace hat sich auf VR-Trainings spezialisiert. Wie und in welchen Bereichen führen Sie VR-Trainings durch?
„Virtual Reality Trainings ermöglichen erfahrungsbasiertes Lernen von Schlüsselmomenten im Reinraum, ohne selbst in kritische Situationen zu kommen oder den „echten“ Reinraum zu betreten. Für unser Cleanroom Behavior Trainings bilden wir Reinräume und Trainingsszenarien virtuell nach, sodass der Trainierende korrektes Verhalten in einer risikofreien, virtuellen Umgebung trainiert. Dabei hilft das Full Body Tracking, bei dem jede Körperbewegung gemessen und in Echtzeit auf den virtuellen Avatar des Mitarbeiters übertragen wird. Dank Rückkopplung über die VR-Brille erfährt der zu Schulende direkt, wenn beispielsweise Armbewegungen zu schnell durchgeführt werden.

Wir bauen unsere Trainings um Schlüsselmomente herum auf, die wir gemeinsam mit dem Kunden definieren. Schüsselmomente sind essentielle und wiederkehrende Situationen, in denen jede Bewegung sitzen muss beispielsweise der Umgang mit einem Vialbruch.“

Entwickeln Sie individuelle Lösungen für den Kunden je nach Anforderung?
„Es gibt bei uns eine Software-Basislizenz für das Virtual-Reality Verhaltenstraining im Reinraum. Darüber hinaus entwickeln wir mit unserem Partner Mediasquad die 3-D-Umgebung in High-End-Qualität, um ein möglichst realistisches Abbild des tatsächlichen Reinraums des jeweiligen Kunden herzustellen. Wir sind ein Trainingsanbieter und daher zählt es zu unseren Aufgaben Psychologie, Technologie und Branchen Know-How zu verbinden. Unser Reinraumwissen erhalten wir durch intensiven Austausch mit unseren Kunden. Entscheidend ist dann die technische Umsetzung: Durch die Expertise in der Software-Entwicklung können Ideen dann in Virtual Reality Trainingsdesign überführt werden.“

Welche Vorteile haben virtuelle Schulungen gegenüber klassischen?
„Mit den VR-Trainings lassen sich Schlüsselmomente im Reinraum so simulieren und trainieren, dass sich diese realistisch anfühlen. Außerdem können VR-Schulungen regelmäßig wiederholt werden Damit zielen unsere Trainings auf eine wesentliche Erkenntnis ab: dass bei vielen Schulungen nach zwei Wochen nur noch ein Bruchteil des Gelernten erinnert werden kann. Unsere VR-Trainings ermöglichen eine höhere Nachhaltigkeit und können bedarfsorientiert eingesetzt werden – das heißt jeder kann zu jedem Zeitpunkt genau das trainieren, was für ihn gerade wichtig ist. Die Trainings können an verschiedenen Orten durchgeführt werden, man braucht wenig Zeit für die Vorbereitung und die Produktion muss nicht heruntergefahren werden – das spart Kosten. Die Schulungen werden automatisch und akkurat dokumentiert – das gibt ideale Voraussetzungen für das Reporting an Gesundheitsbehörden. Außerdem sind VR-Trainings motivationssteigernd. Dafür muss das Trainingsdesign genau auf die Anforderungen des Kunden passen.“

Virtual Reality Training bei Novartis/Sandoz. Bildrechte: Innerspace
Virtual Reality Training bei Novartis/Sandoz. Bildrechte: Innerspace

Warum haben Sie sich gerade für VR-Schulungen im Reinraum entschieden? Lassen sich Produktionsprozesse im Reinraum besonders gut virtuell schulen?
„Reinraumverhalten kann prinzipiell sehr gut in Virtual Reality Trainings geschult werden allerdings erfordert die Umsetzung hohe Fachexpertise und die enge Zusammenarbeit zwischen Kunden und uns als Trainingsanbieter.“

Welche Produktionsprozesse im Reinraum lassen sich im Moment noch nicht virtuell trainieren?
„Bevor wir ein VR-Training entwickeln, führen wir im Rahmen von Workshops beim Kunden eine systematische Use Case Evaluation durch. Aus dieser geht hervor, ob sich Virtual Reality als Trainings-Technologie für das Erlernen eines bestimmten Schulungsaspektes eignet. Viele entscheidende Prozessschritte zum richtigen Reinraumverhalten wurden bereits mit positiven Ergebnis evaluiert. Wenige andere, wie die Anziehprozedur, lassen sich aus unserer Sicht besser in „Real-Life“ als in VR trainieren.

Was erwarten Sie für die Zukunft?
„Wir versuchen die Technologie optimal für unsere Trainingsapplikationen zu nutzen. Technologie, Design und Kundenanforderung sollen besser miteinander verbunden werden. Der Anwender muss „vergessen“, dass er sich in einer Schulung befindet, sondern sich fühlen wie im echten Reinraum. Wissen Sie für mich als Psychologe ist das wie ein goldenes Zeitalter. Endlich ist erfahrungsbasiertes Lernen, das vollkommen psychologisch durchdacht ist, virtuell möglich.“

Zauberwort BIM: ein virtueller runder Tisch für Top-Reinraumplanung

Zum Building Information Modeling (BIM) zählt der virtuelle runde Tisch für Architekten, Ingenieure, Laborplaner und Reinraumspezialisten ebenso wie die Simulation von Luftströmungen und vieles mehr. Nur auf den ersten Blick scheinen diese unterschiedlichen Ebenen weit voneinander entfernt. Digitale Technik bringt sie zusammen, und aktuell sorgen bereits neue Richtlinien des VDI (Verein Deutscher Ingenieure) für eine sinnvolle Ausgestaltung in der Praxis.

Building Information Modeling (BIM)

Es ist eine nicht ganz unübliche Erfahrung: Der Architekt hat das Gebäude mit digitaler Unterstützung designt und druckt nun den CAD-Plan aus. Auf seiner Basis entwirft der Tragwerksplaner sein ganz eigenes Modell. Der Ingenieur für die Technische Gebäudeausrüstung (TGA) tut es ihm nach, und dann kommt speziell für den Reinraum ein weiterer Experte hinzu – kurz: Schon in der Planungsphase finden sich reichlich Gelegenheiten für unnötige Doppelarbeit. Schlimmstenfalls kollidiert zu guter Letzt die zentrale Reinstwasserzufuhr mit einer Löschwasserleitung.

Digitale Technologien machen Planung im Team attraktiver

Das Konzept von BIM (Building Information Modeling) besteht in einer Zusammenarbeit aller an Planung, Bau und Betrieb eines Bauwerks Beteiligten an einem digitalen Model. „Doppelarbeit und Kollisionen sollten sich auf diese Weise deutlich reduzieren lassen“, schätzt Frank Jansen, Technisch-Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Gesellschaft Bauen und Gebäudetechnik beim VDI (Verein Deutscher Ingenieure) in Düsseldorf. „Dabei stellt sich der ökonomische Vorteil allerdings erst später ein. Zunächst ist mehr Zeit in die Planung und die Kommunikation zwischen den Beteiligten zu investieren. Nachher zahlt sich das in einer reibungsloseren Fertigstellung aus. Monetäre Einspareffekte ergeben sich im Facility Management über die gesamte Dauer der Bewirtschaftung, zum Beispiel durch die Möglichkeit, Leistungsdaten zu kontrollieren und zu steuern oder Umbauten und Komponentenaustausch zu dokumentieren. Vor allem aber steigt die Qualität der Bauwerke.“

Fortschritte im Bereich der digitalen Technologien beflügeln eine Planung mit BIM. Zwar konnten die Vertreter unterschiedlicher Gewerke grundsätzlich schon immer auch mit Bleistift und Papier gemeinsam planen. Doch in der Praxis erweist es sich als vorteilhaft, sich auch bei räumlich großer Entfernung schnell einmal an einem virtuellen runden Tisch einzufinden, zum Beispiel in einer Cloud. Auch lassen sich im BIM-Modell, neben geometrischen Daten, beliebig viele weitere Attribute hinzufügen. Diese können zum Beispiel Zeitvorstellungen oder Kostenangaben betreffen und bis zu speziellen Details reichen (z.B. Auslegung eines Schleusensystems, Leistungsdaten von Lüftungen im Reinraum, verbaute Materialien, selbst Wartungs- oder Hygienepläne).

All diese Daten helfen nicht nur beim Bau, sondern auch bei späteren Änderungen. Man denke zum Beispiel an die häufigen Umnutzungen im Krankenhausbereich, inklusive der dortigen Operationssäle, oder an Upgrades von Reinräumen im Gefolge von gesetzgeberischen Maßnahmen, von neuen VDI-Richtlinien oder von schärferen Kundenanforderungen! Erleichterung schafft in jedem dieser Fälle ein „digitaler Zwilling“ des betreffenden Gebäudes mit speziellen Angaben zum Labor- und Reinraumbereich.

Schaubild BIM Bildquelle: VDI
Bildquelle: VDI

Praxisbeispiel Strömungstechnik

Für die Praxis stellt die Ausgestaltung von BIM als offener Standard einen wichtigen Pluspunkt dar. Denn wenn Architekt und Strömungstechniker mit unterschiedlichen Programmen arbeiten, muss das Puzzle ja noch zusammengefügt werden.

„Gemäß der BIM-Systematik programmiere ich mir dafür einfach eine Schnittstelle“, erläutert Benjamin Zielke, Wissenschaftlicher Mitarbeiter Hermann-Rietschel-Institut der TU Berlin. „Ziel des Ganzen ist es unter anderem, bei Umbauten und Änderungen Simulationen auf Knopfdruck durchspielen zu können. Vieles, was heute auf langjähriger Erfahrung beruht, ließe sich dann effektiver planen – und auch wirklich punktgenau. Eine zu große Auslegung von Lüftungsanlagen und die damit in Bau und Betrieb verbundenen unnötigen Zusatzkosten ließen sich zum Beispiel von vorneherein vermeiden.“

Nun ist BIM als Gesamtkonzept in der Praxis der Reinraumplanung noch lange nicht zum selbstverständlichen Teil des Alltags geworden, wohl aber bestimmte Facetten. Dazu zählt insbesondere die Strömungssimulation.

„Sie kommt heute vornehmlich dann zum Zuge, wenn es konkrete Schwierigkeiten zu beheben gilt“, weiß Heimo Müller, Carinthian Tech Research, St. Magdalen (Österreich), aus Erfahrung. „Ein Beispiel besteht im Auftreten von Kontaminationen oder von zu hohen Partikelkonzentrationen. Mit Strömungssimulationen können wir Probleme in Abzügen, in Glove-Boxen und generell im Reinraum besser verstehen und schneller Lösungen finden. Allerdings würde die Kalkulation eines ganzen Reinraums auf Basis physikalischer Modelle und numerischer Verfahren sehr lange dauern. Darum tasten wir uns stets Schritt für Schritt an die eigentliche Fragestellung heran: Simulation der Ist-Situation, Messungen und Abgleich des Modells, dann Simulation verschiedener Geometrien zur Problemlösung. Einen ganzen Reinraum auf der Grundlage von reinen Simulationen auszulegen, kann ich mir vorstellen, macht aber wenig Sinn.“

Beim Building Information Modeling ist vieles in Bewegung

Zwischen dem enormen Potenzial von BIM und der heutigen betrieblichen Praxis klafft noch eine erhebliche Lücke, doch schon stellt der Verein Deutscher Ingenieure Werkzeuge bereit, sie zu schließen. Im TGA-Bereich gibt es seit Jahrzehnten die Richtlinienreihe VDI 3805 „Produktdatenautausch in der TGA“. Man kann sie mit Fug und Recht als einen sehr frühen BIM-Baustein werten.

Aktuell in Arbeit sind elf Richtlinien-Projekte zu BIM in der Reihe VDI 2552 – von den Grundlagen über Begriffe und Definitionen, über Datenmanagement und Datenaustausch bis zu den Informationsanforderungen an den Auftraggeber. Allein für dieses Jahr sind drei bis vier neue Veröffentlichungen geplant. Der Austausch mit den internationalen Normungsgremien findet hierbei kontinuierlich statt.

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