Sauberkeitskontrolle und Badüberwachung
Optimale Reinigungsqualität senkt Kostenrisiko
Zugegeben, Reinigen von Bauteilen ist ein Kostenfaktor, keine oder eine ungenügende Reinigung ein Kostenrisiko. Daher werden für immer mehr Werkstücke Restschmutzgrenzwerte definiert, die zu kontrollieren und dokumentieren sind. Dadurch gewinnt auch die Prozessoptimierung durch eine kontinuierliche Überwachung der Reinigungs- und Spülbäder zunehmend an Bedeutung.
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Unabhängig davon, ob partikulärer Restschmutz an Bauteilen Funktionsbeeinträchtigungen bis hin zum Komplettausfall verursacht oder filmische Rückstände die Qualität nachfolgender Prozesse wie Beschichten, Härten, Kleben oder Schweißen mindert – Folge sind kostspielige Nacharbeiten, Reklamationen und im ungünstigsten Fall imageschädigende, teure Rückrufaktionen. Um dieses Kostenrisiko auszuschließen, legen immer mehr Unternehmen bauteilspezifisch Restschmutzgrenzwerte fest, deren Einhaltung kontrolliert und häufig auch dokumentiert werden muss. Verbunden damit sind höhere Anforderungen an die Reinigung, insbesondere an die Qualität der Reinigungs- und Spülbäder.
Prozess- und Kostenoptimierung durch kontinuierliche Badüberwachung
In wässrigen Reinigungsprozessen wird das Ergebnis entscheidend von der Temperatur, der Konzentration der Reinigerkomponenten Builder und Tensid sowie der Verschmutzung in den Bädern beeinflusst. Durch eingetragenen partikulären und ölartigen Schmutz nimmt einerseits die Reinigungsleistung des Mediums ab. Andererseits verbrauchen sich Builder und Tensid während des Reinigungsprozesses unterschiedlich stark, was die Reinigungsqualität ebenfalls verändert.
Folge ist häufig eine kosten- und ressourcenintensive Prozessführung:
- Um auf der sicheren Seite zu sein, liegt die Reinigerkonzentration vielfach deutlich über dem für eine ausreichende Sauberkeit erforderlichen Wert. Dies führt dazu, dass der Reiniger in die Spülzonen verschleppt und durch Badpflegemaßnahmen ausgetragen wird.
- Da die Konzentration der Reinigerkomponenten und des Schmutzes in den Bädern vielfach nicht bekannt sind, werden diese aus Sicherheitsgründen früher als erforderlich ganz oder teilweise erneuert. Neben hohen Verbräuchen an Wasser, Chemie und Energie resultieren daraus erhebliche Kosten für die Aufbereitung und Entsorgung des Abwassers sowie eine eingeschränkte Verfügbarkeit der Reinigungsanlage.
Sowohl Überdosierungen des Reinigers als auch eine zu frühe Baderneuerung lassen sich durch eine kontinuierliche Überwachung der Reiniger- und Schmutzkonzentration in den Bädern sowie der Kontrolle der Teilesauberkeit vermeiden. Dabei ergeben Optimierungsläufe nicht selten, dass vorgegebene Restschmutzgrenzwerte auch mit einer geringeren Konzentration der Reinigerkomponenten und/oder niedrigeren Temperatur zuverlässig erreicht werden.
Für die Bestimmung der Schmutzbelastung in den Reinigungsbädern stehen Messsysteme zur Verfügung, die mit speziell für Reinigungsprozesse entwickelten Sensoren arbeiten. Diese erfassen und dokumentieren die Badbelastung durch partikuläre sowie ölartige Verunreinigungen und zeigen einen erforderlichen Badwechsel zuverlässig an. Weitere, für den Prozess relevante Parameter wie beispielsweise Druck, Temperatur, pH-Wert und Leitwert lassen sich ebenfalls integrieren, um ein vollständiges Prozessabbild darzustellen.
Alternativ bieten Hersteller Überwachungssysteme, die nicht nur die Badbelastung, sondern auch die Konzentration von Builder und Tensid separat messen und dokumentieren sowie diese entsprechend verbrauchsabhängig vollautomatisch nachdosieren.
Filmischen Restschmutz bestimmen
Für die Kontrolle gereinigter Bauteile und Oberflächen auf filmischen Restschmutz wie etwa Fett- und Ölrückstände, Fingerabdrücke oder Konservierungsmittel, der die Qualität nachfolgender Beschichtungen, Lackierungen, Verklebungen, Härte- und Schweißprozesse beeinträchtigt, kommen unterschiedliche Prüfverfahren zur Ermittlung der Oberflächenenergie (mN/m = Millinewton pro Meter) zum Einsatz. Dies beginnt bei Testtinten.
Es handelt sich dabei um Flüssigkeiten definierter Oberflächenspannung, die mit einem Pinsel auf die zu prüfende Oberfläche aufgetragen werden. Bleibt der Strich für mindestens zwei Sekunden stehen ohne sich zusammenzuziehen, ist die Oberflächenenergie des Substrats gleich oder höher als die Oberflächenspannung der Testtinte. Darüber hinaus stehen mobile und inlinefähige Prüfmethoden zur Verfügung, die auch die Dokumentation der ermittelten Werte ermöglichen. Diese arbeiten nach unterschiedlichen Prinzipien: Bei der Kontaktwinkelmessung wird der Winkel gemessen, den ein Flüssigkeitstropfen auf einer festen Oberfläche bildet. Daraus lassen sich verschiedene Eigenschaften der Substratoberfläche wie beispielsweise die Oberflächenenergie bestimmen.
Die Fluoreszensmessung basiert auf der Eigenschaft von organischen Substanzen wie etwa Ölen, Fetten und Wachsen bei Anregung mit UV-Licht zu fluoreszieren. Je stärker die filmische Schicht ist, desto stärker die emittierte Fluoreszenz. Die Kalibrierung erfolgt individuell anhand einer optimal gereinigten Oberfläche. Bei der laserinduzierten und zeitintegrierenden Fluoreszenzspektroskopie erfolgt die Anregung durch Laserstrahlung. Über eine hohe Pulsfrequenz bei ultrakurzen Lichtpulsen im ns-Bereich lassen sich selbst Spuren von Kontaminationen nachweisen.
Ein anderes Prinzip basiert auf der relativen Änderung der Leuchtdichte, die sich durch dünne Schichten auf der Oberfläche ergibt. Dazu wird mittels einer Referenz-Oberfläche ein Soll-Wert ermittelt und im Messgerät gespeichert. Vergleichsmessungen ermöglichen dann sofort Rückschlüsse auf filmische Verschmutzungen auf der Oberfläche. Durch auswechselbare Messköpfe lässt sich dieses System für ebene Flächen ebenso einsetzen wie zur Sauberkeitskontrolle von Wellen. Eine flexible, mit dem Steuergerät verbundene Messkopfspitze ermöglicht darüber hinaus die Prüfung von Oberflächen in Bohrungen.
Partikeln auf die Spur kommen
Insbesondere in der Automobilindustrie ist der VDA Band 19 („Prüfung der technischen Sauberkeit – Partikelverunreinigung funktionsrelevanter Automobilteile“) beziehungsweise das internationale Pendant ISO 16232, Band 1 bis 10 („Road vehicles – Cleanliness of components of fluid circuits”) heute Bestandteil vieler Liefervereinbarungen hinsichtlich der partikulären Sauberkeit von Bauteilen.
Zwischenzeitlich orientieren sich auch immer mehr Unternehmen aus anderen Branchen, beispielsweise Feinwerk- und Mikrotechnik, Hydraulik, Medizintechnik, Optik und Uhrenindustrie, an dieser Richtlinie, die eindeutig beschriebene Wege und Verfahren zur Gewinnung und Analyse von partikulären Verschmutzungen aus der Fertigung und Umgebung vorgibt. Denn damit wird die technische Sauberkeit eines Bauteils objektiv bewertbar und vergleichbar.
Ein wesentliches Kriterium der VDA 19 ist, dass der geforderte Sauberkeitswert beziehungsweise dessen Eintrag auf der Bauteilzeichnung immer mit einer Prüfspezifikation verknüpft ist. Diese enthält unmissverständliche Angaben über die Prüfreinigungsparameter und die Partikelmesstechnik. Festgelegt ist außerdem, dass die Parameter der Prüfreinigung für den betrachteten Bauteiltyp in Form so genannter Abklingmessungen ausgetestet und optimiert werden, um eine möglichst vollständige Abreinigung vorhandener Partikel zu erreichen ohne die Bauteilsubstanz anzugreifen.
Da der Nachweis von Partikeln beim überwiegenden Teil von Komponenten geometriebedingt nicht direkt auf der Produktoberfläche erfolgen kann, ist ein Reinigungsschritt erforderlich, in dem die Partikel in ein flüssiges Medium überführt werden. Die Extraktion, also das Ablösen der Partikel vom Bauteil, kann durch unterschiedliche flüssige Methoden erfolgen: Spritzen, Ultraschall, Spülen und Schütteln. Die Flüssigkeit aus der Extraktion wird über Filtermedien geleitet, die anschließend ausgewertet werden.
Zur Auswertung der Proben kommen verschiedene Verfahren mit unterschiedlicher Aussagekraft zum Einsatz: Gravimetrie steht für eine Methode, bei der ein Analysefilter im unbenutzten Zustand und nach der Filtrierung der Probenflüssigkeit gewogen wird.
Das Differenzgewicht informiert anhand der Gesamtmasse der vom Bauteil abgelösten Partikel über das Sauberkeitsniveau der geprüften Komponenten. Die Mikroskopie ermöglicht auch Aussagen über Partikelgrößen und Partikelverteilung beziehungsweise das größte, vom Bauteil abgereinigte Partikel. Dadurch lässt sich feststellen, ob bestimmte Spezifikationen, zum Beispiel kein Partikel > 400 µm, eingehalten werden. Die automatisierte Mikroskopie mit Bildverarbeitung untersucht die gesamte Filteroberfläche des Analysefilters und stellt die Partikel entsprechend ihrer Anzahl und Größe dar und dokumentiert diese.
Rückschlüsse auf das Schädigungspotenzial einzelner Partikel sind dadurch möglich. Rasterelektronenmikroskope liefern Informationen über Größe und Verteilung der gefundenen Partikel sowie über deren enthaltene chemische Elemente. Diese Methode gibt Aufschluss über Herkunft und Schädigungspotenzial der Partikel und erlaubt auch die Untersuchung kleinster Partikel. Noch genauere Informationen liefern Mikro-Tomographen, mit denen sich die Schmutzteilchen auch dreidimensional vermessen lassen.
Beim Einsatz von Flüssigkeitspartikelzählern, beispielsweise Extinktionspartikelzähler, entfällt die Herstellung eines Analysefilters, wie er für die Gravimetrie und Mikroskopie erforderlich ist. Voraussetzung für verlässliche Ergebnisse ist, dass die Prüfflüssigkeit bei der Vermessung keinerlei Gasblasen oder Fremdflüssigkeitstropfen enthält.Für die „trockene‘“, manuelle sowie prozessintegrierte Sauberkeitskontrolle stehen Inspektionssysteme zur Verfügung, die mit Streiflicht zur Oberflächenbeleuchtung arbeiten.
Durch die Integration optischer Filter erzeugt der Messkopf einen so starken Kontrast, der eine zuverlässige Kontrolle auch unter schwierigen Bedingungen wie beispielsweise bei strukturierten Oberflächen gewährleistet. Die Darstellung von Lage, Position und Umriss vorhandener Partikel erfolgt live über einen integrierten Bildschirm, zusätzlich werden Partikelanzahl und -größe automatisch ermittelt und angezeigt.
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