Qualitätssicherung / Sauberkeitsanalyse

Aus CleanWiki Technologieatlas
Wechseln zu: Navigation, Suche

Inhaltsverzeichnis

Qualitätssicherung

Die Qualitätssicherung verfolgt das Ziel, die für eine fehlerfreie Weiterverarbeitung bzw. Verwendung der Teile und Zusammenbauten erforderlichen Sauberkeitseigenschaften zu gewährleisten, entsprechende Regelkreise aufzubauen und die hierfür erforderlichen Mittel und Maßnahmen zu installieren und zu überwachen. Rückstände auf Teileoberflächen sind praktisch nicht vollkommen auszuschließen und sind nicht generell bzw. zwangsläufig schädlich. Grenzwerte für als schädlich geltende Rückstände bzw. Rückstandsmengen müssen nach technischer Notwendigkeit festgelegt werden. Übersteigerte Anforderungen an die Sauberkeit können häufigere Reklamationen sowie vermehrte Nacharbeit und Qualitätskosten nach sich ziehen.

Der Gehalt an Restpartikeln der relevanten Teileoberflächen bedeutet in vielfältigen Anwendungen ein Qualitätsmerkmal und somit Maßstab zur Beurteilung von Reinigungsprozessen. VDA 19 und ISO 16232 bilden eine viel zitierte Grundlage zur Vereinheitlichung der Prüfung dieser Qualitätseigenschaft, konkret für die Automobilindustrie. Für filmische Rückstände (z. B. KSS oder Reinigungschemie) existieren keine – auf vergleichbar breiter Basis – anerkannten, institutionellen Standards.


Direkte Folgeprozesse

Direkte Folgeprozesse sind der unmittelbare Indikator, wenn die Reinigung bzw. Sauberkeit des Bauteils Mängel aufweisen (z. B. Beschichtungsfehler oder Leckage an Zusammenbauten). Bisweilen zeigen sich Fehler erst weit hinten in der Wertschöpfungskette, was mit als Ursache für den Trend zur Erhebung von Grenzwerten und damit verbundenen Verantwortlichkeiten und analytischen Sauberkeitsnachweisen angesehen werden darf. Die Sicherung der Sauberkeitsqualität betrifft nicht nur die Analyse filmischer, chemischer oder partikulärer Rückstände. Sie beinhaltet Maßnahmen vor, während und nach dem eigentlichen Teilereinigungsprozess bzw. dessen Umfeld. Das vorliegende Themenblatt beleuchtet verschiedene Qualitäts-Aspekte rund um die Teilereinigung und gibt einen Einblick in die Analyse der Bauteilsauberkeit. Dabei wird jedoch kein Anspruch erhoben, den vielfältigen Aufgaben und Arten der Teilereinigung gerecht zu werden.


Aufgabe

Das erforderliche Ergebnis des Reinigungsprozesses soll sichergestellt und bis zum festgelegten Gebrauchspunkt des Teils bewahrt bzw. erhalten werden.


Einflussfaktoren

  • Reinigungseinrichtung /-anlage
  • Vorgelagerte Prozesse und Abläufe
  • Direktes Umfeld gereinigter Teile
  • Design von Produkt und Herstellungsprozessen sowie Verarbeitung der gereinigten Teile


Reinigungseinrichtung /-anlage

Siehe hierzu die Qualitätssicherungshinweise in den einzelnen Themenblättern. Zu betonen sei hier die vorschriftsmäßige Bedienung und regelmäßige Wartung der Anlage sowie Überwachung und Aufarbeitung der Medien durch den Betreiber. Filter mit ihren endlichen Feinheiten können zu sukzessiver Anhäufung von Pigmentschmutz in Medienkreisläufen führen, mit Folge einer zufälligen lawinenartigen Freisetzung im Prozessraum des Reinigungsguts. Durch "Überfahren" einer Anlage durch hohe Schmutzlasten (hoher Schmutzeintrag) kann es zu einer nachhaltigen Verschleppung innerhalb der Anlage kommen, mit Folge einer Beeinträchtigung / Verschmutzung nachfolgender Reinigungsgüter.

Reinraum- und Sauberraumtechnik

Reinraumtechnik wird eingesetzt, um Verarbeitungsprozesse und Erzeugnisse vor Verunreinigungen aus der Umgebungsluft zu schützen. In der Halbleiterindustrie, Medikamentenherstellung und Lebensmittelproduktion ist sie nicht mehr wegzudenken. Auch im sensiblen Bereich der Lackierung von Fahrzeugkarosserieteilen und in der Endmontage von Präzisionsmechanik sind reinraumtechnische Einrichtungen mittlerweile unverzichtbar. Die Integration von Reinraumtechnik zur Schaffung reiner Bereiche hat mitunter erhebliche Auswirkungen auf den Materialfluss und die Personalbewegung im Fertigungsablauf. Die Gestaltung reiner Bereiche hinsichtlich Einteilung in hierarchische Sauberkeitszonen, Lokalisierung von Arbeitsplätzen, Fertigungsanlagen, Materialpuffern, Schleusen bis hin zu Vorhaltungen für Wartungsarbeiten an Betriebsmitteln hat erheblichen Einfluss auf den Erfolg der Anwendung von Reinraumtechnik sowie die Kosten für die lufttechnischen Einrichtungen und baulichen Maßnahmen. Angesichts der rasanten Entwicklung der technischen Sauberkeit stehen immer häufiger Metall und Kunststoff verarbeitende Betriebe im Anlagen-, Maschinen- und Fahrzeugbau vor der Entscheidung: Brauche ich Reinraumtechnik? Wo benötige ich Reinraumtechnik? Wie gut muss der Reinraum sein? Wo bekomme ich den optimalen Reinraum? Mit welchen Kosten muss ich rechnen?


Vorgelagerte Prozesse und Abläufe – Fehlermöglichkeiten

Abweichungen des Verunreinigungszustands der zu reinigenden Teile; z. B. Antrocknen von Medien oder zusätzliche Schmutzfrachten oder Korrosion durch ungeschützte / falsche Lagerung. Es ist also u. a. darauf zu achten, dass Teile, die üblicherweise nass in die Reinigungsanlage eingeschleust werden, nicht trocken werden. Änderungen der Chemie von Bearbeitungsflüssigkeiten oder Konservierungs- und Trennmitteln, auf die der Reinigungsprozess nicht ursprünglich ausgelegt ist (ebenso z. B. Verwendung „anderer / abweichender“ Reinigungschemie oder Flüssigkeitsfilter). Daher sollte jeweils die Verträglichkeit mit der Reinigungschemie geprüft werden. Verwendung unpassender Warenträger oder Überfrachtung der Warenträger. Ungenügende Entgratungsprozesse können zu n. i. O.-Befunden eines nachgeschalteten Reinigungsprozesses führen.


Direktes Umfeld gereinigter Teile – Schutz vor Rückverschmutzung / Korrosion

In der Regel liegt an einem Bauteil der höchste Sauberkeitsgrad unmittelbar nach dem Reinigungsprozess vor. Bei manueller Handhabung / Entnahme der gereinigten Teile kann das Tragen von Handschuhen erforderlich sein, die ausschließlich für diese Arbeit benutzt werden dürfen. Der einfachste Schutz vor Umgebungseinflüssen ist zeitnahes Verpacken oder Abdecken der Teile. Abkühlzonen oder Warenpuffer und Zwischenlager, in denen die Teile relativ lange offen stehen, können mit einer Überdachung oder Einhausung (z. B. Schürzen) versehen werden bis hin zur Installation von (lokaler) Reinstlufttechnik in solchen Bereichen. Eine förderliche Maßnahme ist der gebührende Abstand solcher Zonen von Lauf- und Fahrwegen sowie Türen und Fenstern. Bei besonders korrosionsempfindlichen Gütern, die nicht konserviert werden dürfen, kann der Einsatz stickstoffgefluteter Container erforderlich werden. Einrichtungen zur Ionisierung der Luft können elektrostatische Aufladung (Kunststoffteile / Verpackungsmaterial), die wie ein Staubmagnet wirkt, eindämmen. Weiteres s. auch Themenblatt Verpackung, Lagerung und Transport.


Optimierungspotenziale im Umfeld der Teilreinigung

Zur Verbesserung der Teilesauberkeit reicht es eventuell bereits aus, die Prozessdauer zu erhöhen, weniger Teile gleichzeitig zu behandeln oder die Teile mehrmals in derselben Anlage zu waschen. An dieser Stelle kann das anspruchsvolle Gebiet der Optimierung des Ergebnisses von Reinigungsprozessen unmöglich erschöpfend abgehandelt werden. Nachfolgend einige übergreifende Überlegungen und Anregungen:


Design der Bauteile und Zusammenbauten

  • Toleranz / Robustheit gegenüber Partikel-Rückständen
  • Werkstoffe / Beschichtungen, die selbst Partikel freisetzen und daher an sich im Widerspruch zu den einhergehenden Bauteilsauberkeitsanforderungen stehen können
  • Reinigungsrechte Geometrie und Oberflächenbeschaffenheit
  • Konstruktive Vermeidung solcher Montageprozesse, die ein erhöhtes Partikelentstehungs- und Rückverschmutzungspotenzial bergen


Design der Bearbeitungs- / Fertigungs-Prozesse

  • Vermeidung der Entstehung von Graten, Einlagerung (z. B. Guss-Sand) und Bildung kritischer Partikel bei der Fertigung (z. B. Klemmspäne)

Nicht zuletzt kann durch eine zu scharfe Sauberkeits-Prüfung die Bauteilsubstanz angegriffen werden, so dass daraus n. i. O.-Befunde bezüglich des Sauberkeitsgrads resultieren können. In manchen Fällen ist eine Trennung von Partikel-Rückständen und Partikel-Freisetzung durch das Bauteilmaterial prüftechnisch allerdings nicht zu bewerkstelligen. Wenn dabei permanent n. i. O.-Befunde resultieren, darf die Frage gestellt werden, ob das Bauteildesign überhaupt für die vorgesehene Verwendung (von der die Sauberkeitsanforderung abgeleitet wurde) geeignet ist, um nicht Unmögliches in der Prozesskette zu fordern?

Entscheidend ist, dass alle Beteiligten der Qualitäts- und Prozesskette ihren, aufeinander abgestimmten, Beitrag zur Schaffung und Bewahrung der notwendigen Bauteilsauberkeit erbringen und stets das Gesamtziel vor Augen haben, weil Verschmutzungen eine ziemlich knifflige Störgröße bedeuten können. In vielen Bereichen der Teilereinigung kommt man indessen mit weit weniger Aufwand gut zurecht als es im Bereich der Präzisionsreinigung mit dessen steigenden Anforderungen der Fall ist – die Grenzen dabei sind fließend.



Sauberkeitsanalyse

Steigende Anforderungen an die Qualität und Zuverlässigkeit von Bauteilen machen die Sauberkeitskontrolle von Materialoberflächen zu einem unverzichtbaren Bestandteil im Fertigungsprozess. Für die Bewertung der Sauberkeit von Oberflächen steht eine Vielzahl von Testmethoden und Analyseverfahren zur Verfügung. Zu den einfachen, nicht automatisierbaren Testmethoden zählen beispielsweise Testtinten, Wasserablaufprobe, Sprühnebeltest, Nigrosintest, Wischtest, Randwinkelmessung und Tesafilm-Test. Sie ermöglichen lediglich eine qualitative Bewertung des Reinigungsergebnisses, das je nach Methode und Durchführung variieren kann. Um einheitliche Standards zu schaffen, wurden in der Automobilindustrie die VDA Band 19 bzw. ISO 16232 eingeführt, die Verfahren zur Prüfung der Partikelverunreinigung funktionsrelevanter Automobilteile vorgeben. Da der Nachweis von Partikeln beim überwiegenden Teil der relevanten Komponenten geometriebedingt nicht direkt auf der Produktoberfläche erfolgen kann, ist ein Reinigungsschritt erforderlich. Partikel werden vom Bauteil durch gezieltes Abspritzen, Abreinigen mit Ultraschall, Abspülen und Schütteln abgelöst.


Die Auswertung der Partikel erfolgt durch verschiedene Verfahren mit unterschiedlicher Aussagekraft

Das gravimetrische Verfahren gibt durch das Differenzgewicht Auskunft über die Gesamtmasse der abgelösten Partikel und ermöglicht damit Rückschlüsse über das Sauberkeitsniveau. Mit der Mikroskopie lassen sich Partikelgrößen und -verteilungen ermitteln und so feststellen, ob bestimmte Spezifikationen, z. B. kein Partikel >15 Mikrometer, eingehalten werden. Die automatisierte Mikroskopie mit Bildverarbeitung ermöglicht darüber hinaus Rückschlüsse auf das Schädigungspotenzial einzelner Partikel. Die Rasterelektronenmikroskopie bietet neben Größe und Verteilung auch Informationen über die enthaltenen chemischen Elemente in Partikeln. Dies ermöglicht Aussagen über deren Herkunft und Schädigungspotenzial. Die Prüfung von Bauteilen erfolgt hier stichprobenartig, eine 100-Prozentkontrolle ist praktisch nicht möglich. Automatisierbare Flüssigkeitspartikelzähler, bei denen Partikel in einem Ultraschallbad vom zu prüfenden Bauteil abgereinigt und Flüssigkeitsproben ausgewertet werden, ermöglichen eine deutlich höhere Stichprobenzahl. Um brauchbare Messdaten zu erhalten, dürfen die Bauteile keine filmischen Verschmutzungen aufweisen. Die Entwicklung geht inzwischen zu Messsystemen beziehungsweise Sensoren mit relativ einfachen und robusten Detektionsmethoden, die prozessnah oder in die Fertigungslinie integriert, eine möglichst kontinuierliche Kontrolle der Bauteile erlauben.


Oberflächenanalytik zur Aufklärung von Verschmutzungsursachen und Schadensfällen

Flecken, Restschmutz, Kontaminationen, Partikel, Ölfilme, Prozessrückstände: Wer kennt sie nicht, die unerwünschten Begleiter, die nicht nur die Optik eines Werkstücks beeinträchtigen, sondern gar dessen korrekte Weiterverarbeitung und bestimmungsgemäße Endfunktion zu Nichte machen können? Steigende Anforderungen an die Funktion und Zuverlässigkeit, Null-Fehler als Qualitätsziel und nicht zuletzt die Verbesserung bestehender Produkte erfordern zunehmend den Einsatz oberflächenanalytischer Techniken, um die Ursachen von Störungen bzw. die Herkunft von Partikeln oder filmischen Rückständen aufzuklären und den Produktionsprozess zu beherrschen. Die zu analysierenden Kontaminationen sind dabei häufig mit dem Auge nicht sichtbar.


Prozess- oder Schadensanalytik Je nach Aufgabenstellung kommen unterschiedlichste Analysemethoden und Messtechniken zur Charakterisierung technischer Oberflächen in Frage: In der Schadensfallanalytik gilt es, die störenden Ursachen und deren Herkunft mit verschiedenen Methoden systematisch einzugrenzen und gegebenenfalls nachzustellen. Der Vergleich zwischen »Gut-« und »Schlecht-Proben« gibt häufig erste Hinweise. In der prozessbegleitenden Analytik zur Serienüberwachung bestimmen vor allem Kriterien wie Integration in den Prozessablauf, einfaches Handling und betriebswirtschaftliche Betrachtungen die Wahl des Verfahrens.


Folgende Analytische Fragen sollten idealerweise beantwortet werden um die geeigneten Analyseverfahren auszuwählen:

  • Was? (Partickel, Flecken, filmische Beläge, Elemente, Moleküle, …)
  • Wie? (Schwellenwert, qualitativ, semi-quantitativ, quantitativ, …)
  • Wo? (laterale Auflösung, Tiefeninformation, …)
  • Welches Verfahren, welche Methode ist geeignet (evtl. Methodenmix)?
  • Mögliche Antworten auf die Fragen: Wo kommt das her? Was ist die Ursache?


Methodenauswahl

Je nach zu analysierender Größe, stehen verschiedene Methoden zur Verfügung:


Topografie/Oberflächenrauheit

  • 3D-Lichtmikroskopie
  • Rasterelektronenmikroskopie (REM)
  • Rasterkraftmikroskopie (AFM)


Chemische Zusammensetzung

  • Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA, engl. XPS)
  • Augerelektronen-Spektroskopie (AES)
  • Energiedisperse Röntgenmikroanalyse (EDX)
  • Infrarotspektroskopie und -mikroskopie (FT-IR)
  • RAMAN-Spektroskopie
  • Time-of-flight Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS)


Benetzungseigenschaften

  • Kontaktwinkelmessung
  • Bestimmung der Oberflächenenergie


Schichtdicke/Tiefenprofil

  • Ellipsometrie
  • ESCA
  • ToF-SIMS
  • AES


Weitere Methoden

  • UV-VIS-Spektroskopie
  • Laser induced Breakdown System (LIBS)


Technische Sauberkeit von Bauteilen

Die Anforderungen an die Sauberkeit von Bauteilen und Baugruppen haben insbesondere in der Automobilindustrie und deren Zulieferbetrieben in den letzten Jahren stetig an Bedeutung gewonnen. Die technische Bauteilsauberkeit stellt ein entscheidendes Qualitätsmerkmal dar, das messtechnisch erfasst und dokumentiert werden muss.

Folgende Branchen sind von dieser Entwicklung besonders betroffen:

  • Automobilindustrie
  • Feinwerktechnik und Elektronik
  • Maschinenbau / Metallverarbeitung
  • Reinigungstechnik
  • Medizintechnik


Da es sich bei Automobil-Bauteilen in der Regel um komplexe Komponenten handelt, bei denen die funktionalen Bereiche häufig im Inneren liegen, ist selten eine Messung der Sauberkeit auf dem Bauteil möglich. Deshalb wird eine mehrstufige Prozedur gewählt. Im ersten Schritt werden die zu erfassenden Partikel mit einer Reinigungsflüssigkeit vom Bauteil abgelöst. Anschließend werden die Partikeln in der Flüssigkeit analysiert. Somit wird auf die ursprüngliche Verschmutzung des Bauteils geschlossen. Das breite Spektrum an Prüfreinigungs- und Analyseverfahren lässt nur dann reproduzierbare und vergleichbare Untersuchungen zu, wenn unter definierten Prüfbedingungen gearbeitet wird. Diese Bedingungen werden in einem speziell für diese Fragestellungen konzipierten Sauberkeitslabor bereitgestellt.


Sauberkeitslabor

Sämtliche Prüf- und Analyseeinrichtungen sind in einem klimatisierten Sauberraum untergebracht. Qualifiziertes Personal betreut die umfangreiche Ausstattung, welche über den derzeitigen Stand der Technik hinausgeht:


Probenahmetechnik:

  • Robotergestützte Spritzkammer
  • Flexible, reinheitsgerechte Ultraschalltechnik
  • Hochsaubere Innenspülstände


Analysetechnik:

  • Gravimetrie
  • Mikroskopisch (manuell und vollautomatisiert)
  • Flüssigkeitspartikelzähler
  • Materialanalysen mit REM / EDX und Raman-Spektroskopie


Standardgerechte Prüfung

Im Rahmen eines Verbundprojekts von 25 Unternehmen aus der Automobil- und Zuliefererindustrie sowie Hersteller von Reinigungsanlagen und Waschmedien wurden die Grundlagen zur Vereinheitlichung der Sauberkeitsanalyse geschaffen. Damit entstand einer der ersten und erfolgreichsten Standardisierungsvorschläge zur Prüfung der technischen Sauberkeit. Er bildet Basis für die gerätetechnische Ausstattung und methodische Vorgehensweise in Sauberkeitslabors. Einem breiten Kreis von Anwendern werden diese Arbeiten durch die folgenden Standards zugänglich:

  • ISO 16232 »Cleanliness of components«
  • VDA 19 »Technische Sauberkeit« des VDA QMC


Referenzbauteile (Auszug)

  • Kurbelwellen
  • Pleuel
  • Zylinderköpfe
  • Getriebebauteile
  • Kraftstoffleitungen
  • Filterelemente
  • Schrauben
  • ABS-Komponenten
  • Schutzschalter


Aufgabe

Kontrolle der Sauberkeit der gereinigten Bauteile


Ziele / Anforderungen

Bestätigung der geforderten Sauberkeit des gereinigten Bauteils mit dem Ziel der Freigabe von Bauteilen für den nächsten Arbeitsschritt


Einflussfaktoren

  • Art der abgereinigten Verschmutzung
  • Art der Filtrierung
  • Art des Filtersubstrats
  • Art und Qualität der Abbildung
  • Genauigkeit des Messsystems


Qualitätssicherung

  • Überprüfung der verschiedenen Einstellparameter
  • Messung eines Referenzfilters
Meine Werkzeuge
Namensräume
Varianten
Aktionen
Navigation
Werkzeuge