Die neue VDA 19 - die Technische Sauberkeit entwickelt sich weiter

Abbildung 1: VDA 19 lässt Fragen offen.

Abbildung 2: Beispielhaftes Ergebnis zur Gewichtung des Industriebedarfs bei der Überarbeitung von VDA 19 (im Themenpunkt „Schwächen der bestehenden VDA 19“).

Abbildung 3: Kickoff-Veranstaltung mit 85 Teilnehmern für den Industrieverbund TecSa 2.0.

Abbildung 4: Der große Einfluss von Kontrast und Grauwertschwelle (roter Stricht) bei der automatisierten Mikroskopie führt zur teils mangelnden Vergleichbarkeit der Analyseergebnisse: links unvollständige Erfassung eines Partikels, rechts vollständige Erfassung).

Abbildung 5: Projektarbeit im Industrieverbund TecSa 2.0 zur Bildung von Bauteilklassen für die klare Zuordnung zu Extraktionsverfahren.

Abbildung 6: Killerpartikel oder nicht, Ausreiser oder Trend, bei der Beurteilung von Sauberkeitsergebnissen setzt ein Umdenken ein.

Abbildung 7: PuriCheck - seriennahes Messsystem zur Überwachung von Partikeln in Bauteilen und Fertigungsprozessen.

Die Automobil- und Zulieferindustrie steht im Bereich der Montage von partikelsensiblen Baugruppen seit vielen Jahren „vor den Toren der Reinraumtechnik“. Mit den heutigen Sauberkeitsgrenzwerten von meist einigen hundert Mikrometern besetzt sie dabei aus Sicht der Reinheitstechnik die Lücke zwischen Reinraumfertigung und konventioneller, unkontrollierter Produktionsumgebung. Der Sauberraum oder die Sauberzone sind Umgebungskonzepte, die sich hier auf breiter Front durchgesetzt haben. Neben der Fertigung von hinreichend technisch sauberen Bauteilen oder Baugruppen spielt bei den weit verzweigten, heute globalen Zuliefernetzwerken ein weiterer Aspekt der Reinheitstechnik eine ganz zentrale Rolle: Die Prüfung der Sauberkeitsqualität, d. h. die messtechnische Erfassung der Technischen Sauberkeit. Hier hat sich seit Jahren das Regelwerk VDA 19 als Standard etabliert und das weit über die Grenzen Deutschlands hinaus. Man kann heute von über tausend Laboren ausgehen, in denen Technische Sauberkeit zur Qualitätssicherung im Automobilbau geprüft wird.

Eine breite Erfahrungsbasis ist entstanden

Neun Jahre ist es nun her, dass das weltweit erste umfassende Regelwerk zur Prüfung der Technischen Sauberkeit von Automobilkomponenten erschienen ist (Abb. 1). Damals ein wichtiger aber auch ein mutiger Schritt, schließlich ist die messtechnische Erfassung von Partikeln eine wesentlich komplexere Prozedur, als bspw. die Prüfung von geometrischen Bauteilmerkmalen und gleichzeitig sind die Einflussfaktoren, die den Wert „Verschmutzung“ bestimmen, sehr vielfältig und entlang des kompletten Bauteil- oder Produktentstehungsprozesses angesiedelt. Die Grundidee der Sauberkeitsprüfung über einen Extraktionsprozess, der die Partikel zunächst vom Prüfteil trennt und der über sog. Abklingmessungen auf das jeweilige Bauteil abgestimmt wird, hat sich dabei bestens bewährt. Bei den verschiedenen möglichen und zugelassenen Analyseverfahren hat sich die automatisierte Mikroskopie weitgehend etabliert und die früher weitaus häufigere Gravimetrie stark in den Hintergrund treten lassen. Es gibt aber auch eine ganze Reihe Probleme, die durch den VDA 19 in seiner bestehenden Form nicht gelöst werden konnten oder Themen, die bisher noch nicht enthalten sind. Gleichzeitig hat sich das Wissen in der betroffenen Branche in den letzten Jahren zu einem breiten aber uneinheitlichen Erfahrungsschatz entwickelt: Die Zeit für eine Überarbeitung der VDA 19 war reif.

Der konkrete Bedarf

Um diesen Überarbeitungsbedarf zu konkretisieren und genau mit den Bedürfnissen der betroffenen Firmen abzugleichen, wurde bereits 2012 am Fraunhofer IPA ein Industrie-Workshop durchgeführt. Dieser für alle Interessenten offene Workshop wurde von 80 Teilnehmern aus 56 Firmenstandorten besucht und spiegelt die Bedürfnisse von Automobilherstellern, Zulieferbetrieben und Dienstleistern rund um die Technische Sauberkeit wieder. Den Schwerpunkt der Veranstaltung bildete, neben zahlreichen Vortragsbeiträgen aus unterschiedlichen Firmen, eine umfangreiche Gruppenarbeit in zehn Einzelgruppen, mit dem Ziel den Überarbeitungsbedarf der VDA 19 in fünf vorgegebenen Themenbereichen zu detaillieren und zu priorisieren:

•    Schwächen der bestehenden VDA 19
•    Neue Techniken
•    Arbeitssicherheit
•    Sauberkeitsgrenzwerte
•    Qualitätswesen

In Abbildung 2 ist exemplarisch ein Ergebnis für den Themenbereich „Schwächen der bestehenden VDA 19“ herausgegriffen:

In diesem Beispiel zeigt sich, dass der Unterpunkt „Vergleichbarkeit von Mikroskopiesystemen“ mit 34 % am höchsten gewichtet wurde. Dieses Workshop-Ergebnis deckt sich wiederum sehr gut mit den Ergebnissen zahlreicher Ringversuche und Laborvergleiche, die in den letzten Jahren durchgeführt wurden und die genau diese mangelhafte Vergleichbarkeit von mikroskopischen Analyseergebnissen aufgedeckt haben.

Auf Basis dieser und aller weiteren Ergebnisse des Workshops wurde vom Fraunhofer IPA ein Projektvorschlag erarbeitet, wie die anstehenden Revisionsthemen strukturiert im Rahmen eines Industrieverbunds abgearbeitet werden können.

Der Industrieverbund TecSa 2.0

Dieser Industrieverbund mit dem Titel „Technische Sauberkeit (TecSa) 2.0“ hat mit dem Kickoff-Treffen am 13.12.2012 seine Arbeit aufgenommen (Abb. 3). Um die anstehenden Themen zu bearbeiten, haben sich insgesamt sieben OEMs, 19 Zulieferbetriebe, 15 Dienstleister oder Hersteller von Gerätschaften für Sauberkeitsanalysen sowie drei Verbände für ein Jahr unter der Leitung des Fraunhofer IPA zusammengeschlossen. Die fachliche Arbeit zur Diskussion der Schwächen der bestehenden VDA 19 und zur Einbindung neuer Themen und Technologien wird in vier Unterarbeitskreisen, den sog. Coreteams, geleistet. Die Themen dieser vier Coreteams „Extraktion“, „Analyse“, „Grenzwerte“ und „Eskalation“ sowie die Inhalte der einzelnen Coreteam-Treffen basieren dabei wieder auf den Ergebnissen der Bedarfsermittlung des offenen Workshops. Weiterhin gibt es arbeitsgruppenunabhängige Thementreffen zu Fragestellungen der Sicherheit und Gesundheit insbesondere bei der Extraktion mit Lösemitteln; ein Thema das durch das neue Berufsbild „Prüfer für Technische Sauberkeit“ stark in den Fokus gerückt ist.

Das gemeinsame Ziel

Trotz der großen Themenvielfalt, die es zu bearbeiten, zu diskutieren und zu vereinheitlichen gilt, ist es das Ziel, die Revisionsarbeiten innerhalb von 18 Monaten soweit abzuschließen, dass die Grundlage für ein konsensfähiges Dokument gelegt ist, das beim VDA QMC eingereicht werden soll und als Basis für eine neubearbeitete und erweiterte Auflage des VDA Band 19 dient.

Die Motivation für diese  Arbeit und das hohe Engagement der beteiligten Industriepartner ist dabei:

•    Eine höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen zu erzielen
•    Einen besseren Gesundheitsschutz des Prüfpersonals zu gewährleisten
•    Die Einarbeitung weiterer Messgrößen oder Analyseverfahren, wenn ein konsensfähiger Bedarf dafür besteht
•    Vereinheitlichte Wege zur Erstellung von Grenzwerten aufzuzeigen, ein bisher nicht in der VDA 19 enthaltener Aspekt
•    Vorgehensweisen zum Umgang mit Sauberkeitswerten im Qualitätswesen beispielweise bei der Überschreitung von Grenzwerten und den daraus folgenden Maßnahmen zu beschreiben, was ebenfalls über den bisherigen Umfang des Regelwerks hinausgeht.

Der Anspruch bei dieser Revisionsarbeit ist dabei, die VDA 19 als Regelwerk „vom Anwender für den Anwender“ weiter zu entwickeln, also sowohl fachlich kompetent und technologisch auf dem Stand der Zeit zu sein als auch praxisorientiert, d. h. die Umsetzbarkeit und die Kosten gerade auch aus dem Blickwinkel von kleineren Zulieferfirmen stehen stets mit im Fokus der Diskussionen. Die Koordination des Verbundes durch ein neutrales Institut, das Fraunhofer IPA in Stuttgart, gewährleistet weiterhin eine interessens- und herstellerunabhängige Lösungsfindung.

Vergleichbarkeit ist unverzichtbar

Ein Beispiel für die laufende fachliche Arbeit soll ein exemplarischer Blick ins Coreteam „Analyse“ geben: Aufgrund der hohen Priorisierung der „Vergleichbarkeit Mikroskopiesysteme“ (siehe Abb.2) war dieser Punkt das Thema des ersten Coreteam-Treffens. Hier wurden intensiv zwei Ansätze diskutiert, die in den letzten Jahren in einem Arbeitskreis zur Öl-Sauberkeit unter der Leitung von BMW und Volkswagen entwickelt wurden: Der erste Punkt ist die Vermeidung einer zu hohen Filterbelegung und damit des Risikos, dass Partikel sich berühren oder überlappen, so dass sie von der Bildverarbeitung im Mikroskop nicht mehr getrennt werden können. Hierbei könnte eine maximal zulässige Belegung der Filterfläche, die dann automatisiert mit den Mikroskopen überprüft wird, ein vielversprechender Ansatz sein. Der zweite Punkt betrifft einen vereinheitlichten Algorithmus zur Ausleuchtung des Analysefilters und zur Festlegung der Grauwertschwelle, beides Punkte, die einen großen Einfluss auf die Anzahl und Größenvermessung von Partikeln auf dem Analysefilter haben (siehe Abb. 4). Die intensive Erörterung der Thematik ergab für beide Ansätze ein sehr hohes Potential für die Anwendung im Bereich der Technischen Sauberkeit, so dass auf dieser Basis ein Vorschlag erarbeitet wird, der dann in das entsprechende Kapitel in der VDA 19 aufgenommen werden soll.

Ein weiteres Problem bei der Vergleichbarkeit der Ergebnisse von Bauteilsauberkeitsanalysen ist die „Freiheit der Extraktionsparameter“. Aber nicht nur die Parameter wie Volumenstrom oder Ultraschallleistungsdichte, sondern bereits die Auswahl des Extraktionsverfahrens selbst (Spritzen, Ultraschall, Spülen oder Schütteln), bleibt bisher vollständig dem Anwender überlassen. Um für die überarbeitete VDA 19 eine Entscheidungsmatrix zu erstellen, die es dem Anwender ermöglichen soll, das geeignete Extraktionsverfahren für seine Prüfaufgabe zu wählen, wurde im Rahmen des Unterarbeitskreises „Extraktion“ eine umfangreiche Bewertung durchgeführt. Die 40 Teilnehmer des Arbeitstreffens bekamen die Aufgabe, innerhalb einer Stunde 50 verschiedene Bauteile hinsichtlich des geeigneten Extraktionsverfahrens zu bewerten. Die Auswahl erfolgte durch das Aufkleben verschiedenfarbiger Punkte auf den Bauteilen (siehe Abb. 5). Was auf den ersten Blick vielleicht wie eine Gruppenanimation auf einem Kreuzfahrtschiff anmuten mag, zeigt einen der herausragenden Vorteile der Revisionsarbeit in einem Industrieverbund. Durch die gemeinsame Arbeit von 40 Sauberkeitsexperten konnte in nur einer Stunde ein Überblick generiert werden, der sonst auf der Basis von Überlegungen, Fragebogenaktionen und Fachdiskussionen mehrere Monate für die Erstellung benötigen würde. Das Ergebnis dieser Analyse ist die Einteilung von Automobilteilen in acht Gruppen (je nach Größe, Komplexität und Lage der sauberkeitsrelevanten Flächen), die bestimmten Extraktionsverfahren oder einer Kombination mehrerer Verfahren zugeordnet werden können.

Der „Killer-Partikel“ wird hinterfragt

Neben vielen wichtigen Punkten, die auf der Liste der Überarbeitungen stehen, sticht eine Thematik besonders hervor, die in der bisherigen VDA 19 nicht enthalten war: Die Erstellung von Grenzwerten und die Maßnahmen bei deren Überschreitung. Als man vor mehr als zehn Jahren mit den Diskussionen zur Technischen Sauberkeit begann und die Grundsteine für die heutige VDA 19 gelegt hatte, wurde der Begriff des „Killerpartikels“ – eine Terminologie, die aus der Halbleiterindustrie stammt – in die Qualitätswelt der Automobileindustrie übernommen (siehe Abb. 6). Die Idee, die dahinter steckte, war einfach und einleuchtend: Ein Schmutzpartikel, das eine kritische Größe überschreitet und sich an einer sensiblen Stelle eines Fluid-Systems im Automobil befindet, führt dort unweigerlich zu einer Fehlfunktion und „killt“ das System, z. B. durch Blockierung eines Ventils oder Verstopfen einer Einspritzdüse. Die Folge waren Sauberkeitsgrenzwerte, die sowohl von der Formulierung als auch von der Reaktion auf Überschreitungen sehr streng waren. War in einem Sauberkeitsgrenzwert das maximal zulässige Partikel 200 µm, dann war eindeutig jedes größere Partikel ein Killerpartikel und führte zu einem niO-Befund für das untersuchte Bauteil – die betroffene Bauteil-Charge wurde gesperrt oder eine industrielle Teilereinigungsanlage wurde nicht abgenommen.

Heute, mit der Erfahrung aus vielen Tausenden von Sauberkeitsanalysen, hat bei den führenden Automobilherstellern Audi, BMW, Daimler, Porsche und Volkswagen, die sich am Industrieverbund TecSa 2.0 aktiv beteiligen, ein Umdenken stattgefunden. Grund dafür sind zwei Punkte, die in den letzten Jahren ins Bewusstsein von Entwicklern und Qualitätsverantwortlichen gerückt sind:

•    Im Gegensatz zu anderen qualitätsrelevanten Größen, wie etwa dem Durchmesser einer Bohrung oder eine andere Maßhaltigkeit, werden Schmutzpartikel nicht gezielt mit einer bestimmten Länge hergestellt, sondern fallen bspw. in der Bearbeitung mit einer großen Streuung an. Eine Zerspanung in einem Großserieneinsatz, als Beispiel, lässt sich nicht so beherrschen, dass Späne nur bis zu einer Länge von exakt 200 µm anfallen. Auch die Badaufbereitung und Filtration in Reinigungsanlagen, ist nie so präzise und trennscharf.

•    Auf der anderen Seite hat sich gezeigt, dass Systeme im Automobil nicht immer sofort und zwangsläufig ausfallen, wenn sich ein einzelnes Partikel im System befindet, das nicht der Sauberkeitsspezifikation entspricht, auch wenn die Wahrscheinlichkeit für einen Ausfall steigt. In einem hydraulischen System mit sich öffnenden und schließenden Ventilen muss neben der Größe des Partikels eben auch Ort und Zeitpunkt stimmen, um zu einem Verklemmen zu führen.

Im Rahmen des Industrieverbunds TecSa 2.0 wird in zwei Unterarbeitskreisen, sog. Coreteams, intensiv darüber diskutiert, wie diese Punkte in Sauberkeitsspezifikationen und Reaktionsplänen angemessen berücksichtigt werden können. Sicher ist schon jetzt: In der überarbeiteten VDA 19 werden neue Kapitel oder Passagen zu dieser Thematik enthalten sein.

Verständnis ist gefragt

Dies bedeutet aber nicht, dass die Beherrschung der Technischen Sauberkeit dadurch weniger wichtig wird, ganz im Gegenteil, schließlich werden immer mehr Systeme und Bauteile mit Sauberkeitsvorgaben belegt, nur der Blickwinkel auf das Thema verschiebt sich etwas. Führte man in der Vergangenheit im Kunden-Lieferanten-Verhältnis sehr oft wenig konstruktive Diskussionen um das „letzte µ“, so wird zukünftig das Verständnis und die Kontrolle über den Sauberkeitszustand der Prozesse und Prozessketten mehr in den Fokus treten. Hier können die bisherigen, sehr präzisen aber auch langwierigen, teuren und zeitverzögerten Laboranalysen nach VDA 19 nur bedingt weiter helfen. Neue, schnelle und kostengünstige Partikelüberwachungssysteme, die vielleicht nicht dieselbe hohe Präzision aufweisen müssen, die aber in der Fertigung oder fertigungsnah einsetzbar sind, werden erforderlich werden.

Ein technologischer Ansatz, der beim Fraunhofer IPA in Stuttgart unter dem Namen „PuriCheck“ entwickelt wurde, bekommt mit diesem neuen Trend eine hohe industrielle Relevanz (Abb. 7). Die Idee dahinter, Partikel im Medienstrom über ein Analysesieb zu fangen und über eine integrierte Kamera und Bildverarbeitung zu vermessen, hat sich bereits in mehreren Pilotanwendungen bestens bewährt. Weiteres Potential besteht in der Nachrüstung an Extraktionskammern für die Bauteilsauberkeitsbestimmung, wie dies auf der diesjährigen parts2clean vorgestellt wird. Somit können Extraktion und mikroskopische Analyse in einem Arbeitsgang durchgeführt werden und bspw. der Stichprobenumfang bei der Sauberkeitsanalyse deutlich erhöht werden. Durch die Firma Nägele Mechanik, ein schwäbisches, mittelständisches Unternehmen, das schon seit vielen Jahren Projekte zu Partikelfragestellungen in der Automobilindustrie betreut, wird das System nun zur finalen Marktreife entwickelt. Für den Firmen-Chef Ulf Nägele steht dabei folgendes im Vordergrund: „Ich sehe mit diesem Produkt eine sehr gute Möglichkeit, die Qualitätsgröße Sauberkeit in der Automobil- und Zulieferindustrie nicht nur im Labor zu messen, sondern in der Produktion zu beherrschen. Das Hauptaugenmerk bei den aktuellen Entwicklungsschritten gilt der Robustheit der Konstruktion. Nur ein zuverlässiges und einfach zu bedienendes Sensorsystem wird in der Industrie auf Akzeptanz stoßen.“

Kurz vor Fertigstellung

Die fachlichen Arbeiten im Rahmen des Industrieverbunds TecSa 2.0 stehen kurz vor dem Abschluss. Ein erster Entwurf für das neue Regelwerk wird Ende Juni 2014 den Teilnehmern des Industrieverbunds vorgestellt. Nach der sog. „Gelbdruckphase“, die im September 2014 beginnen soll, erfolgt nach der Bearbeitung von evtl. Eingaben der „Rotdruck“, so dass Anfang 2015 mit dem offiziellen Erscheinen der neuen VDA 19 gerechnet werden kann. Bereits am 28.10.2014 wird das Fraunhofer IPA in einer für alle Interessenten offenen Veranstaltung die Inhalte des überarbeiteten Standards detailliert dem interessierten Fachpublikum außerhalb des Industrieverbunds vorstellen.