Prozessüberwachung von industriellen Teilereinigungsanlagen

Partikel gefräst © BIDAG

Die Technische Sauberkeit, bezogen auf eine Partikelreinheit im Sinne der VDA 19, ist heute ein entscheidendes Qualitätsmerkmal bei der Fertigung von komplexen Komponenten in der Automobilindustrie. Besonderes Interesse zeigen dabei die Hersteller von Fahrerassistenz- und Sicherheitssystemen vorrangig bei Elektronikkomponenten und in fluidführenden Systemen. Da eine Reinraumherstellung in der Automobilindustrie bedingt durch die hier eingesetzten, überwiegend spanenden Fertigungsverfahren kaum umgesetzt werden kann, ist man auf eine Schlussreinigung aller Komponenten angewiesen. So sind in den vergangenen Jahren viele Hersteller von Reinigungsanlagen auf den Markt getreten. Die Weiterentwicklung der Reinigungskonzepte, vom Industriereiniger bis hin zur hochmodernen nummerisch gesteuerten Reinigungsanlage, wurde von den steigenden Anforderungen der Automobilindustrie angetrieben.

Doch wie hoch ist der Reinigungsgrad einer solchen Anlage? Welches Merkmal sollte für die Regelkarte als Fähigkeitsüberwachung einer Reinigungsanlage herangezogen werden? Die Anforderungen der Automobilindustrie bewegen sich zunehmend weg von gravimetrischen Sauberkeitsvorgaben hin zu Vorgaben von maximal zulässigen Partikelgrößen. Führt man sich vor Augen, dass das Schädigungspotential einer Verunreinigung in den meisten Fällen viel mehr von der Länge und der Breite, als größte und zweitgrößte Dimension eines Partikels, weniger von der Summe aller Partikel unabhängig von deren Morphologie ausgeht, wird deutlich warum eine gravimetrische Restschmutzerfassung kaum mehr benötigt wird. Der Reinigungsprozess einer industriellen Teilereinigungsanlage hat jedoch nahezu ausschließlich einen Einfluss auf die Gesamtverschmutzung eines Bauteils. So kann die Reinigungsintensität über Ultraschallparameter, Temperatur oder die Zeit beeinflusst werden. Die Partikelgröße als solche lässt sich dagegen nicht über direkt ansteuerbare Parameter beeinflussen. Alleine die Porengröße der eingesetzten Filter, über die das flüssige Reinigungsmedium kontinuierlich geleitet wird, kann als Einflussfaktor für die im Bad verbleibenden Partikelgrößen definiert werden.

Für die Überwachung der Reinigungsanlage kommt demzufolge auch weiterhin ausschließlich das gravimetrische Ergebnis der Sauberkeitsuntersuchung in Betracht. Die Differenz der Masse eines mit Restschmutzpartikeln belegten Analysefilters zu dessen Masse vor der Extraktion sollte für eine zuverlässige Erfassung 1mg nicht unterschreiten. Bei der gravimetrischen Untersuchung unter nicht klimaüberwachten Umgebungsbedingungen werden sogar 3mg Schmutzmasse in den Regelwerken VDA 19 und ISO 16 232 empfohlen. Um einen Analysefilter mit einer derart hohen Schmutzmasse zu belegen, bedarf es einer meist sehr hohen Stichprobenmenge der für die Sauberkeitsuntersuchung bereitgestellten Musterteile da diese nach dem Reinigungsprozess in der Regel einen hochsauberen Zustand aufweisen. Ist der Analysefilter mit einer für die gravimetrische Bestimmung der Schmutzmasse ausreichenden Partikelanzahl belegt, ist eine Erfassung einzelner Restschmutzpartikel aufgrund von Überlagerungen kaum mehr möglich. Die Länge eines Restschmutzpartikels als wichtigstes Merkmal zur Einschätzung dessen Schädigungspotentials, kann auf einem solchen Filter nicht mehr erkannt werden. Wichtige Informationen gehen so bei der Sauberkeitsuntersuchung verloren. Um diese dennoch zu erfassen, ist in den meisten Fällen eine zweite Analyse erforderlich bei der deutlich weniger Bauteile zur Prüfung herangezogen werden müssen. Eine Sauberkeitsuntersuchung ist im Vergleich zu anderen Prüfmethoden im Qualitätswesen der Automobilhersteller mit einem sehr hohen Aufwand verbunden. Daraus resultierend ist die Sinnhaftigkeit einer doppelten Prüfung zu überdenken.

Die notwendige Ermittlung des Schädigungspotentials eines Partikels macht es erforderlich die Art der Filterbelegung so zu gestalten, dass einzelne Partikel in ihrer Morphologie erfasst werden können. Dies kann jedoch nahezu ausschließlich auf Kosten der Möglichkeit einer parallelen Maschinenüberwachung über das gravimetrische Ergebnis einer Sauberkeitsuntersuchung erfolgen.

So stellt sich die Frage nach einer geeigneten und kostengünstigen Lösung für die Überwachung von industriellen Teilereinigungsanlagen. Auf die Möglichkeit einer chemischen Überwachung der Reinigungsmedien sei an dieser Stelle lediglich hingewiesen. Dazu stehen für verschiedene Medien unterschiedliche Testmittel zur Verfügung. Da die Reinigungswirkung einer Anlage jedoch von einer Vielzahl weiterer Parameter beeinflusst wird, soll diese Möglichkeit hier nicht weiter ausgeführt werden. Entscheidend ist letztendlich die Anzahl und Größe der nach der Reinigung auf einer Komponente verbliebenen Partikel. Aufgrund der hohen Streuung der maximalen Länge eines jeweils bei einer Sauberkeitsuntersuchung detektierten größten Partikels, ist die statistische Überwachung mit Hilfe von Regelkarten kaum mehr zu erreichen.

Einige Hersteller von industriellen Reinigungsanlagen bieten eine automatisierte Sauberkeitsprüfung im Anschluss an den Reinigungsprozess an. Dabei werden stichprobenartig gereinigte Komponenten vollautomatisch extrahiert. Auf diese Weise kann die Fähigkeit der Reinigungsanlage während des laufenden Prozesses überprüft werden. Ein zeitnahes Eingreifen bei einer Abweichung vom Sollzustand wird dadurch ermöglicht. Ob eine Investition in diese doch relativ aufwändige Lösung gerechtfertigt ist, muss im Einzelfall entschieden werden.

Ein anderer Lösungsansatz ist die kontinuierliche Überwachung des Reinigungsmediums mit Hilfe eines Flüssigkeitspartikelzählers. Während des Reinigungsvorgangs werden die vom Bauteil gereinigten Partikel jedoch über dieses Medium abtransportiert, sodass in dem Stadium zwangsläufig ein Anstieg der Partikelanzahl zu verzeichnen ist. In Abhängigkeit von der Filtrationsrate wird es im Anschluss an den Reinigungsprozess zu einer Verringerung der Partikelanzahl kommen. Da der Wert infolge dessen mit sehr starken Streuungen behaftet ist, stellt sich die Frage nach einer geeigneten Grenzwertfestlegung bezüglich einer maximal in dem Reinigungsmedium zulässigen Partikelanzahl und Größe.

Die derzeit aussagefähigste Möglichkeit bietet jedoch die Überwachung mit Hilfe von Testpartikeln, wie sie zur Ermittlung der Wiederfindungsrate bei der Extraktion einer Sauberkeitsuntersuchung in der revidierten Auflage der VDA 19 beschrieben werden. Dabei handelt es sich um Späne, welche definiert in den in dem Regelwerk aufgeführten Größenklassen hergestellt werden. Die zu reinigenden Komponenten können mit einer vorab festgelegten Anzahl dieser Partikel kontaminiert werden. Durch eine Sauberkeitsuntersuchung lässt sich die Anzahl der nach der Feinstreinigung auf dem Bauteil verbliebenen Partikel bestimmen. Über die Differenz der Partikelanzahl in den einzelnen Größenklassen kann somit ein prozentualer Grad der Reinigungsintensität verschiedener Partikelgrößen berechnet werden.