Mit CO2-Schnee trocken und prozesssicher im Reinraum reinigen

Die Qualität des Reinigungsstrahls lässt sich mit Sensoren überwachen und in einen digitalen Wert übertragen, der jedem einzelnen Teil zugeordnet und für dieses gespeichert und dokumentiert werden kann. (Bildquelle: acp systems AG) / The quality of the cleaning jet can be monitored with sensors and converted into a digital value which is assigned to each individual part and then stored and documented. (Photo source: acp systems AG)

Das in verkettete Produktionsumgebungen integrierbare quattroClean-System ermöglicht die partielle oder ganzflächige Abreinigung partikulärer und filmischer Kontaminationen von praktisch allen technischen Werkstoffen in reinen Umgebungen. (Bildquelle: acp systems AG) / The quattroClean system, which can be integrated into networked manufacturing environments, enables the partial or full-surface removal of particulate and filmic contamination from practically all technical materials in clean environments. (Photo source: acp systems AG)

Durch aus elektropoliertem Edelstahl gefertigte Innenwände verfügen die Anlagen über sehr glatte und gut zu reinigende Oberflächen. (Bildquelle: acp systems AG) / The inner walls are made of electropolished stainless steel, thus ensuring extremely smooth and easy-to-clean surfaces. (Photo source: acp systems AG)

Bei dem für eine Anwendung in der Medizintechnik ausgelegte und in einen Reinraum integrierte quattroClean-System führt ein Roboter die Teile dem Strahlprozess zu. (Bildquelle: acp systems AG) / In a quattroClean system designed for a medical device application and integration into a cleanroom, a robot feeds the parts to the jet-cleaning process. (Photo source: acp systems AG)

Für die Reinigung von Sensoren wurde der CO2-Schneestrahlprozess in ein Standardmodul integriert. Es ist mit einer Reinluftversorgung sowie einer Medienaufbereitung für das flüssige Kohlendioxid und die Druckluft ausgestattet. (Bildquelle: acp systems AG) / To clean sensors, the CO2 snow jet system was integrated into a standard module featuring a clean air supply and a media preparation system for the liquid carbon dioxide and compressed air. (Photo source: acp systems AG)

Als essentieller Qualitätsfaktor der Fertigung ist die Bauteilreinigung unverzichtbar und immer häufiger sind Reinigungsprozesse in einer reinen Umgebung durchzuführen. Die bewährte quattroClean-Technologie bietet dabei hinsichtlich Verfahren, Auslegung, Prozesssicherheit und Automatisierbarkeit Vorteile.

Ob Automobil- und Zulieferindustrie, Optik, Medizintechnik, Halbleiterindustrie oder Mikrotechnik – Reinigungsprozesse zählen in zahlreichen Industriebereichen zu den Schlüsseltechnologien, um die Qualität und Funktionalität von Produkten sicherzustellen. Die Sauberkeitsanforderungen variieren dabei aufgrund des Produkts, der Fertigungsphase und des nächsten Schritts in der Produktionskette, beispielsweise Beschichten, Bonden, Montage oder Verpacken. Zunehmend sind Reinigungsprozesse in reinen Umgebungen beziehungsweise in einem Reinraum erforderlich.

Die modular aufgebaute quattroClean-Schneestrahltechnologie der acp systems AG hat sich bei diesen Reinigungsaufgaben als leistungsfähig, prozesssicher und wirtschaftlich erwiesen. Sie ersetzt daher immer häufiger klassische Verfahren wie beispielsweise die nass-chemische Reinigung. Gründe dafür sind unter anderem, dass das Reinigungssystem deutlich weniger Produktionsfläche benötigt und geringere Investitions- und Betriebskosten verursacht.

Vier Effekte für rückstandsfrei saubere Oberflächen

Das Verfahren nutzt flüssiges, unbegrenzt haltbares und nicht korrosives Kohlendioxid als Reinigungsmedium. Es entsteht als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen und der Energiegewinnung aus Biomasse und ist deshalb umweltneutral.

Herzelement des Reinigungssystems ist eine verschleißfreie Zweistoff-Ringdüse. Durch diese wird das nicht brennbare und ungiftige Kohlendioxid geleitet. Beim Austritt aus der Düse entspannt das Kohlendioxid zu feinem CO2-Schnee, der von einem separaten, ringförmige Druckluft-Mantelstrahl gebündelt und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Trifft der minus 78,5°C kalte und gut fokussierbare Schnee-Druckluftstrahl auf die zu reinigende Oberfläche kommt es zu einer Kombination aus thermischem, mechanischem, Sublimations- und Lösemitteleffekt. Das Zusammenspiel dieser vier Wirkmechanismen entfernt partikuläre und filmische Verunreinigungen, beispielsweise Mikrospäne, Staub, Abrieb, Reste von Bearbeitungsmedien, Polierpasten, Trennmitteln, Silikonen, Flussmitteln und Schmauchspuren prozesssicher und reproduzierbar. Abgelöste Verunreinigungen werden durch die aerodynamische Kraft der Druckluft weggeströmt und durch eine integrierte Absaugung entfernt. Das kristalline Kohlendioxid geht während der Reinigung vollständig in den gasförmigen Zustand über, das Reinigungsgut ist daher sofort trocken. Abgelöste Verunreinigungen werden durch die aerodynamische Kraft der Druckluft von der Bauteiloberfläche abgeführt und zusammen mit dem sublimierten Kohlendioxid aus dem Reinigungsmodul abgesaugt.

Die Reinigung erfolgt materialschonend, so dass auch empfindliche und fein strukturierte Oberflächen behandelt werden können. Das trockene Reinigungsverfahren eignet sich für Werkstücke aus praktisch allen technischen Werkstoffen und Materialkombinationen.

Ganzflächige oder partielle Reinigung mit homogener Leistung

Durch seine Skalierbarkeit lässt sich das quattroClean-System einfach und platzsparend an unterschiedliche Bauteilgeometrien für eine partielle oder ganzflächige Reinigung anpassen. Je nach Aufgabenstellung kommen eine oder mehrere Einzeldüsen beziehungsweise ein Düsenarray zum Einsatz. Die patentierte Technologie stellt dabei auch bei großen Flächen eine homogene Reinigungsleistung sicher.

Alle Prozessparameter wie Volumenströme für Druckluft und Kohlendioxid, Anzahl der strahlenden Düsen, Strahlbereich und -zeit werden durch Versuche im Technikum der acp systems exakt an die jeweilige Applikation, die Materialeigenschaften sowie die zu entfernenden Verunreinigungen angepasst. Sie können als teilespezifische Programme in der Anlagensteuerung hinterlegt werden.

Für eine gleichbleibend hohe Prozessqualität können die Düsen einzeln hinsichtlich CO2- und Druckluftzufuhr sowie Strahlkonsistenz und -Dauer überwacht und die ermittelten Werte automatisch gespeichert werden. Die CO2-Konzentration im Bereich des an die Fertigungsumgebung angrenzenden Ein- und Auslaufs der Anlage lässt sich mit weltweit zertifizierten Sensoren überwachen.

Systeme für die manuelle, teil- und vollautomatisierte Reinigung

Maßstab für die Konzeption der Anlagen sind die jeweiligen Anforderungen an Sauberkeit und Taktzeit. Auf dieser Basis realisiert acp systems auf Standardmodulen basierende, maßgeschneiderte, manuelle, teil- und vollautomatisierte Anlagenkonzepte – sowohl als Standalone-Lösungen als auch für die Fertigungsintegration und für verkettete Produktionsumgebungen. Letzteres wird durch die Industrie 4.0-Kompatibilität des Systems möglich. Die Anlage lässt sich durch standardisierte Schnittstellen einfach in übergeordnete Leitrechner einbinden und über diese steuern. Für eine lückenlose Dokumentation und Nachverfolgbarkeit werden sämtliche Prozessparameter automatisch erfasst, gespeichert und an den Leitrechner übergeben.

Unterschiedliche Konzepte zur reinraumgerechten Auslegung

Wird in einer reinen Umgebung produziert, geht es bei der Reinigung grundsätzlich darum, keine Verschmutzungen aus der Umgebung zuzulassen beziehungsweise in die Umgebung abzugeben und eine Rekontamination des Bauteils zuverlässig zu vermeiden. Bei Anlagen für diese Anwendungen erfolgt die Integration einer entsprechenden Aufbereitung für das flüssige Kohlendioxid und die Druckluft. Die Luftzufuhr, Absaugung und Ausstattung, beispielsweise Komponenten für die Automatisierung und deren Platzierung, werden jeweils auf die entsprechende Reinraumklasse abgestimmt. Ein Augenmerk bei der Konzeption Reinigungsmoduls liegt auch auf der Schaffung optimaler Strömungsverhältnisse, um einen schnellen und zuverlässigen Abtransport entfernter Verunreinigungen sicherzustellen. Die Anpassung der Anlage an die kundenspezifischen Reinheitsanforderungen und räumlichen Gegebenheiten erfolgt durch unterschiedliche Lösungen.

Die wirtschaftliche Lösung: Clean-Machine-Konzept

Für Anwendungen, bei denen nur die Reinigung unter reinen Bedingungen erfolgen muss, bietet sich das so genannte Clean-Machine-Konzept an. Diese Anlagen sind dafür mit einer Kapselung ausgestattet, in welche die Reinluftversorgung integriert ist. Ein angepasster Überdruck im Reinigungsmodul verhindert, dass mit Verunreinigen kontaminierte Luft von aus der Umgebung angesaugt wird. Durch die Fertigung aus elektropoliertem Edelstahl verfügen diese Anlagen innen über sehr glatte Oberflächen, die gut zu reinigen sind.

Diese Lösung nutzt unter anderem ein Sensorhersteller, um Partikel von empfindlichen Sensoren vor dem Verpacken abzureinigen. Die Beschickung der Anlage erfolgt durch eine nach dem Poka Yoke Prinzip gestaltete Schubladeneinheit, in die Trays mit schmutzigen Sensoren in einer definierten Position eingestellt werden. Sobald die jeweilige Schublade in Position ist, entnimmt eine an einer Lineareinheit platzierte, spezifische Aufnahme zwei Sensoren und transportiert diese in die Reinigungseinheit, wo sie von einem speziellen Greifmechanismus übernommen werden. Anschließend strahlen jeweils zwei Düsen in einem definierten Winkel auf die Sensoren, die sich während des Reinigungsprozesses drehen. Abgereinigte Partikel werden sofort und gezielt über ein Abluftmodul aus der Reinigungszelle entfernt. Nach der Reinigung übergibt der Greifmechanismus die Sensoren wieder an die Linearaufnahme. Dabei wird strikt zwischen “Schmutzig“- und „Sauberteilen“ getrennt, um eine Rekontamination nach der Reinigung auszuschließen. Die Sensoren werden über ein zweites Schubladensystem zugeführte, Reinteiletrays abgelegt.

Anwendungen im Reinraum

Über eine vollständige Kapselung verfügen auch Anlagen, die in einen Reinraum integriert werden. Die Reinluftversorgung erfolgt hier mit Unterdruck.  Die Luft wird dadurch aus dem Reinraum angesaugt und über die integrierte Absaugung des Reinigungsmoduls abgeführt. Dies verhindert, dass Partikel oder andere Verunreinigungen in den Reinraum gelangen.

Diese Lösung kommt beispielsweise bei einem Medizintechnikhersteller für die Reinigung von Stents zum Einsatz. Eine Herausforderung dabei bestand in der optimalen Abstimmung des Reinigungsprozesses auf die sehr filigrane Komponente. Der Stent muss einerseits während der Reinigung sicher gehalten, andererseits müssen Deformationen ausgeschlossen und eine zuverlässige Entfernung anhaftender Partikel und filmischer Rückstände sichergestellt werden. Dies gelang durch die Entwicklung einer speziellen Teileaufnahme, die von einem Roboter dem Reinigungsstrahl zugeführt wird.
Sehr hohe Anforderungen an die reinraumgerechte Ausstattung der Reinigungsanlage stellte ein Hersteller von Lithographiesystemen für die Halbleiterindustrie. So wurde unter anderem die Medienaufbereitung für die Druckluft und das flüssige Kohlendioxid mit speziellen Filtrationssystemen ausgestattet, die eine partikel- und kohlenwasserstofffreie Medienversorgung gewährleisten. Die Absaugung für die entfernten Verunreinigungen und das sublimierte CO2 ist als dreistufiges Filtersystems ausgeführt.

Die in den Reinraum integrierte Anlage wird für die Reinigung einer optischen Komponente für die EUV- (extrem ultraviolette Strahlung) Lithographie eingesetzt, die sehr stark mit Anhaftungen und Schmauchspuren verschmutzt ist. Die Reinigung erfolgt mit einer Düse. Sie wird von einem Roboter nach einem festgelegten Bewegungsablauf in genau definiertem Abstand über die zu reinigende Oberfläche bewegt. Im Vergleich zum vorher eingesetzten nasschemischen Prozess konnte die Reinigungszeit signifikant verringert werden und es werden keine Chemikalien und kein Wasser mehr benötigt. Darüber hinaus erfolgt die Reinigung schonender und mit besserem Ergebnis.