Überprüfung der Technischen Sauberkeit mithilfe eines Oberflächenpartikelzählers mit Streiflichttechnologie

Abbildung 1: Direkte Messung des Bauteils. Zu erkennen sind die Bearbeitungsspuren durch das Walzen.

Abbildung 1: Direkte Messung des Bauteils. Zu erkennen sind die Bearbeitungsspuren durch das Walzen.

Abbildung 2: Abklatsch an vordefinierter Stelle zur Ermittlung einer Abklingkurve (links); ermittelte Abklingkurve (rechts)

Abbildung 2: Abklatsch an vordefinierter Stelle zur Ermittlung einer Abklingkurve (links); ermittelte Abklingkurve (rechts)

Abbildung 2: Abklatsch an vordefinierter Stelle zur Ermittlung einer Abklingkurve (links); ermittelte Abklingkurve (rechts)

Rohdaten Abklingkurve

Ressourcen zu schonen ist ein zentrales Thema unserer Gesellschaft. In diesem Kontext geht die Entwicklung bei vielen Bauteilen und Komponenten zu immer weniger Materialeinsatz und immer kleineren Strukturen. Dementsprechend sensibler werden die Bauteile, so dass die Anforderungen an die Bauteilsauberkeit steigen, um eine einwandfreie Funktion zu gewährleisten. Bei der Bauteilsauberkeit muss unterschieden werden zwischen der Technischen Sauberkeit und der Optischen Sauberkeit. Die Technische Sauberkeit bezieht sich auf Verunreinigungen, welche funktionskritisch sind, während die Optische Sauberkeit Verunreinigungen meint, welche die optische Anmutung beeinträchtigen.

Der aus der Automobilindustrie bekannte Standard VDA 19 sowie der daraus erarbeitete „Leitfaden Technische Sauberkeit in der Elektrotechnik“ des ZVEI sind ein hilfreiches Werkzeug zur Beurteilung der Technischen Sauberkeit. In der Automobilindustrie waren in der Vergangenheit Partikel häufig überhaupt erst interessant, wenn sie mindestens 50 µm groß sind. Bei Getrieben und Antriebswellen sind Partikel vielerorts erst ab 600 µm als kritisch zu bewerten. Die PMT GmbH bekommt jedoch immer häufiger Anfragen, in denen es darum geht, Partikel kleiner als 50 µm ebenso zuverlässig zu detektieren. Bewährt hat sich dazu die in der ISO 14644-9 genannte Streiflichttechnologie. Dabei wird Licht nahezu planparallel zur Oberfläche eingestrahlt. An jeder Erhebung wird Licht reflektiert und gestreut. Selbst Partikel von wenigen Mikrometern Größe können so sicher detektiert werden. Praktische Anwendung findet das Messprinzip im Gerät „PartSens 4.0“ der Firma PMT Partikel-Messtechnik GmbH.

Die Probenpräparation erfordert keine Nassextraktion. Je nach Oberflächengeometrie und  -beschaffenheit kann das Bauteil direkt beprobt oder die Partikel trocken extrahiert werden. Dadurch eignet sich diese Methode hervorragend für alle Bauteile, die nicht feucht werden dürfen, ortsfest sind oder für die aus anderen Gründen keine Nassextraktion infrage kommt. Sie stellt somit eine sehr gute Alternative bzw. Ergänzung zur klassischen Nassextraktion und Standardanalyse nach VDA-19 dar.

Exemplarisch sollen hier zwei Anwendungen aus der Praxis vorgestellt werden. In Beispiel 1 geht es um die Beurteilung der Sauberkeit von gewalzten Metallplatten und Metallfolien. Die Herausforderung besteht darin, in möglichst kurzer Zeit valide Aussagen über die durchschnittliche Kontamination treffen zu können. Dies ermöglicht im Routinebetrieb eine sichere Identifikation negativer Trends, beispielsweise steigende Partikelanzahlen durch Verschleiß der Maschinen. Eine direkte Messung auf der Oberfläche bietet sich aufgrund der Walzstrukturen nur bedingt an, da sie einen hohen Bias mit sich bringt. Besser geeignet ist die trockene Partikelextraktion mittels adhäsiver Pads.

Um die Tauglichkeit des Extraktionsverfahrens zu verifizieren, schreibt die VDA 19 die Ermittlung einer Abklingkurve vor. Hierbei wird das Bauteil sechs Mal hintereinander im Spülkabinett gereinigt. Die Anzahl extrahierter Partikel darf beim sechsten Mal nicht größer als 10 % der Anzahl aus Extraktion 1 sein. In Anlehnung an dieses Vorgehen wurde das Bauteil sechs Mal hintereinander an derselben Stelle abgeklatscht und eine Abklingkurve ermittelt. Wie das nachstehende Diagramm in Abbildung 2 zeigt, kann diese Methode als geeignet bezeichnet werden.

Beispiel 2 verdeutlicht eindrucksvoll die Rolle des Menschen in Reinräumen. Untersucht wurden zwei verschiedene Arbeitsplätze. Arbeitsplatz 1 befand sich in einem ISO 7 Reinraum mit turbolenter Luftströmung. Arbeitsplatz 2 befand sich in einem ISO 6 Reinraum mit laminarer Luftströmung. Zusätzlich war Arbeitsplatz 2 vom Gang abgeschirmt, indem von der Decke Plexiglas bis etwa 50 cm oberhalb der Arbeitsfläche abgehängt war. Dies verhindert die Vermischung der Luft durch die Bewegungen des Personals. Des Weiteren waren im Bereich Arbeitsplatz 2 sogenannte Ionisationsleisten installiert. Beispielhaft sei hier die AeroBar 5225s der Firma SIMCO ION genannt. Diese verhindern eine elektrostatische Aufladung der Oberflächen und dadurch die Anhaftung von Partikeln. Beide Arbeitsplätze wurden einen Tag zuvor gereinigt.

An beiden Arbeitsplätzen wurden mittels Abklatschtest Proben genommen. Die Ergebnisse zeigen eindrucksvoll die Wirksamkeit der Maßnahmen. Der Großteil der detektierten Partikel ist zwischen 10 und 50 µm groß. Zu kleineren sowie zu größeren Partikelgrößen nimmt die Anzahl ab. Da es sich um Reinräume handelt, muss die Verunreinigung im Reinraum selbst entstanden sein. Die Vermutung liegt nahe, dass es sich bei den gefundenen Partikeln um menschliche Hautschuppen handelt. Ob und wie kritisch diese Kontamination ist, hängt letztlich vom hergestellten Produkt ab und muss von der Abteilung QM / QS beurteilt werden.

Häufig sind Reinräume mit einem stationären Partikelmonitoringsystem für luftgetragene Partikel ausgerüstet. Hinterfragt werden muss, ob die im Versuch detektierten Partikel überhaupt vom Partikelmonitoringsystem erfasst worden wären. In Abhängigkeit des Schadenpotentials der gefundenen Partikel ist es überlegenswert, ein Monitoring für Partikel > 10 µm zu etablieren. Eine bewährte Lösung findet sich wieder in der VDA 19, in der die Anwendung von Partikelfallen beschrieben ist.

Anhand zweier Praxisbeispiele konnte die Sensitivität und Flexibilität des Streiflichtverfahrens gezeigt werden, umgesetzt mit dem tragbaren Oberflächenpartikelzähler PartSens+ 4.0.