Čištění a balení jednotlivých dílů a sestav pro použití v prostředí s čistým prostorem

Přehled

Stále více výrobních procesů probíhá za definovaných podmínek, v čistých místnostech. Přitom jsou klíčové produkty a potřebné výrobní kroky pro stanovení požadovaných podmínek v čisté místnosti. Aby bylo možné vyrábět v čisté místnosti, je třeba splnit několik důležitých předpokladů, které umožní efektivní provoz. V téměř žádné jiné oblasti není analýza celého výrobního řetězce tak nezbytná jako v čistých výrobních prostorách. Je jistě velmi důležité přesně definovat, jaké jsou nutné okolní podmínky pro výrobu. Velmi často nejsou specifikace pro čistotu dodaného materiálu a výrobního zařízení přizpůsobeny požadovaným normám, tj. například je nutné objasnit otázky týkající se způsobu dodání a jaké požadavky na čistotu musí splňovat dodávaný produkt a jeho obal. Fakt, že se vyrábí v čisté místnosti, samo o sobě nestačí k dosažení požadované kvality produktu.

V tomto příspěvku se zaměříme především na dva výrobní kroky v rámci celého řetězce, které mají výjimečný význam – čištění a balení jednotlivých dílů, sestav a kompletních strojů.

Čištění a balení – nová kvalita

Proč se předpokládá nová kvalita v procesech čištění a balení? Čištění a balení se přece děje již odjakživa. Co je na tom nyní nového? Nové je, že již nelze tyto činnosti ztotožnit s „uklizením“ a „zabalením“. Kolo se čistí hadrem – optická sestava se čistí čisticími prostředky a utěrkami podle předem stanovené technologie čištění. Dárkový předmět se balí do dárkového papíru – dodaná optická sestava je uložena v magazínu, který je upevněn v uzavíratelném boxu, jenž je dále zapečetěn ve sterilní PE fólii, případně naplněn dusíkem nebo evakuován, a takto zabalený je zaslán uživateli.

V této stručné popisu procesů lze rozpoznat rozdíly od běžných technologií. Co však činí nutným zvýšené náklady na použití v čistých prostorách? Kroky a technologie, které vyžadují čisté prostředí, čistou místnost, využívají tento prostor k dosažení vysoké kvality produktu, nebo by za „normálních“ podmínek nebyly realizovatelné. To znamená, že se vědomě přijímají vyšší náklady na provoz čisté výrobní prostředí. Z tohoto důvodu se vždy snaží minimalizovat všechny vnější vlivy, které by mohly tento nákladový faktor negativně ovlivnit. To je také důvod, proč se v normách a směrnicích věnujeme tématům čistých prostor a jejich vhodnosti, čistotě povrchů, chemickým kontaminacím, materiálům vhodným do čistých prostor atd. Jsme si vědomi, že v této souvislosti stále existují velké mezery a standardizace se zdaleka nevěnuje všem nutným bodům.

Požadavky z norem a směrnic

Pokud hledáte normy nebo směrnice k tématu „procesní řetězce v čisté místnosti“, najdete jich velmi málo. Často je, například v DIN EN ISO 14644-9, tento důležitý aspekt vyloučen: „...Následující aspekty nejsou v této normě zohledněny:
- Postupy čištění povrchů; ...“ (1)

To má za následek, že existuje řada firemních standardů, které jsou v širokém rozsahu použití nekompatibilní nebo nepropojitelné a jsou přizpůsobeny pouze několika málo produktům. Tyto standardy jsou také přístupné pouze vybraným uživatelům.

Dále existují odvětvové specifické požadavky, které popisují stav techniky, jenž často neodpovídá aktuálním poznatkům. Jde především o normy z polovodičového průmyslu a automobilového průmyslu. Na některé požadavky z nich se dále odkazuje.

Příklad z polovodičového průmyslu

Standardizace v polovodičovém průmyslu je oproti jiným odvětvím velmi pokročilá. Nicméně se samozřejmě zaměřuje pouze na zájmy průmyslu polovodičů, solárních článků a mikrosystémové techniky, za jejichž mezinárodního zástupce se považuje organizace SEMI.

Pokud se podíváme na požadavky na čištění jednotlivých dílů, sestav a kompletních strojů, zjistíme velký rozdíl mezi požadavky stanovenými normou a jejich realizací v každodenní praxi mnoha firem.

Například u čištění a montáže strojů určených do čistých prostor je požadováno: „Čištění – Všechny nástroje a systémové součásti (jednotlivé díly a sestavy – pozn. aut.) mají být těsně před vložením do montážního prostoru vysáty, vyfukovány filtrovým vzduchem a čištěny roztokem 10% IPA a vody. Je třeba používat pomůcky, například čisté místnostní utěrky, které jsou certifikovány pro použití ve třídě ISO 5 (podle DIN EN ISO 14644). Oleje, maziva a kapaliny je nutno odstranit před vstupem dílů do čisté montážní zóny.“

Nezávisle na tom, jak jsou tyto požadavky v praxi realizovány nebo realizovatelné, vzniká řada otázek, na které musí uživatel sám odpovědět, protože neexistují žádné konkrétní pokyny.

1. Jak je možné efektivně odsávat?
Je všeobecně známo, že odsávání není efektivní technologií čištění. Za prvé, při odsávání nedosáhneme hloubkové účinnosti, tj. vysavač musí být velmi blízko odsávaného dílu, aby byl efekt patrný, a za druhé, s menšími a menšími částicemi jsou síly přitažlivosti částic k povrchu tak velké, že pod 10 µm již není účinek patrný.

2. Jak musí být upraven stlačený vzduch, aby jej bylo možné použít k vyfukování?
Samozřejmostí je, že musí být olej a vodou volný. Bezpečnostní je, že nesmí obsahovat částice, tj. musí být definována minimální velikost částic. Často se k vyfukování používá dusík. U dusíku platí stejná pravidla jako u stlačeného vzduchu. Čistota dusíku se obvykle uvádí pouze z hlediska chemické čistoty, nikoli z hlediska částicové. Ať už jde o stlačený vzduch nebo dusík, vždy je třeba použít filtr na místě použití. Tento filtr zajišťuje konečné filtrování použitého média a vylučuje tak kontaminaci z plynové sítě do produktu.

3. Jaká musí být kvalita kapalného čistícího média?
U vody by měla být vždy použita úplně odsolená voda (DI voda). Zbytkové kapaliny se odpařují beze zbytku. Alkoholové směsi, ať již s 10 % nebo 50 %, by měly odpovídat chemické a částicové čistotě stanovené podle požadovaného produktu. Tyto alkoholy mají efekt, že rozpouštějí organické nečistoty. Voda umožňuje díky vyššímu povrchovému napětí, že rozpuštěné nečistoty jsou zachyceny utěrkou (čistící utěrkou v čisté místnosti).

4. Co je to čistící utěrka do čisté místnosti?
…

Příklad z automobilového průmyslu

Automobilový průmysl zde neposkytuje mnoho obecných směrnic. Například směrnice VDA19 (2): „Kontrola technické čistoty – částice kontaminace funkčně důležitých automobilových dílů“

Tato směrnice popisuje podmínky použití a dokumentace metod stanovení částicové kontaminace na funkčně důležitých součástech (kontrola čistoty). (2)

Konkrétně to znamená, že zde byla vytvořena základna pro stanovení požadavků na čistotu mezi zákazníky a dodavateli, a to na základě metod stanovení částicové kontaminace.

Nesleduje se:

- Základy a metody stanovení/změření požadavků na čistotu, které jsou z technického a funkčního hlediska pro součástku naprosto nezbytné nebo relevantní.
- Důkaz organických kontaminací (tuků, olejů apod.).
- Metody nekvantifikovatelného důkazu částic na zkušebních předmětech (například vizuální posouzení, utěrkový test s čistou utěrkou).
- Testování kapalin pro provoz zkušebních předmětů (chladicí kapaliny, oleje, hydraulické kapaliny, brzdové kapaliny, paliva, plyny atd.) (2)

Uživatel tak zůstává bez důležitých vodítek k popisu svých čisticích procesů a tato směrnice je proto málo praktická pro zavádění těchto procesů.

Interní standardy a směrnice společnosti

Existuje velké množství interních standardů a směrnic, které popisují procesy čištění a balení. Zařazení těchto do obecného přehledu pro tvorbu univerzálních pokynů často selhává, protože všechny firemní standardy jsou přednostně chráněny dohodou o mlčenlivosti.

Tato pravidla jsou většinou založena na dlouholetých zkušenostech a samozřejmě také na chybách, které byly učiněny. Podrobná vědecká studie je provádí jen zřídka. Tyto předpisy jsou platné, dokud nenarazí na hranice, kde stávající postupy přestávají být dostačující a procesy jsou postupně vylepšovány.

Požadované okolní podmínky pro procesy čištění a balení

Zde existují různé názory na to, za jakých podmínek má být čištění a balení prováděno. Uvedeny jsou tři příklady:

1. Standard stanoví přesnou třídu čistoty vzduchu, pod kterou mají být tyto procesy prováděny (například SEMI standard). Zkušenosti ukazují, že jen málo dodavatelů splňuje vysoké požadavky na třídu ISO 5 / ISO 6.
2. Někteří málo dodavatelé (například v Japonsku) vyrábějí, čistí a balí pod stejnými podmínkami, za jakých bude stroj používán u koncového zákazníka. Tím je již předem dosaženo velmi vysoké úrovně čistoty. To však představuje vysoké náklady.
3. Různí dodavatelé pracují podle zkušenostního odhadu, maximálně o dvě třídy horší než podmínky u koncového zákazníka.

Čištění jednotlivých dílů, sestav a strojů v čistých prostorách

Procesní řetězec od jednotlivého dílu přes sestavu až po kompletní stroj

Pro správné stanovení čistoty stroje je nutné analyzovat celý procesní řetězec od výroby jednotlivých dílů až po kompletní stroj. Vyplývají z toho požadavky na podmínky, za kterých je třeba vyrábět, čistit a balit. Vždy platí ekonomický aspekt, tj. všechny jednotlivé kroky by měly být prováděny za podmínek, které jsou pouze tak dobré, jak jsou nutné, nikoli tak dokonalé, jak je možné. Při popisu procesního řetězce je vždy důležitý časový faktor. Kontaminace je funkcí času. Čím déle jednotlivé kroky trvají, tím vyšší je potřeba zajištění vyšší úrovně čistoty prostředí. To lze dosáhnout různými způsoby:

- prostřednictvím čisté místnosti odpovídající třídy
- opakovaným čištěním, aby se kontaminace opakovaně odstraňovala
- balením produktů před každým pracovním přerušením a rozbalením při dalším zpracování (například vakuováním nebo zakrytím vhodnými fóliemi či aktivními skladovacími kontejnery, dusíková atmosféra je vhodná pouze tehdy, pokud je produkt chráněn před vlhkostí a kyslíkem) a pravidelným čištěním

Často se klade otázka, zda by nebylo dostačující pouze konečné čištění celého stroje. Opak je pravdou, protože téměř žádný stroj není tak jednoduchý, aby bylo možné dosáhnout přístupu ke všem místům při čištění. Často jsou kontaminace „zapouzdřeny“ a představují dlouhodobé riziko. Tyto nečistoty se na površích neudrží věčně. Procesy stárnutí, změny v náboji povrchu (elektrostatika), změny vlhkosti a teploty způsobují změny v adhezních silách na povrchu a dávají kontaminacím nepředvídatelnou dynamiku.

Čištění jednotlivých dílů

Jakákoli čištění vždy závisí na druhu kontaminace, materiálu čištěného dílu, jeho povrchové úpravě a citlivosti na mechanické vlivy a působení kapalin.

Pro mnoho aplikací je osvědčené ultrazvukové čištění. Šetří komponenty a je technicky vyspělé. Pro velmi citlivé díly lze pracovat na vyšší frekvenci, tzv. megasonickým ultrazvukem. Je třeba věnovat pozornost zejména těmto bodům:

- při použití kapalných roztoků je nutno používat úplně odsolenou vodu (DI voda).
- při použití čisticích prostředků je třeba zajistit dostatečný počet oplachových cyklů, aby nedošlo k přenesení zbytků čisticích médií a detergentů z čisticích prostředků a rozpuštěných nečistot.
- spotřebované čisticí prostředky a oplachové kapaliny je třeba vyměnit v krátkých intervalech.
- důležitá je i sušicí fáze (například v dírách a kapsách). Sušení musí probíhat za nejvyšší možné čistoty.

Rozmanitost dílů, které nelze čistit ultrazvukem, je velmi široká. Patří sem například optika, keramika, materiály s porézními povrchy a měkké materiály. U těch se používá mechanické čištění s odsáváním a vyfukováním. Pouze odsávání a vyfukování nestačí (viz výše).

Samozřejmě existuje i řada dalších metod čištění, například čištění oxidem uhličitým, vypalování, kartáčování, adhezivní fólie a další.

Čištění sestav

Vysoká složitost sestav vyžaduje velký podíl mechanických metod čištění. Důvody jsou například lepení, které nelze čistit ultrazvukem, nebo směs různých materiálů s odlišnými požadavky. Dále může hrozit, že čisticí média zůstanou ve sestavě, protože není možné dosáhnout 100% vysušení.

Čištění sestav je efektivní pouze tehdy, pokud byly předtím vyčištěny jednotlivé díly.

Čištění strojů

Rozlišujeme základní čištění a udržovací čištění, podobně jako u čištění v čistých místnostech.

Základní čištění po montáži

Před balením stroje je nutné jej po dokončení výroby kompletně vyčistit, nezávisle na předchozím čištění dílů a sestav. Tato čištění vyžaduje dobré znalosti stroje ze strany personálu. Různé části stroje je třeba čistit vhodnými metodami, citlivé sestavy mohou být z procesu čištění vyjmuty. Tyto části je třeba předem chránit. Po této finální údržbě je stroj ihned opatřen prvním ochranným krytem (například fólií).

Před samotným balením může být proveden předběžný akceptační test, který může odhalit kontaminační problémy již v rámci vlastního podniku. Tyto problémy lze následně odstranit v rámci vlastního podniku, což je v tomto případě jednodušší než v čisté místnosti zákazníka.

Tento předběžný akceptační test také dokumentuje dosaženou kvalitu vůči zákazníkovi. Postup a podrobnosti je třeba dohodnout mezi zákazníkem a dodavatelem.

Základní čištění před uvedením do provozu

Po řádném vybalení stroje u koncového zákazníka je nutné jej podrobit dalšímu základnímu čištění, aby se odstranily případné kontaminace vzniklé během přepravy. Bez této očisty by žádný stroj neměl být uveden do čisté místnosti. Toto čištění provádí dodavatel, zákazník nebo externí personál. Základem je předpis pro vybalení a čištění.

Často se po čištění provádí vzorková kontrola čistoty povrchů. Pokud jsou splněny limity, může být stroj instalován v příslušné třídě čisté místnosti.

Udržovací čištění

Udržovací čištění je součástí plánu čištění zákazníka. Zajišťuje požadovanou čistotu v průběhu času. To znamená, že i při výrobě v čisté místnosti je třeba stroje opakovaně vracet do výchozího stavu. Čisté prostředí prodlužuje pouze dobu, po kterou povrchy výrobního zařízení znovu kontaminují. Navíc při provozu stroje, při procesech a manipulaci s materiálem se neustále vytvářejí kontaminace, které se usazují na površích. Toto udržovací čištění je třeba provádět podle pevného plánu a výsledky dokumentovat.

Kontrola čistoty (příklady)

Kontrola úspěšnosti čištění je pro odpovědné osoby stále problémem. Jedním z důvodů je měření částic na technických površích, které je možné jen s velkým úsilím. Kromě optických metod, které umožňují vidět částice až do mikrometrové velikosti, jsou zavedeny následující metody:

- Optická inspekce
Vyčištěné povrchy jsou kontrolovány pomocí optických pomůcek a na definované ploše jsou vybírány částice. Výsledek je porovnán s limitní hodnotou stanovenou v pokynu pro čištění. Čištění je ukončeno, když jsou tyto limity splněny.

- Sonda pro povrch
Sonda je používána s upraveným optickým detektorem částic. Částice jsou uvolněny z povrchu pomocí vzduchového proudu a vyhodnoceny pomocí detektoru částic. Tento postup je kvalitativní a nikoli kvantitativní, protože nikdy nelze uvolnit všechny částice z povrchu. Je možné dobře odhadnout procentuální úspěšnost čištění, pokud se měří před a po čištění.

- Metoda oplachu
Povrchy jsou opláchnuty čistou vodou a toto voda je podrobena měření částic v kapalinách. Povrch je považován za čistý, pokud je v oplachové vodě překročena předem stanovená hodnota. Tato metoda umožňuje empiricky stanovit limity.
Je třeba vzít v úvahu, že parametry vody, jako množství, vodivost a teplota, mohou ovlivnit výsledek měření.

Balení v prostředí čisté místnosti

Balenové materiály

Obecně musí balicí materiály dostatečně chránit balený produkt. Tyto materiály by měly mít co nejnižší uvolňování částic a nízké emisní vlastnosti.

Často se požaduje „čistotní fólie do čisté místnosti“. Předpokládá se, že lehce „růžově zbarvená“ PE fólie odpovídá. Tento materiál je PE fólie, která se odlišuje od jiných PE folií svými elektrostatickými vlastnostmi.

Existují však fólie, které jsou vyráběny a konfigurovány v čistých podmínkách. Ty se však z důvodů nákladů velmi zřídka používají. Čištění balicích fólií je jinou možností, která by měla probíhat za nejvyšší možné čistoty, protože všechny fólie při manipulaci neustále přitahují částice.

U fóliových obalů je třeba dbát na to, že produkty jsou obvykle baleny dvakrát do fólie. Pokud jsou již vloženy do boxů nebo magazínů, je třeba je také dvakrát zapečetit.

Opakovaně použitelné obaly je třeba před použitím vyčistit. Po použití se obvykle znovu nevracejí do čisté místnosti, ale jsou vráceny zpět. Čištění opakovaně použitelných obalů se řídí stejnými zásadami jako výše uvedené.

Školení personálu

Otázkám školení personálu je věnováno příliš málo pozornosti, přestože toto téma tvoří základ pro procesní řetězec vhodný do čistých prostor. Bez dobře vyškoleného personálu nelze realizovat čisté procesy v jejich plném rozsahu. To platí jak pro základní školení zaměstnanců, tak i pro opakovací školení, která by měla probíhat dvakrát až čtyřikrát ročně. Při nich se především školí:

- základy techniky v čistých prostorách
- vhodné oblečení do čistých prostor a jeho používání, procedury oblékání a svlékání
- chování v čisté místnosti
- čisticé procedury, viz také VDI 2083 list 15 (3)
- manipulace s čistícími prostředky a materiály
- manipulace s čisticími médii
- praktické provádění
- uvědomění si procesů, které smí každý jednotlivý pracovník provádět

Souhrn

Těžko lze stanovit univerzální postupy čištění jednotlivých dílů, sestav a strojů. Rozmanitost dílů je příliš velká a požadavky příliš odlišné. Základně je třeba provádět jednotlivé kroky čištění za pečlivě zdokumentovaných podmínek s dobře vyškoleným personálem. Kontrola kvality pomáhá neustále procesy zdokonalovat.

Nákladový aspekt se odráží v tzv. pravidle deseti, tj. že odkládání nákladů na začátku výrobního řetězce, které později mají vysokou důležitost, například na povrchovou čistotu, vyžaduje při každém dalším kroku desetkrát vyšší náklady než v předchozím kroku. Jinými slovy, pokud na začátku technologického řetězce ušetříte 10 centů na díl, v druhém kroku bude potřeba vynaložit 1 euro na dodatečné náklady na díl.

Literatura:

(1) DIN EN ISO 14644-9   
Čisté místnosti a přidružené prostory – část 9:
Třídění částicové povrchové čistoty
(ISO/DIS 14644-9:2008);
Německý překlad EN ISO 14644-9:2008 (návrh)

(2) VDA19           
Řízení jakosti v automobilovém průmyslu                                               
Směrnice (návrh, 1. vydání 2004 – žlutá kopie, Svaz automobilového průmyslu e.V. (VDA)):                                                 
Partikulární kontaminace funkčně důležitých automobilových dílů

(3) VDI 2083-15          
Čisté místnosti – Personál na čistém pracovišti