Důkaz filmových nečistot pomocí VIDAM - inovativní metoda měření čistoty

Obrázek 1: Zařízení VIDAM – kompaktní a přenosné, využitelné v různých prostředích procesů.

Obrázek 2: Zbytečný nečistoty na površích součástí s komplexní geometrií po různých čisticích postupech. Je třeba věnovat pozornost rozdílné intenzitě zbytkových nečistot (osa y).

V mnoha průmyslových odvětvích je čistota povrchů součástí klíčových kritérií kvality. Případné znečištění musí být trvale odstraněno, aby součástka dosáhla dostatečné čistoty pro následné výrobní kroky (například sváření, lakování) nebo aby byla vhodná pro použití v čistých prostorách. U řady inovativních produktů nelze úplně vyloučit kontaminaci ve velkosériové výrobě. Stav čistoty součástek lze hodnotit pouze stanovením a tím i znalostí stupně znečištění (zbytkové nečistoty na povrchu). Kontrolou výsledku čištění lze zajistit čistotu součástek a garantovat reprodukovatelnou kvalitu. Při dodatečném poznání o historii součástky a stavu při dodání lze procesy čištění stabilizovat a individuálně přizpůsobit. Tím jsou reprodukovatelné a mohou být optimalizovány s ohledem na technologické a ekonomické aspekty.

Kontrola čistoty však není pouze otázkou prokazování částicových nečistot, což je již v mnoha výrobních řetězcích zavedené. U filmových znečištění (například výrobní pomůcky jako oleje, tuky, maziva, zbytky z korozní ochrany, otisky prstů) existují, kromě vysoce vyvinutých metod analýzy povrchů (například TOF-SIMS, XPS, TD-GCMS), které jsou většinou časově a finančně náročné a vyžadují dobře vyškolený personál, dosud pouze kvalitativní, případně srovnávací metody testování (například vizuální kontrola, test otěru, měření kontaktního úhlu, gravimetrická měření a fluorescenční měření). Ty obvykle neposkytují informace o příčině nebo původu znečištění. Obecně platí, že čím větší jsou součástky a složitější jejich geometrie a čím více součástek je třeba zkoumat, tím je analýza složitější. U filmových znečištění dosud neexistují standardizované a metodicky ověřené postupy, jak je jednoduše, nenarušivě a geometricky nezávisle měřit jak kvalitativně, tak kvantitativně.

Tuto mezeru může zaplnit nový způsob měření čistoty, který pomocí vakuové indukce desorpce umožňuje spektrální a kvantitativní měření filmových znečištění (zbytkové nečistoty v g nebo g/cm²) na površích součástek. Filmová nebo chemická znečištění jsou za atmosférických podmínek při pokojové teplotě většinou pevná nebo kapalná. Ve vakuu se mohou existující znečištění odlepit od povrchu součástky a být detekována vhodnou měřicí technikou. Pomocí tohoto postupu lze detekovat znečištění integrovaně, tj. jak na celém povrchu jednotlivých součástek, tak na celých sestavách libovolné geometrie. Měření je nenarušivé, tj. součástky lze následně přímo dále zpracovávat.
Zařízení VIDAM využívají tohoto přímého měřicího postupu k ověření a hodnocení čistoty součástek. Měření VIDAM je založeno na plně automatizovaném procesu s jednoduchým ovládáním, tj. k provedení měření není potřeba specialista.

Varianta zařízení VIDAM je znázorněna na obr. 1. Sestává z vakuové komory, do které jsou vkládány součástky, čerpadlového systému, vhodné tlakové měřicí techniky pro detekci znečištění a řídicí jednotky s implementovaným záznamem a vyhodnocením dat. Filmová znečištění lze tak extrahovat, separovat a detekovat od povrchu součástky.

Jako měřicí veličiny poskytuje VIDAM kvantitativní výsledek, tj. množství zbytkových nečistot na povrchu v g (nebo vzhledem k povrchu součástky v g/cm²), což umožňuje stanovit vhodné mezní hodnoty. Spektrální měřicí metoda umožňuje jednoznačně identifikovat znečištění a přiřadit je jejich příčinám (například zbytky výrobních pomocných prostředků a čisticích prostředků).

Minimální detekční hranice < 0,3 ng/cm² pro organické látky umožňuje detekci i nejmenších množství znečištění a horní hranice měření přesahuje to, co je obvykle označováno jako „olej a tuk zdarma“. Velikost komory, taktovací časy, průtok součástek i detekční hranice lze přizpůsobit konkrétním měřicím úkolům.

Jako příklad je dále popsáno hodnocení různých metod čištění součástek s složitou geometrií (díky mnoha závitovým otvorům). Jako příklad může být uveden dodavatel automobilových dílů, který pro následné procesy potřebuje součástky s dostatečnou čistotou. Čištění součástek má být v budoucnu prováděno interně a jsou zvažovány různé metody čištění: ultrazvukové mokré čištění, CO₂ čištění a nízkotlaké čištění. Limit pro organické kontaminace na součástkách, tj. filmové znečištění, byl předem stanoven na < 1 µg/cm² (ISO-SCC třída -6 (VOC)), lépe < 0,1 µg/cm² (ISO-SCC třída -7 (VOC)).

Hodnocení účinnosti jednotlivých metod čištění bylo provedeno na vzorcích součástek kontaminovaných definovaným testovacím znečištěním, které byly následně očištěny příslušnou metodou. Poté byla na površích součástek měřena zbytková nečistota pomocí zařízení VIDAM, čímž byla stanovena jejich čistota. Výsledky měření VIDAM jsou znázorněny na obr. 2.

Z hledaných metod čištění byly s nejhoršími výsledky dosaženy metody CO₂ čištění (zbytkové nečistoty 1,0 µg/cm²) a s nejlepší čistotou součástek metoda nízkotlakého čištění (zbytkové nečistoty 1,3 ng/cm²). Na existujícím ultrazvukovém mokrém čištění bylo možné při standardních parametrech vyčistit součástky s zbytkovou nečistotou až do 0,2 µg/cm², avšak byly stále patrné zbytky použitých výrobních pomůcek. Úpravou čisticího prostředku se čistota součástek opět výrazně zlepšila (zbytkové nečistoty 1,4 ng/cm²). Cílové hodnoty pod < 0,1 µg/cm² (ISO-SCC třída 7 (VOC)) byly na existujícím ultrazvukovém mokrém čištění s upraveným čisticím prostředkem výrazně podpořeny.

Další běžné případy použití měření VIDAM mimo validaci, ověření a optimalizaci procesů čištění zahrnují kontrolu účinnosti čisticích prostředků pro specifické výrobní pomůcky, monitoring suchosti součástek po čištění a kontrolu a zajištění dostatečné čistoty součástek před povrchovými úpravami (například nanášení povlaků, lakování, galvanizace, tisku) a svařovacími procesy (například lepení, svařování, pájení).

VIDAM lze flexibilně integrovat do stávajících výrobních řetězců a umožňuje optimalizaci výrobních a čistících procesů in-house, čímž zajišťuje vysokou celkovou bezpečnost procesu a reprodukovatelnou kvalitu finálního produktu.