Tři desetiletí výzkumu pro čistotu

Ultrazvukové přesné čištění součástí v čistírně s čistotou vzduchu třídy ISO 1.

Satelit

Náhradní díly a spotřební materiál

Spotřební materiál

Dr.-Ing. Udo Gommel

Všechno začalo mycí linkou na auta. Oddělení IPA právě optimalizovalo tuto linku, když přišla žádost z Německého spolkového ministerstva výzkumu a technologií, zda by se institut nemohl zabývat technologií čistých prostor. To bylo před 30 lety, když začala doba rozkvětu domácích počítačů a obvody se tak zmenšily, že prachové částice začaly způsobovat stále větší problémy. Tehdejší ředitel institutu Prof. Rolf Dieter Schraft s úsměvem poznamenal, že kdo čistí auta, může také čistit polovodiče. Takže oddělení, jehož vedoucím byl zrovna Wolfgang Schmutz (jeho slogan: „Nedávej špíně šanci“), začalo s podporou státu věnovat technologiím čistoty. Nejprve mělo pouze 6 zaměstnanců, dnes jich je 50.

Řidič miniaturizace

Od těchto začátků oddělení neustále rostlo, přičemž každých asi 5 let následovala rozsáhlá rekonstrukce a rozšíření. Expanzi poháněly vývoje v technice. Rostoucí miniaturizace elektronických a mechanických součástek stále více zvyšovala požadavky na čistotu. IPA tento proces nejen sledovalo, ale také jej významně ovlivnilo. Jeho silnou stránkou je jeho všestrannost: oddělení disponuje nejen největším výzkumným čistým prostorem na světě třídy ISO 1, ve kterém lze čistit součástky téměř jakékoliv velikosti, ale také vysoce přesnými zařízeními pro validaci prací. „Kombinace čištění a hodnocení je jedinečná,“ říká Udo Gommel, energický vedoucí oddělení „Reinst- und Mikroproduktion“.

Hlavní události

Vysokoškolsky vzdělaný fyzik pracuje v IPA již 20 let a posledních 8 let vede oddělení. Při pohledu zpět mu přichází na mysl několik vrcholů. Například angažmá v Rumunsku. Stuttgarťané vybudovali pro firmu Microelectronica výrobní zařízení na LED diody, od koncepce až po uvedení do provozu. Start byl v září 2012. Neobvyklé vnější podmínky se ukázaly být největší výzvou: high-tech zařízení mělo vzniknout v opuštěné továrně z dob studené války. „V suterénu stála voda po hrudník,“ vzpomíná Gommel. A právě tento vlhký sklep, který byl ideálním místem pro plísně a jiné nečistoty, byl určen pro čisté prostory. Pro výrobu postačovala třída ISO 8, ale vedle toho bylo plánováno analytické laboratoř s mnohem vyššími požadavky. Mělo splňovat třídu ISO 1, tedy deset milionkrát čistší než ve výrobě. Švábi nakonec dokázali proměnit vlhké sklepy v čistý prostor. V této vysoce čisté analytické laboratoři stojí dnes počítačový tomograf o velikosti skříně – unikát na světě.

Jak je dnes klíčové mít čisté pracovní podmínky pro ekonomický úspěch, ukazuje příklad z automobilového průmyslu. Mezinárodní dodavatel si nechal od expertů z IPA vypracovat komplexní koncept čistoty. Jeho implementace snížila odpad o 55 %. To při vysokých objemech výroby znamená úsporu přibližně jednoho milionu eur ročně.

Vesmírný výzkum

Mezi vrcholy institutu patří také vstup do kosmického průmyslu. Po letech zaměření na výrobu v průmyslu přinesla náhoda nové pole působnosti. Evropská kosmická agentura ESA v roce 2009 požádala, zda jsou stuttgartští experti schopni sterilizovat komponenty marťanské sondy. Zabíjení mikrobů sice nepatřilo mezi jejich hlavní úkoly, ale místo toho nabízeli čištění. Gommel tehdy neměl velké naděje na úspěch proti zavedené konkurenci. Nakonec však získal zakázku. Při sterilizaci, ať už chemickou nebo teplem, zůstávají po ní mrtvé mikroorganismy, ale důkladné čištění „tabula rasa“ je velmi šetrné.

Oddělení pro letectví a kosmonautiku od té doby výrazně posílilo výzkum ve Stuttgartu, protože zde jsou požadavky zvlášť přísné. Momentálně probíhá téměř dvacítka projektů s různými zaměřeními. Mezi vrcholy patří „ExoMars“ Evropské kosmické agentury ESA a satelitní mise „EnMap“. S důvěryhodným průmyslovým partnerem je dokonce plánováno strategické partnerství na příští roky. Ze satelitu pro sledování Země „EnMap“ bylo téměř všech 13 000 dílů vyčištěno, včetně čtyřicet kilogramů těžkého hliníkového bloku. Na tento těžký kus museli zaměstnanci dokonce postavit dočasný čistý prostor o velikosti malého domu – pod velkým časovým tlakem.

Projekt Mars pod záštitou ESA byl ještě náročnější, protože sonda, která odstartovala 14. března, hledá stopy života na sousední planetě. Aby nedošlo k přenosu falešných signálů, nesmějí být na palubě žádné organické látky z Země. To dále zvyšuje požadavky na čistotu. Velmi šetrná metoda čištění, kterou ve Stuttgartu vyvinuli, je metoda CO2 sněhové výplachy. Původně se používala v USA k odstraňování nátěru z letadlových trupů. Experti z IPA ji vylepšili na metodu s nejvyšší účinností čištění. Místo tvrdých pelletů CO2 používají menší a měkčí sněhové krystaly. Nečistoty jsou tímto procesem uvolněny tepelným šokem, rozpouštějí se a mohou být odsáty. Pro zvýšení hloubky průniku urychluje obalový dusík proud na nadzvukovou rychlost. Další nedávno vyvinutou inovací je použití superkritického oxidu uhličitého. Například lze takto čistit vnitřní strany hadic s uzavřenými dutými prostory tím, že jsou pod tlakem 70 barů propláchnuty.

Normy a směrnice pro čistotu

Stuttgartští „čistotníci“ nepomáhají jen firmám s otázkami technologií čistoty. Mezi jejich úkoly patří také spolupráce na tvorbě norem a směrnic. S jejich rozsáhlým zařízením, které dokáže změřit a ohodnotit i nejmenší nečistoty, jsou na to dobře vybaveni. Mnoho poradních orgánů doma i v zahraničí, zabývajících se čistotou, je podporováno pracovníky IPA. Ať už jde o návrh čistého prostoru nebo klasifikaci povrchové čistoty, Stuttgartští jsou u toho. A nejen to – oddělení má dokonce vlastní certifikát kvality.

„Fraunhofer TESTED DEVICE“

Logo „Fraunhofer TESTED DEVICE“ je známé a chráněné po celém světě, od Německa po Austrálii. Zákazníci si mohou nechat otestovat jednotlivé díly nebo celé zařízení, které se používá v čistém prostoru, od kabelů po roboty, a získat certifikát o jejich vhodnosti. Podle problémové situace se hodnotí různé kritéria, například uvolňování částic, emise plynů, odolnost vůči chemikáliím nebo snadnost čištění. Zákazník obdrží kromě certifikátu i podrobnou zkušební zprávu. Za posledních 16 let IPA vyšetřilo více než 1700 produktů z různých odvětví, od elektroniky po potravinářství. Každý rok přibývá alespoň 100 nových.

Normy od průmyslových sdružení

Ačkoliv již existuje mnoho mezinárodně platných norem v oblasti čistoty, stále existují šedé zóny. IPA chce toto změnit. Založilo dvě konsorcia s představiteli průmyslu a výzkumu, která mají zajistit další sjednocení. První se zabývá spotřebním materiálem používaným v čistých prostorách, například kombinézy, rukavicemi nebo utěrkami. Přestože tyto jednorázové výrobky mohou způsobovat nečistoty při opotřebení nebo emisích, chybí dosud spolehlá pravidla, jak by měly být vyrobeny. Průmyslové sdružení „Cleanroom Suitable Consumables“ má stanovit normy. Stejně důležité je i druhé sdružení, které se věnuje zdravotnickým produktům, jako jsou implantáty a jehly. Znečištění totiž může u pacientů vést k infekcím nebo odmítání těmi, kteří je používají. Sdružení „MediClean“ má zajistit potřebnou bezpečnost, i pro zdravotnické firmy, které jsou za své produkty odpovědné.

Výměna znalostí prostřednictvím školení

IPA předává své know-how, které získalo za tři desetiletí, prostřednictvím školení. Od roku 2005 prošlo školením přibližně 2500 osob v technikách čištění, částečně v prostorách stuttgartského institutu, částečně formou místních školení přímo v podnicích. Od roku 2011 získávají úspěšní absolventi certifikát QMC (Qualitäts Management Center) podle standardu VDA.

Experti z IPA jsou přesvědčeni, že oddělení čistých prostor bude v příštích letech dále růst. Rostoucí miniaturizace totiž přináší stále vyšší požadavky na technologie čistých prostor. „Nevidíme konec vývoje.“ Také výzvy spojené s průmyslem 4.0 nelze zvládnout bez prostředí bez prachu.