Tres décadas de investigación para la pureza

Limpieza ultrasónica de precisión de componentes en una sala limpia de clase ISO 1.

Satélite

Materiales consumibles

Materiales consumibles

Dr. Ing. Udo Gommel

Todo comenzó con una estación de lavado para autos. Un departamento de IPA estaba en proceso de optimizar esta instalación cuando llegó una consulta del Ministerio Federal de Investigación y Tecnología, preguntando si el instituto no podría ocuparse de la tecnología de salas limpias. Eso fue hace 30 años, cuando comenzaba la era dorada de las computadoras domésticas y los circuitos se hicieron tan pequeños que las partículas de suciedad empezaron a causar cada vez más problemas. El entonces director del instituto, el Prof. Rolf Dieter Schraft, comentó con una sonrisa que quien limpia autos, también puede limpiar semiconductores. Así que el departamento, cuyo jefe se llamaba Wolfgang Schmutz (su lema: «No des ninguna oportunidad a la suciedad»), empezó a trabajar en tecnología de pureza con fondos públicos. Al principio contaba solo con 6 empleados, hoy son 50.

Impulsores de la miniaturización

Desde sus inicios, el departamento creció constantemente, aproximadamente cada 5 años se realizaba una ampliación y modernización importantes. La expansión fue impulsada por los avances tecnológicos. La creciente miniaturización de componentes electrónicos y mecánicos hizo que los requisitos de pureza aumentaran cada vez más. El IPA no solo acompañó este proceso, sino que influyó significativamente en él. Su fortaleza radica en su versatilidad: el departamento cuenta no solo con la sala limpia de investigación más grande del mundo de clase ISO 1, en la que se pueden limpiar componentes de casi cualquier tamaño, sino también con instrumentos de alta precisión para validar los trabajos. «La combinación de limpieza y evaluación es única», dice Udo Gommel, el enérgico jefe del departamento de «Reinst- y Microproducción».

Aspectos destacados

El físico de formación ha trabajado en el IPA durante 20 años y ha dirigido el departamento durante 8. Al hacer un balance, recuerda varios momentos culminantes. Por ejemplo, su participación en Rumanía. Los stuttgartenses construyeron para la empresa Microelectronica una planta de producción de LEDs, desde la concepción hasta la puesta en marcha. En septiembre de 2012, se dio la señal de inicio. Las circunstancias externas inusuales resultaron ser el mayor desafío: la instalación de alta tecnología debía instalarse en un edificio industrial en ruinas de la época de la Guerra Fría. «En el sótano había agua hasta el pecho», recuerda Gommel. Y justo esa zona húmeda, un caldo de cultivo para moho y otras contaminaciones, estaba prevista para las salas limpias. Para la fabricación, bastaba con una clase ISO 8, pero además se planeaba un laboratorio de análisis con requisitos mucho más estrictos. Debía ser de clase ISO 1, ¡diez millones de veces más limpio que en la producción! Los suabos lograron convertir las áreas húmedas del sótano en una sala limpia. Hoy en ese laboratorio de análisis de alta pureza hay un tomógrafo computarizado del tamaño de un armario — único en el mundo.

Un ejemplo de lo crucial que se ha vuelto la condición de trabajo limpia para el éxito económico es el sector automotriz. Un proveedor internacional solicitó a los expertos del IPA que elaboraran un plan integral de pureza. La implementación de este plan redujo el rechazo en un 55%. Esto, considerando las altas cantidades de producción, representa un ahorro de aproximadamente un millón de euros al año.

Aeroespacial

Otro de los aspectos destacados del instituto es su incursión en la exploración espacial. Después de años centrados en la producción industrial, un accidente llevó a que surgiera un nuevo campo de actividad. La Agencia Espacial Europea ESA preguntó en 2009 si los expertos de Stuttgart podían esterilizar componentes de una sonda marciana. Matar microbios no formaba parte de su alcance, pero ofrecieron una limpieza. Gommel entonces tenía pocas esperanzas de competir contra la competencia establecida, pero obtuvo el contrato. Porque en la esterilización, ya sea con productos químicos o con calor, quedan microorganismos muertos, mientras que una limpieza exhaustiva deja la superficie en «pura pizarra», y además de manera muy suave.

Desde entonces, la división aeroespacial en Stuttgart ha impulsado significativamente la investigación, ya que aquí los requisitos son especialmente estrictos. Actualmente, casi dos docenas de proyectos con diferentes enfoques están en marcha. Entre los hitos están «ExoMars» de la Agencia Espacial Europea ESA y la misión satelital «EnMap». Con un socio industrial confiable, incluso se planea una asociación estratégica para los próximos años. La mayoría de las 13.000 piezas del satélite de observación terrestre «EnMap» han sido limpiadas por el instituto, incluyendo un bloque de aluminio de cuatro toneladas. Para esa masa, los empleados tuvieron que construir un sala limpia temporal del tamaño de una pequeña casa, ¡bajo una gran presión de tiempo!

El proyecto marciano bajo la dirección de la ESA fue aún más exigente, ya que la sonda, lanzada el 14 de marzo, busca rastros de vida en el planeta vecino. Para evitar enviar información falsa, no se permite transportar sustancias orgánicas desde la Tierra. Esto aumenta aún más los requisitos de pureza. Un método de limpieza muy suave, desarrollado en Stuttgart, ha demostrado ser especialmente efectivo: el proceso de limpieza con nieve de CO2. Originalmente, se utilizaba en EE. UU. para eliminar pintura de los fuselajes de aviones. Los expertos del IPA lo perfeccionaron en un método con la máxima eficiencia de limpieza. En lugar de pellets duros de CO2, utilizan cristales de nieve más pequeños y suaves. Las contaminaciones se desprenden por el choque térmico, se disuelven y pueden aspirarse. Para aumentar la profundidad de penetración, un gas de nitrógeno que rodea el objeto acelera el chorro a velocidad supersónica. Otra innovación, desarrollada recientemente, es el uso de dióxido de carbono supercrítico. Así, por ejemplo, se pueden limpiar las paredes internas de tuberías con espacios cerrados, sometiéndolas a una presión de 70 bares.

Normas y directrices de limpieza

Los «Limpiadores de Stuttgart» no solo ayudan a las empresas con todas las cuestiones complicadas relacionadas con la tecnología de salas limpias. También participan en la elaboración de normas y directrices. Con su amplio parque de equipos, que puede medir y evaluar las partículas más pequeñas, están muy bien preparados. Muchos comités nacionales e internacionales que trabajan en temas de limpieza cuentan con el apoyo de empleados del IPA. Ya sea en el diseño de una sala limpia o en la clasificación de la limpieza superficial, los stuttgartenses participan. Y no solo eso: el departamento incluso tiene su propio sello de calidad.

«Dispositivo probado por Fraunhofer»

El logo «Dispositivo probado por Fraunhofer» es conocido y protegido en todo el mundo, desde Alemania hasta Australia. Los clientes pueden someter a prueba y certificar la aptitud para salas limpias de componentes individuales o instalaciones completas, desde cables hasta robots. Dependiendo del problema, se evalúan diferentes criterios, como la emisión de partículas, gases, resistencia química o facilidad de limpieza. El cliente recibe, además del certificado, un informe de prueba detallado. En los últimos 16 años, el IPA ha examinado más de 1.700 productos de diversos sectores, desde la electrónica hasta la tecnología alimentaria. Cada año se añaden al menos 100 nuevos productos.

Normas por parte de asociaciones industriales

Aunque ya existen muchas normas internacionales en tecnología de salas limpias, todavía hay zonas grises. El IPA quiere cambiar eso. Ha creado dos consorcios con representantes de la industria y la investigación para promover una mayor unificación. El primero trata sobre materiales consumibles utilizados en salas limpias, como monos, guantes o paños. Aunque estos artículos desechables pueden causar contaminación por abrasión o gases, aún faltan reglas confiables sobre cómo deben fabricarse. El consorcio industrial «Cleanroom Suitable Consumables» establecerá estándares. Igualmente importante es el segundo consorcio, que se ocupa de productos médico-tecnológicos como implantes y jeringas. Porque las contaminaciones pueden causar infecciones o reacciones de rechazo en los pacientes. El grupo «MediClean» busca garantizar la seguridad necesaria, incluso para las empresas de tecnología médica que finalmente son responsables de sus productos.

Transferencia de conocimientos a través de capacitaciones

El IPA comparte su experiencia adquirida en tres décadas mediante capacitaciones. Desde 2005, unas 2.500 personas han sido familiarizadas con técnicas de pureza, en algunos casos en las instalaciones del instituto en Stuttgart, y en otros en capacitaciones en las propias empresas. Desde 2011, los graduados exitosos reciben un certificado del QMC (Centro de Gestión de Calidad) según el estándar VDA.

El experto del IPA, Gommel, está convencido de que el departamento de salas limpias seguirá creciendo en los próximos años. Porque la miniaturización creciente lleva a requisitos cada vez más estrictos en la tecnología de salas limpias. «No vemos un fin en el desarrollo». Los desafíos asociados a la Industria 4.0 tampoco pueden afrontarse sin un entorno libre de polvo.