Prova di contaminazioni cinematografiche con VIDAM - un metodo innovativo di misurazione della pulizia

Fig. 1: Un dispositivo VIDAM – compatto e mobile, utilizzabile in ambienti di processo diversi.

Fig. 2: Residui di sporco sulle superfici di componenti con geometrie complesse dopo diversi metodi di pulizia. Si notino le diverse intensità di residui di sporco (asse y).

In molti settori industriali, la pulizia delle superfici dei componenti è una caratteristica qualitativa fondamentale. Eventuali contaminazioni devono essere rimosse in modo duraturo affinché il componente abbia un livello di pulizia sufficiente per le fasi di produzione successive (ad esempio incollaggio, verniciatura) o per essere idoneo all'uso in ambienti sterili. In molti prodotti innovativi, le contaminazioni nella produzione di massa non possono sempre essere completamente eliminate. Lo stato di pulizia dei componenti può essere valutato solo mediante la determinazione e la conoscenza del grado di contaminazione residua (resti di sporco su una superficie). Con il controllo del risultato di pulizia, si può garantire la pulizia del componente e una qualità riproducibile. Con la conoscenza aggiuntiva della storia del componente e dello stato di consegna, i processi di pulizia possono essere stabilizzati e adattati individualmente. Ciò rende questi processi riproducibili e ottimizzabili in base ai requisiti specifici, tenendo conto di aspetti tecnologici ed economici.

Il controllo della pulizia, tuttavia, non riguarda solo la dimostrazione di contaminazioni particellari, che è già consolidata in molte catene di processo. Per contaminazioni filmiche (ad esempio ausili di produzione come oli, grassi, lubrificanti, residui di protezione contro la corrosione, impronte digitali), esistono, oltre a metodi avanzati di analisi superficiale (ad esempio TOF-SIMS, XPS, TD-GCMS), che sono spesso molto dispendiosi in termini di tempo e costi e richiedono personale qualificato, solo metodi qualitativi o comparativi di prova (ad esempio controllo visivo, test di sfregamento, misurazioni dell'angolo di contatto, misurazioni gravimetriche e fluorescenza). Questi di solito non forniscono indicazioni sulla causa o sull'origine delle contaminazioni. Inoltre, in generale, più grandi sono i componenti e più complesse sono le loro geometrie, e più componenti devono essere analizzati, più complessa diventa l'analisi. Per contaminazioni filmiche, finora non esistono metodi standardizzati e metodici per misurare facilmente, senza distruzione e indipendentemente dalla geometria, sia qualitativamente che quantitativamente.

Questa lacuna può essere colmata da un nuovo metodo di misurazione della pulizia, che permette, tramite desorbimento indotto dal vuoto, la misurazione spettrale e quantitativa delle contaminazioni filmiche (resto di sporco in g o g/cm²) sulle superfici dei componenti. Le contaminazioni filmiche o chimiche sono di solito solide o liquide a temperatura ambiente sotto condizioni atmosferiche. In vuoto, le contaminazioni presenti possono dissolversi dalla superficie del componente e essere rilevate tramite tecniche di misurazione appropriate. Grazie a questa tecnologia, è possibile rilevare in modo integrale le contaminazioni, cioè sia sull'intera superficie di singoli componenti sia su interi gruppi di componenti di qualsiasi geometria. Il metodo di misurazione è non distruttivo, cioè i componenti possono essere successivamente processati senza problemi.
I dispositivi VIDAM utilizzano questa tecnica di misurazione diretta per verificare e valutare la pulizia dei componenti. Una misurazione VIDAM si basa su un processo di misurazione completamente automatizzato con semplice utilizzo, cioè non è necessario personale specializzato per eseguire le misurazioni.

Una variante del dispositivo VIDAM è illustrata in Fig. 1. È composta da una camera a vuoto in cui vengono inseriti i componenti, da un sistema di pompaggio, da una tecnica di misurazione della pressione adatta per la rilevazione delle contaminazioni e da un sistema di controllo con registrazione e analisi dei dati integrata. In questo modo, le contaminazioni filmiche possono essere estratte, separate e rilevate dalla superficie del componente.

Come grandezze di misura, VIDAM fornisce un risultato quantitativo, cioè la quantità di residui di sporco sulla superficie in g (o rapportata alla superficie del componente in g/cm²), permettendo di stabilire limiti di soglia appropriati. Grazie alla tecnica di misurazione spettrale, le contaminazioni possono essere identificate in modo univoco e attribuite alle loro cause (ad esempio residui di ausili di produzione e detergenti).

Il limite minimo di rilevabilità di < 0,3 ng/cm² per sostanze organiche consente di individuare anche le più piccole quantità di contaminazione, mentre il limite massimo di misurazione supera ciò che generalmente viene definito come "olio e grasso liberi". Sia le dimensioni della camera, i tempi di ciclo, la capacità di componenti che il limite di rilevabilità possono essere adattati al compito di misurazione specifico.

Come esempio di applicazione, si descrive più dettagliatamente la valutazione di diversi metodi di pulizia di componenti con geometrie complesse (a causa di molteplici fori filettati). Ad esempio, si può considerare un fornitore di componenti automobilistici che necessita di componenti sufficientemente puliti per i processi successivi. La pulizia dei componenti sarà effettuata internamente e sono in fase di valutazione vari metodi di pulizia: pulizia ad ultrasuoni a umido, pulizia con CO₂ e pulizia a bassa pressione. Il limite per le contaminazioni organiche sui componenti, cioè residui filmici di sporco, è stato determinato in precedenza come < 1 µg/cm² (ISO-SCC Classe -6 (VOC)), meglio < 0,1 µg/cm² (ISO-SCC Classe -7 (VOC)).

La valutazione dell'efficacia dei metodi di pulizia considerati è stata effettuata su campioni contaminati con una quantità definita di sporco di prova, quindi puliti con il metodo specifico. Successivamente, il residuo di sporco sulle superfici dei componenti è stato misurato con un dispositivo VIDAM, determinando così la pulizia del componente. I risultati delle misurazioni VIDAM sono illustrati in Fig. 2.

Tra i metodi di pulizia analizzati, la pulizia con CO₂ ha prodotto i risultati peggiori (residuo di sporco di 1,0 µg/cm²), mentre la pulizia a bassa pressione ha ottenuto la migliore pulizia del componente (residuo di sporco di 1,3 ng/cm²). Su un impianto di pulizia ad ultrasuoni esistente, con parametri standard, è stato possibile pulire componenti con residui di sporco fino a 0,2 µg/cm², ma erano ancora visibili residui evidenti di ausili di produzione. Modificando il detergente, la pulizia del componente è stata ulteriormente migliorata (residuo di sporco di 1,4 ng/cm²). I limiti di soglia desiderati di < 0,1 µg/cm² (ISO-SCC Classe 7 (VOC)) sono stati ampiamente rispettati con l'impianto di ultrasuoni esistente e detergenti adattati.

Altri casi di applicazione tipici per le misurazioni VIDAM, oltre alla validazione, verifica e ottimizzazione dei processi di pulizia, sono il controllo dell'efficacia dei detergenti per ausili di produzione specifici, il monitoraggio del grado di asciugatura dei componenti dopo la pulizia e il controllo e la garanzia di una pulizia sufficiente prima di processi di finitura superficiale (ad esempio rivestimenti, verniciatura, galvanizzazione, stampa) e di incollaggio (ad esempio adesivi, saldature, brasature).

VIDAM può essere integrato in modo flessibile in una catena di produzione esistente, consentendo di ottimizzare i processi di produzione e di pulizia internamente, garantendo così un alto livello di sicurezza del processo complessivo e una qualità riproducibile del prodotto finale.