Dertig jaar onderzoek voor de zuiverheid

Ultrasone precisie reiniging van onderdelen in een cleanroom van klasse ISO 1.

Satelliet

Verbruiksartikelen

Verbruiksartikelen

Dr.-Ing. Udo Gommel

Alles begon met een wasinstallatie voor auto's. Een IPA-afdeling was net bezig deze installatie te optimaliseren toen er een verzoek kwam van het Bundesministerium für Forschung und Technologie of het instituut zich niet met cleanroomtechniek kon bezighouden. Dat was 30 jaar geleden, toen de bloeitijd van de thuiscomputers begon en de schakelingen zo klein werden dat vuildeeltjes steeds meer problemen veroorzaakten. De toenmalige directeur van het instituut, Prof. Rolf Dieter Schraft, zei met een knipoog dat wie auto's kon reinigen, ook halfgeleiders schoon kon krijgen. Dus stapte de afdeling, waarvan de leidinggevende toevallig Wolfgang Schmutz heette (zijn slogan: »Gib Schmutz keine Chance«), met overheidsfinanciering in de reinheidstechniek. Aanvankelijk had ze slechts 6 medewerkers, tegenwoordig zijn dat er 50.

Drivers Miniaturisering

Sinds deze beginjaren groeide de afdeling gestaag, ongeveer elke 5 jaar volgde een uitgebreide her- en uitbreidingsfase. De uitbreiding werd gedreven door technologische ontwikkelingen. De toenemende miniaturisering van elektronische en mechanische onderdelen liet de eisen aan de zuiverheid steeds sterker groeien. Het IPA heeft dit proces niet alleen begeleid, maar ook aanzienlijk beïnvloed. Zijn kracht ligt in zijn veelzijdigheid: de afdeling beschikt niet alleen over de grootste onderzoeksreinigruimte ter wereld van ISO-klasse 1, waarin onderdelen bijna elke grootte kunnen worden gereinigd, maar ook over hoogprecisieapparatuur voor de validatie van de werkzaamheden. »De combinatie van reinigen en beoordelen is uniek«, zegt Udo Gommel, de energieke leidinggevende van de afdeling »Reinst- und Mikroproduktion«.

Hoogtepunten

De afgestudeerde natuurkundige werkt al 20 jaar bij het IPA en leidt sinds 8 jaar de afdeling. Terugkijkend kan hij verschillende hoogtepunten noemen. Zoals de inzet in Roemenië. De Stuttgarters bouwden voor het bedrijf Microelectronica een productie-installatie voor LED's, van concept tot ingebruikname. In september 2012 ging de start. De ongewone uiterlijke omstandigheden bleken daarbij de grootste uitdaging: de hightech-installatie zou ontstaan in een vervallen fabriek uit de tijden van de Koude Oorlog. »In de kelder stond water borsthoog«, herinnert Gommel zich. En juist dat vochtige keldergat, een broedplaats voor schimmel en andere verontreinigingen, was bedoeld voor de cleanrooms. Voor de productie was ISO-klasse 8 voldoende, maar daarnaast was een analyse-laboratorium met aanzienlijk hogere eisen gepland. Het moest voldoen aan ISO-klasse 1, tien miljoen keer schoner dan in de productie. De Zwabers zijn er uiteindelijk in geslaagd de vochtige keldergebieden om te vormen tot een cleanroom. In dat hoogzuivere analyse-laboratorium staat tegenwoordig een computertomograaf ter grootte van een kast — uniek in de wereld.

Hoe cruciaal schone arbeidsomstandigheden inmiddels zijn geworden voor het economische succes, wordt geïllustreerd door een voorbeeld uit de automobielindustrie. Een internationaal opererende toeleverancier liet door de IPA-experts een uitgebreid reinheidsconcept opstellen. De implementatie ervan verminderde de afvalproductie met 55 procent. Dit resulteert, gezien de hoge productieaantallen, in een kostenbesparing van ongeveer een miljoen euro per jaar.

Ruimtevaart

Een van de hoogtepunten van het instituut is ook de betrokkenheid bij de ruimtevaart. Nadat jarenlang de industriële productie centraal stond, zorgde een toeval voor een nieuw toepassingsgebied. De Europese Ruimtevaartorganisatie ESA informeerde in 2009 of de Stuttgartse experts in staat waren om componenten van een Mars-sonde te steriliseren. Microben doden was niet tot hun takenpakket gerekend, maar zij boden in plaats daarvan een reinigingsproces aan. Gommel had destijds weinig hoop zich te kunnen onderscheiden van de gevestigde concurrentie. Maar hij kreeg de opdracht. Want bij sterilisatie, of met chemicaliën of met warmte, blijven dode micro-organismen achter, terwijl een grondige reiniging »tabula rasa« maakt, en dat zeer voorzichtig.

De lucht- en ruimtevaarttak heeft sindsdien in Stuttgart het onderzoek krachtig aangezwengeld, omdat hier de eisen bijzonder streng zijn. Momenteel lopen bijna twee dozijn projecten met verschillende accenten. Hoogtepunten zijn »ExoMars« van de Europese Ruimtevaartorganisatie ESA en de satellietmissie »EnMap«. Met een betrouwbare industriële partner is momenteel zelfs een strategisch partnerschap voor de komende jaren gepland. Van de aardobservatiesatelliet »EnMap« heeft het instituut bijna alle 13.000 onderdelen gereinigd, waaronder een aluminiumblok van vier ton. Voor dat zwaargewicht moesten de medewerkers zelfs speciaal een tijdelijke cleanroom bouwen ter grootte van een klein woonhuis — onder hoge tijdsdruk.

Het Mars-project onder auspiciën van de ESA was nog veeleisender, omdat de sonde, die op 14 maart is gelanceerd, op zoek is naar sporen van leven op de naburige planeet. Om geen valse meldingen te sturen, mogen geen organische stoffen van de aarde worden meegenomen. Dit verhoogt de eisen aan de zuiverheid nog verder. Een zeer voorzichtig reinigingsproces, ontwikkeld in Stuttgart, heeft zich daarbij bijzonder bewezen: de CO2-sneeuwstraalmethode. Oorspronkelijk werd deze in de VS gebruikt om verf van vliegtuigrompen te verwijderen. De IPA-experts hebben het verfijnd tot een proces met de hoogste reinigingsefficiëntie. In plaats van harde CO2-pellets gebruiken ze kleinere en zachtere sneeuwkristallen. Verontreinigingen worden daarbij door de temperatuurschok verstrooid, lossen op en kunnen worden weggezogen. Om de doordringdiepte te vergroten, versnelt omhullend stikstof de straal tot supersonische snelheid. Een andere innovatie, recent ontwikkeld, is het gebruik van superkritisch kooldioxide. Zo kunnen bijvoorbeeld binnenzijden van slangen met gesloten holle ruimtes worden gereinigd door ze met een overdruk van 70 bar door te spoelen.

Reinheidsnormen en richtlijnen

De Stuttgartse »Schoonmakers« helpen niet alleen bedrijven bij alle lastige vragen over reinheidstechniek. Tot hun taken behoort ook het meewerken aan het opstellen van normen en richtlijnen. Met hun uitgebreide apparatuurpark, dat zelfs de kleinste verontreinigingen kan meten en beoordelen, zijn ze daar uitstekend voor uitgerust. Veel commissies in binnen- en buitenland die zich met netheid bezighouden, worden ondersteund door IPA-medewerkers. Of het nu gaat om het ontwerp van een cleanroom of de classificatie van oppervlaktereinigheid, de Stuttgarters zijn erbij. En niet alleen dat — de afdeling heeft zelfs een eigen keurmerk.

»Fraunhofer TESTED DEVICE«

Het logo »Fraunhofer TESTED DEVICE« is overal ter wereld bekend en beschermd, van Duitsland tot Australië. Klanten kunnen onderdelen of complete installaties, die in een cleanroom worden gebruikt, laten testen en certificeren op hun cleanroomgeschiktheid, van kabels tot robots. Daarbij gaat het, afhankelijk van de probleemstelling, om verschillende criteria, zoals deeltjesafgifte, uitstoot, chemische bestendigheid of reinigbaarheid. De klant ontvangt naast het certificaat een gedetailleerd testrapport. In de afgelopen 16 jaar heeft het IPA meer dan 1.700 producten uit diverse sectoren onderzocht, van elektronica tot voedingsmiddelenindustrie. Elk jaar komen er minstens 100 bij.

Normen door industrieverenigingen

Hoewel er in de reinheidstechniek al veel internationaal geldende normen bestaan, blijven er grijze gebieden bestaan. Het IPA wil dat veranderen. Het heeft twee consortia opgericht met vertegenwoordigers uit industrie en onderzoek, die moeten zorgen voor verdere harmonisering. Het eerste gaat over verbruiksartikelen die in cleanrooms worden gebruikt, zoals overalls, handschoenen of doekjes. Hoewel deze wegwerpartikelen door slijtage of uitstoot verontreinigingen kunnen veroorzaken, ontbreken nog betrouwbare regels over hoe ze moeten worden vervaardigd. De industrievereniging »Cleanroom Suitable Consumables« moet normen vaststellen. Even belangrijk is het tweede industrieconsortium, dat zich bezighoudt met medische producten zoals implantaten en spuiten. Want vervuilingen kunnen bij patiënten leiden tot infecties of afstotingsreacties. De vereniging »MediClean« moet zorgen voor de nodige veiligheid, ook bij medische technologiebedrijven die uiteindelijk voor hun producten aansprakelijk zijn.

Wissel van kennis via trainingen

Het IPA deelt zijn knowhow, die het in drie decennia heeft opgebouwd, via trainingen. Sinds 2005 zijn ongeveer 2.500 personen vertrouwd gemaakt met reinheidstechnieken, deels in de instituten in Stuttgart, deels via trainingen op locatie bij de bedrijven zelf. Sinds 2011 ontvangen de succesvolle deelnemers een QMC-certificaat (Qualiteits Management Center) volgens VDA-standaard.

IPA-expert Gommel is ervan overtuigd dat de cleanroom-afdeling de komende jaren verder zal groeien. Want de toenemende miniaturisering leidt tot steeds hogere eisen aan de cleanroomtechniek. »We zien geen einde aan de ontwikkeling«. Ook de uitdagingen die gepaard gaan met Industrie 4.0 kunnen zonder de hulp van een stofvrije omgeving niet worden aangepakt.