Reinheitstechniek bij Fraunhofer IPA

30 jaar geleden zette het Fraunhofer-instituut voor productie- en automatiseringstechniek IPA in Stuttgart de reinheidstechniek op de agenda. Sindsdien is hun inzet op dit gebied gestaag gegroeid. Vandaag behoort het tot de toonaangevende instellingen wereldwijd. Het beschikt niet alleen over de grootste test-reinruimte van ISO-klasse 1, 200 vierkante meter groot, 6,50 meter hoog, maar ook over hoogprecisieapparatuur voor de validatie van reinheid. Daarmee is het uitstekend uitgerust. »De combinatie van reinigen en reinheidscontrole en -beoordeling is uniek«, zegt de hoofdverantwoordelijke van de afdeling »Rein- en Mikroproductie«, Udo Gommel. Het instituut dekt het volledige scala aan reinheidstechniek af, van het reinheidskoncept voor productiefaciliteiten en schone productieomgevingen tot de implementatie ervan. Het reinigt afzonderlijke onderdelen of zelfs hele satellieten met verschillende technieken, klassiek met ultrasoon of geïoniseerd gas, nat of droog, of met zelf ontwikkelde, unieke CO2-reinigingsmethoden. Ook trainingen en certificering maken deel uit van het dienstenpakket.

»Fraunhofer TESTED DEVICE«

Het IPA heeft zelfs een eigen kwaliteitszegel. Het logo »Fraunhofer TESTED DEVICE« is wereldwijd bekend en gewaardeerd. Klanten kunnen losse onderdelen of hele machines, van kabels tot robots, testen en laten certificeren op hun geschiktheid voor cleanrooms. Afhankelijk van de probleemstelling gaat het om verschillende criteria, zoals deeltjesafgifte of uitgassing, chemische bestendigheid of reinigbaarheid. De klant ontvangt naast het certificaat een gedetailleerd testrapport. Tot nu toe heeft het IPA meer dan 1.700 producten uit diverse sectoren onderzocht, van elektronica tot voedingsmiddelenindustrie. Elk jaar komen er minstens 100 bij.

Productie onder cleanroom-omstandigheden

Toen het instituut drie decennia geleden begon met reinheidstechniek, stond de halfgeleiderproductie centraal. Inmiddels zijn andere sectoren erbij gekomen, van automobielproductie tot medische technologie. Zo heeft het IPA voor een internationaal actieve toeleverancier in de automobielindustrie, die zijn elektronische componenten onder cleanroom-omstandigheden moet produceren, een reinheidskoncept ontwikkeld. Het afkeurpercentage daalde daardoor met 55 procent, wat bij de hoge productieaantallen een kostenbesparing van ongeveer een miljoen euro per jaar betekent.

CO2-reinigingsmethoden

Het is toeval geweest dat het IPA sinds 1999 zich ook met ruimtevaart bezighoudt. Het Europese ruimtevaartagentschap ESA had gevraagd of de Stuttgartse experts in staat waren om componenten van een Mars-sonde te steriliseren. Omdat klassieke sterilisatiemethoden dode micro-organismen achterlaten, terwijl de grondige CO2-reiniging van het IPA zelfs de micro-organismen volledig van het oppervlak verwijdert, kreeg de afdeling de opdracht. Sindsdien heeft de ruimtevaarttak de onderzoeksactiviteiten flink opgevoerd, want hier zijn de eisen bijzonder streng. Momenteel lopen bijna twintig 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. Het Mars-project was nog veeleisender, omdat het ging om het zoeken naar sporen van leven op de naburige planeet. Daarom mogen er geen organische stoffen van de aarde worden meegebracht, wat de reinheidseisen verder verhoogt. Een zeer zachte reinigingsmethode, ontwikkeld in Stuttgart, heeft zich daarbij bewezen: de CO₂-sneeuwstraalmethode. Oorspronkelijk werd deze in de VS gebruikt om verf van vliegtuigrompen te verwijderen. De IPA-experts hebben het verfijnd en gebruiken in plaats van harde CO₂-pellets kleinere en zachtere sneeuwkristallen. Verontreinigingen worden daarbij door de temperatuurschok verstrooid, lossen op en kunnen worden afgezuigd. Om de effectiviteit te verhogen, versnelt omhullend stikstof de straal tot supersonische snelheid. Een andere innovatie is het gebruik van superkritisch kooldioxide. In gesloten holle ruimtes kunnen slangen hiermee worden gespoeld, doordat het onder een overdruk van 70 bar diep in deze ruimtes dringt.

Het Fraunhofer IPA reinigt niet alleen en controleert het succes, maar verpakt de gereinigde onderdelen ook vakkundig, zodat ze niet opnieuw vervuild raken door slijtage of uitgassing van het verpakkingsmateriaal. Gommel spreekt van een »allesomvattend zorgpakket«. Vooral in de ruimtevaart is zo'n uitgebreide verpakking verplicht, hetzij met roestvrijstalen of met aluminium bedampte folie. Want tot de montage en lancering van een satelliet moeten de onderdelen vaak jarenlang worden opgeslagen.

Normen en richtlijnen voor netheid

Een ander werkgebied is het ondersteunen bij het opstellen van normen en richtlijnen. Veel commissies in binnen- en buitenland die zich met netheid bezighouden, worden ondersteund door IPA-medewerkers, ongeacht of het gaat om het ontwerp van een cleanroom of de classificatie van oppervlaktereinheid. En soms stelt het IPA daarvoor zelfs speciale consortia samen van industrie en onderzoekspartners, om de eisen uit de productieomgeving te vertalen naar nationale en internationale regelgeving.

Een van de recentere initiatieven betreft verbruiksartikelen die in cleanrooms worden gebruikt, zoals overalls, handschoenen of doekjes. Hoewel deze wegwerpartikelen door slijtage of uitgassing verontreinigingen kunnen veroorzaken, ontbreken tot nu toe betrouwbare richtlijnen over de aard ervan. De industrievereniging »Cleanroom Suitable Consumables« moet dat veranderen. Een andere, in 2015 gestart industrievereniging houdt zich bezig met medische producten zoals implantaten en chirurgische instrumenten. Door uniforme en zinvolle voorschriften, die in de »MediClean«-vereniging worden besproken met de betrokken medische technologiebedrijven, kan hier zowel voor de medische technologiebedrijven, die aansprakelijk zijn voor de onschadelijkheid van hun producten, als voor de patiënten veiligheid worden geboden.

Trainingen

Niet in de laatste plaats deelt het Fraunhofer IPA zijn knowhow via trainingen. Sinds 2005 zijn ongeveer 2500 personen vertrouwd gemaakt met reinheidstechnieken, deels in de instituten in Stuttgart, deels via trainingen op locatie bij de betreffende bedrijven. Sinds 2011 ontvangen de succesvolle deelnemers een QMC-certificaat (Kwaliteitsmanagement Centrum), dat wordt uitgereikt door de VDA.

IPA-expert Gommel is ervan overtuigd: de toenemende miniaturisering maakt de cleanroomtechniek steeds belangrijker en leidt tot steeds hogere eisen. »Wij zien geen einde aan de ontwikkeling«. Ook de uitdagingen die gepaard gaan met Industrie 4.0 kunnen zonder de hulp van de »schoonmakers« niet worden aangepakt.