Sneeuw zorgt voor netheid bij ruimtevaartmissies

Zelfs de kleinste stofdeeltjes of partikelresten uit de productie kunnen de prestaties van satellieten beïnvloeden. Daarom moeten in de productie uiterst strenge reinheidsnormen worden nageleefd. (Beeldbron: OHB System) / Since even tiniest grains of dust or particles of manufacturing residues can impair the performance of satellites, extreme high cleanliness requirements have to be fulfilled. (Photo credit: OHB System)

Voor het reinigen van de CFK-structuren van satellieten – hier met geïntegreerde kabelboom en thermische componenten – hebben OHB System en acp een oplossing ontworpen die het mogelijk maakt om de netheid tijdens het reinigingsproces te bewijzen. (Beeldbron: OHB System) / To clean the CFRP structures of satellites - here with integrated cable harness and thermal components - OHB System and acp have designed a solution which enables cleanliness to be proved during the cleaning process. (Photo credit: OHB System)

Dankzij de twee in de spuitkop geïntegreerde laserpointer kan de optimale afstand tot de te reinigen binnenoppervlakken worden vastgesteld. (Beeldbron: OHB System) / Thanks to the two laser pointers integrated into the nozzle head, the optimal distance away from the inner surfaces to be cleaned can be set. (Photo credit: OHB System)

Het baffle wordt met een kraan op de vork van de reinigingsmachine geplaatst. Door de integratie van een camerasysteem in de nozzlekop is het volledige reinigingsproces live op het scherm zichtbaar. (Beeldbron: acp systems)

De draaibare sproeikop is gemonteerd op een lans, waardoor via de openingen de verwijderde verontreinigingen worden afgezogen. De reinheid wordt aangetoond door een in de afvoerstroom geïntegreerde deeltjesdetector. (Fotocredit: acp Systems)

Als het gaat om de prestaties van satellieten en hun succesvolle inzet in de ruimte, kunnen kleinste stofdeeltjes of partikelvorming tijdens de productie bepalend zijn. Een wereldspeler in de internationale ruimtevaart gebruikt met de quattroClean-sneeuwstraltechnologie een oplossing voor de interne reiniging van gecoate baffel- en CFRP-structuren, met en zonder geïntegreerde kabelboom, waarmee gelijktijdig het reinigingsresultaat kan worden aangetoond.

De familiegeleide, beursgenoteerde ruimtevaart- en technologieconglomeraat OHB SE behoort tot de top 3 spelers in de Europese ruimtevaart. Opgedeeld in de bedrijfssectoren Space Systems, Aerospace en Digital, telt het bedrijf ongeveer 2.800 medewerkers. Als grootste dochteronderneming beschikt de OHB System AG, met hoofdkantoor in Bremen en een tweede locatie in Oberpfaffenhofen, over meer dan vier decennia ervaring in de ontwikkeling van hightech-oplossingen voor de ruimtevaart en andere toepassingsgebieden, waarbij composietmaterialen zoals CFRP een belangrijke rol spelen. Tot het product- en dienstenportfolio van het bedrijf behoren de realisatie van complete satellietsysteem voor aardobservatie, navigatie, telecommunicatie, wetenschap en inlichtingen, evenals het uitwerken en uitvoeren van missies voor het verkennen van het heelal en de ontwikkeling van systemen voor astronautische ruimtevaart. Als systeemhuis werkt OHB System samen met toonaangevende nationale en internationale bedrijven om technologieën te combineren tot nieuwe oplossingen.

Voldoen aan en aantonen van hoge reinigingsspecificaties

Dit geldt ook op het gebied van reinigingstechnologieën. Want op de verkeerde plek kunnen zelfs minimale partikelvorming tijdens de productie de prestaties van een missie beïnvloeden, waarvoor het bedrijf de verantwoordelijkheid draagt. "Daarom hebben we elf jaar geleden de afdeling Cleanliness en Contaminationscontrole opgericht. Inmiddels houden elf experts zich bezig met netheid langs de procesketen en contaminatie-engineering, het aantonen van netheid, het simuleren van contaminatie-overdrachtfenomenen en reiniging in de high-end sector," vertelt Dr. Axel Müller, Lead Expert Contamination Control bij OHB System. In 2016 is begonnen met het kwalificeren van de CO2-sneeuwstraltechnologie als reinigingsmethode voor de ruimtevaart binnen het bedrijf. Het ging daarbij om het reinigen van kabelbomen en CFRP-structuuronderdelen met een diameter van circa 2.000 x 2.000 mm, die voorzien zijn van een speciale, lichtabsorberende zwarte coating. Deze zogenoemde baffel maakt het mogelijk dat alleen het te detecteren licht of de gewenste beeldinformatie wordt geleid naar optische componenten zoals spiegels, lenzen en detectors. "Als bijvoorbeeld door vibraties tijdens de lancering slechts enkele deeltjes op de spiegel terechtkomen, ontstaan lichtreflexen die het beeld vervormen en zo een mislukking van de missie kunnen veroorzaken," legt Axel Müller uit. "Voor ons ligt de uitdaging niet alleen in het schadeloos en stofvrij krijgen van de baffel van binnen, zodat geen deeltjes groter dan tien micrometer meer aanwezig zijn, maar ook in het aantonen hiervan. En dat bewijs is gewoonlijk extreem arbeids-, tijds- en kostbaar." Op basis van de schaalbare quattroClean-sneeuwstraltechnologie van acp systems AG is gezamenlijk een passende reinigingsoplossing ontwikkeld en geïntegreerd in een cleanroom ISO 3.

Vier effecten voor zeer schone oppervlakken

De droge quattroClean-methode gebruikt vloeibaar, klimaatneutraal kooldioxide als reinigingsmedium, dat door een slijtagevrije tweestoffen-ringdüse wordt geleid. Bij het verlaten van de nozzle ontspant het kooldioxide tot fijn CO2-sneeuw, dat wordt gebundeld door een aparte, ringvormige persluchtmantelstraal en met supersonische snelheid wordt versneld. De goed te focussen sneeuw-luchtstraal ontwikkelt bij het raken van het te reinigen oppervlak een combinatie van thermisch, mechanisch, oplosmiddel- en sublimatie-effect. Door de samenwerking van deze vier werkingsmechanismen worden partikelverontreinigingen tot in het submicrometergebied en filmcontaminaties procesveilig en reproduceerbaar verwijderd. Het kristallijne kooldioxide sublimeert volledig tijdens het proces, zodat de gereinigde oppervlakken droog achterblijven.

Reiniging in cleanroom met direct bewijs van netheid

In tegenstelling tot CO2, dat na de reiniging in gasvormige toestand achterblijft, lossen de verwijderde productie-restanten en stofdeeltjes niet op. Dit bracht de cleanliness-experts op het idee om het bewijs van netheid parallel aan de reiniging uit te voeren. "Daarvoor omringen we het onderdeel tijdens de reiniging met een stroming van zuivere lucht, die de verwijderde contaminaties gericht wegvoert van het onderdeel naar de afzuiging. In deze luchtstroom hebben we een deeltjeszähler geïntegreerd die live aangeeft hoeveel deeltjes van welke grootte aanwezig zijn," vertelt Axel Müller. De cleanroomklasse wordt meetbaar verslechterd door de activiteit. Aan de hand van de meting van het aantal deeltjes per volume kan bij een onderbreking van de CO2-reiniging worden aangetoond dat de cleanroom-zuiverheid snel hersteld is. Daarna begint de volgende reinigingsstap. Daarbij worden de resterende contaminaties in aantal en grootteverdeling continu verminderd door de reinigingswerking, en dit wordt tegelijkertijd gedocumenteerd. Deze reinigings- en regeneratiecycli worden zo vaak herhaald totdat de baffel voldoet aan de vereiste reinigingsspecificaties met betrekking tot acceptabele restverontreiniging of deeltjesgrootteverdeling. "Voor zover ik weet is de quattroClean-sneeuwstraltechnologie de enige reinigingsmethode waarbij het reinigingsresultaat live kan worden weergegeven," merkt Axel Müller op.

Complexe reinigingsrobot

Op basis van deze resultaten en de inmiddels gerealiseerde kwalificatie van de reinigingsoplossing voor ruimtevaarttoepassingen, heeft acp een reinigingsrobot in High Purity-uitvoering ontworpen voor de interne reiniging van de grote, al volledig gemonteerde, semi-gesloten CFRP-structuren van drie verschillende baffels. Deze omvat onder andere een media-opwerking voor het vloeibare kooldioxide, dat een zuiverheid van 99,995 procent garandeert, en de kwaliteit van de perslucht ligt op 1.2.1.

De tot 125 kg wegende baffels in de vorm van een boven afgeronde piramidekegel worden bevestigd op een interfaceplaat en met een kraan op de vork van de installatie geplaatst. Deze kan in X-, Y- en Z-richting bewegen. Om alle binnenoppervlakken van de maximaal 1.600 x 1.600 x 2.000 mm grote onderdelen te bereiken, beweegt de nozzle met scharnierende straalzone op een lans in het baffel binnen, scant deze zigzaggend af en roteert daarbij. Tijdens het reinigingsproces wordt de binnenlucht in de baffel afgezogen en worden de aanwezige deeltjes op locatie en in tijd gemeten en beoordeeld op grootte en aantal met het oog op het reinigingsresultaat.

Botsingscontrole via digitale tweeling

Botsingen die schade aan de CFRP-structuren kunnen veroorzaken, moeten tijdens de reiniging veilig worden uitgesloten. Tegelijkertijd moet worden gewaarborgd dat elk gebied volgens de eisen wordt gereinigd. De bewegingsvolgordes worden daarom voor elke baffel individueel gedefinieerd. "Dit gebeurt via een digitale tweeling die de installatie, het onderdeel, het reinigingsproces en het reinigingsresultaat weergeeft," legt Axel Müller uit. Voor de afstandsmetingen is de nozzle met een ultrasone sensor en twee laserpointer uitgerust. Door een eveneens geïntegreerd camerasysteem zijn tijdens de reiniging te allen tijde livebeelden beschikbaar. Het bewijs van netheid wordt geleverd door deeltjeszählern die in de afzuigstroom zijn geïntegreerd. "Met deze installatie, die vermoedelijk wereldwijd uniek is, slagen we erin om de componenten 10.000 keer schoner te reinigen dan voorheen mogelijk was. En dat met een enorme tijdsbesparing en een aanzienlijk hogere procesveiligheid en reproduceerbaarheid," voegt Axel Müller tot slot toe.