Technische Reinheit: Bestimmung der partikularen Reinheit - von der Automobilindustrie bis zur Medizintechnik

Afbeelding 1: Partikels die op een filtermembraan zijn geëxtraheerd tijdens de test van een automobielonderdeel (links) en enkele kritische partikels (rechts)

Afbeelding 2: Spectrum van verschillende automobielonderdelen

Figuur 3: Componenten van een reinheidsanalyse (links) volgens VDA 19 (rechts)

Afbeelding 4: Voorbeeld van een extractie met behulp van spuiten

Figuur 5: Informatie-inhoud van verschillende analysemethoden

Afbeelding 6: Analysefilter (boven) en evaluatie van een kwalificatieonderzoek (onder)

Afbeelding 7: Invloedfactoren op de montagekwaliteit (links) volgens VDA 19.2 (rechts)

Figuur 8: Principe van de tape-liftmethode (links) en het verzamelen van deeltjes met sedimentatievallen (rechts)

Afbeelding 9: Spectrum van verschillende medische technologieproducten

Figuur 10: Partikelanalyse onder cleanroomomstandigheden

Afbeelding 11: Bepaling van de reinigingsprestatie van reinigingsmethoden voor latere vergelijking

Figuur 12: Thematische Schwerpunkte der Überarbeitung des VDA 19

Afbeelding 13: Opleidingsprogramma voor inspecteur en planner voor technische netheid

1. Eisen aan de partikulaire zuiverheid

Bij de in de halfgeleiderindustrie geproduceerde geïntegreerde schakelingen met structuurbreedtes van momenteel tot 22 nm, wordt het hoge niveau van vereiste partikulaire zuiverheid direct duidelijk. De partikulaire zuiverheid, dus het afwezigheid van kritische deeltjes in het micrometerbereik, is echter ook voor talloze andere producten uit verschillende sectoren een belangrijk kwaliteitskenmerk, beginnend bij de automobielindustrie, via de ruimtevaart tot de life-science-industrie zoals de medische technologie. De redenen hiervoor zijn even divers als de producten en variëren van prestatieverbetering, miniaturisering, betrouwbaarheid en duurzaamheid, via wettelijke eisen tot bescherming van mens en gezondheid [1].

De grote gebieden waarin deeltjes kritisch worden voor een product en dus gereguleerd moeten worden, kunnen per product verschillen, maar er zijn overlappende vragen, zoals bijvoorbeeld:
• Hoeveel partikulaire verontreinigingen van welke grootte bevinden zich op het product?
• Om wat voor verontreinigingen gaat het?
• Is het mogelijk om de bron van de deeltjes te identificeren?
• In hoeverre kan de staat van reinheid worden verbeterd door toepassing van reinigingstechnieken?

Om deze vragen te verduidelijken, staan verschillende methoden voor reinheidsonderzoek ter beschikking, die in principe universeel kunnen worden toegepast.

2. Technische reinheid: reinheidsonderzoek in de automobielindustrie

De automobielindustrie werd ongeveer 15 jaar geleden geconfronteerd met een toenemende gevoeligheid voor partikulaire verontreinigingen door de ontwikkeling van krachtigere componenten, zoals de common-rail-injectiesystemen. Hier worden vooral harde, metallische deeltjes als kritisch beschouwd (Figuur 1).

De toestand die de afwezigheid van functioneel kritische verontreinigingen op relevante functionele oppervlakken beschrijft, wordt in de automobielindustrie aangeduid als «Technische Reinigheid». Om het bewijs te leveren van technisch schone componenten, moet een reinheidsonderzoek worden uitgevoerd. De voor de hand liggende methode van directe inspectie om te zoeken naar mogelijk een «killerdeeltje» blijkt echter moeilijk vanwege het spectrum en de complexiteit van de verschillende automobielcomponenten (Figuur 2).

Daarom is een aangepaste methodiek nodig om kritische verontreinigingen veilig meetbaar te kunnen vaststellen. In de industriële samenwerking «Technische Reinigheid (TecSa)» werd onder leiding van het Fraunhofer IPA een oplossing voor deze vraagstelling ontwikkeld met de deelnemende industriële bedrijven. Als resultaat werd de richtlijn «VDA Band 19 Testen op Technische Reinigheid - Partikelverontreiniging van functioneel relevante automobielonderdelen» opgesteld, waarin het proces en de varianten van een reinheidsonderzoek voor het bepalen van de partikulaire zuiverheid gedetailleerd worden beschreven [2]. Een reinheidsonderzoek kan in wezen in twee stappen worden onderverdeeld (Figuur 3):

1. De extractie, waarbij de deeltjes met behulp van een vloeistof en verschillende methoden (spuiten, ultrasoon, spoelen, schudden) van het relevante onderdeeloppervlak worden verkregen (Figuur 4) en

2. de eigenlijke analyse, die in de meeste gevallen begint met filtratie om de geëxtraheerde deeltjes op een analysefilter over te brengen. Voor de analyse zijn ook verschillende methoden beschikbaar, zoals gravimetrie (bepaling van het restgewicht) en geautomatiseerde microscopische technieken (lichtmicroscopie en rasterelektronenmicroscopie in combinatie met energiedispersieve röntgenspectroscopie EDX, Figuur 5).

Naast de nulwaarde, die ook voor talloze andere analytische bepalingen moet worden aangetoond, wordt vooral veel waarde gehecht aan de controle van de geschiktheid van de gekozen extractieparameters: aangezien er geen «normverontreinigde onderdelen» (= onderdelen met een uniforme, bekende uitgangscontaminatiestatus) bestaan waarop resultaten van reinheidsonderzoeken met verschillende parameters kunnen worden vergeleken, wordt een zogenaamde kwalificatieonderzoek of afklingmeting uitgevoerd, waarbij hetzelfde onderdeel herhaaldelijk wordt onderworpen aan extractie. Het doel is om binnen zes opeenvolgende extractiestappen 90% van de deeltjesbelasting te verwijderen (Figuur 6):

• Als dit na de eerste afklingmeting het geval is, kunnen de gekozen parameters worden gehandhaafd.
• Als een afname pas na verdere extractiestappen optreedt, worden de parameters voor de verdere routinecontroles aangepast, bijvoorbeeld door de extractietijd te verlengen.
• Als geen afname kan worden vastgesteld, moet een nieuwe afklingmeting worden uitgevoerd met mogelijk geschiktere parameters of methoden.

3. Probleem van montage-achtergrondverontreiniging

De waarneming dat technisch schone afzonderlijke componenten geen garantie bieden voor een schoon totaal systeem, benadrukt de noodzaak om de invloedsfactoren op de productreinigheid tijdens de montage te bepalen.

Deze invloeden werden in de industriële samenwerking «Montage Reinigheid (MontSa)» vastgesteld en beschreven in de leidraad «VDA Band 19.2 Technische Reinigheid in de Montage - Omgeving, Logistiek, Personeel en Montage-inrichtingen» [3]. Hier worden invloedsfactoren zoals omgeving, personeel, logistiek en montage-inrichtingen vanuit het perspectief van de montage-reinigheid belicht, met als doel in een bestaande productie optimalisatiepotentieel op het gebied van reinheid te ontdekken of een productie vanaf het begin reinheidsgelijk te ontwerpen (Figuur 7).

De kernprincipes luiden:
• «van binnen naar buiten», dat wil zeggen dat bij optimalisatie eerst de processen dicht bij het product moeten worden aangepakt, en
• «zo schoon als nodig, niet zo schoon als mogelijk», dat wil zeggen dat een verplaatsing van de productie naar een cleanroom vaak niet het gewenste effect van een schoon product oplevert, omdat de soms millimetergrote en daardoor niet door de lucht gedragen montage-spaan niet door de luchtstroom in de cleanroom kan worden afgevoerd.

Het identificeren van de deeltjesbronnen in de montageomgeving is daarom een belangrijke uitgangspositie voor optimalisaties. Om deze bronnen te identificeren, worden methoden zoals de tape-lift-methode gebruikt voor het bepalen van de reinheid van oppervlakken of het omgevingsmonitoring met deeltjesvallen, waarmee zich sedimenterende deeltjes op een kleefvel kunnen laten bepalen op verschillende plaatsen in de productie. De deeltjesvallen kunnen ook worden gebruikt om het verontreinigingspotentieel van processen te bepalen (Figuur 8).

Voor de evaluatie worden dezelfde analysetechnieken gebruikt als bij het reinheidsonderzoek van onderdelen (geautomatiseerde microscopische analyse met licht- en rasterelektronenmicroscoop). Het identificeren van kritische bronnen van verontreiniging maakt het mogelijk deze onder omstandigheden te vermijden (bijvoorbeeld door het ontwerp van montage-inrichtingen) of gericht te verwijderen (bijvoorbeeld door montage-integraal reinigen).

Daarnaast staan passende logistieke concepten, zoals een reinheidsgeschikte verpakking of een geschikt sluissysteem, centraal om de deeltjesgeneratie en de verspreiding van verontreinigingen te minimaliseren.

Een verdere focus ligt op het personeel, dat vanaf de producent tot de verwijderaar van verontreinigingen in verschillende vormen een belangrijke invloed kan uitoefenen op de staat van reinheid van het product.

4. Toepassing van methoden voor producten uit de life sciences

Hoewel het idee van zuiverheid al decennia lang diep verankerd is in de sector van de life sciences, vooral de farmacie, en in bijbehorende nationale en internationale regelgevingen en juridische voorschriften vastgelegd is, doen zich steeds weer problemen voor die terug te voeren zijn op onvoldoende zuiverheid.

Dit kan worden geïllustreerd met voorbeelden uit de medische technologie: in de afgelopen tien jaar waren er ongeveer 250 terugroepacties van medische technologieproducten door de «Food and Drug Administration (FDA)», waarvan ongeveer 30% vanwege verontreinigingen [4].

Een verklaring hiervoor ligt in de momenteel ontoereikende controle van de partikulaire zuiverheidsstatus. Bij het onderzoek naar de reinheid van deze producten ligt de focus tot nu toe vooral op de controle van steriliteit, die vaak ten onrechte gelijk wordt gesteld aan de afwezigheid van deeltjes. Omdat ook van partikulaire contaminaties in het menselijk lichaam een gevaar kan uitgaan, bijvoorbeeld doordat ze toxisch of pyrogene effecten kunnen hebben, zou een voortdurende monitoring en betrouwbare controle van de partikulaire zuiverheid logisch zijn. Hier worden echter enkele tekortkomingen zichtbaar, beginnend bij de grenswaarden voor partikulaire verontreinigingen, die deels uit de pharmacopoea afkomstig zijn en oorspronkelijk voor injectie- en infusievloeistoffen gelden, maar nu worden overgenomen voor verschillende medische producten, tot en met de bepaling van de zuiverheidsstatus, waarvoor slechts voor weinige medische technologieproducten specifieke testmethoden beschikbaar zijn.

Voor de bepaling van partikulaire verontreinigingen worden in verschillende normen de volgende procedures gehanteerd, bijvoorbeeld [5], [6], [7], [8]:
1. Meting met vloeistofdeeltjesdetector
2. Filtratie en handmatige beoordeling met microscoop

Het kritieke punt is hier de extractiestap: om de verontreinigingen uit het product te halen, wordt deze bijvoorbeeld voor infuussystemen beschreven in de vorm van spoelen of voor elastomerteilen in parenteralia in de vorm van schudden in een testvloeistof [6]. Het toepassen van deze product-specifieke methodiek op het brede spectrum van medische technologieproducten (Figuur 9) moet echter niet zonder meer gebeuren, maar pas na de juiste validatie. Validatie kan worden uitgevoerd in de vorm van een afklingmeting, vergelijkbaar met de beschrijving in VDA 19 voor automobielonderdelen.

Ook het gebruik van geautomatiseerde systemen en analysetechnieken voor een verdere karakterisering van de deeltjes (bijvoorbeeld REM-EDX voor bepaling van de elementaire samenstelling), vooral bij het opsporen van de herkomst van verontreinigingen, is mogelijk.

5. Reinigingstechnieken als verwijderingsstrategie

Het gebruik van reinigingstechnieken om verontreinigingen te verwijderen is vaak noodzakelijk. Afhankelijk van het product en het productieproces kan reiniging op verschillende punten in het productieproces zinvol zijn, bijvoorbeeld:

• op de afzonderlijke componenten, die vanaf het begin een bepaalde basisreinigheid moeten of kunnen hebben,
• geïntegreerd in de montage, voor het direct verwijderen van door montageprocessen ontstane verontreinigingen, of
• als laatste stap op het volledige systeem.

De effectiviteit van de toegepaste reinigingsmethoden kan worden vastgesteld door een reinheidsonderzoek.

Wanneer het nodig is om verschillende reinigingsmethoden met elkaar te vergelijken, kan een beoordelingsmatrix worden gebruikt, die onder andere de volgende punten in overweging neemt:

• investerings- en bedrijfskosten
• compatibiliteit met het te reinigen product
• milieueffecten
• reinigingsefficiëntie

Voor het bepalen van de reinigingsefficiëntie van verschillende methoden is het zinvol om te werken met proeflichamen die een directe bepaling van verontreinigingen mogelijk maken zonder verlies door extractie. De reiniging van deze proeflichamen gebeurt na het kunstmatig verontreinigen met een tracer en de daaropvolgende analyse met de verschillende te beoordelen reinigingsmethoden. De herhaalde analyse van de hoeveelheid tracer die nog op het proeflichaam achterblijft, maakt een kwantitatieve berekening van de behaalde reinigingsefficiëntie mogelijk (Figuur 11).

6. Samenvatting en verdere activiteiten

De life-science-industrie, vooral de farmaceutische en medische technologie, bevindt zich in een spanningsveld waarin alle procedures gevalideerd moeten worden. Vooral op het gebied van partikulaire reinheid ontbreken vaak geschikte bewijsvoeringsmethoden, waardoor sterk afwijkende en niet vergelijkbare resultaten kunnen ontstaan.

De toepasbaarheid van de aanpak volgens VDA 19 voor reinheidskritische medische technologieproducten is in meerdere onderzoeken aangetoond [10], [11]. Om deze aspecten en andere vragen over zuiverheid in dialoog te bespreken, nodigt het Fraunhofer IPA uit tot een bijeenkomst met paneldiscussie, gepland voor het voorjaar van 2014, om de toekomstige onderzoeks- en normeringsfocus samen met de industrie te bepalen.

Deze aanpak heeft zich al bewezen in de automobielindustrie: door voortdurende dialoog met relevante partners bevindt momenteel de revisie van VDA 19, uitgevoerd in een industriële samenwerking met 40 deelnemende bedrijven, zich in een herzieningsproces, om de behoeften en eisen van de industrie naar de stand van de techniek te blijven weerspiegelen en de uit de samenwerking met VDA 19 verkregen inzichten te integreren. Deze herziening vindt plaats in meerdere werkgroepen die thematisch zijn onderverdeeld (Extractie, Analyse, Grenswaarden, Escalatie, Figuur 12).

7. Opleidingen

Een niet te verwaarlozen punt is de motivatie van het personeel dat verantwoordelijk is voor taken met betrekking tot de reinheid. Gerichte scholing kan zorgen voor een bewustwording van de verschillende onderwerpen rondom reinheid. In samenwerking met het VDA QMC worden de volgende opleidingen aangeboden:

7.1 Certificeringsmaatregel voor »Technisch Reinigheidsonderzoeker« (VDA 19)

Thema's:
Bij de productie van moderne voertuigen is de technische reinheid van componenten en samenstellingen een belangrijk functioneel kwaliteitskenmerk. «VDA-Band 19 Testen op Technische Reinigheid – Partikelverontreiniging van functioneel relevante automobielonderdelen» behandelt als eerste uitgebreide standaardisatie de procedures en werkwijzen voor het karakteriseren van de reinheidstoestand van producten in de kwaliteitsketen van de automobielindustrie.

Doel van het seminar:
In samenwerking met het VDA QMC vormt het Fraunhofer IPA een unieke opleiding tot vakbekwaamheid in het testen van technische reinheid. De deelnemer leert zelfstandig reinheidsonderzoeken volgens VDA 19 uit te voeren, met apparatuur volgens de nieuwste stand van de techniek en conform de richtlijnen te documenteren.

Doelgroep:
Medewerkers in ontwerp, kwaliteitsborging, technische inkoop en verkoop uit de automobiel- en toeleveringsindustrie, lucht- en ruimtevaart, hydrauliek en fijnmechanica, die reinheidstests uitvoeren of geconfronteerd worden met de kwaliteitsparameter «Technische Reinigheid».

Volgende datum:
20.11.2013 - 21.11.2013

7.2 Certificeringsmaatregel voor »Planner voor Technische Reinigheid« (VDA 19.2)

Doel van de bijeenkomst:
De deelnemer wordt door de training in staat gesteld om op basis van de reinheidsspecificatie van onderdelen of systemen maatregelen te ontwikkelen en te beoordelen om herverontreiniging te voorkomen. Door het opbouwen van de leidraad en de training wordt het uitgebreide proces van reinheidplanning of -optimalisatie opgesplitst in overzichtelijke en beheersbare delen. Door de gescheiden, maar onderling verbonden behandeling van invloedssferen zoals omgeving, logistiek, personeel en montage-inrichtingen, en de methoden voor het meten van reinheidseffecten, leert de deelnemer de technische reinheid in de montage zelfstandig en systematisch aan te pakken en daarbij ook niet-doelgerichte of overdreven reinheidsmaatregelen te herkennen en verkeerde investeringen te voorkomen.

Doelgroep:
De training is bedoeld voor personen die in de automobiel- en toeleveringsindustrie betrokken zijn bij planning en optimalisatie van de productie met betrekking tot technische reinheid, in het bijzonder montageplanners en procesverantwoordelijken van bestaande montages, logistiek medewerkers of gebouwtechnici. Daarnaast richt de opleiding zich op ontwerpers en ontwikkelaars, kwaliteitsfunctionarissen of verantwoordelijken die de kwestie van technische reinheid in de klant-leverancierrelatie begeleiden. Vanwege vergelijkbare vragen over reinheid is de training ook geschikt voor de sectoren lucht- en ruimtevaart, hydrauliek en fijnmechanica.

Volgende datum:
3.12.2013 - 4.12.2013

Literatuur
[1] L. Gail, U. Gommel, H.-P. Hortig: Reinraumtechnik, 3e editie, Springer, Berlijn, Heidelberg, 2012.
[2] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): Band 19 Testen op Technische Reinigheid - Partikelverontreiniging van functioneel relevante automobielonderdelen, 2004.
[3] Verband der Automobilindustrie e. V. (VDA): Band 19.2 Technische Reinigheid in de montage - Omgeving, logistiek, personeel en montage-inrichtingen, 2010.
[4] U.S. Food and Drug Administration: Terugroepactie van medische apparaten. URL: http://www.fda.gov/MedicalDevices/Safety/ListofRecalls/default.htm, geraadpleegd op 27 juni 2013.
[5] Europees Farmacopee (Ph. Eur.): Methoden van farmaceutische technologie, hoofdstuk 2.9.19: Onzichtbare deeltjes, 7e editie, 4e supplement, 2013.
[6] ISO 8536-4: Infuussystemen voor medisch gebruik – Deel 4: Infuussystemen voor eenmalig gebruik bij gravity-infusies, 2013.
[7] ISO 1135-4: Transfusiesystemen voor medisch gebruik – Deel 4: Transfusiesystemen voor eenmalig gebruik, 2012.
[8] ISO 16671: Oogheelkundige implantaten - Spuitvloeistoffen voor oogchirurgie, 2004.
[9] DIN EN ISO 8871-3: Elastomere onderdelen voor parenteralia en voor apparaten voor farmaceutisch gebruik – Deel 3: Bepaling van losgekomen deeltjes, 2004.
[10] EUMINAfab: Uw toegang tot micro- en nanofabricage. URL: http://www.euminafab.eu/, geraadpleegd op 27 juni 2013.
[11] G. Kreck en Y. Holzapfel: Reinigheidsonderzoek en precisereiniging van reinheidskritische producten uit de life sciences. In: 15e VDI-conferentie "Reinraumtechniek", 13 juni 2013.