Czyszczenie i pakowanie pojedynczych elementów i zespołów do stosowania w warunkach czystych pomieszczeń

Przegląd

Coraz więcej produkcji odbywa się w określonych warunkach, w warunkach czystego pomieszczenia. Przy tym istotne są poszczególne produkty i kroki procesowe potrzebne do ich wytworzenia, które decydują o określeniu wymagań dotyczących warunków czystości w pomieszczeniu. Aby móc produkować w czystym pomieszczeniu, konieczne są pewne ważne warunki wstępne, które umożliwiają efektywną realizację. W żadnej innej dziedzinie analiza całego łańcucha produkcyjnego nie jest tak konieczna, jak w czystych obszarach produkcyjnych. Zdecydowanie istotne jest zdefiniowanie, jakie warunki środowiskowe są konieczne do produkcji. Bardzo często specyfikacje dotyczące czystości dostarczonego materiału i wyposażenia procesowego nie są dostosowane do wymagań, tzn. np. pytania dotyczące rodzaju i sposobu dostawy oraz spełnienia wymagań czystości dla dostarczonego produktu i jego opakowania muszą być wyjaśnione. Fakt, że produkcja odbywa się w czystym pomieszczeniu, nie jest wystarczający do osiągnięcia wymaganej jakości produktu.

W tym artykule skupimy się głównie na dwóch etapach procesu w całym łańcuchu, którym przypisuje się szczególne znaczenie: czyszczeniu i pakowaniu pojedynczych elementów, zespołów i kompletnych maszyn.

Czyszczenie i pakowanie – nowa jakość

Dlaczego zakłada się nową jakość w procesach czyszczenia i pakowania? Przecież czyszczenie i pakowanie odbywa się od zawsze. Co więc jest nowego? Nowe jest to, że nie można już tego traktować jako „czyszczenie” i „pakowanie”. Rower czyści się za pomocą szmatki – oprawę optyczną czyści się za pomocą środków czyszczących i ściernych zgodnie z określoną technologią czyszczenia. Prezent urodzinowy pakujemy w papier prezentowy – dostarczona oprawa optyczna znajduje się w magazynie, który jest mocowany w zamykanym pudełku, a następnie jest jeszcze dwukrotnie zapakowany w uprzednio oczyszczoną i odpływową folię PE, ewentualnie napełniony azotem lub odessany, i taki pakunek jest wysyłany do użytkownika.

Na podstawie tego krótkiego opisu procesów można dostrzec różnice w porównaniu z tradycyjnymi technologiami. Jednak co wymusza zwiększone nakłady na zastosowanie w czystych pomieszczeniach? Kroki i technologie, które wymagają czystego środowiska, korzystają z tego do osiągnięcia wysokiej jakości produktu, której nie dałoby się uzyskać w „normalnych” warunkach. Oznacza to, że świadomie akceptuje się wyższe koszty związane z utrzymaniem czystego środowiska produkcyjnego. Z tego powodu zawsze będzie się próbować wyeliminować wszelkie zewnętrzne czynniki, które mogłyby negatywnie wpłynąć na te koszty. Dlatego też normy i wytyczne zajmują się tematyką czystości pomieszczeń, czystości powierzchni, zanieczyszczeń chemicznych, materiałów czystorasowych i innymi kwestiami związanymi z czystością w pomieszczeniach czystych. Jest tego świadoma, ponieważ w tym zakresie wciąż istnieją duże luki, a standaryzacja nie obejmuje jeszcze wszystkich niezbędnych punktów.

Wymagania wynikające z norm i wytycznych

Poszukując norm lub wytycznych dotyczących „łańcuchów procesowych w czystym pomieszczeniu”, można znaleźć bardzo niewiele. Najczęściej, jak np. w normie DIN EN ISO 14644-9, wyłączony jest ten ważny aspekt: „...W niniejszej normie nie uwzględnia się następujących zagadnień:
- Metody czyszczenia powierzchni; ...” (1)

Skutkiem tego jest istnienie szeregu standardów zakładów, które w zakresie szerokości zastosowań nie są kompatybilne lub wymienne i są dostosowane tylko do kilku produktów. Te standardy są dostępne tylko dla wybranej grupy użytkowników.

Ponadto istnieją branżowe wytyczne, które opisują stan techniki, który nie zawsze odpowiada najnowszym osiągnięciom. Dotyczą głównie standardów z branży półprzewodników i przemysłu motoryzacyjnego. W dalszej części zostaną przytoczone wybrane wymagania z nich.

Przykład przemysłu półprzewodników

Standaryzacja w branży półprzewodników jest znacznie bardziej rozwinięta niż w innych branżach. Oczywiście, odnosi się to głównie do potrzeb przemysłu półprzewodników, przemysłu solarnego i techniki mikrosystemowej, których reprezentantem międzynarodowym jest organizacja SEMI.

Analizując wymagania dotyczące czyszczenia pojedynczych elementów, zespołów i maszyn, można zauważyć dużą rozbieżność między wymaganiami norm a ich realizacją w codziennej pracy wielu firm.

Na przykład w zakresie czyszczenia i montażu maszyn przeznaczonych do użytku w czystych pomieszczeniach, wymaga się: „Czyszczenie – wszystkie narzędzia i elementy systemu (poszczególne części i zespoły – przyp. tłum.) powinny być odkurzone, wyczyszczone sprężonym powietrzem z filtrem i umyte roztworem 10% IPA i wody tuż przed wprowadzeniem do strefy montażu. Należy używać narzędzi, takich jak np. czyste ręczniki do czystych pomieszczeń, które są certyfikowane do klasy ISO 5 (wg DIN EN ISO 14644). Oleje do cięcia, smary i płyny muszą być usunięte przed wejściem części do czystej strefy montażu.”

Bez względu na to, jak te wymagania są realizowane w praktyce lub mogą być realizowane, pojawia się szereg pytań, na które musi odpowiedzieć sam użytkownik w swojej produkcji, ponieważ nie ma na to konkretnych wytycznych.

1. Jak skutecznie odkurzać?
Powszechnie wiadomo, że odkurzanie nie jest efektywną technologią czyszczenia. Po pierwsze, nie zapewnia głębokiego działania czyszczącego, tzn. odkurzacz musi być bardzo blisko od czyszczonej powierzchni, aby efekt był widoczny, a po drugie, przy coraz mniejszych cząstkach, siły przyciągania cząstek do powierzchni są tak duże, że można założyć, iż poniżej 10 µm efekt jest znikomy.

2. Jak przygotować sprężone powietrze do użycia do czyszczenia?
Oczywiście, musi być wolne od oleju i wody. Bezpyłowe oznacza, że minimalny rozmiar cząstek musi być określony. Często do czyszczenia używa się azotu. Dla azotu obowiązują te same wymagania co dla sprężonego powietrza. Czystość podawana dla azotu odnosi się wyłącznie do czystości chemicznej, nie do czystości cząsteczkowej. Zarówno sprężone powietrze, jak i azot powinny być filtrowane na końcu, aby wyeliminować ryzyko zanieczyszczenia produktu z sieci gazowej.

3. Jaką czystość musi mieć płynny środek czyszczący?
W przypadku wody zawsze należy używać wody zdemineralizowanej (DI). Resztki cieczy odparowują bez pozostałości. Mieszanki alkoholi, niezależnie od tego, czy jest to 10% czy 50%, powinny odpowiadać chemicznej i cząsteczkowej czystości, określonej przez czyszczone produkty. Alkohole te mają efekt rozpuszczania zanieczyszczeń organicznych. Woda umożliwia dzięki wyższej napiętości powierzchniowej usunięcie rozpuszczonych zanieczyszczeń za pomocą wilgotnej ściereczki (tkaniny czystorasowej).

4. Czym jest tkanina czystorasowa?
……

Przykład przemysłu motoryzacyjnego

Przemysł motoryzacyjny na tym etapie wykazuje niewiele uniwersalnych wytycznych. Na przykład wytyczna VDA19 (2): „Przegląd technicznej czystości – cząsteczkowe zanieczyszczenia funkcjonalnie istotnych części samochodowych”

Wytyczna ta opisuje warunki stosowania i dokumentacji metod określania zanieczyszczeń cząsteczkowych w funkcjonalnie istotnych elementach (kontrola czystości). (2)

Oznacza to, że stworzono podstawę do ustalania wymagań dotyczących czystości między klientami a dostawcami, opartą na metodach wykrywania zanieczyszczeń cząsteczkowych.

Nie uwzględnia się:

- Podstaw i metod określania/oceny wymagań dotyczących czystości absolutnie koniecznych z punktu widzenia funkcjonalnego elementu.
- Dowodów organicznych zanieczyszczeń (tłuszcze, oleje itp.).
- Metod wykrywania cząsteczek, które nie mogą być ilościowo zmierzone na obiektach testowych (np. ocena wizualna, test wilgotnej szmatki).
- Badania płynów do pracy na obiektach testowych (płyny chłodzące, oleje, płyny hydrauliczne, płyny hamulcowe, paliwa, gazy itp.) (2)

Także tutaj użytkownik nie ma dostępu do ważnych wskazówek dotyczących opisu swoich procesów czyszczenia, a ta wytyczna jest mało praktyczna do ustanowienia tych procesów.

Wewnętrzne normy i wytyczne firmy

Istnieje duża liczba norm i wytycznych wewnętrznych, które opisują procesy czyszczenia i pakowania. Włączenie ich do ogólnej analizy tworzenia uniwersalnych wskazówek często kończy się niepowodzeniem, ponieważ wszystkie standardy firmowe są poprzedzone umową o poufności.

Większość tych wytycznych opiera się na wieloletnich doświadczeniach i oczywiście na błędach, które zostały popełnione. Rzadko przeprowadza się głębokie badania naukowe. Te wytyczne są aktualne do momentu, gdy pojawią się ograniczenia, w których dotychczasowe metody przestają być wystarczające i procesy muszą być iteracyjnie rozwijane.

Wymagane warunki środowiskowe dla procesów czyszczenia i pakowania

Istnieją różne poglądy na temat warunków, w jakich należy przeprowadzać czyszczenie i pakowanie. Oto trzy przykłady:

1. Standard określa dokładną klasę czystości powietrza, w której mają być prowadzone te procesy (np. standard SEMI). Doświadczenie pokazuje, że niewiele jest dostawców spełniających wysokie wymagania klasy ISO 5 / ISO 6.
2. Nieliczni dostawcy (np. w Japonii) produkują, czyszczą i pakują w tych samych warunkach, w jakich maszyna będzie używana u końcowego użytkownika. W ten sposób osiąga się bardzo wysoki poziom czystości już na etapie przygotowania. Jest to jednak kosztowne.
3. Różni dostawcy pracują na podstawie doświadczenia, maksymalnie dwa poziomy gorsze od warunków u końcowego użytkownika.

Czyszczenie elementów, zespołów i maszyn w warunkach czystego pomieszczenia

Łańcuch procesowy od pojedynczego elementu do zespołu i kompletnej maszyny

Aby poprawnie określić czystość maszyny wstępnie, konieczne jest przeanalizowanie całego łańcucha procesowego od produkcji pojedynczych elementów do kompletnej maszyny. Wynikają z tego wymagania dotyczące warunków, w jakich są one wytwarzane, czyszczone i pakowane. Zawsze obowiązuje aspekt kosztowy: wszystkie kroki procesowe muszą być prowadzone w warunkach, które są tak dobre, jak to konieczne, a nie tak dobre, jak to możliwe. Przy opisie łańcucha procesowego istotne jest uwzględnienie czynnika czasu. Kontaminacja jest funkcją czasu. Im dłużej trwają poszczególne kroki, tym wyższy poziom czystości środowiska jest konieczny. Może to być realizowane na różne sposoby:

- przez czysty pomieszczenie odpowiedniej klasyfikacji
- przez ciągłe powtarzanie procesów czyszczenia, aby stale usuwać zanieczyszczenia
- przez pakowanie produktów przed każdą przerwą w pracy i rozpakowywanie przy dalszej obróbce (np. przez zapakowanie w folię, przykrycie odpowiednimi folią lub użycie aktywnych pojemników magazynowych, atmosfery azotowe są odpowiednie tylko wtedy, gdy produkt musi być chroniony przed wilgocią i tlenem), oraz regularne czyszczenie

Często pojawia się pytanie, czy końcowe czyszczenie całej maszyny byłoby wystarczające. Przeciw temu przemawia fakt, że niewiele maszyn jest tak zaprojektowanych, aby można było dotrzeć do wszystkich miejsc podczas czyszczenia. Zanieczyszczenia często są „wbudowywane” i stanowią długoterminowe ryzyko. Te zanieczyszczenia nie trzymają się powierzchni na zawsze. Procesy starzenia, zmiany w ładunku elektrostatycznym powierzchni, zmiany wilgotności powietrza i temperatury powodują zmiany sił adhezji na powierzchni i nadają zanieczyszczeniom nieprzewidywalną dynamikę.

Czyszczenie pojedynczych elementów

Wszystkie metody czyszczenia zależą od rodzaju zanieczyszczeń, materiału elementów, ich powierzchni i wrażliwości na czynniki mechaniczne oraz działanie cieczy.

Dla wielu zastosowań sprawdziło się czyszczenie ultradźwiękowe. Jest ono łagodne dla elementów i technicznie dojrzałe. Dla bardzo wrażliwych elementów można stosować wyższe częstotliwości, tzw. megadźwięki. Należy zwrócić uwagę na następujące punkty:

- przy użyciu roztworów wodnych należy stosować wodę zdemineralizowaną (DI)
- przy użyciu środków czyszczących należy zapewnić odpowiednią liczbę cykli płukania, aby zapobiec przenoszeniu środków czyszczących i detergentów oraz rozpuszczonych zanieczyszczeń
- zużyte środki czyszczące i płukanki należy wymieniać w krótkich odstępach czasu
- proces suszenia ma kluczowe znaczenie (np. otwory, szczeliny). Suszenie musi odbywać się w najwyższej czystości.

Różnorodność części, których nie można czyścić ultradźwiękami, jest bardzo duża. Należą do nich np. optyka, ceramika, materiały porowate i miękkie. Tam stosuje się metodę mechaniczną, wspomaganą odkurzaniem i podmuchami. Same odkurzanie i podmuchy nie są wystarczające (patrz wyżej).

Oczywiście istnieje wiele innych metod czyszczenia, takich jak czyszczenie CO2, suszenie, mycie, szczotkowanie, folie adhezyjne itp.

Czyszczenie zespołów

Wysoka złożoność zespołów wymaga stosowania głównie metod mechanicznych czyszczenia. Przyczyny tego to np. klejenie, które nie może być czyszczone ultradźwiękami, oraz mieszanka różnych materiałów o różnych wymaganiach. Może także wystąpić ryzyko, że środki czyszczące pozostaną w zespole, ponieważ nie można go całkowicie wysuszyć.

Efektywne czyszczenie zespołów jest możliwe tylko wtedy, gdy wcześniej elementy zostały poddane czyszczeniu.

Czyszczenie maszyn

Rozróżnia się czyszczenie podstawowe i konserwacyjne, podobnie jak w przypadku czyszczenia pomieszczeń czystych.

Czyszczenie podstawowe po montażu

Przed pakowaniem maszyny należy ją, niezależnie od wcześniejszych kroków czyszczenia elementów i zespołów, dokładnie wyczyścić u producenta. Czyszczenie to wymaga dobrej znajomości maszyny przez personel czyszczący. Różne części maszyny muszą być czyszczone odpowiednimi metodami, a wrażliwe zespoły mogą być wyłączone z końcowego czyszczenia. Powinny być one odpowiednio chronione z góry. Po tym czyszczeniu końcowym maszyna powinna być natychmiast zabezpieczona pierwszą osłoną (np. folią).

Przed procesem pakowania może być przeprowadzony wstępny test akceptacyjny, który może wykazać problemy z kontaminacją już na etapie własnym. Problemy z kontaminacją wykryte na tym etapie można usunąć we własnym zakresie, co jest znacznie łatwiejsze niż w czystym pomieszczeniu klienta.

Te wstępne testy akceptacyjne dokumentują także osiągniętą jakość wobec klienta. Metody i szczegóły powinny być ustalone między klientem a dostawcą.

Czyszczenie przed uruchomieniem

Po zgodnym z przepisami rozpakowaniu maszyny u końcowego użytkownika, należy ją poddać dalszemu czyszczeniu podstawowemu, aby usunąć ewentualne zanieczyszczenia powstałe podczas transportu. Bez tego czyszczenia żadna maszyna nie powinna trafić do czystego pomieszczenia. Czyszczenie to wykonują dostawca, klient lub zewnętrzny personel. Podstawą jest instrukcja rozpakowania i czyszczenia.

Najczęściej po czyszczeniu przeprowadza się próbę powierzchniowej czystości. Jeśli wartości graniczne są spełnione, maszyna może zostać zainstalowana w odpowiednim miejscu w czystym pomieszczeniu.

Czyszczenie konserwacyjne

Czyszczenie konserwacyjne jest wpisane do planu czyszczenia klienta. Zapewnia konieczną czystość na przestrzeni czasu. Oznacza to, że mimo produkcji w czystym pomieszczeniu, maszyny muszą być stale przywracane do stanu początkowego. Środowisko czystego pomieszczenia wydłuża jedynie czas, w którym powierzchnie sprzętu procesowego mogą się ponownie zanieczyścić. Dodatkowo, podczas pracy maszyny, w toku procesów i obsługi materiałów, stale powstają zanieczyszczenia, które osadzają się na powierzchniach. Czyszczenie konserwacyjne musi być przeprowadzane zgodnie z ustalonym planem i dokumentowane.

Kontrola czystości (przykłady)

Kontrola skuteczności czyszczenia stanowi wyzwanie dla odpowiedzialnych. Jednym z powodów jest pomiar cząstek na powierzchniach technicznych, co wymaga dużego nakładu pracy. Oprócz technik pomiarowych, które pozwalają na widoczność cząstek w zakresie mikrometrów, stosuje się następujące metody:

- Inspekcja optyczna
Oczyszczone powierzchnie są inspekcjonowane za pomocą narzędzi optycznych, a cząstki na wybranej powierzchni są wyodrębniane. Wynik porównuje się z wartością graniczną określoną w wytycznych czyszczenia. Czyszczenie kończy się, gdy wartości graniczne są spełnione.

- Sonda powierzchniowa
Sonda powierzchniowa jest używana z przekształconym optycznym licznikiem cząstek. Cząstki są usuwane z powierzchni za pomocą strumienia powietrza i oceniane za pomocą licznika cząstek. To jest metoda jakościowa, nie ilościowa, ponieważ nigdy nie można usunąć wszystkich cząstek z powierzchni. Można jednak dobrze oszacować procentowy efekt czyszczenia, mierząc przed i po czyszczeniu.

- Metoda płukania
Poszczególne powierzchnie są spłukiwane czystą wodą, a ta woda jest poddawana pomiarowi cząstek w cieczach. Powierzchnia jest uznawana za czystą, jeśli w płukanej wodzie wartość jest poniżej wartości granicznej. Ta metoda pozwala na empiryczne wyznaczenie granic czystości.
Należy pamiętać, że parametry wody, takie jak ilość, przewodność i temperatura, mogą wpływać na wynik pomiaru.

Pakowanie w warunkach czystego pomieszczenia

Materiały opakowaniowe

Podstawą jest, aby materiały opakowaniowe zapewniały odpowiednią ochronę produktu. Powinny mieć minimalną emisję cząstek i niską skłonność do outgassing’u.

Często wymaga się folii czystorasowej jako materiału opakowaniowego. Przyjmuje się, że odpowiada temu lekko „różowa” folia PE. Materiał ten to folia PE, różniąca się od innych folii PE właściwościami elektrostatycznymi.

Istnieją jednak folie, które są produkowane i konfekcjonowane w warunkach czystego pomieszczenia. Ze względów kosztowych rzadko się do nich sięga. Czyszczenie folii opakowaniowych to inna możliwość, powinna jednak odbywać się w warunkach najwyższej czystości, ponieważ wszystkie folie podczas obsługi stale przyciągają cząstki.

Podczas pakowania folią należy zapewnić, aby produkty były dwukrotnie zapakowane w folię. Jeśli produkty są już w pudełkach lub magazynach, również one powinny być dwukrotnie zapakowane.

Opakowania wielokrotnego użytku muszą być czyszczone przed każdym użyciem. Po użyciu zwykle nie są ponownie pakowane w czystym pomieszczeniu i zwracane. Czyszczenie opakowań wielokrotnego użytku podlega tym samym zasadom co powyżej.

Szkolenie personelu

Temat szkolenia personelu jest zbyt mało doceniany, mimo że stanowi podstawę dla procesu czystego pomieszczenia. Bez dobrze wyszkolonego personelu nie można w pełni realizować czystych procesów. Dotyczy to zarówno szkolenia podstawowego, jak i powtórnych, które powinny odbywać się dwa do czterech razy w roku. Podczas szkoleń porusza się głównie następujące tematy:

- Podstawy techniki czystych pomieszczeń
- Odzież czystorasowa i jej użytkowanie, procedury zakładania i zdejmowania
- Zachowanie w czystym pomieszczeniu
- Procedury czyszczenia, patrz także VDI 2083 Blatt 15 (3)
- Obsługa narzędzi i materiałów czyszczących
- Obsługa środków czyszczących
- Praktyczne wykonywanie
- Świadomość procesów, które mogą być wykonywane przez każdego pracownika

Podsumowanie

Trudno jest przedstawić uniwersalne metody czyszczenia elementów, zespołów i maszyn. Różnorodność części jest zbyt duża, a wymagania zbyt odmienne. Podstawą jest przeprowadzanie poszczególnych kroków czyszczenia w określonych, dobrze udokumentowanych warunkach środowiskowych, z dobrze wyszkolonym personelem. Kontrola jakości pomaga w ciągłym doskonaleniu procesów.

Ważnym aspektem jest koszt, który odzwierciedla tzw. zasadę 10. Co oznacza, że pominięcie kosztów na początku łańcucha produkcyjnego, które później okazują się konieczne, w tym przypadku dotyczące czystości powierzchni, przy każdym kolejnym kroku procesu wymaga dziesięciokrotnie wyższych nakładów niż w poprzednim etapie. Innymi słowy, jeśli na początku technologicznego łańcucha oszczędza się 10 eurocentów na części, to już w drugim etapie konieczne jest poniesienie dodatkowych 1 euro na każdą część.

Literatura:

(1) DIN EN ISO 14644-9
Pomieszczenia czyste i przyległe obszary czystych pomieszczeń – Część 9:
Klasyfikacja powierzchniowej czystości cząsteczkowej
(ISO/DIS 14644-9:2008);
Wersja niemiecka EN ISO 14644-9:2008 (projekt)

(2) VDA19
Zarządzanie jakością w przemyśle motoryzacyjnym
Wytyczne (projekt, 1. wydanie 2004 – wersja żółta, Związek Przemysłu Motoryzacyjnego e.V. (VDA)):
Zanieczyszczenia cząsteczkowe funkcjonalnie istotnych części samochodowych

(3) VDI 2083-15
Technika czystych pomieszczeń – Personel w czystym miejscu pracy