Nowa VDA 19 - czystość techniczna rozwija się dalej

Rysunek 1: VDA 19 pozostawia pytania bez odpowiedzi.

Rysunek 2: Przykładowy wynik dotyczący ważenia zapotrzebowania przemysłowego podczas aktualizacji VDA 19 (w punkcie tematycznym „Słabości istniejącego VDA 19”).

Rysunek 3: Rozpoczynające wydarzenie z 85 uczestnikami dla związku przemysłowego TecSa 2.0.

Rysunek 4: Duży wpływ kontrastu i progu szarości (czerwona linia) w automatycznym mikroskopowaniu prowadzi do częściowo braku porównywalności wyników analizy: po lewej stronie niepełne uchwycenie cząstki, po prawej stronie pełne uchwycenie).

Abbildung 5: Praca projektowa w ramach współpracy przemysłowej TecSa 2.0 w celu tworzenia klas elementów do jednoznacznego przyporządkowania do metod ekstrakcji.

Rysunek 6: Cząstki zabójcze czy nie, odchylenie czy trend, przy ocenie wyników czystości zaczyna się zmiana myślenia.

Rysunek 7: PuriCheck - system pomiarowy zbliżony do produkcyjnego do monitorowania cząstek w elementach i procesach produkcyjnych.

Przemysł motoryzacyjny i branża dostawców od wielu lat „stoi za drzwiami technologii czystych pomieszczeń” w zakresie montażu wrażliwych na cząstki zespołów. Przy dzisiejszych granicznych wartościach czystości, zwykle kilku setek mikrometrów, z punktu widzenia technologii czystości wypełnia lukę pomiędzy produkcją w czystych pomieszczeniach a konwencjonalnym, niekontrolowanym środowiskiem produkcyjnym. Pomieszczenie czyste lub strefa czysta to koncepcje otoczenia, które tutaj zyskały szerokie poparcie. Oprócz produkcji wystarczająco technicznie czystych elementów lub zespołów, w rozbudowanych, obecnie globalnych sieciach dostawczych odgrywa kluczową rolę kolejny aspekt technologii czystości: kontrola jakości czystości, tzn. pomiar technicznej czystości. Od lat obowiązuje tu jako standard zbiór wytycznych VDA 19, który wykracza daleko poza granice Niemiec. Obecnie można szacować, że w ponad tysiącu laboratoriów sprawdzana jest techniczna czystość jako element zapewnienia jakości w przemyśle motoryzacyjnym.

Powstała szeroka baza doświadczeń

Minęło już dziewięć lat od pojawienia się na rynku pierwszego na świecie kompleksowego zbioru wytycznych dotyczących pomiaru technicznej czystości komponentów samochodowych (rys. 1). Wówczas był to ważny, ale i odważny krok, ponieważ pomiar cząstek metodami pomiarowymi jest znacznie bardziej skomplikowaną procedurą niż np. badanie cech geometrycznych elementów, a jednocześnie czynniki wpływające na wartość „zanieczyszczenia” są bardzo różnorodne i rozłożone na cały proces powstawania elementu lub produktu. Podstawowa idea badania czystości poprzez proces ekstrakcji, który najpierw oddziela cząstki od testowanego elementu, a następnie jest dostosowany do danego elementu poprzez tzw. pomiary wyciszania, sprawdziła się doskonale. Wśród różnych dostępnych i dopuszczalnych metod analizy, w dużym stopniu upowszechniła się automatyczna mikroskopowa analiza, co znacznie ograniczyło wcześniejsze, znacznie częstsze metody gravimetryczne. Istnieje jednak szereg problemów, które w obecnej formie VDA 19 nie zostały rozwiązane lub które jeszcze nie są w nim zawarte. Jednocześnie wiedza w branży w ostatnich latach rozwinęła się w szeroki, choć niejednolity, zbiór doświadczeń: nadszedł czas na aktualizację VDA 19.

Konkretny zapotrzebowanie

Aby sprecyzować potrzebę aktualizacji i dokładnie dopasować ją do wymagań zainteresowanych firm, już w 2012 roku w Fraunhofer IPA przeprowadzono warsztaty branżowe. Otwarte dla wszystkich zainteresowanych, uczestniczyło w nich 80 osób z 56 lokalizacji firm i odzwierciedlały one potrzeby producentów samochodów, dostawców i usługodawców w zakresie technologii czystości. Głównym punktem programu, oprócz licznych prezentacji z różnych firm, była obszerna praca grupowa w dziesięciu małych zespołach, mająca na celu szczegółowe określenie i priorytetyzację potrzeb aktualizacji VDA 19 w pięciu wyznaczonych obszarach tematycznych:

•  Słabości istniejącego VDA 19
•  Nowe techniki
•  Bezpieczeństwo pracy
•  Granice czystości
•  Zarządzanie jakością

Na rysunku 2 przedstawiono przykładowy wynik dla obszaru „Słabości istniejącego VDA 19”:

W tym przykładzie widać, że punkt „Porównywalność systemów mikroskopowych” został oceniony najwyżej, z 34%. Wynik tego warsztatu bardzo dobrze pokrywa się z wynikami licznych prób ringowych i porównań laboratoriów, które w ostatnich latach przeprowadzono i które ujawniły właśnie tę niedoskonałość w porównywalności wyników analiz mikroskopowych.

Na podstawie tych i innych wyników warsztatu Fraunhofer IPA opracowało propozycję projektu, który ma na celu uporządkowane przeprowadzenie niezbędnych zmian w ramach konsorcjum przemysłowego.

Przemysłowe konsorcjum TecSa 2.0

To konsorcjum przemysłowe pod nazwą „Techniczna czystość (TecSa) 2.0” rozpoczęło działalność od spotkania inauguracyjnego 13.12.2012 (rys. 3). W celu realizacji wyznaczonych tematów, na rok do współpracy pod przewodnictwem Fraunhofer IPA zjednoczyło się łącznie siedem OEM-ów, 19 firm dostawczych, 15 usługodawców lub producentów urządzeń do analizy czystości oraz trzy związki. Prace merytoryczne, obejmujące dyskusję nad słabościami istniejącego VDA 19 oraz włączenie nowych tematów i technologii, prowadzone są w czterech podzespołach, tzw. zespołach głównych (Coreteams). Tematy tych zespołów „Ekstrakcja”, „Analiza”, „Granice” i „Eskalacja”, a także treści poszczególnych spotkań zespołów, opierają się ponownie na wynikach rozpoznania potrzeb z otwartego warsztatu. Dodatkowo odbywają się niezależne od zespołów tematyczne spotkania dotyczące bezpieczeństwa i zdrowia, szczególnie przy ekstrakcji z rozpuszczalnikami; jest to temat, który zyskał na znaczeniu dzięki nowemu zawodowi „Inspektor technicznej czystości”.

Wspólny cel

Mimo szerokiego zakresu tematów, które trzeba opracować, omówić i ujednolicić, celem jest zamknięcie prac rewizyjnych w ciągu 18 miesięcy, tak aby położyć podwaliny pod dokument zgodny z konsensusem, który zostanie złożony do VDA QMC i posłuży jako podstawa do nowej, poprawionej i rozszerzonej wersji VDA Band 19.

Motywacją do tej pracy i wysokiego zaangażowania przemysłowych partnerów jest:

•  Uzyskanie wyższej porównywalności wyników analiz
•  Lepsza ochrona zdrowia personelu badawczego
•  Włączenie kolejnych wielkości pomiarowych lub metod analizy, jeśli pojawi się wspólny, konsensualny potrzebny
•  Ujednolicenie metod ustalania granic czystości, co jest aspektem dotychczas nieobecnym w VDA 19
•  Opisanie procedur postępowania z wartościami czystości w zarządzaniu jakością, np. w przypadku przekroczenia granic i podjęcia odpowiednich działań, co wykracza poza obecny zakres regulaminu.

Podstawowym celem tej rewizji jest dalszy rozwój VDA 19 jako „regulaminu od użytkownika dla użytkownika”, czyli takiego, który jest zarówno fachowo kompetentny i technologicznie na czasie, jak i praktyczny, tzn. aby jego wdrożenie i koszty, zwłaszcza w przypadku mniejszych firm dostawczych, były możliwie najłatwiejsze. Koordynację konsorcjum zapewnia neutralny instytut, Fraunhofer IPA w Stuttgarcie, gwarantując niezależne od interesów i producentów rozwiązania.

Porównywalność jest nieodzowna

Przykładem trwającej pracy merytorycznej może być wycinek zespołu „Analiza”: ze względu na wysokie priorytety „Porównywalność systemów mikroskopowych” (patrz rys. 2) ten punkt był tematem pierwszego spotkania zespołu głównego. Intensywnie dyskutowano dwa podejścia, które w ostatnich latach opracowano w ramach grupy roboczej ds. czystości olejów, kierowanej przez BMW i Volkswagena: Pierwsze dotyczy unikania zbyt dużego obciążenia filtrów i ryzyka, że cząstki będą się stykały lub nakładały na siebie, co uniemożliwi ich odróżnienie przez analizę obrazową w mikroskopie. Tutaj obiecującym rozwiązaniem jest maksymalna dopuszczalna powierzchnia pokrycia filtra, która następnie jest automatycznie sprawdzana przez mikroskopy. Drugie podejście to ujednolicony algorytm do oświetlenia filtra analitycznego i ustalania progów szarości, które mają duży wpływ na liczbę i rozmiar cząstek na filtrze (patrz rys. 4). Intensywne omówienie tematu wykazało, że oba podejścia mają bardzo duży potencjał do zastosowania w zakresie technologii czystości, dlatego na tej podstawie zostanie opracowana propozycja, która zostanie włączona do odpowiedniego rozdziału VDA 19.

Innym problemem związanym z porównywalnością wyników analiz czystości elementów jest „wolność parametrów ekstrakcji”. Nie tylko parametry takie jak przepływ objętościowy czy moc ultradźwięków, ale już wybór samej metody ekstrakcji (strzykawki, ultradźwięki, płukanie czy potrząsanie) pozostają do tej pory całkowicie w gestii użytkownika. Aby stworzyć macierz decyzyjną dla zaktualizowanego VDA 19, umożliwiającą użytkownikowi wybór odpowiedniej metody ekstrakcji do jego zadania, w ramach zespołu „Ekstrakcja” przeprowadzono szeroką ocenę. 40 uczestników spotkania miało za zadanie w ciągu godziny ocenić 50 różnych elementów pod kątem odpowiedniej metody ekstrakcji. Wybór dokonywał się poprzez naklejanie na elementach różnokolorowych punktów (patrz rys. 5). To, co na pierwszy rzut oka może wyglądać jak grupa integracyjna na statku wycieczkowym, ukazuje jedną z głównych zalet rewizji w ramach konsorcjum przemysłowego. Dzięki wspólnej pracy 40 ekspertów od czystości w ciągu zaledwie godziny można uzyskać przegląd, który normalnie wymagałby kilku miesięcy pracy opartej na rozważaniach, ankietach i dyskusjach branżowych. Wynikiem tej analizy jest podział samochodowych części na osiem grup (w zależności od wielkości, złożoności i położenia powierzchni istotnych dla czystości), które można przypisać do określonych metod ekstrakcji lub ich kombinacji.

Podważany jest „kiler-pierwiastek”

Oprócz wielu ważnych punktów na liście zmian, szczególnie wyróżnia się jedna tematyka, która do tej pory nie była zawarta w VDA 19: tworzenie granic czystości i działania w przypadku ich przekroczenia. Gdy ponad dziesięć lat temu rozpoczęto dyskusje na temat technicznej czystości i położyło się podwaliny pod obecną wersję VDA 19, termin „killer cząstek” – wywodzący się z przemysłu półprzewodników – został zaadaptowany do świata jakości przemysłu motoryzacyjnego (patrz rys. 6). Idea była prosta i oczywista: brudna cząstka przekraczająca krytyczny rozmiar i znajdująca się w wrażliwym miejscu układu fluidowego w samochodzie, nieuchronnie powoduje awarię i „zabija” system, np. przez zablokowanie zaworu lub zatkanie wtryskiwacza. W rezultacie ustalono granice czystości, które były bardzo rygorystyczne zarówno pod względem formuły, jak i reakcji na przekroczenia. Jeśli w granicy czystości maksymalny dopuszczalny rozmiar cząstki wynosił 200 µm, to każda większa cząstka była jednoznacznie killer-pierwiastkiem i prowadziła do wyniku „niO” dla badanej części – partia elementów była blokowana lub nie akceptowano urządzenia do czyszczenia części przemysłowych.

Obecnie, dzięki doświadczeniu z tysięcy analiz czystości, nastąpiło wśród czołowych producentów samochodów – Audi, BMW, Daimler, Porsche i Volkswagen, którzy aktywnie uczestniczą w konsorcjum TecSa 2.0 – zmiana podejścia. Przyczyną są dwa punkty, które w ostatnich latach zwróciły uwagę inżynierów i odpowiedzialnych za jakość:

•  W przeciwieństwie do innych wielkości istotnych dla jakości, takich jak średnica otworu czy inny wymiar, cząstki brudu nie są celowo wytwarzane o określonej długości, lecz pojawiają się np. podczas obróbki z dużym rozrzutem rozmiarów. Obróbka w dużej serii, na przykład, nie może być tak kontrolowana, aby powstawały cząstki tylko do dokładnie 200 µm. Również oczyszczanie i filtracja w urządzeniach czyszczących nigdy nie jest tak precyzyjna i selektywna.

•  Z drugiej strony, okazało się, że systemy w samochodach nie zawsze od razu i koniecznie ulegają awarii, gdy w układzie znajduje się pojedyncza cząstka niezgodna z normą czystości, nawet jeśli rośnie prawdopodobieństwo awarii. W układzie hydraulicznym z otwierającymi się i zamykającymi zaworami, oprócz rozmiaru cząstki, musi się zgadzać także miejsce i czas, aby doprowadzić do zablokowania.

W ramach konsorcjum TecSa 2.0 w dwóch zespołach głównych intensywnie dyskutuje się, jak te punkty można odpowiednio uwzględnić w normach czystości i planach reakcji. Już teraz wiadomo, że w zaktualizowanym VDA 19 pojawią się nowe rozdziały lub fragmenty dotyczące tej tematyki.

Wymagana wiedza

Nie oznacza to jednak, że opanowanie technicznej czystości staje się mniej ważne – wręcz przeciwnie, ponieważ coraz więcej systemów i elementów jest obciążanych wymogami czystości, a jedynie zmienia się perspektywa na ten temat. W przeszłości w relacjach klient-dostawca często toczyły się mało konstruktywne dyskusje na temat „ostatniego µm”, natomiast w przyszłości większy nacisk będzie kładziony na zrozumienie i kontrolę stanu czystości procesów i łańcuchów procesowych. Dotychczasowe, bardzo precyzyjne, ale i czasochłonne, kosztowne i opóźniające się analizy laboratoryjne według VDA 19 będą miały ograniczone zastosowanie. Potrzebne będą nowe, szybkie i tanie systemy monitorowania cząstek, które może nie muszą mieć tak wysokiej precyzji, ale będą możliwe do zastosowania bezpośrednio w produkcji lub blisko niej.

Technologiczne rozwiązanie, opracowane w Fraunhofer IPA w Stuttgarcie pod nazwą „PuriCheck”, zyska na znaczeniu w obliczu tego nowego trendu (rys. 7). Idea polega na zatrzymywaniu cząstek w przepływie medium za pomocą sita analitycznego i pomiarze ich za pomocą zintegrowanej kamery i systemu obrazowania. Już w kilku pilotowych zastosowaniach sprawdziła się ta koncepcja. Dalszy potencjał tkwi w modernizacji komór ekstrakcyjnych do pomiaru czystości elementów, co zostanie zaprezentowane na tegorocznej konferencji parts2clean. Dzięki temu ekstrakcja i mikroskopowa analiza mogą być przeprowadzane w jednym cyklu, co pozwala na znaczne zwiększenie próbki w badaniach czystości. System jest obecnie rozwijany przez firmę Nägele Mechanik, średniej wielkości przedsiębiorstwo z Badenii-Wirtembergii, które od wielu lat realizuje projekty związane z czystością cząstek w przemyśle motoryzacyjnym. Dla szefa firmy, Ulfa Nägele, najważniejsze jest: „Widzę w tym produkcie świetną możliwość nie tylko pomiaru czystości w laboratorium, ale także jej kontrolowania w trakcie produkcji. Kluczowe w obecnych etapach rozwoju jest, aby system był niezawodny i prosty w obsłudze. Tylko taki system zdobędzie akceptację przemysłu.”

Blisko ukończenia

Prace merytoryczne w ramach konsorcjum TecSa 2.0 są na ukończeniu. Pierwszy projekt nowego regulaminu zostanie przedstawiony uczestnikom konsorcjum pod koniec czerwca 2014. Po tzw. fazie „żółtego druku”, planowanej na wrzesień 2014, po ewentualnych poprawkach i uwagach, nastąpi faza „czerwonego druku”, a więc oficjalne wydanie nowego VDA 19 można się spodziewać na początku 2015. Już 28.10.2014 w ramach otwartego dla wszystkich zainteresowanych wydarzenia w Fraunhofer IPA zostaną szczegółowo przedstawione treści zaktualizowanego standardu, poza granicami konsorcjum.