Trzy dekady badań nad czystości�

Precyzyjne czyszczenie elementów ultradźwiękami w pomieszczeniu czystym klasy ISO 1.

Satelita

Materiały eksploatacyjne

Materiały eksploatacyjne

Dr.-Ing. Udo Gommel

Wszystko zaczęło się od myjni samochodowej. Dział IPA właśnie optymalizował tę instalację, gdy nadeszło zapytanie z Federalnego Ministerstwa Badań i Technologii, czy instytut nie mógłby zająć się techniką czystych pomieszczeń. To było 30 lat temu, gdy rozpoczęła się złota era komputerów domowych, a układy scalone stawały się tak małe, że cząsteczki brudu coraz bardziej sprawiały problemy. ówczesny dyrektor instytutu, prof. Rolf Dieter Schraft, z przymrużeniem oka powiedział, że kto czyści samochody, ten może też wyczyścić półprzewodniki. W związku z tym dział, którego kierownikiem był akurat Wolfgang Schmutz (jego slogan: „Nie dawaj szansy brudowi”), zaczął korzystać z funduszy państwowych na technikę czystości. Początkowo zatrudniał tylko 6 pracowników, dziś jest ich 50.

Napęd miniaturyzacji

Od tych początków dział stale się rozwijał, co około 5 lat następowały rozbudowy i modernizacje. Ekspansję napędzały postępy w technice. Rosnąca miniaturyzacja elementów elektronicznych i mechanicznych powodowała coraz większe wymagania dotyczące czystości. IPA nie tylko towarzyszył temu procesowi, ale także miał na niego duży wpływ. Jego siłą jest wszechstronność: dział dysponuje nie tylko największym na świecie laboratorium czystości w klasie ISO 1, w którym można czyścić elementy niemal każdego rozmiaru, ale także precyzyjnymi urządzeniami do walidacji prac. „Połączenie czyszczenia i oceny jest unikalne”, mówi Udo Gommel, energiczny kierownik działu „Czysta produkcja i mikroproduktyka”.

Najważniejsze osiągnięcia

Ukończył fizykę i od 20 lat pracuje w IPA, a od 8 lat kieruje działem. W retrospekcji wymienia kilka najważniejszych wydarzeń. Na przykład zaangażowanie w Rumunii. Stuttgartczycy zbudowali dla firmy Microelectronica linię produkcyjną LED, od koncepcji po uruchomienie. Start nastąpił we wrześniu 2012 roku. Niezwykłe okoliczności zewnętrzne okazały się największym wyzwaniem: high-techowa linia miała powstać w opuszczonym budynku fabrycznym z czasów zimnej wojny. „W piwnicy stała woda po piersi”, wspomina Gommel. A właśnie to wilgotne miejsce, będące siedliskiem pleśni i innych zanieczyszczeń, miało służyć jako czyste pomieszczenie. Do produkcji wystarczała klasa ISO 8, ale obok planowano laboratorium analityczne o znacznie wyższych wymaganiach. Miało ono spełniać normę ISO 1, czyli być dziesięciomilion razy czystsze niż w produkcji. Ostatecznie Schwabenom udało się przemienić wilgotne piwnice w czyste pomieszczenie. W tym wysokoczystym laboratorium analitycznym stoi dziś tomograf komputerowy wielkości szafy na ubrania – unikalny na świecie.

Jak ważne są czyste warunki pracy dla sukcesu gospodarczego, pokazuje przykład z branży motoryzacyjnej. Międzynarodowy dostawca zlecił ekspertom IPA opracowanie kompleksowej koncepcji czystości. Wdrożenie jej zmniejszyło odpad o 55 procent. Przy dużej liczbie wyprodukowanych sztuk oznacza to oszczędność około miliona euro rocznie.

Przestrzeń kosmiczna

Do najważniejszych osiągnięć instytutu należy również wejście w dziedzinę kosmiczną. Po latach skupienia na produkcji przemysłowej, przypadek otworzył nowe pole działalności. Europejska Agencja Kosmiczna ESA zapytała w 2009 roku, czy eksperci ze Stuttgartu są w stanie wysterylizować komponenty sondy marsjańskiej. Zabijanie mikroorganizmów nie było ich głównym zadaniem, ale zaoferowali zamiast tego czyszczenie. Gommel wówczas miał niewielkie nadzieje na konkurowanie z ustaloną konkurencją, ale otrzymał zlecenie. Przy sterylizacji, czy to chemicznej, czy termicznej, pozostają martwe mikroorganizmy, podczas gdy dokładne czyszczenie „tabula rasa” jest bardzo delikatne.

Oddział lotnictwa i kosmonautyki od tego czasu intensywnie wspiera badania w Stuttgarcie, ponieważ tutaj wymagania są szczególnie rygorystyczne. Obecnie realizowanych jest prawie dwadzieścia projektów o różnych priorytetach. Najważniejsze to „ExoMars” Europejskiej Agencji Kosmicznej ESA oraz misja satelitarna „EnMap”. Z wiarygodnym partnerem przemysłowym planowana jest obecnie nawet strategiczna współpraca na kolejne lata. Z satelitą do obserwacji Ziemi „EnMap” instytut wyczyścił niemal wszystkie 13 000 części, w tym czterotonowy blok aluminiowy. Do tego ciężkiego elementu pracownicy musieli zbudować tymczasowe czyste pomieszczenie wielkości małego domu, pod presją czasu.

Projekt marsjański pod auspicjami ESA był jeszcze bardziej wymagający, ponieważ sonda, która wystartowała 14 marca, poszukuje śladów życia na sąsiedniej planecie. Aby nie wysyłać fałszywych informacji, nie można na pokładzie przewozić żadnych organicznych substancji pochodzących z Ziemi. To dodatkowo zwiększa wymagania dotyczące czystości. Szczególnie skuteczny okazał się opracowany w Stuttgarcie delikatny sposób czyszczenia: metoda śnieżnego strumienia CO2. Pierwotnie używana w USA do usuwania lakieru z kadłubów samolotów, została przez ekspertów IPA udoskonalona do najwyższej skuteczności czyszczenia. Zamiast twardych pelletów CO2 używa się mniejszych, miększych kryształków śniegu. Zanieczyszczenia są rozpraszane przez szok temperaturowy, odrywają się i można je odessać. Aby zwiększyć głębokość penetracji, otaczający azot przyspiesza strumień do prędkości naddźwiękowej. Kolejną niedawną innowacją jest użycie nadkrytycznego dwutlenku węgla. Pozwala to na czyszczenie np. wewnętrznych stron przewodów z zamkniętymi przestrzeniami, które są spłukiwane pod ciśnieniem 70 barów.

Normy czystości i wytyczne

Stuttgarccy „Czystościowcy” nie pomagają tylko firmom w rozwiązywaniu trudnych kwestii techniki czystości. Do ich zadań należy także udział w tworzeniu norm i wytycznych. Dzięki szerokiemu parkowi urządzeń, które mogą mierzyć i oceniać nawet najmniejsze zanieczyszczenia, są do tego doskonale przygotowani. Wiele gremiów w kraju i za granicą, zajmujących się czystością, jest wspieranych przez pracowników IPA. Niezależnie od tego, czy chodzi o projekt czystego pomieszczenia, czy klasyfikację czystości powierzchni, Stuttgartczycy są zaangażowani. I nie tylko – dział ma nawet własny certyfikat jakości.

„Fraunhofer TESTED DEVICE”

Logo „Fraunhofer TESTED DEVICE” jest znane i chronione na całym świecie, od Niemiec po Australię. Klienci mogą testować i certyfikować pojedyncze części lub całe urządzenia używane w czystych pomieszczeniach, od kabli po roboty. Dotyczy to różnych kryteriów, w zależności od problemu, takich jak emisja cząstek, outgassing, odporność chemiczna czy czyszczenie. Klient otrzymuje oprócz certyfikatu szczegółowy raport z testów. W ciągu ostatnich 16 lat IPA przebadało ponad 1700 produktów z różnych branż, od elektroniki po przemysł spożywczy. Co roku dodawanych jest co najmniej 100 nowych produktów.

Normy przez przemysłowe stowarzyszenia

Chociaż w technice czystości istnieje już wiele międzynarodowych norm, nadal są obszary szare. IPA chce to zmienić. Założył dwa konsorcja z przedstawicielami przemysłu i nauki, które mają doprowadzić do dalszej unifikacji. Pierwsze dotyczy materiałów zużywalnych używanych w czystych pomieszczeniach, takich jak kombinezony, rękawice czy ściereczki. Mimo że te jednorazowe artykuły mogą powodować zanieczyszczenia przez ścieranie lub outgassing, brakuje jeszcze wiarygodnych zasad ich produkcji. Konsorcjum „Cleanroom Suitable Consumables” ma ustalić standardy. Równie ważne jest drugie konsorcjum, zajmujące się produktami medycznymi, takimi jak implanty i strzykawki. Zanieczyszczenia mogą bowiem powodować infekcje lub reakcje odrzutowe u pacjentów. Konsorcjum „MediClean” ma zapewnić niezbędne bezpieczeństwo, także dla firm produkujących sprzęt medyczny, które ostatecznie ponoszą odpowiedzialność za swoje produkty.

Transfer wiedzy poprzez szkolenia

IPA przekazuje swoją wiedzę, zdobytą w ciągu trzech dekad, podczas szkoleń. Od 2005 roku około 2500 osób zapoznało się z technikami czystości, częściowo w siedzibie instytutu w Stuttgarcie, częściowo w terenie, w firmach. Od 2011 roku absolwenci otrzymują certyfikat QMC (Centrum Zarządzania Jakością) zgodny ze standardem VDA.

Ekspert IPA, Gommel, jest przekonany, że dział czystości w najbliższych latach będzie się dalej rozwijał. Rosnąca miniaturyzacja prowadzi do coraz wyższych wymagań wobec techniki czystości. „Nie widzimy końca rozwoju”. Również wyzwania związane z Przemysłem 4.0 nie mogą być podjęte bez pomocy środowiska wolnego od pyłu.