Wykrywanie zanieczyszczeń filmowych za pomocą VIDAM – innowacyjna metoda pomiaru czystości

Rys. 1: Urządzenie VIDAM – kompaktowe i mobilne, możliwe do wykorzystania w różnych środowiskach procesowych.

Abb. 2: Pozostałe zanieczyszczenia na powierzchniach elementów o skomplikowanej geometrii po różnych metodach czyszczenia. Należy zwrócić uwagę na różne intensywności pozostałych zanieczyszczeń (oś y).

W wielu gałęziach przemysłu czystość powierzchni elementów jest kluczowym parametrem jakościowym. Ewentualne zanieczyszczenia muszą być skutecznie usunięte, aby element spełniał wymogi dotyczące czystości dla kolejnych etapów produkcji (np. łączenie, lakierowanie) lub nadawał się do użycia w pomieszczeniach czystych. W przypadku wielu innowacyjnych produktów nie można zawsze całkowicie wykluczyć kontaminacji podczas masowej produkcji. Stan czystości elementów można ocenić jedynie poprzez określenie i znajomość poziomu zanieczyszczeń (pozostałe zanieczyszczenia na powierzchni). Kontrola efektów czyszczenia pozwala zapewnić czystość elementów i gwarantować powtarzalną jakość. Dodatkowa wiedza o historii elementu i stanie dostawy umożliwia stabilizację i indywidualne dostosowanie procesów czyszczenia. Dzięki temu są one powtarzalne i można je optymalizować pod kątem wymagań, uwzględniając aspekty technologiczne i ekonomiczne.

Kontrola czystości to jednak nie tylko kwestia wykrywania cząstkowych zanieczyszczeń, co jest już powszechnie stosowane w wielu łańcuchach procesów. W przypadku filmowych zanieczyszczeń (np. środki pomocnicze do produkcji, oleje, tłuszcze, smary, pozostałości po ochronie antykorozyjnej, odciski palców) dostępne są, oprócz zaawansowanych metod analizy powierzchni (np. TOF-SIMS, XPS, TD-GCMS), które są zwykle czasochłonne i kosztowne oraz wymagają wykwalifikowanego personelu, dotychczas jedynie metody jakościowe, ewentualnie porównawcze (np. kontrola wizualna, test smarowania, pomiary kąta kontaktu, pomiary wagowe, pomiary fluorescencyjne). Te metody zwykle nie dostarczają informacji o przyczynie lub pochodzeniu zanieczyszczeń. Ogólnie rzecz biorąc, im większe i bardziej skomplikowane geometrie elementów oraz im więcej elementów trzeba zbadać, tym bardziej skomplikowana jest analiza. Dotychczas nie istnieją ustandaryzowane, metodologiczne procedury pomiaru filmowych zanieczyszczeń, które pozwalałyby na ich prosty, bezinwazyjny i niezależny od geometrii pomiar zarówno jakościowy, jak i ilościowy.

Brak ten może uzupełnić nowatorska metoda pomiaru czystości, oparta na desorpcji podciśnieniowej, umożliwiająca spektralny i ilościowy pomiar filmowych zanieczyszczeń (pozostałe zanieczyszczenia w g lub g/cm²) na powierzchniach elementów. Filmowe lub chemiczne zanieczyszczenia są zwykle w stanie stałym lub ciekłym w warunkach atmosferycznych w temperaturze pokojowej. W próżni zanieczyszczenia te mogą odłączać się od powierzchni elementu i być wykrywane za pomocą odpowiednich technik pomiarowych. Dzięki tej metodzie można wykryć zanieczyszczenia w sposób całościowy, tzn. zarówno na całej powierzchni pojedynczych elementów, jak i na całych zespołach o dowolnej geometrii. Metoda jest bezinwazyjna, tzn. elementy mogą być następnie bezpośrednio dalej przetwarzane.
Urządzenia VIDAM korzystają z tej bezpośredniej metody pomiaru do kontroli i oceny czystości elementów. Pomiar VIDAM opiera się na w pełni zautomatyzowanym procesie pomiarowym z prostą obsługą, co oznacza, że do wykonania pomiarów nie jest potrzebny specjalista.

Wariant urządzenia VIDAM przedstawiono na rys. 1. Składa się ono z komory próżniowej, do której wkładane są elementy, systemu pompowego, odpowiedniej techniki pomiarowej do wykrywania zanieczyszczeń oraz układu sterowania z wbudowanym rejestrowaniem i analizą danych. Filmowe zanieczyszczenia mogą być w ten sposób wyodrębniane, separowane i wykrywane z powierzchni elementów.

Jako wielkości pomiarowe VIDAM dostarcza wynik ilościowy, tzn. ilość pozostałych zanieczyszczeń na powierzchni w g (lub w odniesieniu do powierzchni elementu w g/cm²), co umożliwia ustalenie odpowiednich granicznych wartości. Dzięki spektralnej metodzie pomiarowej zanieczyszczenia mogą być jednoznacznie identyfikowane i przypisywane ich przyczynom (np. pozostałości po środkach pomocniczych i czyszczących).

Minimalny próg wykrywalności < 0,3 ng/cm² dla substancji organicznych pozwala na wykrycie najmniejszych ilości zanieczyszczeń, a górna granica pomiaru przekracza to, co zwykle określa się jako „olej i tłuszcz wolne”. Zarówno rozmiar komory, czasy cykli, przepływ elementów, jak i granica wykrywalności mogą być dostosowane do konkretnego zadania pomiarowego.

Przykładem zastosowania jest ocena różnych metod czyszczenia elementów o skomplikowanej geometrii (np. z powodu wielu otworów gwintowanych). Za przykład można wziąć dostawcę motoryzacyjnego, który potrzebuje elementów o odpowiedniej czystości do kolejnych procesów. Czyszczenie elementów ma być od teraz wykonywane we własnym zakresie, a w grę wchodzi kilka metod: czyszczenie ultradźwiękowe na mokro, czyszczenie CO₂ i czyszczenie niskociśnieniowe. Limit dla zanieczyszczeń organicznych na elementach, czyli filmowego pozostałego zanieczyszczenia, został wcześniej ustalony na < 1 µg/cm² (ISO-SCC klasa -6 (VOC)), a lepiej < 0,1 µg/cm² (ISO-SCC klasa -7 (VOC)).

Ocena skuteczności wybranych metod czyszczenia została przeprowadzona na próbkach elementów z kontrolowanym zanieczyszczeniem i następnie czyszczonych odpowiednią metodą. Po czyszczeniu zmierzono pozostałe zanieczyszczenia na powierzchniach elementów za pomocą urządzenia VIDAM, co pozwoliło określić czystość elementów. Wyniki pomiarów VIDAM przedstawiono na rys. 2.

Najgorsze wyniki uzyskano przy czyszczeniu metodą CO₂ (pozostałe zanieczyszczenia 1,0 µg/cm²), a najlepszą czystość osiągnięto metodą niskociśnieniową (pozostałe zanieczyszczenia 1,3 ng/cm²). Na istniejącej linii do czyszczenia ultradźwiękowego przy standardowych parametrach można było wyczyścić elementy do poziomu pozostałych zanieczyszczeń do 0,2 µg/cm², jednak nadal widoczne były wyraźne ślady środków pomocniczych. Dostosowując środek czyszczący, można było znacznie poprawić czystość elementów (pozostałe zanieczyszczenia 1,4 ng/cm²). Docelowe limity < 0,1 µg/cm² (ISO-SCC klasa 7 (VOC)) zostały wyraźnie poniżej osiągnięte na istniejącej linii ultradźwiękowej przy użyciu odpowiedniego środka czyszczącego.

Inne typowe zastosowania pomiarów VIDAM, oprócz walidacji, weryfikacji i optymalizacji procesów czyszczenia, obejmują ocenę skuteczności środków czyszczących do specyficznych środków pomocniczych, monitoring stopnia wysuszenia elementów po czyszczeniu oraz sprawdzanie i zapewnienie odpowiedniej czystości elementów przed procesami wykończeniowymi powierzchni (np. powlekanie, lakierowanie, galwanizacja, drukowanie) i procesami łączenia (np. klejenie, spawanie, lutowanie).

VIDAM może być elastycznie zintegrowany z istniejącym łańcuchem produkcyjnym, umożliwiając optymalizację procesów produkcyjnych i czyszczenia we własnym zakresie, co zapewnia wysokie bezpieczeństwo procesu i powtarzalną jakość końcowego produktu.