Reinigungstechnik

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Reinigungsumgebung ISO 1 am Fraunhofer IPA

Für Kunden mit sehr hohen Reinheitsansprüchen wie in der Medizintechnik, der Luft- und Raumfahrt oder im Halbleiterprozessgerätebau bietet das Fraunhofer IPA durchgängige, nachvollziehbare und validierbare Reinigungslösungen. Unser Leistungsportfolio im Bereich der Reinigungstechnik ist breit gefächert. Wir bewerten und optimieren Reinigungsverfahren (auch bei Ihnen vor Ort), entwickeln individuelle Reinigungsprozesse, -geräte und -werkzeuge, übernehmen Reinigungsaufträge für unterschiedliche große Einzelteile, Kleinstserien, Geräte und Anlagen, sowie die anschließende Verpackung der hochreinen Reinigungsgüter.

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Restaurierung: Manuelle CO₂-Schneereinigung eines antiken Schrankkranzes
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Innenreinigung von Zylinderflächen: CO₂-Schneereinigung von Zylindern vor deren Vermessung mittels Schwenkdüse
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CO₂-Bohrlochreinigung: Reinigung von Bohrungen durch Spülung mit überkritischem CO₂ und Ausblasen mit CO₂-Schnee

Reinigung mit CO2-Schnee

Bei der CO2-Schneestrahlreinigung wird flüssiges CO2 in einer vom Fraunhofer-IPA patentierten Zweistoffdüse entspannt und der hierbei entstehende CO2-Schnee mittels Druckluft stark beschleunigt. Richtet man den CO2-Schneestrahl auf eine Oberfläche werden dort anhaftende partikuläre und filmische Verunreinigungen durch den Impuls der CO2-Eiskristalle effektiv abgelöst und können anschließend abgesaugt werden. Neben der Reinigung von Oberflächen ist der CO2-Schneestrahl auch einsetzbar um Oberflächen gezielt aufzurauen.

Vorteile der CO2-Schneestrahlreinigung

  • Effizientes, trockenes Verfahren: Eine nachgeschaltete Trocknung der Bauteile ist nicht notwendig.
  • Rückstandfrei: Es entstehen keine zusätzlichen Chemikalien oder Strahlmittel, daher ist eine Entsorgung nicht notwendig.
  • Große Anwendungsbreite: Von kleinen lokalen Funktionsflächen bis hin zu großen Innen- und Außenflächen
  • Manuell und automatisiert anwendbar

Da wir schon seit über 20 Jahren auf dem Gebiet der CO2-Reinigung arbeiten, stellen wir neben unserer Erfahrung auch eine Vielzahl von Reinigungswerkzeugen zur Verfügung. Diese Werkzeuge können wir für Ihre anwendungsspezifische Machbarkeitsuntersuchung oder Prozessentwicklung einsetzen.

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Reinigung von Mikroredaktoren
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Innenreinigung von Hohlkörpern: CO₂-Schneereinigung einer Vakuumröhre eines Teilchenbeschleunigers
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IPA@SnowClean: Mobiles CO₂-Schneestrahlsystem

Datenschutz und Datenverarbeitung

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Reinigung mit überkritischem CO₂

Insbesondere bei der Reinigung von schwer zugängigen Bereichen, wie Hinterschneidungen, Sacklöchern mit hohem Aspektverhältnis, Kapillaren und Implantaten, stoßen herkömmliche Reinigungsverfahren an ihre Grenzen.

Eine Lösung bietet CO2. Im überkritischen Zustand (> 74 bar, > 35 °C) bietet es hervorragende Lösungsmitteleigenschaften und eine extrem gute Spaltgängigkeit. Diese Merkmale sind für die Reinigung von schwer zugänglichen Bauteilbereichen oder rauen Oberflächen notwendig. Durch die Anpassung von Druck und Temperatur lassen sich die Lösungsmitteleigenschaften je nach Anwendungsfall individuell anpassen.        

Für anwendungsspezifische Prozessentwicklungen und Machbarkeitsstudien stellen wir Ihnen unterschiedliche Reinigungswerkzeuge zur Verfügung:

  • Reinigungsinjektoren: Für die überkritische Reinigung von Sackbohrungen und Kleinteilen
  • Spülreaktoren: Für die überkritische Innenreinigung, z.B. von dünnen Rohren und Kapillaren

Wir entwickelten auf Ihre Anwendungen angepasste Reinigungsprozesse, bei Bedarf auch in Kombination mit CO2-Schnee. In beiden Bereichen können wir Sie durch langjährige, branchenübergreifende Erfahrung unterstützen.

Flyer

Der CO₂-Injektor

Reinigung mit wässrigen Medien

Die wässrige Reinigung umfasst jene Reinigungsverfahren, die auf dem Medium Wasser basieren. Dabei ist Wasser extrem vielseitig einsetzbar und beweist sich seit zwei Jahrzenten als Alternative zu umweltschädlichen, halogenierten, gefährlichen oder brennbaren Fluiden. Die Maschinen und Verfahren, die eine wasserbasierte Reinigung erlauben, sind mit Kohlenwasserstoffen teilweise nicht möglich und umgekehrt. Sie stehen daher nicht in Konkurrenz zueinander, sondern ergänzen sich vielmehr. Die Einsatzbereiche der wässrigen Reinigung sind umfangreich. Vom mechanischen Abtragen mit Hochdruckdüsen, über das Reinigen und Desinfizieren mit Heißdampf in sogenannten RDGs (Reinigungs-Desinfektions-Geräten), die Feinstreinigung optischer Komponenten mit Ultraschall, Megaschall und Reinstwasser bis hin zu Prozessen mit VE-Wasser und Hochleistungskunststoffen zur Vermeidung von unerwünschten Ionen ist alles möglich. Ob Handwerk, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt oder Halbleiterindustrie, eine wasserbasierte Reinigung findet in nahezu allen Branchen Anwendung.

Wir unterstützen in der Auswahl eines Reinigungsverfahrens sowie in der Erstellung und Optimierung eines geeigneten Prozesses für Ihre Anwendung. Hierzu können wir auf die gängigsten Verfahren in Laboratorien am Fraunhofer IPA zurückgreifen und mit einer umfassenden Analytik die Effektivität der gewählten Verfahren für Ihren Anwendungsfall untersuchen. Unser Reinigungslabor erfüllt die Luftreinheitsklasse 1 nach ISO14644-1, minimiert äußere Einflüsse und ermöglicht eine Analytik bis in den nm-Bereich.

© Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez
Feinreinigungsanlage für Versuche und Kleinserien in einem Reinraum der Klasse 1 (nach ISO 14644-1)
© Fraunhofer IPA, Foto: Rainer Bez
Tauchbecken einer Ultraschallanlage im Versuchsbetrieb in einem Reinraum

Reinigung mit Lösungsmitteln

Unter den Begriff Lösemittel fassen wir hier alle Medien, die nicht auf Wasser basieren - auch wenn Wasser streng genommen selbst ein Lösemittel ist. Gemeint sind Lösemittel wie modifizierte Alkohole oder Kaltreiniger. Sie haben günstige Eigenschaften für die Teilereinigung und lassen sich in geschlossenen Reinigungsanlagen auch bei hohen Temperaturen gut handhaben.

Zum Einsatz kommen solche Reinigungsanlagen beispielsweise zur Reinigung von Teilen im Anschluss an die spanende Bearbeitung. Mit Hilfe der enthaltenen Kaltreiniger lassen sich insbesondere Rückstände von Bearbeitungshilfsstoffen auf Basis von Kohlenwasserstoffen oder Emulsionen leicht entfernen. Um Stoffe zu entfernen, die auf Silikon oder halogenierten Verbindungen basieren, sind entsprechend andere Lösungsmittel zu wählen. Nach einer Lösung kann man häufig in zwei Richtungen suchen: Zum einen durch die Anpassung des Reinigungsprozesses (Lösemittel und Anlage) und zum anderen durch Anpassung des Ausgangszustandes (Bearbeitungshilfsstoffe und Grundmaterialien).

In beide Richtungen können wir Sie durch langjährige, branchenübergreifende Erfahrung unterstützen. Zu unserem Portfolio zählen neben Analysen von Verunreinigungen auch die individuelle Beratung zur Prozessoptimierung sowohl in der Reinigung als auch in der Fertigung.

 

Rein ins All

Bauteile, die bei einer Weltraum-Mission eingesetzt werden, müssen penibel gereinigt sein.

Reinigung von Großbauteilen und Anlagen

Durch stetig steigende Reinheitsanforderungen, spielen die Sauberkeit und Reinheit in der Herstellung von Produkten eine Schlüsselrolle. In der Fertigung unter reinen Bedingungen können bereits kleinste Kontaminationen schädigend wirken. Diese können von der Beeinträchtigung der Produktqualität oder -funktionalität bis hin zum Ausfall führen. Aus diesem Grund ist es im Fertigungsprozess besonders wichtig, reinheitsrelevante Faktoren zu betrachten und Reinheitsaspekte konsequent umzusetzen. Insbesondere die am Fertigungsprozess beteiligten Bauteile, Maschinen, Geräte oder Anlagen müssen den produktspezifischen Reinheitsanforderungen gerecht werden. 

Wir unterstützen bei der Reinigung von Großbauteilen und Anlagen für Ihre Anwendung. Um Ihren produktspezifischen Reinheitsanforderungen gerecht zu werden, greifen wir auf effektive und am Fraunhofer IPA etablierte Reinigungsverfahren zurück. Der Reinigungsprozess umfasst neben einer Grobreinigung und einer Reinheitskontrolle mit Feinreinigung, auch eine reinheitsgerechte Verpackung. 

Unser Labor erfüllt die Luftreinheitsklasse 1 nach ISO 14644-1, minimiert äußere Einflüsse und ermöglicht die Reinigung Ihrer Großbauteile und Anlagen unter kontrollierten Bedingungen. 

© Fraunhofer IPA, Foto: Hannah Horst
Wischreinigung: Reinigung der zugänglichen Oberflächen mittels lösemittelgetränktem Wischtuch (Grobreinigung)
© Fraunhofer IPA, Foto: Hannah Horst
CO2-Schneestrahlreinigung: Reinigung von unzugänglichen Systembereichen im Innenbereich der »JetStation« mittels CO2-Schnee (Feinreinigung)
© Fraunhofer IPA, Foto: Hannah Horst
Reinheitskontrolle: Inspektion der Anlage mittels UV-Licht und Durchführung einer lokalen Feinreinigung mit Lösemittel und CO2-Schnee

Reinheitsgerechte Verpackung

Wenn Teile in hochreinem Zustand transportiert werden müssen, beispielsweise nach einer Präzisionsreinigung, dann darf sich deren Reinheitszustand durch den Transport nicht verändern. Aus diesem Grund kann es sinnvoll sein eine komplette Prozesskette in einem Reinraum zu realisieren. Die Reinigung stellt dabei den Prozess dar, mit dem Produkte oder Teile in den Reinraum überführt werden. Nach der Reinigung wird der hochreine Zustand durch die reine Umgebungsluft des Reinraums erhalten.

Die anschließende Verpackung muss an den Reinheitsgrad des Inhaltes angepasst werden und das in vielfacher Hinsicht. Partikuläre, organische und biologische Kontaminationen, sowie Umwelteinflüsse wie Temperatur, Feuchte oder Luftsauerstoff sind hier zu beachten. Diese Aspekte müssen sowohl mit der Funktionalität, als auch mit ökonomischen Gesichtspunkten vereinbart werden.

Eine gezielte Analytik und überlegte Methodik können dabei helfen die Reinheit der Verpackung zu optimieren. Hierbei kann das Fraunhofer IPA durch vielseitige Analyseverfahren und branchenübergreifende Erfahrung unterstützen. Vor Ort im Reinraum der Luftreinheitsklasse 1 (nach ISO 14644-1) können kleinere Versuchsreihen und Aufträge durchgeführt werden. Unter reinen Bedingungen lassen sich unterschiedliche Konzepte miteinander vergleichen und potentielle Kontaminationsquellen vermeiden oder reduzieren.

© Fraunhofer IPA, Foto: Max Metzmacher
Auswahl an reinheitsgerechten Transportverpackungen für elektronische Komponenten

Reinheitsvalidierung

Definierte Anforderungen an die Bauteilsauberkeit sind längst kein Novum mehr. Für die Industrie und produzierende Unternehmen stellen zahlreiche Einflüsse auf einen Reinigungsprozess dennoch eine große Herausforderung für die Prozesssicherheit dar. Lassen sich die stärksten Einflüsse auf das Reinigungsergebnis stabilisieren und kontrollieren, dann kann mittels einer Reinheitsvalidierung geprüft werden, ob die geforderte Bauteilsauberkeit erreicht wird. Andernfalls empfiehlt es sich durch eine stetige Stichprobe die Bauteilsauberkeit zu prüfen, auch wenn der Reinigungsprozess stabil erscheint. Je nach Anforderung sind für derartige Prüfungen sehr unterschiedliche Verfahren und Methoden notwendig.

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Mikroskop zur automatisierten Analyse und Auszählung von Partikeln

Die von uns entwickelten Reinigungsprozesse und -versuche können ohne weitere Umwege vor Ort analysiert werden. Ein durchgehendes Reinheitskonzept unserer Labore, erlaubt es uns die Einflüsse von Verpackung, Transport oder Lagerung auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. Analysen in einem Rasterelektronenmikroskop oder einem Laserscanner ermöglichen die Untersuchung feinster Strukturen im einstelligen Mikrometer-Bereich. Auch organischen Verunreinigungen können bis wenige Nanogramm quantitativ und qualitativ untersucht werden. Somit können wir die eigenen Reinigungsergebnisse verifizieren, Probereinigungen bewerten und Sie im Aufbau einer eigenen, angepassten und zielführenden Analytik unterstützen.

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M8 Schraube vor der Reinigung (links) und nach der Reinigung (rechts)
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    Funktionsweise der Reinigung mit CO₂-Schnee

    Reinigung mit CO2-Schnee

    Für die Reinigung von Oberflächen mit CO2-Schnee werden durch einen Phasenwechsel vom flüssigen in den festen und gasförmigen Zustand des CO2 unter Atmosphärendruck und über eine Volumenänderung, Feststoffpartikel erzeugt. Diese Feststoffpartikel (CO2-Schneekristalle) werden am Ausgang der Düse durch einen Mantelstrahl (Reinstdruckluft) in Richtung der Bauteiloberfläche beschleunigt.

    Beim Auftreffen auf der Bauteiloberfläche finden unterschiedliche Abtragsmechanismen statt:

    • Abscheren von Partikeln durch mechanische Wirkung (Reibungskraft), Impulsübertrag und abströmende CO2-Schneekristalle
    • Thermoschock-Effekt: Abplatzen von Kontaminationen (Partikel, Schichten filmartige Verunreinigungen, etc.) durch thermisch induzierte Spannungen aufgrund der plötzlichen Abkühlung auf -78,5 °C
    • Lösemitteleffekt: Absorbieren filmischer Rückstände durch Verflüssigung der CO2-Schneekristalle
    • Mikroexplosion: Die Sublimation von Trockeneispartikeln führt zu einer explosionsartigen Volumenvergrößerung um das 500 bis 700-fache.
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    Funktionsweise der Reinigung mit CO₂-überkitisch

    Reinigung mit überkritischem CO2

    Für die Reinigung und Entfettung von Bohrlöchern oder Bauteilen wird flüssiges CO2 in den überkritischen Bereich gebracht. Für letzteres können die zu reinigende Bauteile, wie z.B. eine Schraube, in einem Druckreaktor auf einem Sieb fixiert und mit überkritischem CO2 geflutet werden. Das CO2 steht dabei unter einem sehr hohen Druck, der etwa dem hundertfachen des Atmosphärendrucks entspricht. Mit einer Temperatur von über 30 °C und einer sehr guten Löslichkeit gegenüber unpolaren Medien, löst das CO2 die Ölschicht und strömt durch das Sieb aus dem Druckreaktor heraus. Nachdem der Druck reduziert wird, setzen sich die abgelösten Öle in einem Abscheidebehälter ab.

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    Automatisierte Reinigung mit einer CO₂-Punktstrahldüse

    Im Lauf der Jahre wurde das CO2-Schneestrahlverfahren kontinuierlich optimiert. Dies ist ersichtlich, an den umfangreichen Reinigungswerkzeugen, welche wir für Industriekunden bereitstellen. Zu unserem Portfolio zählen neben Punktstrahldüsen auch unterschiedliche Reinigungslanzen.

    Punktstrahldüsen:

    Um lokal partikuläre und filmische Verunreinigungen auf Bauteiloberflächen vom mm- bis in den nm-Bereich zu entfernen, eignen sich Punktstrahldüsen besonders gut. Diese können sowohl stationär, als auch flexibel in Form einer mobilen Handreinigungsdüse eingesetzt werden. Durch den Wirkflächendurchmesser, welcher von 5 mm bis hin zu mehreren Zentimetern reichen kann, ist eine feinfühlige, gut dosierbare, lokale und einfach automatisierbare Reinigung von Partikeln und Schichten auf Oberflächen möglich.

    Zusätzlich kann die Punktdüse dazu genutzt werden, um anwendungsspezifische Oberflächenmodifikationen wie z.B. ein Aufrauen durchzuführen. 

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    CO₂-Reinigungslanzen mit unterschiedlichen Strahlwinkeln zur lokalen Reinigung von Innenflächen.

    Lanzen:

    Um partikuläre Verunreinigungen an Innenflächen von rohrartigen Bauteilen (»Cavities«) vom mm- bis in nm-Bereich zu entfernen, können anwendungsspezifisch Mini-Lanzen (Ø 18 mm), Einstrahl- oder Twinstrahl-/Mehrfachstrahllanzen (Ø 45 mm), Schwenkstrahllanzen (Ø 38 mm) oder XXL-Lanzen (Ø 30 mm) eingesetzt werden.

    Letzterer Lanzentyp kann dabei eine Länge von bis zu 2,5 m umfassen und z.B. für die partikuläre Reinigung von 2 m langen Vakuumröhren eingesetzt werden. Durch den Wirkflächendurchmesser, ist eine feinfühlige, gut dosierbare, lokale und automatisierbare Reinigung von Partikeln auf den Innenflächen rohrartiger Bauteile möglich.

    Zusätzlich zu unserem umfangreichen Portfolio können wir für Sie ein produkt- und anwendungsspezifisches Reinigungswerkzeug entwickeln.