EFRE-Projekt SIP

EFRE-Projekt

Surface Inspection Pad – SIP

Gefördert über Mittel aus dem Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) im Rahmen des Ziels „Investitionen im Wachstum der Beschäftigung“ (IWB) für die Förderperiode 2014-2020 (Projektförderung)

Projektlaufzeit: 01.02.2021 - 31.12.2022

Zusammenfassung

Einführung

Die instrumentelle Oberflächenanalytik

Idee hinter dem Projekt

Kooperationen

Kompetenzen des IFOS

Zusammenfassung

In verschiedenen Bereichen der Oberflächentechnik soll ein Surface-Inspection-Pad (SIP) (Oberflächen-Teststreifen) für einige ausgewählte Anwendungsgebiete entwickelt und erprobt werden, wodurch prozessbedingte Bauteil-Oberflächenverschmutzungen und andere für das jeweilige Produkt oder technische System wichtige Oberflächenzustände kontrolliert und erfasst werden. Ein Hauptziel betrifft die Entwicklung von SIPs, die es gestatten, den Zustand von Bauteiloberflächen zerstörungsfrei und effizient auf eine geeignete Analysefläche zu übertragen, so dass durch den Einsatz von Methoden der instrumentellen Oberflächen- und Schichtanalytik das Ergebnis einer Konditionierung oder Reinigung der Bauteiloberfläche effizient, genau und empfindlich überprüft werden kann. Durch diesen neuen und innovativen Ansatz kann die Probennahme vor Ort, direkt an der Produktionslinie erfolgen, ohne dass dafür ein Bauteil in ein Labor geschafft und dort entsprechend analysegerecht präpariert, im Allgemeinen also zerstört, werden muss. Darüber hinaus sollen SIP – Oberflächen entwickelt und genutzt werden, um insbesondere oberflächenaktive Substanzen in Flüssigkeiten und Gasen (z. B. in der Umwelt oder in Schmierstoffen) hochempfindlich und quantitativ nachzuweisen. Gegenstand des Forschungsvorhabens sind somit die Prüfung der Machbarkeit, die Sondierung der Anwendungsmöglichkeiten der Methode sowie die Entwicklung hierfür geeigneter SIPs. Dies soll in der Praxis in direkter Zusammenarbeit mit möglichen Anwendenden aus Wirtschaft und industrieller Forschung erfolgen, die von Beginn an in das Projekt eingebunden werden. Die Bereitstellung (Produktion) der SIPs inklusive deren Analyse könnte dabei ein künftiges neues Geschäftsfeld für Anbieter von Serviceleistungen auf dem Gebiet der modernen Oberflächenanalytik werden. Der wesentliche innovative Aspekt liegt für das IFOS bei der Analyse und Interpretation der Analysedaten, insbesondere der Validierung der Methode gegenüber bestehenden Regelwerken zur technischen Reinheit und für die KMU in der innovativen und kostengünstigen Möglichkeit zur Charakterisierung von relevanten Oberflächen ihrer Produkte und/oder innerhalb der Prozesskette zur Herstellung dieser Produkte. Dabei sollen die KMU vor allem bei der Probennahme, Oberflächenanalytik, Datenerfassung über die Datenanalyse bis hin zur Interpretation unterstützt werden. Das bietet den KMU explizit einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil, da mit überschaubarem Aufwand und klar kalkulierbaren Kosten Zugang zu bisher (zu) teuren und aufwendigen Analyseverfahren geschaffen würde, die zudem heute noch gar nicht für die Analyse der jeweiligen Bauteiloberfläche genutzt werden können. Damit geht eine deutliche Kompetenzfelderweiterung für das IFOS und andere Anbietende von Dienstleistungen auf dem Gebiet der Oberflächen- und Schichtanalytik einher, durch die auch die KMU als Nutzende der neuartigen Charakterisierungsmöglichkeiten für technische Bauteiloberflächen, bei der Analyse von Schmierstoffen und anderen Flüssigkeiten oder für ein Monitoring der atmosphärischen Umwelt enorm profitieren.

Einführung

Während der Herstellung, Bearbeitung und Lagerung von Bauteilen sind deren Oberflächen den jeweiligen Umgebungs-, Beanspruchungs- oder Prozessbedingungen ausgesetzt und der zugehörige Oberflächenzustand wird durch diese beeinflusst bzw. gesteuert. Oftmals muss, über eine bloße Reinigung der Oberflächen hinausgehend, eine ausgesuchte, bestimmte Oberflächenkonditionierung erzeugt und für nachfolgende Prozessschritte optimiert werden. Kontaminationen auf der Oberfläche der Werkstücke sind unbeabsichtigte Einflüsse auf den Oberflächenzustand und müssen für die dazugehörigen Produktionsprozesse, über die gesamte Lieferkette hinweg, hinreichend kontrollierbar sein. Durch eine nachfolgende Teilereinigung wird deshalb versucht, die Anforderungen an die chemische Oberflächenbeschaffenheit, z.B. Silikon- oder Fettfreiheit, Partikelklasse oder maximale Partikelzahl, zu erfüllen, welche für nachfolgende Prozessschritte oder die Funktion des Bauteils unverzichtbar und in den Standards sowie bestehenden Regelwerken zur technischen Sauberkeit z.B. in der Automobilproduktion oder Medizintechnik festgelegt sind. Im Bereich der Oberflächentechnik hängen Qualität, Funktionalität und erreichbare Nutzungsdauer der Produkte im Allgemeinen entscheidend vom Ergebnis solcher Reinigungsprozesse ab. Zum Beispiel ist bei Bauteilen, die im weiteren Herstellungsprozess lackiert, beschichtet oder verklebt werden, eine mangelnde Haftung fast immer die Folge von Kontaminationen, die in einem oder mehreren Prozessschritten entstanden und gar nicht oder nur unzureichend entfernt wurden. Ähnliches gilt z.B. auch für schlechte elektrische Leitfähigkeit oder für Mängel, die durch Korrosion verursacht werden.

Dabei sind unerwünschte, aber auch die erwünschten Zustände der Bauteiloberflächen mit dem bloßen Auge meist nicht erkennbar. Untersucht man die Oberflächen jedoch mittels geeigneter oberflächenanalytischer Methoden, kann man zwei Ausprägungen der Oberflächencharakteristiken unterscheiden. Bei den Verunreinigungen sind das zum einen Partikel, wie z.B. Fasern, Salze, Abrieb, Späne und Polier- oder Strahlgutrückstände aus einem vorausgegangenen Bearbeitungsprozess. Zum anderen gibt es die filmischen Verunreinigungen, teilweise als ultradünne Schichten, wozu z.B. Rückstände von Bearbeitungshilfsmitteln wie Öle, Fette, Kühlschmierstoffe oder Entformungsmittel (z.B. Silikone) zählen. Häufig sind auch Tenside oder ionische Verbindungen nachweisbar, die aus Rückständen der verwendeten Reinigungsprozesse selbst entstanden sind und ebenfalls nachfolgende Prozessschritte stören können. Zu dieser Gruppe von Kontaminationen gehören auch Additive oder Weichmacher, die aus dem Grundmaterial selbst stammen können. Ganz allgemein lassen sich filmische Verunreinigungen auf Teil‑ oder Vollflächen von Bauteilen als, mehr oder weniger zusammen¬hängende dünne Schichten mit unerwünschter Zusammensetzung, fremdartige Bestandteile beschreiben.

Bereits heute wird die Reinheit von Bauteiloberflächen kontrolliert. Zum einen gibt es schnelle Online-Verfahren mit hohem Durchsatz, die meist vollautomatisch direkt im Fertigungsprozess in die Qualitätssicherung integriert sind, und in der Regel auf eine genau spezifizierte Messgröße abstellen, welche online als eine einzelne Störgröße erfasst wird. Zum anderen werden auch Methoden der klassischen Laboranalytik eingesetzt, die deutlich detailliertere Informationen liefern können, fast immer aber offline eingesetzt werden müssen. Gerade den KMU fehlt es jedoch häufig an Know-how, Infrastruktur und finanziellen Mitteln um solche Analysen durchzuführen.

Einsatz der instrumentellen Oberflächenanalytik

Zur Untersuchung filmischer Kontaminationen wurden im IFOS bereits bisher mit Erfolg neben einfachen, typischerweise aber unspezifischen Verfahren wie Fluoreszenzmessungen oder Kontaktwinkelanalysen, auch Verfahren der modernen Oberflächen- und Schichtanalytik eingesetzt. Dazu gehören zum Beispiel die Flugzeit – Sekundärionen - Massenspektrometrie (ToF-SIMS), die Sekundärneutralteilchen – Massenspektrometrie (SNMS), die Photoelektronenspektroskopie (XPS), die Infrarotspektroskopie (ATR-IR), aber auch bildgebende Verfahren, wie etwa die Auger-Elektronen-Spektroskopie (AES). Solche Oberflächenanalyseverfahren erlauben den oberflächensensitiven Nachweis von Fremdmaterialien und Verunreinigungen auf Bauteiloberflächen und liefern detaillierte Informationen zu ihrer chemisch-strukturellen Zusammensetzung. Hier liegt ein großes Potential, Bauteiloberflächen mit Blick auf Eignung und Effektivität der vorausgegangenen Prozessschritte zu kontrollieren und damit letztlich die Effizienz der Fertigung und die Qualität der zugehörigen Produkte zu verbessern, beispielsweise durch eine optimierte Prozessführung bei der Oberflächenvorbereitung für den nächsten Prozessschritt, das Aufspüren von potentiellen Schwachstellen bzw. deren Vermeidung (zum Beispiel durch Konstruktionsänderungen) oder den Einsatz besser geeigneter Materialien.

Die hierzu benötigten Analyseapparaturen stehen in den Laboren des IFOS zur Verfügung. Deren Einsatz scheitert in vielen Fällen aber schon daran, dass die zu untersuchenden Oberflächen als Teile von z.B. fest installierten und großen Maschinen schwerlich oder unmöglich an den Ort der Analyse transportiert werden können. Häufig kann das zu untersuchende Bauteil auch nicht einfach demontiert werden. Weiter müssen die zu analysierenden Bauteile eine passende Größe haben und oftmals auch als nahezu ebene Proben vorliegen, um sie dann in die jeweiligen Analyseapparaturen einbauen und analysieren zu können. Für eine geeignete Probenpräparation ist deshalb häufig das Heraustrennen von geeignetem Probenmaterial aus dem Bauteil und damit dessen Zerstörung erforderlich. Aus unserer Erfahrung wissen wir, dass dies die praktische Anwendung von Methoden der instrumentellen Oberflächen- und Schichtanalytik häufig deutlich einschränkt und nicht selten ein Ausschluss-Kriterium für den Einsatz der Verfahren ist.

Idee hinter dem Projekt

Hier setzt nun die Idee des vorgeschlagenen Projektes an: Es soll ein Surface – Inspection – Pad SIP (Oberflächen-Teststreifen) entwickelt werden, auf das der Zustand von Bauteiloberflächen, insbesondere hinsichtlich der vorliegenden Kontaminationen, so übertragen wird, dass Analyse und Kontrolle der Bauteiloberfläche anschließend durch die Untersuchung der Oberfläche des SIPs in Oberflächenanalyselaboren erfolgen kann, die über die entsprechenden Methoden der modernen Oberflächenanalytik verfügen. Gegenstand des Projektes ist es, verschiedene Möglichkeiten für die Realisierung solcher SIPs zu evaluieren und deren Einsatz- und Anwendungsmöglichkeiten zu erkunden. Insbesondere muss auch überprüft werden, in wie weit bzw. unter welchen Voraussetzungen die Oberflächenanalytik mit SIPs den Anforderungen der bestehenden Regelwerke zur technischen Sauberkeit (z.B. VDA 19, ISO 16232, ISO 18413, ISO 12345 oder TECSA Regelwerk) entspricht und welche neuen Möglichkeiten sich darüber hinaus ergeben.

Varianten der Probennahme

Mit Blick auf die zu entwickelnden SIPs sollen unter anderem die folgenden Methoden zur Probennahme untersucht werden:

  • Wischtest: Einfaches Wischen mit einem vorgegebenen Tuch unter der Nutzung eines für die zu testende Kontamination geeigneten Lösungsmittels und anschließendes Übertragen auf eine zuvor definierte, geeignete Analyseoberfläche (SIP). Diese Analysefläche könnte z.B. ein Si-Wafer, eine Ag-Folie, ein Glassubstrat oder auch ein anderes Material sein.
  • Spültest: Die zu prüfende Kontamination wird mit einem geeigneten Lösungsmittel z.B. innerhalb eines Tropfens, zumindest teilweise, von der Bauteiloberfläche gelöst und dann zunächst im gelösten flüssigen Zustand auf das SIP übertragen. Dort wird dann das Lösungsmittel verdampft, so dass die Kontamination in Form eines „Eintrocknungs-Restes“ auf der Prüfoberfläche zurückbleibt.
  • Kontakttest: Bei dieser Probennahme wird die zu prüfende Bauteiloberfläche mit einem geeigneten Gegenkörper für eine bestimmte Zeit und unter definierten Bedingungen in innigen Kontakt gebracht und dabei vorhandene Kontamination wenigstens zum Teil auf die Analysefläche übertragen. Als SIPs kommen hier ebenfalls, abhängig von der Art der zu prüfenden Kontamination, verschiedene Materialien in Frage.
  • Thermische Desorption: Bei dieser Art der Probennahme wird mittels einer lokalen Aufheizung der Probe, z.B. durch einen IR-Strahler oder Laser, die auf der Bauteiloberfläche vorhandene Kontamination in die Gasphase gebracht. Zum Aufsammeln des desorbierten Materials dient wieder ein SIP, auf dem die gasförmige Kontamination kondensieren und eine entsprechende Bedeckung erzeugen kann.
Kooperierende Einrichtungen
  • IAVF Antriebstechnik GmbH
  • OmniVac GBR
  • Panasonic Automotive Systems Europe GmbH
  • Photonik-Zentrum Kaiserslautern e.V.
  • Walter Werner GmbH - Metallveredelung

Die mit dem Projekt kooperierenden Unternehmen leisten einen erheblichen Beitrag zur Entwicklung, Anpassung und Analyse der SIPs. Sie beraten das IFOS als Mitwirkende des Arbeitskreises und tragen so zu einer bedarfsorientierten kontinuierlichen Verbesserung und Weiterentwicklung der SIPs bei. Sie stellen gegebenenfalls Proben aus den verschiedenen Anwendungsfeldern zur Verfügung und ermöglichen Praxistests vor Ort. Durch die Präsenz der verschiedenen Branchen ist eine große Bandbreite der späteren Einsatzfelder der SIPs abgedeckt.

 

Weitere Interessenten sind herzlich willkommen und können gerne als neue Mitglieder in unserem Arbeitskreis dazu stoßen.
Nehmen Sie dazu einfach Kontakt mit dem Projektkoordinator Dr. Michael Wahl auf.