Filmische Verunreinigung: Alles, was Sie dazu wissen müssen

In vielen Branchen ist die Sauberkeit der Teile nach der ersten, Zwischen- und Endreinigungsstufe ein wichtiger Qualitätsindikator. Auch durch den Einsatz modernster Produktionsmethoden können die mit der Produktion verbundenen Umweltbelastungen nicht beseitigt werden. Vorhandene Verunreinigungen müssen gereinigt werden, um sicherzustellen, dass das Teil für nachfolgende Fertigungsvorgänge – etwa Fügen und Lackieren - und die endgültige Anwendung sauber genug ist.

In den vergangenen Jahren galten Feinstaubverunreinigungen als die am häufigsten vorkommenden, chemische oder filmische Verunreinigungen wurden als qualitätsbeeinträchtigend erkannt. Verunreinigungen im Film sind Öle und Fette, aber auch Rückstände von Korrosionsschutzmitteln, Beschichtungen, Kühlschmierstoffen, Wachsen und anderen Produktionshilfsmitteln. Dazu gehören auch Konservierungsstoffe, Trägerstoffe und Chemikalien aus verschiedensten Herstellungsprozessen, Harze und sogar Handschweiß und Fingerabdrücke.

Dazu Christian Gregor, Manager R&D Connectors, Schaltbau GmbH: „Filmische Verunreinigung stellt eine erhebliche Herausforderung in vielen industriellen Prozessen dar, da sie die Qualität und Funktionalität von Produkten stark beeinträchtigen kann. Diese Art der Verunreinigung ist oft unsichtbar und kann dennoch zu erheblichen Produktionsausfällen, Reklamationen und letztlich auch zu Imageverlusten führen.“

Besonders kritisch ist das Thema beim Ultraschallschweißen von Metallen, das in der Fertigung von elektromechanischen Bauteilen in der Elektromobilität weit verbreitet ist. „Hier können selbst geringfügige filmische Verunreinigungen die Qualität der Schweißverbindungen beeinträchtigen, was zu Funktionsstörungen und Sicherheitsrisiken führen kann“, so Gregor weiter.

Ebenso seien funktionsrelevante Oberflächenbehandlungen, wie etwa die Anwendung von Octadecanthiol auf Silberoberflächen, von Bedeutung, da andere filmische Verunreinigungen die Wirksamkeit solcher Schichten beeinträchtigen könnten.

Partikuläre versus nicht-partikuläre Verunreinigungen

Auch Christina Mavridou, Prozessingenieur, Zestron Europe, sieht die kritische Bedeutung dieser Art der Verunreinigung: „Zestron sieht die Entfernung filmischer, ionischer und partikulärer Verunreinigung als wesentlich an. Ohne Entfernung, können nachfolgende Prozessschritte wie Lackieren, Beschichten, Moulden und Bonden negativ beeinflusst werden.“

Filmische Verunreinigungen sind also nicht-partikuläre dünne Schichten aus organischen Bestandteilen. In der Regel sind diese daher unpolar und optisch ‚schmierig‘ sowie transparent. Partikuläre Verunreinigungen umfassen – wie etwa weiter oben beschrieben - metallische und nicht-metallische Partikel sowie Fasern, die sowohl polar als auch unpolar sein können.

Christian Gregor erläutert den Unterschied so: „Partikuläre Verunreinigungen bestehen aus sichtbaren Partikeln oder Feststoffen, die auf Oberflächen oder in Materialien vorhanden sind. Filmische Verunreinigung hingegen bezieht sich auf sehr dünne, oft unsichtbare Schichten von Verunreinigungen, die auf Oberflächen haften und durch Flüssigkeiten, Öle oder andere Substanzen verursacht werden können.“

Bei funktionsrelevanten Oberflächenbehandlungen sei es daher wichtig, die korrekte Aufbringung dieser Schichten nachzuweisen und sicherzustellen, dass keine anderen filmischen Verunreinigungen vorlägen, die die Behandlung stören könnten.

Firmen unterschätzen Auswirkungen filmischer Verunreinigung

Besonders betroffen von dem Phänomen sind Branchen mit hohen Anforderungen an Sauberkeit und Oberflächenqualität, wie die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik und die Elektronikfertigung, dazu Christian Gregor: „In diesen Bereichen kann schon eine minimale filmische Verunreinigung zu erheblichen Funktionsstörungen führen.“

Zudem ist die Lackaufbringung in verschiedenen Industriezweigen, wie der Automobil- und Elektronikindustrie, besonders anfällig, da filmische Verunreinigungen die Haftung und Qualität der Lackschicht beeinträchtigen können.

„Im Falle der Kunden von Zestron betrifft es metallverarbeitende Firmen, die Leistungselektronik, Leadframes, Kühlkörper herstellen oder zuliefern und dementsprechend eine Feinstmetallreinigung erforderlich ist“, sagt Christina Mavridou. „Doch viele Unternehmen unterschätzen die Auswirkungen filmischer Verunreinigung noch immer, was zu unerwarteten Problemen und erheblichen Kosten führen kann“ (Gregor).

Besonders wichtig ist dies auch bei funktionsrelevanten Oberflächenbehandlungen, die in vielen dieser Branchen angewendet werden.

Produktionsschritte und Abteilungen innerhalb der Fertigung wie die Oberflächenbehandlung, die Montage und die Qualitätskontrolle sind besonders anfällig für filmische Verunreinigungen. Bei jedem Produktionsschritt, der eine hohe Präzision und Reinheit erfordert, kann eine filmische Verunreinigung auftreten.

Christina Mavridou konkretisiert: „Filmische Verunreinigung tritt immer dann auf, wenn metallische Oberflächen verarbeitet werden und Hilfsstoffe wie Mahlhilfsstoffe, Stanzöle und Schmierstoffe zum Einsatz kommen. Ihre Entfernung in der Elektronik ist wichtig für nachfolgende Prozessschritte wie Drahtbonden, Schutzbeschichtungen und Verguss.“

Zu den häufigsten Fehlern, die zu einer filmischen Verunreinigung führen, zählen unzureichende Reinigung der Oberflächen, Verwendung von kontaminierten Materialien oder Werkzeugen und mangelnde Kontrolle der Produktionsumgebung. „Diese Fehler können durch strenge Reinigungsprotokolle, regelmäßige Überwachung der Produktionsumgebung und Schulung der Mitarbeiter verhindert werden“, weiß Schaltbau-Manager Gregor.

Christina Mavridou von Zestron sieht das weniger optimistisch: „In der Regel sind filmische Verunreinigungen unabwendbar und für die Bearbeitung metallischer Oberflächen sogar notwendig. Es gibt jedoch filmische Verunreinigungen, verursacht durch beispielsweise Fingerprints oder Handcremes, die es zu verhindern gilt. Durch einen Reinigungsprozess können filmische Verunreinigungen entfernt werden.“

Was den Nachweis von filmischen Verunreinigungen auf Bauteiloberflächen betrifft existieren laut dem Papier ‚Filmische Verunreinigungen beherrschen‘ des Fachverbands Industrielle Teilereinigung eine ganze Reihe an Mess-, Prüf- und Analysemethoden: Diese reichen von einfachen Tests (Sichtprüfung, Wasserablaufprobe/Wasserbruchtest, Testtinte) über (semi-)quantitative Messungen (Kontaktwinkel, Fluoreszenzmessungen), die mit überschaubarem Equipment im Prozess (in-line) und nahe am Prozess (at-line) durchgeführt werden können.

Weiterhin zählen einfach anzuwendende analytische Methoden (ATR-FTIR, VIDAM, TOC) vorgestellt, die at-line an der Prozesskette durchgeführt werden können, sowie elaborierte oberflächenanalytische Methoden (FTIR, TD-GC-MS, XPS, TOF-SIMS), für deren Anwendung etablierte Analytiklabore zu Rate gezogen werden sollten.

Für Christian Gregor gehören zu den gängigen Messmethoden die Oberflächenanalyse mittels FTIR-Spektroskopie, Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) und optische Inspektionssysteme. „Eine weitere spezifische Methode ist die Nutzung von Geräten, die über bildgebende Fluoreszenzmessung funktionieren wie etwa Recognoil, das speziell zur Erkennung von öligen Verunreinigungen auf Oberflächen entwickelt wurde.

Diese Methoden sind in der Regel Teil eines umfassenden Qualitätsmanagementsystems (QS), das darauf abzielt, die Reinheit und Qualität der Produkte sicherzustellen.“ Insbesondere bei funktionsrelevanten filmischen Oberflächenbehandlungen wie Octadecanthiol sei der Nachweis der korrekten Aufbringung und der Freiheit von störenden Verunreinigungen essenziell.

Dass filmische Verunreinigung zu Mehrkosten führen, ist offensichtlich, doch was ist überhaupt das Schlimmste, das in diesem Bereich passieren kann? Eine Antwort darauf weiß Christina Mavridou: „Im Allgemeinen ist die filmische Verunreinigung anhand der Notwendigkeit einer Reinigung für den nachfolgenden Prozessschritt zu bewerten. Wenn eine Reinigung erforderlich ist, sind schwer entfernbare Organikrückstände der Worst Case, da diese mit einem hohen Reinigungsaufwand und finanziellen Ausgaben verbunden sind.“

Christian Gregor geht noch einen Schritte weiter: „Der absolute Worst Case wäre ein kompletter Ausfall eines Produkts oder Systems, der durch eine nicht erkannte filmische Verunreinigung verursacht wird. Dies könnte zu teuren Rückrufen, Produktionsstopps und erheblichen finanziellen Verlusten führen.“

Ein Beispiel für den ungünstigsten Fall ist das Versagen von Bauteilen, die bereits in Fahrzeugen eingebaut sind. Wenn die Rückverfolgbarkeit nicht ausreicht, um die betroffene Charge einzugrenzen, muss möglicherweise eine große Anzahl von Fahrzeugen zurückgerufen werden, dazu Gregor: „Dies kann erhebliche Kosten in Form von Zeit, Geld und Material verursachen. Die genaue Höhe der Kosten hängt von der jeweiligen Situation ab, kann aber insbesondere bei umfangreichen Rückrufaktionen erheblich sein.“

Fortschrittliche Reinigungstechnologien und innovative Nachweismethoden

Dies sollte aber die absolute Ausnahme bleiben, vor allem auf dem Hintergrund neuerer Entwicklungen in diesem Segment. So hat etwa Zestron die wässrigen Reiniger weiterentwickelt, um neben den polaren ionischen Verunreinigungen zusätzlich unpolare Rückstände sehr gut zu entfernen. Zu den neuen Entwicklungen gehören ebenso fortschrittliche Reinigungstechnologien wie die Plasmareinigung und innovative Nachweismethoden, die immer empfindlicher und genauer werden.

„Darüber hinaus werden zunehmend automatisierte Systeme zur kontinuierlichen Überwachung der Produktionsumgebung eingesetzt, um Kontaminationen frühzeitig zu erkennen und zu verhindern.“ Wichtige Entwicklungen sind darüber hinaus die Laserreinigung und die gezielte Laserstrukturierung von Oberflächen zur Erzeugung von Abperleffekten.

Im Bereich ‚Laserreinigung‘ ist Trumpf einer der innovativsten Anbieter, dazu Volkan Yavuz, Business Development Surface Technologies, Trumpf Laser- und Systemtechnik SE: „Eine saubere und der Funktion angepasste Oberfläche – das ist die Grundvoraussetzung für erfolgreiche und langlebige Fügeprozesse, wie etwa Schweißen oder Kleben. Doch häufig sind Bauteile vor dem Fügen verunreinigt, oxidiert oder mit Schutzschichten versehen", sagt er.

Und weiter: „Hier schafft der Laser Abhilfe Denn das berührungslose Werkzeug befreit Bauteile in Sekundenschnelle von Schmutz- und Oxidationsschichten oder entfernt definiert Schichtsysteme, wie etwa Lacke. Und zwar nur dort, wo beispielsweise gefügt, kontaktiert oder beschichtet werden soll.“

Und das funktioniert so: Laserpulse mit hohen Pulsspitzenleistungen verdampfen lokal unerwünschtes Material, ohne die Bauteilqualität zu beeinflussen. Durch die Laservorbehandlung werden die Folgeprozesse stabiler und effizienter. Volkan Yavuz: „Verbindungen sind sauberer und halten länger. Die Fügevorbereitung mit Licht lässt sich außerdem nahtlos in die industrielle Serienproduktion integrieren und hat weitere Vorteile. Die Laserbehandlung ist zudem chemie-frei, berührungslos und schnell.“