Wenn unsichtbare Rückstände zum Produktionsrisiko werden

Partikel lassen sich zählen, Späne sind sichtbar und Staub kann abgesaugt werden. Schwieriger wird es, wenn Verunreinigungen als hauchdünner Film auf einer Bauteiloberfläche zurückbleiben. Öle, Fette, Kühlschmierstoffe, Reinigermedien oder andere organische Rückstände können bereits in sehr geringen Mengen nachfolgende Prozesse empfindlich stören. Mit steigenden Anforderungen an Kleben, Beschichten, Schweißen und die technische Sauberkeit rückt deshalb die filmische Verunreinigung stärker in den Fokus der industriellen Qualitätssicherung.

Sauber ist nicht gleich sauber

In vielen Produktionsbereichen hat sich die technische Sauberkeit längst als wichtiges Qualitätsmerkmal etabliert. Besonders in der Automobilindustrie, der Elektronikfertigung, der Medizintechnik, im Maschinenbau sowie zunehmend auch in der Batterie- und Brennstoffzellenproduktion werden Bauteile hinsichtlich ihres Sauberkeitszustands bewertet. Lange konzentrierte sich die Aufmerksamkeit dabei vor allem auf partikuläre Verunreinigungen. Metallspäne, Fasern, Staub oder Abrieb können Funktionsflächen beeinträchtigen oder empfindliche Komponenten beschädigen.

Doch ein Bauteil kann partikulär sauber sein und trotzdem erhebliche Qualitätsprobleme verursachen. Der Grund sind filmische Verunreinigungen, also dünne, häufig mit bloßem Auge nicht erkennbare Schichten unerwünschter Substanzen. Dazu zählen etwa Bearbeitungs- und Schneidöle, Kühlschmierstoffe, Fette, Korrosionsschutzmittel, Reinigungsmittelrückstände, Trennmittel, Fingerabdrücke, Hautfette, Silikone oder organische Prozesshilfsstoffe. Auch Verpackungsmaterialien oder Kunststoffe können durch Ausgasungen Stoffe freisetzen, die sich auf Bauteiloberflächen niederschlagen.

Die Schichtdicken solcher Verunreinigungen können extrem gering sein. Trotzdem verändern sie unter Umständen die Oberflächeneigenschaften deutlich. Entscheidend ist daher nicht allein die Menge der Kontamination, sondern vor allem, welche Substanz sich an welcher Stelle des Bauteils befindet und welcher Folgeprozess anschließend durchgeführt wird.

Besonders kritisch sind filmische Rückstände überall dort, wo Oberflächen miteinander reagieren oder eine definierte Benetzbarkeit erforderlich ist. Dazu zählen Klebe-, Lackier-, Beschichtungs-, Löt- und Schweißprozesse ebenso wie elektrische Kontaktierungen. Ein Ölfilm kann beispielsweise verhindern, dass ein Klebstoff die Oberfläche ausreichend benetzt. Silikonhaltige Rückstände können Lackierfehler verursachen, organische Kontaminationen die Haftfestigkeit von Beschichtungen reduzieren. In elektrischen oder optischen Anwendungen können wiederum bereits sehr geringe Rückstände die Funktion beeinflussen.

Damit wird die filmische Sauberkeit zu einem funktionalen Qualitätsmerkmal. Die entscheidende Frage lautet nicht mehr nur, ob ein Bauteil sauber ist, sondern ob seine Oberfläche für den nächsten Prozess ausreichend sauber ist.

Zusätzliche Bedeutung erhält das Thema durch neue Fertigungsverfahren rund um Elektromobilität, Batterietechnik, Leistungselektronik und Brennstoffzellen. Je stärker die Funktion eines Produkts von definierten Oberflächeneigenschaften abhängt, desto wichtiger wird die Kontrolle filmischer Rückstände. Gleichzeitig sind moderne Produktionsketten komplex. Ein Bauteil durchläuft möglicherweise Zerspanung, Reinigung, Zwischenlagerung, Transport, Montage und schließlich einen Füge- oder Beschichtungsprozess. An nahezu jeder dieser Stationen kann erneut eine Kontamination entstehen.

Gerade die Rekontamination wird in der Praxis häufig unterschätzt. Auch bereits gereinigte Bauteile können durch ungeeignete Handschuhe, Transportbehälter, Verpackungen, Schmierstoffe an Montageeinrichtungen oder Ausgasungen aus Kunststoffen erneut verschmutzt werden. Selbst Wartungsarbeiten oder ein Wechsel von Betriebsstoffen können Auswirkungen haben. Deshalb reicht es nicht aus, lediglich die Reinigungsanlage zu betrachten. Erforderlich ist vielmehr eine Analyse der gesamten Prozesskette.

Die Messung wird zum Schlüssel

Eine der größten Herausforderungen liegt darin, filmische Verunreinigungen zuverlässig zu erfassen. Während partikuläre Rückstände vergleichsweise anschaulich sind und sich beispielsweise durch Extraktion, Filtration und mikroskopische Analyse bestimmen lassen, benötigt die Bewertung filmischer Kontaminationen andere Verfahren.

Eine verbreitete Methode ist die Kontaktwinkelmessung. Dabei wird ein definierter Flüssigkeitstropfen auf die Oberfläche aufgebracht und dessen Benetzungsverhalten analysiert. Der Kontaktwinkel liefert Informationen über den Zustand der Oberfläche und eignet sich insbesondere für Klebe-, Lackier- oder Beschichtungsprozesse. Allerdings zeigt die Methode zunächst nur, dass sich der Oberflächenzustand verändert hat. Welche chemische Substanz dafür verantwortlich ist, lässt sich daraus nicht unmittelbar ableiten.

Für schnelle Prüfungen kommen in einigen Anwendungen auch Testtinten oder Fluoreszenzverfahren zum Einsatz. Bestimmte organische Substanzen fluoreszieren unter geeigneter Anregung und können dadurch auf der Oberfläche detektiert werden. Wenn dagegen nicht nur festgestellt werden soll, dass eine Kontamination vorhanden ist, sondern auch woraus sie besteht, sind spektroskopische und andere analytische Verfahren gefragt. Sie können charakteristische chemische Strukturen erfassen und helfen damit insbesondere bei der Ursachenanalyse.

Die eigentliche Herausforderung besteht jedoch darin, Messwerte nicht losgelöst vom Prozess zu betrachten. Ein Grenzwert ist nur dann sinnvoll, wenn nachvollziehbar ist, warum seine Überschreitung für das Produkt oder den Folgeprozess kritisch ist. Ein bestimmter Rückstand kann bei einem Bauteil unkritisch sein, bei einem anderen jedoch zum Ausfall führen. Eine Fläche, die später lediglich verschraubt wird, stellt andere Anforderungen als eine Oberfläche, die strukturell verklebt oder funktional beschichtet werden soll.

Deshalb sollte am Anfang nicht die Messtechnik stehen, sondern die Prozessanforderung. Zunächst müssen die funktionskritischen Flächen identifiziert werden. Anschließend ist zu klären, welche Folgeprozesse empfindlich auf Verunreinigungen reagieren und welche Kontaminationsquellen innerhalb der Prozesskette relevant sind. Erst dann lässt sich sinnvoll bestimmen, welche Messgröße geeignet ist und welcher Grenzwert ausreichende Prozesssicherheit gewährleistet.

Eine robuste Sauberkeitsspezifikation entsteht somit nicht aus einem pauschalen Zahlenwert, sondern aus dem nachgewiesenen Zusammenhang zwischen Oberflächenzustand und Funktion. Versuchsreihen können beispielsweise zeigen, ab welchem Kontaminationsniveau Klebeverbindungen an Festigkeit verlieren oder Beschichtungsfehler auftreten. Auf dieser Basis lassen sich belastbare Prozessfenster definieren.

Die gesamte Prozesskette entscheidet

Naheliegend wäre, auf steigende Sauberkeitsanforderungen einfach mit einer intensiveren Reinigung zu reagieren. Doch das kann technisch und wirtschaftlich in die falsche Richtung führen. Mehr Reinigungschemie, höhere Temperaturen, längere Prozesszeiten oder zusätzliche Reinigungsschritte verursachen Kosten, benötigen Energie und Ressourcen und können im Extremfall sogar die Oberfläche selbst beeinflussen.

Die entscheidende Aufgabe lautet deshalb nicht, ein Bauteil möglichst sauber zu machen, sondern so sauber wie erforderlich und so wirtschaftlich wie möglich. Dafür ist ein stabiler Reinigungsprozess notwendig. Badzustand, Temperatur, Konzentration der Reinigungschemie, Spülqualität und Trocknung müssen beherrscht werden. Ebenso wichtig ist jedoch, eine Rekontamination nach der Reinigung zu verhindern.

Der Sauberkeitszustand eines Bauteils endet nicht am Ausgang der Reinigungsanlage. Wird das Teil von Hand umgesetzt, in einem ungeeigneten Behälter transportiert oder mehrere Tage zwischengelagert, kann die zuvor erreichte Oberflächenqualität wieder verloren gehen. Auch Verpackungen, Kunststoffe, Schmierstoffe oder Montagehilfsmittel können Stoffe übertragen. Unternehmen sollten deshalb für kritische Bauteile eine durchgängige Sauberkeitskette definieren, die vom letzten kontaminierenden Fertigungsschritt bis zum eigentlichen Funktionsprozess reicht.

Für die Serienproduktion stellt sich zudem die Frage, wie sich filmische Sauberkeit automatisiert überwachen lässt. Laboranalytik ist für Ursachenforschung und Prozessentwicklung unverzichtbar, für eine hundertprozentige Prüfung großer Stückzahlen jedoch häufig zu langsam oder zu teuer. Deshalb gewinnen schnelle, berührungslose und automatisierbare Verfahren an Bedeutung. Für die Prozessüberwachung kann es bereits genügen, zuverlässig zwischen einem stabilen Normalzustand und einer relevanten Abweichung zu unterscheiden. Auffällige Bauteile oder Prozesse können anschließend detailliert im Labor untersucht werden.

Mit zunehmender Digitalisierung ergeben sich zusätzliche Möglichkeiten. Messwerte zur Oberflächenqualität können mit Prozessparametern aus Bearbeitung, Reinigung, Montage und Qualitätssicherung verknüpft werden. Dadurch lässt sich beispielsweise untersuchen, ob steigende Kontaminationswerte mit der Standzeit eines Reinigungsbades, einer bestimmten Maschine, einem Werkzeugwechsel oder einer Charge eines Prozessmediums zusammenhängen. Aus der reinen Sauberkeitskontrolle wird damit zunehmend eine Form der Prozessdiagnostik.

Filmische Sauberkeit ist zugleich eine organisatorische Querschnittsaufgabe. Bearbeitung, Reinigung, Qualitätssicherung, Montage und Oberflächentechnik liegen in vielen Unternehmen in unterschiedlichen Verantwortungsbereichen. Die Kontamination selbst kennt diese Grenzen jedoch nicht. Wenn eine Klebeverbindung versagt, kann die Ursache beim Klebstoff liegen, ebenso aber bei einem Bearbeitungsmedium mehrere Prozessschritte zuvor, bei einer unzureichenden Reinigung, einem Transportbehälter oder einem Handschuh in der Montage.

Auch Lieferanten müssen deshalb einbezogen werden. Ein Bauteil kann beim Zulieferer die vereinbarte Sauberkeitsanforderung erfüllen und beim Kunden trotzdem Probleme verursachen, wenn Prüfverfahren, Messbedingungen oder relevante Flächen nicht eindeutig definiert wurden. Eine belastbare Spezifikation muss daher nicht nur einen Grenzwert nennen, sondern auch festlegen, was, wo, wann und mit welchem Verfahren gemessen wird.