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Spezielle Anforderungen an Chemie und Anlagentechnik bei Reinigungsprozessen in der Optik

12.01.2012

Das Reinigen optischer Elemente erfordert eine exakte Abstimmung der Reiniger in Bezug auf die verwendeten Materialien. Dabei steigen die Ansprüche der Anwender an Technik und Reiniger ständig, während die zu reinigenden Materialien empfindlicher werden.

Der Sauberkeit optischer Bauteile während der Herstellung, der Montage und im Einsatz in einem optischen System eines Gerätes widmen die Hersteller seit langem große Aufmerksamkeit. Dennoch stiegen die Anforderungen an die Technik in den letzten Jahren rasant an und es ist für die Hersteller sowohl von Reinigungsanlagen als auch von Reinigungschemie nicht leicht, hier Schritt zu halten. In manchen Bereichen sehen Experten durchaus noch eine Lücke zwischen den Erfordernissen und dem aktuellen technischen Höchststand. Die größten Herausforderungen an die Reinigungstechnik sind dabei der verstärkte Einsatz von empfindlichen Glasmaterialien, sowie immer höhere Reinheitsanforderungen. Mit neuen Erkenntnissen über die Auswirkung von technischen beziehungsweise technologischen Änderungen an Prozessen und/oder Anlagen auf sensible Optik-Bauteile ist es aber möglich, diese Lücke klein zu halten. Insbesondere spielt dabei das Konzept der Reinigungsanlage eine Rolle, an zweiter Stelle stehen dann die Reinigungschemikalien. Für das Endergebnis nicht selten unterschätzt wird das Thema Spülung/Spülraten und nicht zuletzt die Trocknung. Damit lässt sich trotz hochsensibler Anwendungen immer häufiger eine Handreinigung als letzter Ausweg vermeiden.

Konzepte von Optikreinigungsanlagen
Zu "Optikreinigungsanlagen" im weiteren Sinne gehören auch Reinigungsanlagen für die Flachglasreinigung, Waferreinigung (Glas- und Siliziumwafer) sowie für fertig gepresste Mineralglasoptiken, LCD-Technik, Solarzellen, Brillenglasoptik (Kunststoff- und Mineralgläser) und gepresste Kunststoffoptik. Je nach Anforderungen werden unterschiedliche Reinigungskonzepte eingesetzt. Die kundenspezifisch entwickelten Ultraschallreinigungsanlagen der Firma UCM aus der Schweiz tragen den hohen Anforderungen bei der Reinigung im High-Tech-Bereich durch konstruktive Maßnahmen und flexible Programmiermöglichkeiten Rechnung.

So verfügen die Aktiv- und Spülbäder über elektropolierte Wannen mit geneigten Böden, um ein restloses Entleeren verschmutzter Medien zu ermöglichen und Anhaftungen durch raue Oberflächen zu verhindern. 360°-Kantenüberläufe sorgen für einen zuverlässigen Schmutzabtransport in den Ausgleichsbehälter und damit in den Filterkreislauf. Die Ultraschallschwingerplatten lassen sich durch ein Einschubsystem schnell und mit geringen Stillstandszeiten der Anlage im Defektfalle austauschen, ohne dass eine Demontage des kompletten Beckens nötig wird. Darüber hinaus sind Filtrationsdauer und -zeitpunkt prozessbezogen steuerbar. Die Schwinger und Ultraschallgeneratoren sind so ausgelegt, dass mehrere Arbeitsfrequenzen und auch Kombinationen davon nutzbar sind. Außerdem kann die Leistung des Ultraschalls stufenlos geregelt werden. Die Software erlaubt es, einen völlig flexiblen Verfahrensablauf zu gestalten, die Prozesszeiten werden dabei exakt eingehalten.

Reinigungschemikalien
Ein wichtiger Faktor bei einer Optikreinigung ist natürlich die verwendete Chemie. Die Tendenz, optische Systeme mit technologisch immer schwieriger zu beherrschenden Glasarten zu rechnen, nimmt erheblich zu - der Preis für schlankes Optik-Design. Auch wenn es oft keine Vorgaben vom Kunden gibt, womit die Optik zu reinigen ist - die Eigenschaften der Substrate selbst in Bezug auf ihre Resistenzklassen hinsichtlich Säureresistenz, Alkaliresistenz oder Phosphatresistenz und die Geometrie der Teile lassen häufig wenig Spielraum für "aggressive" Reinigungsmittel. Das macht die Formulierung für anspruchsvolle Kontaminationen wie Kitte, Peche, Schutzlacke oder Poliermittel deutlich schwieriger. Hinzu kommt, dass empfindliche und unempfindliche Optik auf der gleichen Anlage gereinigt werden müssen und das Ziel der Reinigung von kontrollreif bis montagereif unterschiedlich sein kann. Das verdeutlicht die Wichtigkeit einer flexiblen Programmierung und einer automatischen Programmerkennung durch codierte Warenkorbgestelle. Hier hilft UCM seinen Kunden aufgrund der umfangreichen eigenen Erfahrungen bei der Chemieauswahl und übernimmt auch die Prozessverantwortung.

Die wichtigsten Eigenschaften der Reinigungschemie (pH-Wert, Leitwert, Viskosität bei einer bestimmten Konzentration/Temperatur, emulgierend/demulgierend, hydrophob/hydrophil) und natürlich die umweltrelevante Klassifizierung sowie eventuell die Kosten für die Entsorgung beziehungsweise Aufarbeitung sind bei der Auswahl der Reiniger wichtige Entscheidungskriterien.

Entscheidend: der Spülvorgang
Es ist eine Binsenweisheit: Je besser (sauberer) das Spülwasser bei einer wässrigen Reinigung ist, umso besser sind die Reinigungsresultate, die man aber erst nach dem Trocknen wirklich einschätzen kann. Zusätzlich spielt die Spülrate eine entscheidende Rolle, da ein guter Austausch zwischen Spülwasser und Teileoberfläche das Ergebnis maßgeblich beeinflusst.

Der Leitwert der letzten VE-Stufe darf nach dem Eintauchen des Korbes nur gering ansteigen, um ein gutes, fleckenfreies Ergebnis zu erzielen. Für die Spülung in einem wässrigen Reinigungsprozess verwendet man in der Regel zwei Wasserqualitäten:

  • Stadtwasser und/oder Osmosewasser beziehungsweise Mischungen davon für die Spülung nach den Aktivstufen - oft auch in einer Kaskade, wodurch das Spülwasser mehrfach genutzt werden kann.
  • VE-Wasser (vollentsalztes Wasser) bedeutet, dass das Spülmedium so sauber (mineralfrei, frei von organischen Substanzen) ist, dass man an Stellen, wo dieses Wasser eintrocknet, keinerlei Trockenflecken erkennen kann.

Insgesamt betrachtet, werden Spülwasser immer häufiger aufbereitet und wiederverwendet. Bis zu einem Leitwert über 50 µS/cm und einem pH-Wert unter 7 ist diese Wasserqualität unbedenklich für gewöhnliche Spülzeiten im Bereich von einer Minute. Eine Rückstandsfreie Trocknung erfolgt, wenn der Leitwert unter 0,12 µS/cm bleibt und keine Silikate und Tenside im Wasser enthalten sind, was durch eine einfache Schaumprobe nachprüfbar ist. Leider hat diese Wasserqualität einen Haken: In der Regel ist dieses Wasser sauer (pH-Wert etwa 5) und der Lösungsdruck für Metalle (La, Ba) in den behandelten optischen Gläsern steigt nach der Reinigung, bei der die Glasoberflächen aktiviert werden, mit zunehmender Säureresistenzklasse stark an. Ganz allgemein gilt die Regel: VE-Wasser und Medien mit einem pH-Wert < 6,5 sind kritisch für Gläser mit hohem Säureresitenzklassen, die wässrigen, meist alkalischen (pH-Wert > 8) beziehungsweise hochleitfähigen Reiniger (über 2 µS/cm) sind kritisch für Gläser mit hohen Alkaliresitenzklassen. Treffen beide Klassen in einem Glastyp aufeinander, wird es sehr schwierig. Deshalb liegt ein großer Fokus der Chemielieferanten und Anlagenbauer auf diesem Bereich, um die Eigenschaften von Reiniger und VE-Wasser sowie die Flexibilität der Reinigungsanlagen speziell an die Bedürfnisse sensitiver Optik anzupassen.

Trocknung
Dieser letzte Schritt des Reinigungsprozesses für optische Bauteile erfolgt meist unter Reinraumbedingungen mit einer Laminarflowbox, beginnend über der letzten VE-Station und/oder der direkten Reinraumeinschleusung. Üblich sind Infrarottrocknung, Warmlufttrocknung oder Vakuumtrocknung, meistens in Verbindung mit Lift-out-Auszug in der letzten VE-Station. Eine Alternative ist die Schleudertrocknung, ganz klar die schnellste Methode mit wenig Energieverbrauch. Diese lässt sich sehr vorteilhaft für Mikrooptik und Kapillaren anwenden. Die HFE-Trocknung hat sich insbesondere für sensitive Optik bewährt, verursacht aber erhöhte Betriebskosten. Was die Sauberkeitsqualität betrifft, sind alle erwähnten Trocknungsmethoden gleichwertig, wenn sie unter Reinraumbedingungen stattfinden.

Kontakt:
UCM AG
Ein Unternehmen der Dürr Ecoclean Gruppe
Robert Mauch
Telefon +41 71 886 6757
r.mauch(at)ucm-ag.com
www.ucm-ag.com
www.durr-ecoclean.com