In Produktionsst├Ątten m├╝ssen Mitarbeiter besonders auf eine kontaminationsfreie Arbeitsumgebung achten.

In Produktionsst├Ątten m├╝ssen Mitarbeiter besonders auf eine kontaminationsfreie Arbeitsumgebung achten. Aber welche Methoden gibt es und wo liegen die Vor- und Nachteile? (Bild: TDK)

In vielen Industriebereichen ist eine kontaminationsfrei Arbeitsumgebung sehr wichtig. Um metallische Verunreinigungen zu detektieren, gibt es verschiedenen M├Âglichkeiten,
doch nicht alle sind hier gut geeignet. Woran liegt das, und welche Methode kann auch in der Produktion zum Einsatz kommen?

Strenge Qualit├Ątskontrollen sind in jeder Produktionsst├Ątte unerl├Ąsslich. Insbesondere die Pharma-, Kosmetik-, Lebensmittel- und Getr├Ąnkeindustrien achten genau auf das Eindringen von Verunreinigungen ÔÇô selbst von solchen, die zu klein sind, um f├╝r das menschliche Auge sichtbar zu sein. So kann eine winzige Verunreinigung im Lithium-Ionen-Akku eines Smartphones zu Kapazit├Ątsverlusten, Hitzeentwicklung oder sogar zu einem Brand f├╝hren.

Risikomanagement bei Verunreinigungen

Eine erfolgreiche Strategie f├╝r das Risikomanagement bei Verunreinigungen durch Fremdk├Ârper basiert auf drei Grunds├Ątzen: Pr├Ąvention, Erkennung und Untersuchung. Von diesen drei Punkten ist die Pr├Ąvention die wichtigste. Entscheidend ist, dass die Lieferanten Ma├čnahmen ergreifen, um das Risiko von Fremdk├Ârpern auszuschlie├čen. Zu ber├╝cksichtigen ist auch, wie die Rohstoffe durch die Lieferkette transportiert und vor Ort gelagert und bewegt werden.

Nichtmagnetische Metalle wie Kupfer und Aluminium sind verformbar und zerfallen nicht in feine Partikel. Verunreinigungen lassen sich hier durch verbesserte Sauberkeit in der Fabrik vermeiden. Eisen und Edelstahl hingegen kann man nur schwer entfernen, da sie in Produktionsanlagen verwendet werden und bei ihrem Einsatz durch Abnutzung und Abbl├Ąttern unweigerlich feine Partikel entstehen.

G├Ąngige Methoden zur Erkennung von Fremdk├Ârpern; links: zugrundeliegendes Prinzip, rechts: Nachweis-Methoden.
G├Ąngige Methoden zur Erkennung von Fremdk├Ârpern; links: zugrundeliegendes Prinzip, rechts: Nachweis-Methoden. (Bild: TDK)

Nachweis von Metall-Partikeln

Es gibt verschiedene Methoden, um Kontaminationen durch Fremdk├Ârper nachzuweisen. Sie werden nach ihren zugrunde liegenden Prinzipien kategorisiert. Mit verbesserter Bildverarbeitung und k├╝nstlicher Intelligenz (KI) wird die Inspektion mit Kameras und Bildsensoren immer ausgefeilter. Hier werden aber nur Partikel erkannt, die sich auf der Oberfl├Ąche befinden. Objekte im Inneren eines Produkts finden Inspekteure mit Ultraschallpr├╝fung, wobei die Aufl├Âsungen meist im mm-Bereich liegt, was nicht ausreicht, um winzige Partikel zu identifizieren.

Der magneto-optische Kerr-Effekt (MO-KE) tritt auf, wenn linear polarisiertes Licht von einer ferromagnetischen Metalloberfl├Ąche reflektiert wird. Dabei dreht sich die Polaristionsebene des Lichts um einen bestimmten Winkel. Aber MOKE-Pr├╝fsonden k├Ânnen nur die Oberfl├Ąche des Produkts untersuchen. Sie haben auch ein enges Sichtfeld, sodass Fremdmaterial m├Âglicherweise nicht erkannt wird, wenn Oberfl├Ąchenunregelm├Ą├čigkeiten vorhanden sind.

Schematische Darstellung, wie sich Metallfragmente in der Produktionslinie erkennen lassen.
Schematische Darstellung, wie sich Metallfragmente in der Produktionslinie erkennen lassen. (Bild: TDK)

Rasterkraft- und Magnetkraft-Mikroskope erm├Âglichen eine hohe r├Ąumliche Aufl├Âsung in der Gr├Â├čenordnung von wenigen Nanometern. Der Scanbereich ist jedoch sehr begrenzt und es k├Ânnen nur flache Proben untersucht werden, so dass sich diese Methoden nicht f├╝r die Inspektion in der Produktionslinie, sondern f├╝r Forschungszwecke eignen.

R├Ântgentechnik wird aktuell h├Ąufig eingesetzt, um kleine Fremdk├Ârper zu finden. Das Produkt wird in der Produktionslinie R├Ântgenstrahlen ausgesetzt und ein Zeilensensor erkennt anhand der R├Ântgendurchl├Ąssigkeit Anomalien auf der Oberfl├Ąche und im Inneren des Produkts. Der Vorteil von R├Ântgenpr├╝fger├Ąten ist, dass sie metallische und nichtmetallische Materialien wie Glas, Gummi und Kunststoffe leicht erkennen k├Ânnen. Allerdings ist ihre Empfindlichkeit, metallische Objekte zu erkennen, auf einige zehntel Millimeter Gr├Â├če begrenzt, was f├╝r viele Fragmente und Pulver nicht ausreicht.

Eine Standardmethode zum Auffinden metallischer Verunreinigungen in einer Produktionslinie besteht darin, diese mit einem starken Magneten zu magnetisieren. Anschlie├čend werden die Metall-Partikel von Magentsensoren detektiert. Metallpartikeldetektoren mit typischen Magnetsensoren sind zwar erh├Ąltlich, aber ihre Empfindlichkeit reicht nicht aus, um Metallpulver zu finden.

Supraleitende Quanteninterferenzsensoren (SQUID) bieten eine sehr hohe Empfindlichkeit. Um jedoch den supraleitenden Zustand innerhalb des Sensors aufrechtzuerhalten, m├╝ssen sie mit fl├╝ssigem Helium gek├╝hlt werden. Dies macht die Ausr├╝stung gro├č und f├╝r die Produktionslinie ungeeignet.

Der Migne-xMR-Sensor ist so klein, dass er auf einer Fingerspitze Platz findet.
Der Migne-xMR-Sensor ist so klein, dass er auf einer Fingerspitze Platz findet. (Bild: TDK)

Magnetsensor

Um diesen Bedarf zu decken, hat TDK den Magnetsensor Migne-xMR entwickelt. Dieser Magnetsensor kann Partikel erkennen, die kleiner als 0,1 mm sind. Er basiert auf der vorherigen Generation des Magnetsensors Nivio. Mit einer Gr├Â├če von 8 mm x 8 mm x 5 mm ist er klein und d├╝nn genug, um auf einer Fingerspitze Platz zu finden. Im Vergleich zum Vorg├Ąnger-modell weist er ein besseres Signal-Rausch-Verh├Ąltnis (SNR) in mikromagnetischen Feldern auf.

Die Metallteilchen werden magnetisiert, sodass sich ihr magnetisches Moment ausrichtet. Beim Scannen mit dem Magnetsensor zeigen die roten Bereiche die absto├čende Richtung der Magnetfeldlinien des Partikels an, w├Ąhrend die blauen Bereiche die anziehende Richtung anzeigen. Damit wird das Teilchen detektierbar.

Bei der Erkennung sehr schwacher Magnetfelder ist das Signal-Rausch-Verh├Ąltnis (signal to noise ratio, SNR) des Sensors wichtig, insbesondere bei der Suche nach Edelstahlpartikeln, die schwieriger zu er-kennen sind als Eisen. Je h├Âher das SNR des Sensors, desto weniger wird das Signal durch magnetisches Rauschen verdeckt. Bild 4 zeigt eine magnetisierte Edelstahlpulver-Partikelprobe (40 ┬Ám x 16,6 ┬Ám) und ein Bild, das die Magnetfeldst├Ąrke mit dem Sensor zeigt.

Der Magnetsensor kann die magnetische Feldst├Ąrke eines Edelstahl-Partikels erkennen.
Der Magnetsensor kann die magnetische Feldst├Ąrke eines Edelstahl-Partikels erkennen. (Bild: TDK)

Durch die Anordnung der Sensoren in einem Array lassen sich Fremdk├Ârper in einem gr├Â├čeren Bereich erkennen. Ist eine sehr genaue Inspektion von Fremdk├Ârpern erforderlich, z. B. in der pharmazeutischen und chemischen Industrie, kann die Technik in Verbindung mit R├Ântgenpr├╝fger├Ąten eingesetzt werden und die Gr├Â├čenbeschr├Ąnkung beim Erkennen winziger Eisen- und Edelstahlfragmente aufheben. Diese Methode kann auch das Risiko einer Verunreinigung durch sehr kleine Metallpartikel in Elektrodenmaterialien, Separatoren f├╝r Li-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen und vielen anderen Produkten verringern. Damit erh├Âht sich die Sicherheit, Zuverl├Ąssigkeit und Lebensdauer der Produkte.

Andere Anwendungen

Der Sensor eignet sich auch f├╝r andere Anwendungen, die das Erkennen mikromagnetischer Felder erfordert. Dazu z├Ąhlt beispielsweise die zerst├Ârungsfreie Pr├╝fung, um die Produktintegrit├Ąt und -zu-verl├Ąssigkeit zu gew├Ąhrleisten, sowie die Magnetpartikel-Bildgebung im medizinischen Bereich. (bs)

Masafumi Kami

Manager Advanced Products, Development bei TDK

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