In Produktionsstätten müssen 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 Möglichkeiten,
doch nicht alle sind hier gut geeignet. Woran liegt das, und welche Methode kann auch in der Produktion zum Einsatz kommen?
Strenge Qualitätskontrollen sind in jeder Produktionsstätte unerlässlich. Insbesondere die Pharma-, Kosmetik-, Lebensmittel- und Getränkeindustrien achten genau auf das Eindringen von Verunreinigungen – selbst von solchen, die zu klein sind, um für das menschliche Auge sichtbar zu sein. So kann eine winzige Verunreinigung im Lithium-Ionen-Akku eines Smartphones zu Kapazitätsverlusten, Hitzeentwicklung oder sogar zu einem Brand führen.
Risikomanagement bei Verunreinigungen
Eine erfolgreiche Strategie für das Risikomanagement bei Verunreinigungen durch Fremdkörper basiert auf drei Grundsätzen: Prävention, Erkennung und Untersuchung. Von diesen drei Punkten ist die Prävention die wichtigste. Entscheidend ist, dass die Lieferanten Maßnahmen ergreifen, um das Risiko von Fremdkörpern auszuschließen. Zu berücksichtigen 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 Abblättern unweigerlich feine Partikel entstehen.
Nachweis von Metall-Partikeln
Es gibt verschiedene Methoden, um Kontaminationen durch Fremdkörper nachzuweisen. Sie werden nach ihren zugrunde liegenden Prinzipien kategorisiert. Mit verbesserter Bildverarbeitung und künstlicher Intelligenz (KI) wird die Inspektion mit Kameras und Bildsensoren immer ausgefeilter. Hier werden aber nur Partikel erkannt, die sich auf der Oberfläche befinden. Objekte im Inneren eines Produkts finden Inspekteure mit Ultraschallprüfung, wobei die Auflösungen 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 Metalloberfläche reflektiert wird. Dabei dreht sich die Polaristionsebene des Lichts um einen bestimmten Winkel. Aber MOKE-Prüfsonden können nur die Oberfläche des Produkts untersuchen. Sie haben auch ein enges Sichtfeld, sodass Fremdmaterial möglicherweise nicht erkannt wird, wenn Oberflächenunregelmäßigkeiten vorhanden sind.
Rasterkraft- und Magnetkraft-Mikroskope ermöglichen eine hohe räumliche Auflösung in der Größenordnung von wenigen Nanometern. Der Scanbereich ist jedoch sehr begrenzt und es können nur flache Proben untersucht werden, so dass sich diese Methoden nicht für die Inspektion in der Produktionslinie, sondern für Forschungszwecke eignen.
Röntgentechnik wird aktuell häufig eingesetzt, um kleine Fremdkörper zu finden. Das Produkt wird in der Produktionslinie Röntgenstrahlen ausgesetzt und ein Zeilensensor erkennt anhand der Röntgendurchlässigkeit Anomalien auf der Oberfläche und im Inneren des Produkts. Der Vorteil von Röntgenprüfgeräten ist, dass sie metallische und nichtmetallische Materialien wie Glas, Gummi und Kunststoffe leicht erkennen können. Allerdings ist ihre Empfindlichkeit, metallische Objekte zu erkennen, auf einige zehntel Millimeter Größe begrenzt, was für viele Fragmente und Pulver nicht ausreicht.
Eine Standardmethode zum Auffinden metallischer Verunreinigungen in einer Produktionslinie besteht darin, diese mit einem starken Magneten zu magnetisieren. Anschließend werden die Metall-Partikel von Magentsensoren detektiert. Metallpartikeldetektoren mit typischen Magnetsensoren sind zwar erhältlich, 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, müssen sie mit flüssigem Helium gekühlt werden. Dies macht die Ausrüstung groß und für die Produktionslinie ungeeignet.
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 Größe von 8 mm x 8 mm x 5 mm ist er klein und dünn genug, um auf einer Fingerspitze Platz zu finden. Im Vergleich zum Vorgänger-modell weist er ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (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 abstoßende Richtung der Magnetfeldlinien des Partikels an, während die blauen Bereiche die anziehende Richtung anzeigen. Damit wird das Teilchen detektierbar.
Bei der Erkennung sehr schwacher Magnetfelder ist das Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio, SNR) des Sensors wichtig, insbesondere bei der Suche nach Edelstahlpartikeln, die schwieriger zu er-kennen sind als Eisen. Je höher das SNR des Sensors, desto weniger wird das Signal durch magnetisches Rauschen verdeckt. Bild 4 zeigt eine magnetisierte Edelstahlpulver-Partikelprobe (40 µm x 16,6 µm) und ein Bild, das die Magnetfeldstärke mit dem Sensor zeigt.
Durch die Anordnung der Sensoren in einem Array lassen sich Fremdkörper in einem größeren Bereich erkennen. Ist eine sehr genaue Inspektion von Fremdkörpern erforderlich, z. B. in der pharmazeutischen und chemischen Industrie, kann die Technik in Verbindung mit Röntgenprüfgeräten eingesetzt werden und die Größenbeschränkung beim Erkennen winziger Eisen- und Edelstahlfragmente aufheben. Diese Methode kann auch das Risiko einer Verunreinigung durch sehr kleine Metallpartikel in Elektrodenmaterialien, Separatoren für Li-Ionen-Batterien, Brennstoffzellen und vielen anderen Produkten verringern. Damit erhöht sich die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Produkte.
Andere Anwendungen
Der Sensor eignet sich auch für andere Anwendungen, die das Erkennen mikromagnetischer Felder erfordert. Dazu zählt beispielsweise die zerstörungsfreie Prüfung, um die Produktintegrität und -zu-verlässigkeit zu gewährleisten, sowie die Magnetpartikel-Bildgebung im medizinischen Bereich. (bs)
