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Bild 2: Das Messsystem integriert in die Reinigungsanlage mit entsprechender grafischer Messwertausgabe. (Bild: Zestron)

KSR International agiert seit über 70 Jahren als Zulieferer der Automobilindustrie und ist mittlerweile weltweit führend in den Bereichen Design, Engineering und Produktion von Automotivprodukten wie Sensoren, elektronischen Drosselsteuerungen und Pedalen. Im Jahr 2014 wurde ein führender Automotivezulieferer in die KSR-Firmengruppen eingegliedert, womit nun auch Steuerungen für EHPS und EPS-Steuereinheiten, MOSFET-Powermodule und Module für Klimaanlagensysteme, Motorkühlsysteme und Lichtmaschinen im Produktportfolio sind. Am Standort in Swansea werden hauptsächlich Automotive- und Systemkomponenten produziert.

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Bild 1: Fertigungsschritte von Powermodulen. Zestron

Die Produkte von KSR unterliegen höchsten Qualitätsansprüchen, denn ein Ausfall von Bestandteilen eines Kraftfahrzeugs kann schwerwiegende Folgen haben. Somit muss während des gesamten Fertigungsprozesses der einzelnen Produktkomponenten die erforderliche Endqualität sichergestellt werden. Hierzu zählt auch die Reinheit der produzierten Powermodule, welche einen wesentlichen Bestandteil des fertigen Produkts darstellen. Um Ausfälle von Powermodulen im späteren Feldeinsatz zu verhindern, muss das Risiko einer auftretenden Elektrochemischen Migration oder Korrosion verringert werden, welche wiederum durch Verunreinigungen auf den Powermodulen bedingt sein könnte. Zusätzlich muss schon während des Fertigungsprozesses (Bild 1) die Voraussetzung für Bond- oder Moldingschritte geschaffen werden. Hierzu trägt ein Reinigungsschritt zum Entfernen von Produktionsrückständen wie Flussmittelresten entscheidend bei. Um diese Verunreinigung zu beseitigen und damit den Qualitätsansprüchen gerecht zu werden, werden die Powermodule nach dem Lötprozess in einer Inline Spray-in-Air-Anlage mit einem wassserbasierten Vigon-Reiniger von Zestron gereinigt.

Grundsätzliche Einflussfaktoren auf die Reinigung

Power-Module

Ein wesentlicher Baustein von Elektrofahrzeugen aller Art sind Power-Module als Herzstück des Elektroantriebs.Sie stellen einen physischen Verbund von Leistungs-Halbleitern und deren Verbindungen dar und müssen robust gegen äußere Einflüsse wie auch hohe Energiedichten konzipiert sein.

Die Reinigung von Powermodulen wird durch zahlreiche Faktoren beeinflusst. Diese sind neben den abgereinigten Substanzen wie Flussmittel, Stäube und Handhabungsspuren auf den Powermodulen auch prozessabhängige Einflüsse wie die Reinigungsanlage an sich, Art und Konzentration des Reinigers, Durchlaufzeiten sowie Temperaturen etc. Deshalb ist eine stetige Überwachung des Reinigungsprozesses für kontinuierlich gute Ergebnisse unabdingbar. Ein wichtiger Bestandteil dieser Prozessüberwachung stellt die Reinigerbadüberwachung dar. Hierdurch können zum Beispiel eventuelle Abweichungen der Konzentration, die eine mögliche Ursache nicht gleichbleibender Reinigungsergebnisse ist, sofort erkannt werden. Entsprechend zeitnah besteht dann die Möglichkeit entgegenzusteuern, indem entweder Reinigerkonzentrat nachdosiert oder mit VE-Wasser verdünnt wird. Ansonsten kann es zu schwankenden und folglich schlechten Reinigungsergebnissen kommen, was sich wiederum negativ auf die Qualität der Powermodule und demzufolge auch der Endprodukte auswirkt. Außerdem sind keine reproduzierbaren Reinigungsleistungen erreichbar.

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Bild 6: Produktportfolio des Automobilzulieferer. www.ksrint.com

Überblick über aktuelle Badzustände behalten

Im Allgemeinen existieren unterschiedliche Überwachungsmethoden, die dazu dienen, einen Überblick des aktuellen Badzustandes zu erhalten. Solche sind beispielsweise die Leitwert-, pH-Wert- oder Brechungsindexmessung, welche Rückschlüsse auf die Badbeladung, also die Menge an bereits vorhandener Verschmutzung im Reinigungsbad, zulassen. Eine wichtige Voraussetzung, dass diese Parameter sinnvoll gedeutet werden können, ist allerdings, dass die Reiniger-Konzentration konstant gehalten werden muss, da diese alle vorher genannten Parameter ebenfalls beeinflusst. Eine stabile Konzentration des Reinigers ist somit nicht nur Grundvoraussetzung für stabile Reinigungsergebnisse, sondern auch eine Voraussetzung für die Aussagekraft weiterführender Analysen und muss dementsprechend regelmäßig und idealerweise kontinuierlich überwacht werden. Außerdem führt eine zu niedrige Konzentration in der Regel zu verschlechterten Reinigungsergebnissen, wohingegen eine zu hohe Konzentration gegebenenfalls Materialverträglichkeitsprobleme mit Reinigungsanlagen oder zu reinigenden Teilen verursacht.

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Bild 2: Das Messsystem integriert in die Reinigungsanlage mit entsprechender grafischer Messwertausgabe. Zestron

Für die Reiniger-Konzentrationsmessung existieren manuell einsetzbare chemische Schnelltests, basierend auf der Säure-Base-Titration sowie die Brechungsindexmessung, welche auch von KSR in der Vergangenheit angewendet wurden. Beide Verfahren sind allerdings auch nur bedingt für beladene Reinigungsbäder aussagekräftig, da sie vom Verschmutzungsgrad des Reinigungsbades beeinflusst werden. Vor einigen Jahren entwickelte Zestron daher ein Test-Kit, welches auf einem völlig anderen Messprinzip, dem Phasentrennungsverfahren, beruht und selbst bei beladenem Reinigerbad eine zuverlässige und korrekte Konzentrationsmessung liefert. Auch KSR wendete dieses viele Jahre erfolgreich an. Allerdings ermöglicht auch dieses Verfahren weder eine kontinuierliche Messung noch eine lückenlose Dokumentation. Darüber hinaus bedarf es eine korrekte Anwendung.

Echtzeitmessung der Reinigerkonzentration

Neben den oben genannten kostengünstigen, manuellen Konzentrationsüberwachungsmethoden gibt es innovative automatische, digitale Verfahren. Nur mit derartigen Methoden kann eine kontinuierliche Echtzeit-Überwachung sichergestellt werden. Ein solches Messmodul brachte Zestron vor Jahren mit dem Zestron Eye auf den Markt, welches mittlerweile bei namhaften EMS-Dienstleistern weltweit erfolgreich im Einsatz ist.

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Bild 3: Das Messsystem besteht aus einem Sensor für die Konzentrations- und Temperaturmessung des Reinigers und einem Controller, der die Messdaten an den Anwender wiedergibt. Zestron

Nach einer umfangreichen Testphase in der eigenen Produktion fiel auch die Entscheidung bei KSR auf dieses Messsystem. Es besteht aus einem Sensor für die Konzentrations- und Temperaturmessung des Reinigers und einem Controller, der die Messdaten an den Anwender wiedergibt. Geraten die Parameter außerhalb des definierten Prozessfensters, kann so unmittelbar eingegriffen werden. Die Messung basiert auf einem speziellen akustischen Messprinzip, bei dem drei Parameter gleichzeitig gemessen werden. Daher wird eine höhere Messgenauigkeit und -stabilität, im Vergleich zu herkömmlichen Ultraschall- oder optischen Messverfahren erzielt. Durch die Ethernet-Schnittstelle des Geräts konnte bei KSR eine Verbindung mit dem Firmennetzwerk hergestellt werden, was einen Fernzugriff auf die Daten ermöglicht. Die Messdaten werden außerdem lückenlos dokumentiert und können bis zu zwei Jahre gespeichert werden, womit eine Rückverfolgbarkeit sichergestellt ist.

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Bild 4: Durchführung der Konzentrationsmessung mit einem Test-Kit, basierend auf dem Phasentrennungsverfahren. Zestron

Aufgrund der Vorteile wie der zuverlässigen Echtzeit-Messung, der sofortigen Eingriffsmöglichkeit sowie der Einsparung von Arbeitszeit durch manuelle Probenentnahme und folglich auch Kostenersparnis, ist KSR mit dem optimierten Prozess sehr zufrieden. Überschlägt man die anfallenden Kosten für die manuelle Konzentrationsmessung, bedingt durch Arbeitsaufwand und Analysenmaterial, und stellt diese den Anschaffungskosten des Messsystems gegenüber, so hat sich die Investition bereits nach weniger als zwei Jahren amortisiert. Darüber hinaus ist der Prozess nun transparenter und kann exakter analysiert werden als es unter Verwendung der manuellen Messmethoden der Fall war und sorgt durch ständige Aufzeichnung der Messwerte zu jeder Zeit für die notwendige Traceabillity. Des Weiteren bietet die einfache Integration des Sensors nun die Möglichkeit, die Konzentration direkt vor den Sprühstöcken zu erfassen, wodurch auftretende Fehler durch Entmischungseffekte des Reinigers weitestgehend ausgeschlossen werden können. Da Konzentrationsschwankungen jetzt in Echtzeit detektiert werden, kann schneller reagiert werden, wodurch Unstabilitäten des Prozesses, resultierender Arbeitsaufwand und Prozessausfälle deutlich geringer ausfallen. Aufgrund der oben genannten zahlreichen Vorteile wurde im Rahmen einer Produktionserweiterung mittlerweile ein zweites Messmodul installiert.

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Bild 5: Konzept einer Inline-Reinigungsanlage. Zestron

Ausblick

Eine weitere Möglichkeit der Optimierung des Reinigungsprozesses wäre der Einbau einer automatischen Dosiereinheit von Reiniger und VE-Wasser, welche die Reinigerkonzentration stets konstant hält, ohne manuellen Eingriff. Hierbei liefert das Messmodul durch Verbindung mit der SPS der Reinigungsanlage die nötigen Parameter/Eingriffsgrenzen, um entsprechend Ventile und Dosierpumpen anzusteuern. Eine solche Variante würde den manuellen Aufwand in der Produktion bei KSR weiter verringern, da hierbei nicht nur die manuelle Konzentrationsmessung, sondern auch die manuelle Nachdosierung entfallen würde (Bild 7).

Die Erwartungen von KSR an ein Echtzeit-Messsystem zur Konzentrationsüberwachung wurden vollständig erfüllt. Die Vielzahl von Vorteilen, die sich nicht nur in reduzierten Kosten sondern auch in erhöhter Traceability zeigen, helfen dem Automobilzulieferer, die hohen internen Qualitätsstandards als auch die Kundenanforderungen zu erfüllen. Die Messeinheit wurde in zwei Inline-Reinigungsanlagen integriert und leistet nun seit mehr als zwei Jahren einen stetigen Beitrag zur Gewährleistung von tadellosen Reinigungsergebnissen, welche für nachfolgende Fertigungsschritte unabdingbar sind.

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Bild 7: Skizze der vollautomatischen Dosiereinheit mit integriertem Messsystem. Zestron

Simon Strawbridge

ist bei KSR Electronic Systems tätig

Ian Price

KSR Electronic Systems

(hw)

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