Automatisiertes Fahren braucht hohe Sauberkeit

Oberflächen 09. 10. 2021
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Systeme für assistiertes und (teil-)automatisiertes Fahren haben in den vergangenen Jahren eine rasante Entwicklung erfahren, die sich immer weiter beschleunigt. Ein wesentlicher Baustein dabei sind Kamerasysteme, deren sichere und zuverlässige Funktion entscheidend von der Sauberkeit der Komponenten abhängt. Die skalierbare CO2-Schneestrahltechnologie quattroClean hat sich bei der Reinigung der sensiblen Bildsensoren und Systemgehäuse als effiziente und prozesssichere Lösung etabliert. Weitere Vorteile des trockenen Reinigungsverfahrens sind die einfache Automatisierbarkeit und Fertigungsintegration sowie Reinraumausführung.

Durch die Reinigung darf weder der aktive Sensor noch die Kontaktierung sowie Ansteuerungs- und Auswerteplatine beschädigt ­werden (Bild: acp)

 

Ob Baustellen- und Spurhalteassistent, blendfreies Fernlicht, Bremsassistent, Nachsicht­assistent oder Verkehrszeichenerkennung – dies sind nur einige der zahlreichen Fahrer­assistenzsysteme, die heute in Fahrzeugen für mehr Sicherheit und Komfort sorgen. Dabei erkennen moderne und immer leistungsfähigere Sensoren sowie zunehmend intelligente Kamerasysteme die jeweilige Situation. Die ermittelten Daten werden von einem Steuergerät verarbeitet und in Sekundenbruchteilen in optische/akustische Signale für den Fahrer beziehungsweise in aktive Reaktionen wie Brems- und Lenkeingriffe umgesetzt. Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen verbunden mit Technologien wie Cloud Computing und Bilderkennung optimieren die Assistenzsysteme für teil- und vollautomatisiertes Fahren weiter. Entscheidend dabei ist, dass die Systeme absolut sicher und zuverlässig arbeiten. Dies wiederum hängt maßgeblich von der Sauberkeit der einzelnen Komponenten ab. Eine nasschemische Reinigung scheidet bei diesen Bauteilen aus nachvollziehbaren Gründen aus. Aber auch mit dem traditionellen Abblasen mittels Druckluft können anhaftende Partikel und filmische Kontaminationen nur unzureichend beziehungsweise nicht entfernt werden. Heutige Sauberkeitsanforderungen lassen sich damit nicht zuverlässig und reproduzierbar erfüllen.

Partikel im Submikronbereich und ­filmische Kontaminationen entfernen

Mit der skalierbaren quattroClean-Schneestrahltechnologie bietet die acp systems AG eine trockene Lösung, die sich unter anderem für die schonende und rückstandsfreie Reinigung von Bildsensoren, beispielsweise CCD- oder CMOS-Sensoren, sowie deren oft flexible Ansteuerungs- und Verarbeitungsplatinen bereits seit mehreren Jahren im Serieneinsatz bewährt hat. Zu entfernen sind Rückstände aus der Herstellung, wie beispielsweise Flussmittel- beziehungsweise Kleberreste, Partikel, Fasern, Staub und Abrieb. Lagen die Sauberkeitsspezifikationen dabei vor einiger Zeit noch bei der Vorgabe kein Partikel größer fünf Mikrometer, sind heute Vorgaben im zwei- bis dreistelligen Nanometerbereich zu erfüllen. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass weder der aktive Sensor noch die Kontaktierung und bestückte Leiterplatte durch die Reinigung beschädigt wird.

Auf dem Bildsensor sowie der Platine befindliche Partikel und filmische Kontaminationen lassen sich mit der quattroClean-Schneestrahltechnologie zuverlässig und reproduzierbar entfernen (Bild: acp)

 

Durch die enorm gestiegenen Sauberkeitsanforderungen kommt das trockene Verfahren zunehmend auch für die Reinigung der Kamerasystemgehäuse zum Einsatz. Unabhängig davon, ob die Teile aus Metall oder im Kunststoffspritzguss gefertigt werden, sind sie im späteren Betrieb Vibrationen und Temperaturschwankungen ausgesetzt. Dies kann dazu führen, dass nicht entfernte Partikel sowie ausdiffundierende Reste von Bearbeitungsmedien (bei Metallen) beziehungsweise Trennmitteln (bei Kunststoffen) die Funktion des Sensors beeinträchtigen.

Trocken, schonend, ­rückstandsfrei und klimaneutral reinigen

Die bereits in über 1500 realisierten Reinigungssystemen eingesetzte Technologie nutzt flüssiges, unbegrenzt haltbares, nicht korrosives und nicht brennbares Kohlenstoffdi­oxid (CO2) als Reinigungsmedium. Es entsteht als Nebenprodukt bei chemischen Prozessen oder der Energiegewinnung aus Biomasse und gilt daher als klimaneutral.

Wesentliche Komponente des Reinigungssystems ist eine verschleißfreie Zweistoff-Ringdüse. Durch diese werden die entsprechend für die hohen Anforderungen an die Produktsauberkeit aufbereiteten Medien geleitet. Das Kohlenstoffdioxid entspannt beim Austritt aus der Düse zu feinem Schnee, der von einem separaten, ringförmigen Druckluft-Mantelstrahl gebündelt und auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird.

Trifft der -78,5 °C kalte und gut fokussierbare Schnee-Druckluft-Strahl auf die Oberfläche kommt es zu einer Kombination aus thermischem, mechanischem, Sublimations- und Lösemitteleffekt. Das Zusammenspiel dieser vier Wirkmechanismen entfernt teilchenförmige und filmische Verunreinigungen wie Partikel, Abrieb, Staub, Fluss- und Trennmittel sowie Bearbeitungsmedien prozesssicher und reproduzierbar. Die Reinigung erfolgt materialschonend, so dass auch empfind­liche, filigrane und fein strukturierte Oberflächen behandelt werden können.

Die Prozessentwicklung und -validierung erfolgen kundenspezifisch durch Versuche im Technikum des Anlagenbauers. Dies beinhaltet die Auslegung der Prozessparameter wie Volumenströme für Druckluft und Kohlenstoffdioxid, Art und Anzahl der strahlenden Düsen, Strahlbereich und -zeit sowie Bewegungsablauf während der Reinigung.

Die skalierbare quattroClean-Schneestrahltechnologie ermöglicht die trockene, schonende und rückstandsfreie Reinigung von Bildsensoren mit höchsten Anforderungen an die partikuläre und filmische Sauberkeit (Bild: acp)

 

Durch das modulare Konzept lassen sich unterschiedliche Schritte wie Vereinzeln, Ausrichten und Reinigen der Bauteile sowie eine Prüfung der elektronischen Funktion in die Anlage integrieren (Bild: acp)

 

Vollautomatisiert, ­integriert und reinraumgerecht

Um sowohl die hohen Sauberkeitsanforderungen als auch die bei der Fertigung der Systeme üblichen, kurzen Taktzeitvorgaben zu erfüllen, konzipiert acp systems auf die Applikation und die Produktionsbedingungen des Herstellers zugeschnittene, vollautomatisierte Reinigungssysteme aus standardisierten Modulen. Sie können je nach Situation und Kundenvorgaben Schritte wie das Vereinzeln, Ausrichten und Reinigen der Bauteile sowie eine Prüfung der elektronischen Funktion beinhalten. Für das Werkstückhandling in der Reinigungsstation sowie von vor- und nachgelagerten Prozessen wie der Montage kommen üblicherweise Roboter zum Einsatz – andere Handhabungslösungen sind auf Wunsch umsetzbar. Die kompakten Reinigungssysteme lassen sich problemlos in Fertigungslinien beziehungsweise in eine verkettete/digitalisierte Produktion integrieren. Dabei können auch Modulsysteme für die parallele Reinigung von Sensoren und Gehäuseteilen realisiert werden.

Bei Anlagen, die als reine Umgebung bezie­hungsweise in Reinräumen betrieben werden, erfolgt die Integration einer entsprechenden Aufbereitung für das flüssige Kohlenstoff­dioxid und die Druckluft. Die Luftzufuhr, die Absaugung und Ausstattung, zum Beispiel Komponenten für die Automatisierung und deren Platzierung, werden jeweils auf die entsprechende Reinraumklasse abgestimmt. Ein weiterer Aspekt sind optimale Strömungsverhältnisse, die den schnellen und zuverlässigen Abtransport von entfernten Verunreinigungen sicherstellen.

Durch die prozesssichere Reinigung (auch bei sehr strengen Sauberkeitsspezifikationen), die einfache Automatisier-/Integrierbarkeit und hohe Flexibilität kann die quattroClean-Schneestrahlreinigung einen wichtigen Beitrag dazu leisten, Fahrerassistenzsysteme zuverlässiger und sicherer zu machen.
D. Schulz

Kontakt:

acp systems AG, Karl-Heinz Menauer, D-71254 Ditzingen

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