Helium-Dichtheitsprüfung ür Behälter im Fahrzeugbau

Schneller zu mehr Sicherheit

Helium-Dichtheitsprüfung ür Behälter im Fahrzeugbau
Die Vielzahl von im Auto verbauten Behältern muss unterschiedliche Dichtheitsanforderungen erfüllen. Prüfmethoden wie Blasentest unter Wasser, Druckabfallmethode oder Vakuumdichtheitsprüfung sind bei Low-Cost-Kunststoffkomponenten kaum wirtschaftlich zur realisieren. Die automatisierte Helium-Dichtheitsprüfung mit Quarz-Membran-Sensor soll eine sichere und kostengünstige Alternative sein.

Groß ist die Zahl von Behältern in jedem Fahrzeug: Schmierstoffe, Kühl- und Wischwasser, Bremsflüssigkeit und Hydrauliköl müssen platzsparend, auslaufsicher und zunehmend nahezu gasdicht untergebracht werden. Weitere Behälter an Kraftstoffleitungen und -filtern, Gehäuse für Filter, Pumpen und Batterien unterliegen ähnlichen Anforderungen. Aufgrund von Gewichtsreduktionen, technisch bedingt komplexeren Geometrien und engen Bauräumen werden immer mehr dieser Komponenten aus Kunststoffen gefertigt.

War es früher für den Fahrer normal, ab und an Flüssigkeitsstände zu kontrollieren und bei Bedarf zu korrigieren, ist dieser Aufwand heute grundsätzlich unerwünscht und nur noch die Ausnahme. Aktuell testet man nach Angaben des Prüfsystem-Herstellers Inficon darum beispielsweise Ladeluftkühler gegen Grenzleckraten von 102 mbar l/s, Servoöl-Behälter, Tankeinfüllstutzen, Tankdeckel und Leitungen sogar bereits gegen 10-4 mbar l/s. Diese strengen Grenzleckraten resultieren zumeist aus der Forderung, auch Verdunstungsdämpfe fast vollständig zurückzuhalten. Neben den Qualitätsforderungen treiben auch strengere Emissionsvorschriften die Industrienormen nach oben. Einerseits müssen Dichtheitsprüfverfahren also immer genauer werden, andererseits stehen sie gerade bei Low-Cost-Produkten unter einem enormen Rentabilitätsdruck.

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Traditionelle Methoden für moderne Komponenten

Lange Zeit wurden solche Behälter meist entweder im Wasserbad oder mit der Druckabfallmethode auf Dichtheit geprüft. Beide Methoden verursachen niedrige Investitionskosten, sie sind aber in der Praxis nur bis zu einer Nachweisgrenze von 10-2 mbar l/s einsetzbar. Zudem kann die Blasenprüfung in Wasser kleinere Lecks nicht ermitteln, da sich ab einer bestimmten Größenordnung wegen der hohen Oberflächenspannung von Wasser keine Blasen bilden. Außerdem hängen die Prüfergebnisse bei dieser rein optischen Prüfung vollkommen von der Fähigkeit und Aufmerksamkeit des Prüfers ab. Zudem müssen die nassen Prüfteile für weitere Fertigungs- und Montageprozesse erst energie- und zeitaufwendig getrocknet werden. Sind bereits elektronische oder korrosionsgefährdete Bauteile integriert, ist die Prüfung ohnehin problematisch bis unmöglich.

Bei der Druckabfallmethode (oder Differenzdruck-Prüfung) wird das Prüfteil mit Luft unter einem bestimmten Druck beaufschlagt. Bei einem Leck fällt der Druck ab, die Differenz lässt sich messen. Diese Prüfung ist ein indirektes Verfahren, sie liefert lediglich ein Indiz. Der Druck ändert sich nämlich auch in Abhängigkeit vom Volumen des Prüflings und seiner Temperatur erheblich. Auch eine unterschiedliche Elastizität der Prüflinge – etwa durch unterschiedliche Wanddicken aufgrund von Fertigungstoleranzen – verursacht eine Streuung der Prüfergebnisse. Die wichtige Reproduzierbarkeit der Messungen lässt sich daher nur schwer gewährleisten, und sie verschlechtert sich bei kleineren Leckraten oder steigenden Volumina. Die Druckabfallmethode ist für viele industrielle Anforderungen nicht mehr genau genug.

Kostenanstieg im Vakuum

Am anderen Ende der Skala stehen Prüfverfahren, die Leckagen mit Helium als Prüfgas und mit einem Massenspektrometer nachweisen. Zwar können damit sehr geringe Mengen Helium und somit sehr kleine Leckraten bis 10-11 mbar l/s), die Detektion des ausströmenden Heliumgases mit einem Massenspektrometer erfordert allerdings ein Hochvakuum. An dieser Stelle wird es kostspielig, denn hochdichte Vakuumkammern und leistungsfähige Pumpen, die dieses Vakuum erzeugen, verursachen hohe Investitionen und Betriebskosten. Der Einsatz ist sinnvoll, wenn schnell kleinste Leckraten nachgewiesen werden sollen. Die Prüfung dauert nur wenige Sekunden und die Anlagen auch bei stetig steigender Heliumkonzentration (Untergrund) über mehrere Prüfzyklen hinweg noch korrekte Nachweise liefern. Für das geschilderte Problem sind sie allerdings keine optimale Lösung, da zum einen der Nachweis um den Faktor Tausend zu empfindlich ist und zum anderen Kunststoffbehälter im Vakuum kollabieren oder gespalten werden können. Schon kleine Unterscheide von 100 mbar zwischen dem Innendruck des Behälters und dem Druck in der Prüfkammer genügen, um den Behälter zu verformen. Die einzige Möglichkeit wäre die Evakuierung des Prüfteils gleichzeitig mit der Prüfkammer, wofür jedoch zusätzliche Vakuumtechnik nötig ist. Damit stünden die Anschaffungs- und Betriebskosten bei diesem Prüfverfahren aber in keinem Verhältnis mehr zum Nutzen.

Lücke in der Lecksuche

Die Prüfung mit Luft ist also in mehrerlei Hinsicht ausgereizt, eine Prüfung im Vakuum zu teuer. Im Bereich 10-2 bis 10 -5 mbar l/s besteht darum bisher eine Lücke, was leistungsfähige, automatisierte Prüfmethoden angeht. Eine wirtschaftliche Lösung für diese Bedarfslücke kann die Dichtheitsprüfung mit Helium oder Wasserstoff in der Akkumulationskammer unter Normaldruck (Akkumulationsmethode) sein. Wasserstoff kann genauso eingesetzt werden wie Helium, ist kostengünstiger, erlaubt allerdings nicht die gleichen Prüftoleranzen.

Da unter Normaldruck aber kein Massenspektrometer eingesetzt werden kann, ist für diese Methode ein besonders sensibler Sensor Voraussetzung. Solche Sensoren basieren auf dem patentierten Wise Technology-Prinzip und werden laut Anbieter nur in Systemen von Inficon verwendet. Der Wise Technology-Sensor könne auch bei Atmosphärendruck eine ansteigende Heliumkonzentration in der Prüfkammer messen. In der Kammer wird das Prüfteil mit Helium beaufschlagt, sodass das Prüfgas durch etwaige Lecks in die Akkumulationskammer austritt. Ventilatoren sorgen für eine gleichmäßige Verteilung des Heliums in der Kammer – so seien unabhängig von der Position des Lecks präzise Messwerte gewährleistet. Der Sensor ermittelt den Prüfgasgehalt in dieser Atmosphäre.

Er besteht aus einer evakuierten Glasröhre, an deren Oberseite sich eine für Helium permeable Quarz-Membran befindet. Diese Membran ist wie ein Schwamm von Kapillaren durchzogen, durch die ausschließlich Helium auf molekularer Ebene eindringen kann. Durch eine Veränderung der Heliumkonzentration in der Glasröhre fließt ein Strom im angeschlossenen Druckmessgerät. Auf diese Weise sei der Sensor in der Lage, Konzentrationsanstiege von 25 ppb oder 0,0025 ppm sicher aufzulösen. So werden unter Laborbedingungen Lecks in einem Bereich von 10-6 mbar l/s zuverlässig nachgewiesen. Im Produktionsbetrieb lassen sich so zum Beispiel bei einem freien Volumen – freies Volumen meint das Volumen der Kammer abzüglich des Volumens des Prüflings – von fünf Litern in der Prüfkammer Leckraten von 1x10 -4 mbar l/s innerhalb von etwa 30 Sekunden feststellen, bei einem Liter Volumen sind dieselben Leckraten in elf Sekunden nachweisbar. Zusammen mit den Rüstzeiten komme man somit auf etwa 16 Sekunden pro Prüfling, was 225 Prüflinge pro Stunde entspricht. Neben der Geschwindigkeit biete dieses Verfahren den Vorteil, dass auch Prüflinge aus Kunststoff problemlos getestet werden können. Die Ausdehnung bei der Beaufschlagung ist bei diesem Messsystem irrelevant – die Leckrate wird unmittelbar gemessen. Zur Überprüfung des Systems misst man gegen ein Prüfleck, das der geforderten Grenzleckrate entspricht. Über eine Positionierung des Prüflecks an verschiedenen Stellen in der Prüfkammer kann man außerdem testen, ob tatsächlich eine gleichmäßige Heliumkonzentration in der Prüfkammer erreicht wird.

Dichtheitsprüfung ist mehr als der Sensor

Als Systemkomponente einer Dichtheitsprüfanlage ist bei einem solchen Messsystem aber nicht ausschließlich die Empfindlichkeit entscheidend. Für eine unkomplizierte Integration, eine individuelle Einrichtung und den wartungsarmen Betrieb wie sie der Anlagenbau fordert, muss ein Prüfsystem gleichermaßen einfach und kompakt aufgebaut sein, sich optimal mit hydraulischen wie elektronischen Komponenten verbinden lassen und unterschiedliche Prüfmodi für einen flexiblen Einsatz bieten. Hier liegt ein bedeutender Vorteil der Akkumulationsmethode. Da die Normalatmosphäre nicht evakuiert werden muss, lässt sich auf aufwändige Turbomolekularpumpen und hochdichte Vakuumkammern verzichten. Hinzu kommt der Wegfall des empfindlichen Massenspektrometers. Das Messsystem kann damit vergleichsweise einfach aufgebaut sein. Anschaffungs- wie Unterhaltskosten für das Gesamtsystem seien überschaubar.

Tests seien sogar mit einfachen Haushalts-Kunststoffboxen möglich. Selbst bei dieser Variante der integralen Helium-Dichtheitsprüfung seien die Messungen in hohem Maße reproduzierbar, auch bei großen, warmen oder feuchten Prüflingen. Lange Kühl- und Trocknungsphasen vor der Prüfung sind nicht notwendig. Die Helium-Dichtheitsprüfung ohne Vakuum eigne sich damit für Kunststoff-Komponenten im Fahrzeugbau, bei denen eine schnelle automatisierte Prüfung als Teil der Produktionslinie aus wirtschaftlichen Gründen ein entscheidender Faktor ist. Das System aus sensiblem Heliumsensor und Akkumulationskammer schließe die Bedarfslücke. So werde es möglich, den steigenden Qualitätsanforderungen im Fahrzeugbau auf sinnvolle und wirtschaftliche Weise Rechnung zu tragen – und die Wertschöpfung zu sichern.

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