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Dichte Teile ohne Wasserbad

Prüfgastests für Automobilkomponenten

Dichte Teile ohne Wasserbad

Automobilzulieferer müssen immer höhere Ansprüche an die Dichtheit ihrer Komponenten umsetzen. Dabei stoßen Prüfverfahren wie das Wasserbad oder die Druckabfallprüfung an Grenzen. Das ist einer der Gründe, warum immer häufiger Prüfgase zum Einsatz kommen.

Bild: INFICON GmbH [1]

Bild: INFICON GmbH

Ein Grund für die wachsende Bedeutung von Dichtheitsprüfungen im Automobilbau sind die Anforderungen, die sich aus dem Ziel der Emissionsreduzierung ergeben und besonders Kraftstofftanks und -leitungen betreffen. Auch die Wärmetauscher für Abgasrückführungsanlagen zur Stickoxidreduktion müssen in der Fertigung auf ihre Dichtheit getestet werden. Ebenso bringen neue klimaunschädliche, aber leicht entflammbare Kältemittel wie R1234yf höhere Dichtheitsanforderungen mit sich. Und auch bei den Technologien zur Effizienzsteigerung der Verbrennungsmotoren müssen Komponenten dicht sein: Ob es um die Ladeluftkühler für Turbomotoren geht oder um Kraftstoffeinspritzanlagen. Diesel Common Rail-Systeme etwa müssen Drücken bis zu 3.000 bar standhalten. Zudem erstreckt sich die Qualitätssicherung auch auf sicherheitsrelevante Komponenten wie Bremskraftverstärker oder die Gasgeneratoren von Airbags. Der Grund für die nun schon mehrere Jahre andauernden, millionenfachen Airbag-Rückrufaktionen: In pyrotechnische Gasgeneratoren darf während ihres Lebenszyklus keine Luftfeuchtigkeit eindringen. Wenn immer mehr Dichtheitsprüfungen in den Produktionsprozessen von Zulieferern und Automobilherstellern anfallen, gibt es dafür prinzipiell zwei Faktoren: Zum einen verschärfen sich die Dichtheitsanforderungen an etliche Komponenten – etwa beim Kältemittelkreislauf von Klimaanlagen oder bei Treibstofftanks. Zum anderen nehmen die Produktionszahlen einiger Komponenten zu, bei denen Dichtheit ein funktionsrelevanter Aspekt ist. Im gleichen Maß, wie sich verbrauchsgünstige Downsizing-Motoren durchsetzen, die ihren reduzierten Hubraum durch Turboaufladung wettmachen, steigt natürlich die Zahl der Ladeluftkühler, die für diese Turbomotoren verbaut werden.

Beispiel Wärmetauscher

Das Problem bei der Prüfung von Kühlern und Wärmetauschern ist zum einen ihre funktionsbedingte Temperaturempfindlichkeit und zum anderen ihre komplexe Geometrie. Die Ergebnisse bei einer Wasserbadprüfung stehen und fallen ohnehin mit der Aufmerksamkeit des menschlichen Prüfers. Wenn dann noch eine komplexe Rippenstruktur des Prüfteils dafür sorgt, dass Wasserblasen zwar aus einem Leck austreten, aber nicht aufsteigen können, weil sie zwischen den Rippen festsitzen, ist die Wasserbadprüfung wertlos. Auch die Druckabfallprüfung stößt bei Wärmetauschern an ihre Grenzen. Die kleinsten Leckraten, die durch eine Druckabfallprüfung im Idealfall ermittelbar sind, bewegen sich in einer Größenordnung von 10-3 mbar∙l/s. Aber schon kleinste Temperaturänderungen verändern die Druckunterschiede, die gemessen werden können. Denn wenn die Temperatur während der Prüfung ansteigt, bleiben Lecks unerkannt; fällt die Temperatur, ermittelt die Druckabfallprüfung Phantom-Lecks. Ein Beispiel: Wenn in einem Prüfteil mit drei Litern Volumen und 2,5 bar Luftdruck während eines Messintervalls von 20 Sekunden die Temperatur um nur 0,1 Grad steigt, erhöht dies den Innendruck auf 2,50085 bar. Dies bedeutet, dass jede Leckrate um 0,13 mbar∙l/s kleiner erscheint, als sie ist. Die Temperaturdifferenz von 0,1 Grad Celsius verursacht bei der Druckabfallprüfung also einen Messfehler, der hundertmal größer ist als die Grenzleckrate des Verfahrens. Um Wärmetauscher und Kühler heute zuverlässig prüfen zu können, benutzt man darum Prüfgasmethoden. Als Prüfgase dienen meist Helium oder das handelsübliche Formiergas, ein unbrennbares Gemisch aus fünf Prozent Wasserstoff und 95 Prozent Stickstoff. Automobilzulieferer führen bereits heute weltweit jährlich mehr als 800 Millionen Dichtheitsprüfungen an Wärmetauschersystemen durch – von Motoröl- und Abgasrückführungskühlern bis zu Radiatoren. Besonders für kleine und mittelgroße Teile, die lediglich gegen mögliche Öl- oder Wasserlecks getestet werden müssen, empfiehlt sich eine Prüfung in der einfachen und kostengünstigen Akkumulationskammer. Dabei misst man, wie viel Prüfgas aus dem Öl-, Wasser- oder Ladeluftkühler austritt und sich in der Akkumulationskammer über ein bestimmtes Zeitintervall ansammelt. Die Heliumprüfung in der Akkumulationskammer ermittelt Leckraten, mit denen sich Wasser- und Öldichtheit sicherstellen lässt.

Prüfgase helfen Zulieferern und OEM der Automobilindustrie dabei, steigende Ansprüche an Komponenten mit gleichbleibender Qualität umzusetzen. [2]

Bild: INFICON GmbH

Beispiel Klimaanlage

Auch Veränderungen bei den Klimaanlagen der Autos verschärfen die Dichtheitsanforderungen. Denn klimaschädliche fluorierte Treibhausgase wie R134a stehen vor ihrem endgültigen Aus. In der EU darf seit Januar 2017 an kein neu produzierter PKW R134a als Kältemittel in seiner Klimaanlage verwenden. Alternative Lösungen wie das Kältemittel R1234yf sind aber schon bei niedrigen Temperaturen brennbar und können unter Hitzeeinwirkung zu hochätzender Flusssäure reagieren. Weil R1234yf kostspieliger als R134a ist, kalkulieren Hersteller zudem gerne mit einer geringeren Reserve an Kältemittel für ihre Anlage, was ebenfalls die Dichtheitsanforderungen erhöht. Favorisiert wird R1234yf derzeit von Autobauern in Asien und den USA, während unter deutschen Autoherstellern auch Kohlendioxid eine populäre Alternative ist. Kohlendioxid stellt allerdings besondere technische Anforderungen an eine Klimaanlage, weil es mit einem deutlich höheren Betriebsdruck von bis zu 120 bar eingesetzt wird. So oder so steigen Dichtheitsanforderungen an Klimaanlagen und ihre Komponenten. Die alte Faustformel von den fünf Gramm R134a, die pro Jahr und Verbindungsstelle maximal austreten dürfen, ist durch die neuen Kältemedien überholt. Derzeit werden die meisten Komponenten der Klimaanlage – ob Verdampfer, Kondensatoren oder Füllventile – noch gegen Leckraten in einer Größenordnung von 10-4 bis 10-5 mbar∙l/s geprüft. Für Klimaanlagenschläuche etwa benutzt man dazu eine Helium-Prüfung in der Vakuumkammer. Bei der Helium-Prüfung in der hochdichten Vakuumkammer wird gemessen, wie viel Helium durch eine Leckstelle aus dem Prüfteil in das Vakuum der Kammer austritt. Gegenüber der Prüfung in der simplen Akkumulationskammer hat die Prüfung in der aufwendigen Vakuumkammer den Vorteil kürzerer Taktzeiten. Auch die Empfindlichkeit ist höher. Automobilhersteller erwarten zwar, dass der Zulieferer bereits eine Qualitätssicherung übernimmt und auf Dichtheit prüft, dennoch ist nach dem Einbau der Klimaanlage noch eine Dichtheitsprüfung an den vielleicht drei bis sechs Verbindungsstellen der Klimaanlage notwendig, die der Autobauer selbst montiert hat. Den Automobilherstellern ist darum an einer möglichst geringen Zahl solcher Verbindungsstellen gelegen, zumal gerade bei teureren Fahrzeugen mit aufwendigerer Verschalung zum Innenraum hin diese Stellen nur schwer zugänglich sind. Die Dichtheitsprüfung der Verbindungsstellen findet dann meist in der Endmontage mit einem Schnüffellecksuchgerät statt. Früher wurden als Prüfgase Helium oder Formiergas verwendet, heute weisen Schnüffellecksuchgeräte die jeweiligen Kältemittel aber oft direkt nach, indem sie Spuren von ausgetretenem R134a, R1234yf oder CO2 messen.

Neue Methoden erforderlich

Die Gründe für die wachsende Bedeutung der Dichtheitsprüfung im Automobilbau sind vielfältig. Daran werden auch die Antriebe der Zukunft nichts Entscheidendes ändern. Auch auf allen Fertigungsstufen von Batterien für Elektro- und Hybridfahrzeuge fallen Dichtheitsprüfungen an. Bereits jede einzelne Batteriezelle – die später zu Batteriemodulen und anschließend zu Batterie-Packs zusammengeschlossen wird – muss gegen ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit und Luft geschützt sein. Daher werden bereits die einzelnen Batteriezellen in der Vakuumkammer geprüft. So bleibt die Dichtheitsprüfung mit Prüfgasen für die automobile Fertigung wohl auch in Zukunft unverzichtbar.