Dichtheitsprüfung bei der Fertigung von Automobil- Komponenten

In immer mehr Einsatzszenarien bedingen nur moderne Prüfgasmethoden für die Genauigkeit und Verlässlichkeit, die im Fertigungsprozess erforderlich sind – seien es Wärmetauscher für Abgasrückführungsanlagen zur Stickoxidreduktion, seien es Ladeluftkühler moderner Turbomotoren. Speziell auch auf den unterschiedlichen Stufen des Fertigungsprozesses von Traktionsbatterien für EV/HEV-Fahrzeuge ist eine genaue Dichtheitsprüfung unerlässlich. Nur so sind Betriebssicherheit und Lebensdauer der teuren Batterie gewährleistet – von der Dichtheit der einzelnen Batteriezelle über den Kühlkreislauf bis zum gesamten Gehäuse.

1. Wasserbad- oder Blasenprüfung
Vor 30 Jahren war bei den meisten Zulieferern die simple, aber unzuverlässige Wasserbadprüfung noch das gängige Verfahren. In der Praxis liegt seine Nachweisgrenze bei einer Leckrate von 5∙10-2 mbar∙l/s. Die Aussagekraft dieser Prüfung steht und fällt aber mit der Tagesform des menschlichen Prüfers, der die Blasen erkennen muss. Hinzu kommt, dass gerade bei einer komplexen Geometrie, etwa bei Wärmetauschern, zwar Luft mitunter aus dem Prüfteil austritt, sich aber nicht als Luftblase ablöst und aufsteigt. Dann ist sie nicht wahrnehmbar. Zudem müssen Komponenten – wenn sie Feuchtigkeit überhaupt vertragen – nach dem Wasserbad oft aufwendig getrocknet werden.

2. Druckabfallprüfung
Manche Zulieferer setzen immer noch auf die vermeintlich kostengünstige Druckabfallprüfung. Man füllt dabei das Prüfteil bis zu einem definierten Überdruck mit Luft und misst etwaige Druckveränderungen über ein definiertes Zeitintervall. Sinkt der Druck, existiert ein Leck. Die kleinsten Leckraten, die im Idealfall auf diese Weise ermittelbar sind, haben eine Grössenordnung von 10-3 mbar∙l/s. Ein grosses Problem des Verfahrens ist allerdings seine Anfälligkeit für Temperaturschwankungen. Steigt die Temperatur während der Prüfung nur um Bruchteile eines Grads, bleiben Lecks oft unerkannt, fällt dagegen die Temperatur, ermittelt die Druckabfallprüfung Phantom- Lecks. Versuche, Temperaturänderungen zu kompensieren, reduzieren diesen Effekt, beseitigen ihn aber nicht vollständig.

3. Heliumprüfung in der Vakuumkammer
Prüfgasverfahren sind hier weit zuverlässiger. Ein Vakuum-Dichtheitsprüfgerät wie der LDS3000 von Inficon beispielsweise ist hochempfindlich, gestattet sehr kurze Taktzeiten und empfiehlt sich dadurch für den Einbau in automatisierte Prüfanlagen in Fertigungslinien. Bei der Vakuummethode wird der Prüfling in eine hermetisch dichte Kammer gebracht, in der Pumpen ein Vakuum herstellen. Der Prüfling wird ebenfalls evakuiert und mit dem Prüfgas Helium befüllt, sodass dieses durch etwaige Lecks in das Vakuum der Kammer austreten kann, wo es vom Dichtheitsprüfgerät nachgewiesen wird. So lassen sich auch grössere Komponenten gegen kleinste Grenzleckraten prüfen – unter optimalen Bedingungen bis hinab zu 1∙10-12 mbar∙l/s. Typische Anwendungsfälle der Vakuumprüfung sind Tests an Klimaanlagenkomponenten – ob Verdampfer, Kondensatoren oder Füllventile (bis 10-5 mbar∙l/s) –, an Common-Rail-Einspritzsystemen (10-6 mbar∙l/s) oder an Treibstoffsystemen und Kraftstofftanks (10-5 mbar∙l/s). Auch bei Batteriezellen ist die Vakuumprüfung die Methode der Wahl. Ob es sich um prismatische, Rund- oder Pouchzellen handelt: Wenn der Hersteller sie mit dem brennbaren Elektrolyt gefüllt und versiegelt hat, muss er die Dichtheit der Batteriezellengehäuse gegen Leckraten von 10-5 bis 10-6 mbar·l/s prüfen. Nicht selten wird darum der Elektrolytfüllung der Zellen bereits 3 bis 5 % Helium als Prüfgas zugegeben.

4. Prüfung in der einfachen Akkumulationskammer, auch mit Formiergas
Besonders für kleine und mittelgrosse Teile, die nur gegen mögliche Öl- (10-3 mbar∙l/s) oder Wasserlecks (10-2 mbar∙l/s) getestet werden, empfiehlt sich allerdings eine Prüfung in der ebenso einfachen wie kostengünstigen Akkumulationskammer. Dabei wird gemessen, wie viel Prüfgas etwa aus einem Öl-, Wasser- oder Ladeluftkühler austritt und sich in einem bestimmten Zeitintervall in der Akkumulationskammer ansammelt. In der Praxis ermittelt ein Gerät wie der LDS3000 AQ von Inficon in der Akkumulationskammer Leckraten von bis zu 1∙10-5 mbar∙l/s. Statt Helium kann der LDS3000 AQ auch günstigeres Formiergas verwenden, ein unbrennbares, handelsübliches Gemisch aus 95 % Stickstoff und 5 % Wasserstoff. Flüssigkeitslecks erkennt dieses Gerät mit der Akkumulationsmethode ebenso zuverlässig, wie es früher nur die Helium-Vakuumprüfung konnte – und dies zu Kosten, die denen einer simplen Luftprüfung gleichen.

5. Die dynamische Roboter- Schnüffellecksuche
Eine Schnüffellecksuche mit Prüfgas soll Leckstellen nicht nur identifizieren, sondern auch exakt lokalisieren. Oft stellt man mit ihr auch fest, ob die Verbindungsstellen zwischen bereits zusammengebauten Komponenten dicht sind, etwa vor dem Fahrzeugeinbau an vormontierten Baugruppen der Klimaanlage oder wenn die Dichtheit eines Traktionsbatteriegehäuses nach aussen – gemäss IP67 oder IP69K – gewährleistet sein muss. Man unterscheidet eine statische von der dynamischen Schnüffellecksuche. Bei Letzterer bewegt sich die Schnüffelsonde über einen grösseren Bereich des Prüfteils. Technisch besonders anspruchsvoll ist die dynamische Roboter-Schnüffellecksuche, bei der der Messkopf an der Spitze eines Roboterarms befestigt ist und automatisch über das Prüfteil geführt wird. Für dieses Einsatzszenario sind Inficon-Geräte wie der XL3000flex (mit den Prüfgasen Helium oder Formiergas) oder der Protec P3000XL (mit Helium) prädestiniert. Denn sie saugen die zu prüfende Luft mit einem sehr hohen Gasfluss von 3000 sccm an, während herkömmliche Multi-Purpose-Lecksuchgeräte mit lediglich 60 sccm arbeiten. Durch den hohen Gasfluss kann der Messkopf bei der dynamischen und automatischen Schnüffellecksuche den gebotenen Sicherheitsabstand zur Oberfläche des Prüfteils (oft 5 oder 6 mm) einhalten und zugleich auch bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten von 10 cm/s oder mehr Lecks noch zu 100 Prozent identifizieren. Typische Grenzleckraten, gegen die bei der dynamischen Roboter- Schnüffellecksuche geprüft werden muss, sind 10-2 mbar∙l/s für Wasserdichtheit, 10-3 mbar∙l/s für Öldichtheit und 10-4 mbar∙l/s für Dichtheit gegen flüssige Kraftstoffe.

6. Multigas-Schnüffellecksuche nach dem Einbau
Auch nach dem tatsächlichen Einbau der Klimaanlagenkomponenten muss der OEM noch die Dichtheit der Verbindungsstellen testen – oder auch den Kältemittelkreislauf der eingebauten Traktionsbatterie auf Dichtheit prüfen. Ein Multigas-Schnüffellecksuchgerät wie der Ecotec E3000 von Inficon kann in solch einem Fall das jeweilige Kältemittel – ob CO2 oder R1234yf – selbst als Prüfgas nutzen und ein etwaiges Austreten direkt nachweisen. Tatsächlich stellt solch ein Multigas-Schnüffelleck-suchgerät die einzige Möglichkeit dar, das Befüllventil nach dem Verschliessen noch auf Dichtheit zu testen. Zudem kann es gleich auch noch Kraftstofflecks in den Common-Rail-Anschlüssen detektieren. Die kleinste Leckrate, die mit dem Ecotec E3000 nachweisbar ist, entspricht 0,05 g/a des Kältemittels R134a bzw. einer Heliumleckrate von 10-6 mbar∙l/s.