Dichtheitsprüfanlage Riesige Akkumulationskammer für nachhaltige Dichtheitsprüfung

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Bei Bosch Manufacturing Solutions ist ein Durchbruch hinsichtlich der Dichtheitsprüfung gelungen: Eine riesige Akkumulationskammer mit einem Innenvolumen von 10.000 Litern gestattet ebenso Tests an sehr kleinen Bauteilen wie an sehr großen mit mehreren Kubikmetern Volumen.

Vor einigen Jahren stellten sich die Dichtheitsprüfexperten von Bosch Manufacturing Solutions in Stuttgart die Frage, ob es möglich sei, einen Baukasten zu entwickeln, aus dem sich Anlagen modular zusammenstellen ließen – passend für die meisten Prüfaufgaben. Dies sollte den Anwendern die Freiheit eröffnen, im Grunde beliebige Prüflinge, auch unterschiedlichster Größe, mit derselben Prüfanlage zu testen. Grundlage für die Entwicklung war die Akkumulationsmethode.

Wie das Akkumulationsverfahren funktioniert

Beim Akkumulationsverfahren wird der Prüfling zunächst evakuiert und dann mit einem Prüfgas befüllt. In einer Akkumulationskammer misst man dann mithilfe eines Gassensors, wie viel Prüfgas innerhalb eines definierten Zeitraums aus dem Prüfling in das verbleibende Leervolumen der Prüfkammer austritt und dort akkumuliert. Die Akkumulationskammer ist währenddessen unter normalem Atmosphärendruck, muss nur einen Gasaustausch mit der Außenluft vermeiden und darf entsprechend einfach ausgelegt sein. Als Prüfgas bietet sich Helium an, weil dessen Nachweis von anderen Gasen in der Luft nur wenig beeinträchtigt ist, es gibt kaum Quereinflüsse. Durch die Messung der Akkumulation von Helium in der Prüfkammer lässt sich feststellen, ob der Prüfling dicht genug ist und die geforderte Grenzleckrate einhält.

Neue Auswertungsmethodik bringt den Durchbruch

Ausgangspunkt für die Entwicklung der Prüfanlage mit der riesigen Akkumulationskammer waren Dichtheitsprüfgeräte des Kölner Herstellers Inficon. Das Entwicklungsziel von Bosch war es nun, dieses System für die Akkumulationsprüfung zu modularisieren und zu industrialisieren. Die Entwickler haben darum auf die gesamte mitgelieferte Auswertungstechnik nebst Bedienpanel verzichtet. Stattdessen nutzt das neue Prüfsystem die Sensorrohdaten, die das Massenspektrometer im Laufe der Akkumulationsdauer liefert.

Eine völlig andere Auswertungsmethodik und eine neue Prozessführung führten zum Durchbruch. Für die neue Auswertemethode haben die Entwickler das komplexe Zusammenwirken von Ventiltechnik, Sensoren und Softwareroutinen optimiert. Dadurch ist das neue Prüfsystem in der Lage, in Akkumulationskammern unterschiedlichster Größe messprozessfähig zu messen.

• Die derzeit kleinste Anlage hat eine Prüfkammer von 100 Litern Volumen und nimmt beliebige Prüflinge bis zu einer Kantenlänge von 20 cm × 35 cm × 25 cm auf.

• Die bisher größte Prüfkammer hat bei Außenmaßen von 210 cm × 260 cm × 220 cm ein Innenvolumen von 10 Kubikmetern.

Beide Anlagen arbeiten mit der gleichen flexiblen Prüftechnik und können wahlweise manuell oder automatisch beschickt werden. Nur die Größe der Kammern ist unterschiedlich. Auch beliebige individuelle Kammergrößen sind mithilfe der neu entwickelten, modularen Auswertungstechnik problemlos nutzbar.

Von Robert Bosch Manufacturing entwickelte Messmethode

Die neue Technik wertet die Rohdaten aus, die das Massenspektrometer liefert, und sorgt dafür, dass das Messgerät immer unter idealen Bedingungen betrieben wird. Die von Robert Bosch Manufacturing entwickelte Messmethode erreicht deutlich schneller ihren stabilen Messbereich, und sie ist zugleich empfindlicher als bisher. In der Regel ist jetzt eine Auswertezeit von nur fünf bis zehn Sekunden erforderlich, bis das Signal des Massenspektrometers ausreichend stabil ist. So lässt sich eine Prüfanlage entweder auf möglichst kurze Taktzeiten oder auf möglichst niedrige Grenzleckraten hin optimieren. Grundsätzlich gilt: Je kleiner das Restvolumen in der Prüfkammer, desto kleiner auch die Grenzleckraten, die das System detektieren kann.

Weil die neu entwickelte Auswertemethode der Rohdaten immer genau auf die individuelle Anlage und die Größe der Akkumulationskammer hin optimiert ist, lassen sich bei sehr kleinen Prüfvolumina mit der Akkumulationsmethode Helium-Leckraten von hinab bis zu 10^-6 mbar∙l/s feststellen, allerdings bei ausreichend langer Messdauer. In der 100 Liter großen Prüfkammer ist die Detektion von Grenzleckraten bis zu 10^-5 mbar∙l/s realisierbar. Und in der großen 10 Kubikmeter-Prüfkammer sind problemlos Grenzleckraten bis 10^-3 mbar∙l/s messbar, bei Taktzeiten von sechs bis sieben Minuten pro Prüfung.

Dichtheitstests an sehr großen Prüflingen

Zwischen dem Leervolumen der Prüfkammer und der Auswertungsdauer gibt es einen simplen Zusammenhang: Je größer das Restvolumen in der Kammer, desto langsamer akkumuliert darin das etwaig austretende Prüfgas. Halbiert man das Leervolumen in der Akkumulationskammer, halbiert sich ungefähr auch die Auswertezeit für die Prüfung. Dennoch existieren natürlich zahlreiche Anwendungsszenarien, in denen ein prüfgasbasierter Dichtheitstest in einer riesigen 10 m³ großen Akkumulationskammer völlig neue Möglichkeiten eröffnet.

So ist es beispielsweise ein Vorteil, in weniger als zehn Minuten große Brennstoffzellensysteme für moderne LKW-Antriebe bei der Fertigung auf ihre Dichtheit prüfen zu können. Ein anderes Anwendungsszenario sind kubikmetergroße Schaltanlagen für Stromnetze. Auch hier ist eine zuverlässige Dichtheitsprüfung unverzichtbar – mit der zehn Kubikmeterkammer ist sie jetzt in Rekordzeit möglich.

Vakuummethode erfordert sehr aufwändige Prüfanlage

Die neue Technik ermöglicht es, Prüflinge zu prüfen, die aus physikalischen Gründen mit der Vakuummethode nicht prüfbar wären. Die Vakuumprüfung verwendet ebenfalls Helium als Prüfgas, das sie mit einem Massenspektrometer nachweist. Das Verfahren basiert aber auf einer Messung im Vakuum. Für diese Methode ist also eine anspruchsvolle und sehr aufwendige Prüfanlage mit einer Vakuumkammer erforderlich. Diese Kammer muss nicht nur hochdicht sein, es ist auch wichtig, vor jeder Messung die Luft mit entsprechend leistungsfähigen Pumpen und in angemessener Geschwindigkeit evakuieren zu können. Manche Prüflinge sind für die Vakuummethode aber ungeeignet. Sie sind beispielsweise zu feucht oder wegen ihres Materials oder Ausgasungseffekten gar nicht evakuierbar.

Große Prüflinge verlangen zudem nach großen Vakuumkammern. Wegen der entsprechend großen Leervolumina stößt das Vakuumverfahren in solch einem Szenario sehr schnell an seine Grenzen. Auch die Umrüstung einer Vakuumprüfanlage auf neue Prüflinge, seien sie größer oder kleiner, wäre mit erheblichem Aufwand verbunden.

Die neu entwickelte Auswertungstechnik für die Akkumulationsmethode eröffnet hier eine bislang nicht gekannte Flexibilität. Verschiedene Produkte und Produktgenerationen mit derselben Anlage zu prüfen, ist mit der neuen Auswertungsmethodik denkbar einfach. Die neue Prüftechnik zeichnet zudem eine Langlebigkeit und Nachhaltigkeit aus, mit der das Vakuumverfahren nicht konkurrieren kann. Auch Prüflinge, die nicht evakuierbar sind, lassen sich mit der neuen Methode jetzt auf ihre Dichtheit prüfen.

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Schnüffellecksuche bei großen komplexen Prüflingen überfordert

Ein anderes Verfahren, um Lecks an großen Bauteilen festzustellen, ist die sogenannte Schnüffellecksuche. Auch dabei wird das Bauteil zunächst mit einem Prüfgas beaufschlagt. Anschließend fährt man mit einem Sensor bzw. einer Schnüffelspitze über die Oberfläche des Prüflings, um Stellen zu identifizieren, an denen durch Lecks Prüfgas austritt. Hier wird aber die Größe von komplexen, bereits zusammengebauten Bauteilen schnell zum Problem: Es gibt einfach viel zu viele Stellen, die mit der Schnüffelspitze alle einzeln auf etwaige Lecks geprüft werden müssten. Ein integrales Prüfverfahren wie die Akkumulationsmethode hat hier deutliche Vorteile – in Sachen Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit.

Neue Möglichkeiten für die industrielle Dichtheitsprüfung

Nicht nur bei der möglichen Größe von Prüfteilen und Akkumulationskammern überwindet die neue Auswertemethode bisher geltende Grenzen, sie eröffnet in der industriellen Anwendung auch eine bisher ungekannte Flexibilität. Sie gestattet nicht nur kurze Taktzeiten bei Dichtheitsprüfungen in der Serienfertigung und lässt sich an Produktionsleitsysteme (MES) anbinden, sie fungiert auch als eine universell einsetzbare Lösung für Prüfaufgaben in der Produktentwicklung und im Musterbau. Auch unterschiedliche Produktgenerationen in der Linie zu testen, ist nun keinerlei Problem mehr. Denn die Prüfapplikation lässt sich leicht auf veränderte Werte bei neuen Prüflings- und Leervolumina einstellen.

So deckt das neue modulare Dichtheitsprüfsystem ein breites Spektrum an möglichen Prüflingen ab, mit Akkumulationskammern nahezu beliebiger Größe. Der industriellen Dichtheitsprüfung eröffnet die neue Auswertungstechnik völlig neue Möglichkeiten.

Forschung

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* Ruwen Glück ist Produktmanager Dichtheitsprüfung bei Bosch Manufacturing Solutions

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