Standard Objektansicht. Klicken Sie hier, um ein eigenes Template zu erstellen, Knoten ID: 9035, Objekt ID: 9038

Mess- und Prüftechnik

Mess- und Prüftechnik

Hier lesen Sie Fachartikel aus dem JAHRBUCH Dichten. Kleben. Polymer. 2020 >> Mess- und Prüftechnik

Name Klasse Sektion

In der im Juni 2018 vorgestellten Leitstudie „Integrierte Energiewende“ weist die Deutsche Energieagentur (dena) darauf hin, welche Bedeutung Wärmepumpen für das Erreichen der Klimaschutzziele haben. Nur mit dem signifikanten Ausbau der Wärmepumpen-Technologie kann Deutschland seinen Ausstoß an Treibhausgasen bis 2050 um die geforderten 80% Minimum reduzieren. Von bis zu 17 Mio. Anlagen ist die Rede. Die Voraussetzung für diesen positiven Effekt: Aus den Wärmepumpen darf kein Kältemittel austreten.

Bereits jetzt erfreut sich die Branche kräftiger Zuwachsraten: Laut Bundesverband Wärmepumpe (BWP) wurden allein 2018 84.000 Heizungswärmepumpen verkauft – das sind knapp 8% mehr als im Vorjahr und über 26% Zuwachs im Vergleich zu 2016. Europaweit wurden mit mehr als 1,25 Mio. Stück 2018 sogar 12% mehr Wärmepumpen verkauft als im Jahr davor, so die Statistik der European Heat Pump Association. Die 2017 erteilten Baugenehmigungen bestätigen diesen Trend: Hier liegen Wärmepumpen mit 43% zum ersten Mal auf Platz eins im Ranking der beliebtesten Heizungssysteme, so der Bundesverband Wärmepumpe in einer Pressemitteilung vom April 2018, die sich auf Zahlen des Statistischen Bundesamts beruft. Es ist zu erwarten, dass in Anbetracht dieser vielversprechenden Geschäftsaussichten noch mehr Akteure auf den Markt drängen werden. Ein fundamentales Kriterium für den mittel- und langfristigen Erfolg eines Wärmepumpenherstellers wird daher die Qualität und Zuverlässigkeit seiner Erzeugnisse sein.

Hochwertige Geräte zeichnen sich u.a. durch die Dichtheit ihrer Komponenten, etwa der Wärmetauschereinheit und des Wärmespeichers, aus. Selbst kleinste Leckagen führen dazu, dass ständig eine kleine Menge Kältemittel entweichen kann. In der Folge lassen Leistung und Effizienz des Heizgeräts nach, was sich in erhöhten Energiekosten widerspiegelt. Wenn nicht mehr genügend Kältemittel vorhanden ist, fällt die Wärmepumpe ganz aus – was für den Hersteller rufschädigende und kostspielige Rückrufaktionen nach sich ziehen kann. Flüssigkeitslecks können überdies zu Wasserschäden oder im schlimmsten Fall sogar zu einer ungewollten Vermischung von Brauchwasser mit anderen Medien, wie etwa Heizwasser, führen. [...]

Volker Trieb (RAC Inficon GmbH)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Eine Dichtheitsprüfung sichert i.d.R. die Qualität eines Produktes ab. Allerdings kann sie auch schon in der Entwicklungsphase wertvolle Informationen zur optimalen Produktgestaltung geben. Insbesondere, wenn dabei – wie bei der Batterieproduktion – Neuland betreten wird.

Aufgrund des Wandels der Automobilindustrie hin zu einer „elektromobilen Zukunft“ stehen die Hersteller vor neuen Herausforderungen. So müssen Erfahrungswerte aufgebaut und Prüfabläufe definiert werden. Die Elektronik-Komponenten sowie die benötigten elektrischen Leistungen wachsen um ein Vielfaches. Konstruktiv müssen fest definierte Luft- und Kriechstrecken im Inneren der Baugruppen eingehalten werden. Durch Undichtigkeiten kann es dazu kommen, dass diese „Isolationsstrecke“ verringert wird und es dadurch zu Kurzschlüssen oder auch zum thermischen Durchgehen von Komponenten kommen kann.

Die nachfolgend beschriebenen Prüfverfahren beschränken sich zunächst auf solche, die mit Luft realisierbar sind. Bei den meist großvolumigen Baugruppen sind diese Verfahren oft wirtschaftlicher und einfacher zu realisieren. Lokale Prüfungen, wie das Prüfgasverfahren und das Prüfen mithilfe eines Wasserblasentests (Bubbletest), können zu Parametrierzwecken genutzt werden. In der Serienmessung sind sie allerdings oft beschränkt verwendbar, da die aufwändige Lokalisierung der Leckage nicht zwingend erforderlich ist. [...]

M.Sc. Sergej Reuer (ASQtec GmbH)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Heute machen Klebverbindungen Nieten und Co. das Leben zunehmend schwer. Moderne Konstruktionen setzen auf Leichtgewichte, Kosteneinsparung und Fertigungseffizienz – bei steigenden Leistungsanforderungen. Die anspruchsvolle Technik will beherrscht werden. Deshalb ist das richtige Handling von Hochleistungsklebstoffen wichtig. Durch Ausbildung, Zertifizierung und Projektarbeit wird hier sichergestellt, dass Betriebe, Prozesse und das Personal stets auf dem neuesten Stand der Klebtechnik sind. Eine Schlüsselrolle im Prüfkörperbau für Unterricht, Labor oder Entwicklungszentren nehmen dabei mit PTFE beschichtete Vorrichtungen ein, mit denen die Proben hergestellt werden.

Ob im Automobilbau, bei Schienenfahrzeugen, Rotorblättern von Windrädern, Tragflächen von Flugzeugen, in Waschmaschinen- und Kühlschrankgehäusen oder im Hochbau: Konstruktives Kleben avanciert in immer mehr Bereichen zum Verfahren der Wahl. So sorgt die richtige Technik dafür, dass im ICE die eingeklebten Scheiben auch bei 300 km/h Haltung bewahren und der Zugführer in seiner komplett angeklebten Bugkapsel sicher agieren kann. Auch im BMW i3 lautet die Devise „kleben statt schweißen“: Rund 10 l Klebstoff verbinden Boden, Dach und Traversen aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) zu einer kompakten Karosserie. Üblichen Mittelklassewagen helfen durchschnittlich 15 kg Klebstoff und Klebbänder innen wie außen in Form zu bleiben. Hauptvorteile der geklebten konstruktiven Verbindungen sind Krafteinleitung über die Fläche anstelle von Punktbelastung, positive Dichtungs- und Dämpfungseigenschaften, Gewichtsreduktion sowie Vermeidung von Bohrungen oder Wärmeeintrag, der zu Gefügeveränderungen bei den Klebkomponenten führen kann. Doppelte Arbeitsschritte für Schrauben und Nieten oder Nieten und Dichten entfallen durch einfaches Verkleben – bei entsprechender Zeit- und Kostenersparnis. Die unsichtbare Verbindungstechnologie von Stahlkomponenten macht Kleben überdies aus Designgründen für viele Hersteller interessant.

Damit die geklebten Verbindungen den vielfältigen Belastungen und Einflüssen bei unterschiedlichsten Materialkombinationen dauerhaft standhalten, müssen Klebtechnik und -prozess sicher beherrscht werden. Komplexes Wissen zu Vorbehandlung, Klebstoffauswahl, Prüfverfahren und Verarbeitung ist unverzichtbar und erfordert bei sicherheitsrelevanten Anwendungen eine normgerechte Betriebsorganisation. Zu dem Angebot verschiedener Unternehmen gehören in diesem Kontext auch projektorientierte Dienstleistungen wie anwendungstechnische Versuche, Bauteilprüfungen, Oberflächenvorbehandlung oder das Kleben von Prototypen. [...]

Alexander Kalawrytinos (Pallas GmbH & Co. KG)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Eine Vielzahl von Produkten wird unter den unterschiedlichsten Bedingungen eingesetzt. Häufig sind sie Feuchtigkeit oder wechselnden Umweltbedingungen ausgesetzt. Somit müssen sie dicht sein und werden im Rahmen der End-of-Line-Prüfung auf Dichtheit geprüft. Nur so ist sichergestellt, dass sie unter Betriebsbedingungen bzw. Umwelteinflüssen korrekt funktionieren und nicht aufgrund von Leckage ausfallen. Dieses ist umso wichtiger, je kritischer der Ausfall des Produktes ist. In einigen Industriezweigen, wie z.B. im Automotive-Bereich, ist es selbstverständlich, dass jedes Produkt zu 100% auf Dichtheit geprüft wird.

Somit kommt der Integration der Dichtheitsprüfung in den Produktionsprozess eine hohe Bedeutung zu. Hierbei handelt es sich um eine 100%-Stückprüfung. Bei der Umsetzung der Dichtheitsprüfung gilt es insbesondere, die Prüfparameter Prüfdruck und zulässige Leckrate festzulegen. Hierzu werden verschiedene Ansätze vorgestellt.

Im industriellen Bereich werden – je nach Leckrate – als Prüfmedien Wasser, Druckluft, Wasserstoff (Formiergas: 5% Wasserstoff, 95% Stickstoff) und Helium eingesetzt. In Abhängigkeit von der Größe der zulässigen Leckrate ist vorab zu entscheiden, welches Prüfmedium eingesetzt wird. Für die Dichtheitsprüfung im Produktionsprozess sind als Vorgaben der Prüfdruck und die zulässige Leckrate notwendig. [...]

Dr. Joachim Lapsien (CETA Testsysteme GmbH)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Automatisierte Kleb- und Dichtprozesse sind in der heutigen Automobilproduktion bereits Stand der Technik. In der Luftfahrtproduktion hingegen – bedingt durch anders gelagerte Sicherheitsanforderungen und weitaus geringere Stückzahlen – gibt es bisher wenig nennenswerte Bestrebungen in diesem Kontext. Einen solchen Beitrag für den Flugzeugbau leistet das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderte, im März 2019 abgeschlossene Forschungsprojekt "MultiBond", das ein integrales System zur prozessgesicherten 2K-Dosierung mit echtzeitgebundener multifunktionaler Sensorik verfügbar macht.

Die Verwendung von Faserverbundwerkstoffen ist mittlerweile für die Luftfahrtindustrie unverzichtbar. Neben der Steigerung der Lebensdauer der betreffenden Flugzeugbauteile ist vor allem die Reduktion von Gewicht und somit der verringerte Treibstoffbedarf im Betrieb ein zentrales Thema. Allerdings stellt die Verarbeitung von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen eine besondere Herausforderung dar, da sie fertigungsbedingt große Toleranzen im Vergleich zu identischen Bauteilen in herkömmlicher Metallbauweise mitbringen. Hinsichtlich der automatisierten Verarbeitung von Kleb- und Dichtstoffen auf diesen Bauteilen gilt es demnach u.a., den Prozess so flexibel zu gestalten, dass die höchsten Qualitätsanforderungen an die Kleb- und Dichtstoffnah trotz abweichender Konturmaße stets erfüllt sind.

Würde die Applikation allein mit einem Industrieroboter und einem Dosiergerät erfolgen, müsste aufgrund der variierenden Dimensionen der Bauteile die Bahn der Klebstoffraupen für jedes Bauteil neu programmiert werden – eine rentable Automatisierung wäre unmöglich. Zudem ließen sich Einflüsse während der Applikation nicht berücksichtigen und Aussagen über die Qualität sowie Positionierung der Klebstoffnaht nur nachgelagert machen. Verbunden mit den bereits erwähnten Bauteiltoleranzen würde das zu hohen Ausschüssen und immensen Kosten führen. Aus diesen Gründen erfolgen in der Luftfahrtindustrie bis heute Klebstoffapplikationen manuell, verbunden mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand. [...]

Dipl.-Ing. Urs Roemer, B.Eng. Peter Pohl (Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Stade)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Einheitliche Standards und hohe Qualität in der Dichtheitsprüfung von Materialien und Werkstoffen sind nur mithilfe von international gültigen Normen erreichbar. Um den sich stetig wandelnden und immer strenger werdenden Anforderungen an die Dichtheitsprüfung zu entsprechen, wurden in den vergangenen Jahren viele der bestehenden Normen aktualisiert. Dies betrifft u.a. die Regularien zur Kalibrierung von Prüflecks, die umfassend erweitert wurden. Auch die europäischen Normen wurden aktualisiert und mit den ISO-Normen in Einklang gebracht (ISO = Internationale Organisation für Normung). Die ISO arbeitet mit dem CEN (Comité Européen de Normalisation, Europäisches Komitee für Normung) zusammen. Die Überführung von ISO-Normen in das nationale Normengefüge ist freiwillig. Im Gegensatz dazu sind die Mitglieder des CEN dazu verpflichtet, europäische Normen auf nationaler Ebene zu übernehmen.

Die ISO 20848:2017 ist ein Beispiel für die direkte Überführung einer ISO-Norm in eine europäische Norm: Die CEN übernahm die ISO-Vorlage ohne jede Änderung und implementierte sie im deutschsprachigen Raum als DIN EN ISO 20484:2017-07. Sie ersetzt die Vorgängernorm DIN EN 1330- 8:1998-07, in der das Vokabular für die Dichtheitsprüfung zusammengefasst ist. Die Definitionen aus dem Themengebiet der Druck- und Vakuummessung wurden entfernt. Außerdem hat der Herausgeber einige Aktualisierungen vorgenommen und Definitionen wurden überarbeitet. Die Norm ist in verschiedenen Sprachversionen verfügbar und wird in der Praxis zur Erstellung von Arbeitsanweisungen und deren Übersetzung verwendet.

Die Norm DIN EN 1779:1999-10 mit Berichtigung 1:2005-02 unterteilt die Dichtheitsprüfverfahren nach Strömungsrichtung, Prüfumfang und Anwendung der Dichtheitsprüfung für reines Auffinden (qualitative Lokalisierung) oder Gut-/Schlecht-Entscheidung (quantitative Messung). Im Februar 2005 wurden Korrekturen in Anhang B, einer Tabelle mit Umrechnungsfaktoren für Leckagerateneinheiten, vorgenommen. [...]

Dr. Rudolf Konwitschny (Pfeiffer Vacuum GmbH)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Viele Anwender von O-Ringen sind der Meinung, dass die Werkstoffkenndaten, die bei der Erstbemusterung an Prüfplatten ermittelt wurden, auch für die einzelnen Dichtungen gelten. Dies ist jedoch leider in den meisten Fällen nicht so. Reale Dichtungen weisen aus den unterschiedlichsten Gründen schlechtere Kennwerte auf, als die unter Idealbedingungen im Labor an Prüfplatten ermittelten. Damit dieser Umstand in der Praxis zu keinen Dichtungsausfällen führt, ist die Prüfung der tatsächlichen mechanischen Kennwerte an ringförmigen Dichtungen eine gute Absicherung und gibt einen guten Einblick in die werkstoffliche Realität.

Die Zugprüfung an O-Ringen wird in erster Linie aus Gründen der Qualitätssicherung durchgeführt. Die Zugprüfung gibt Informationen über die Rezepturqualität (Auswertung der Absolutwerte, Festigkeit des Werkstoffes, Feststellung von Rezepturänderungen). So ist z.B. ein Austauschen des Polymers von Mischungen mit unterschiedlichem Molekulargewicht und/oder einer anderen Molekulargewichtsverteilung (z.B. hochviskose Pressmischung durch niedrigviskose Spritzmischung) nicht über Infrarotspektroskopie (IR) nachweisbar, sondern allenfalls über den Zugversuch und möglicherweise auch über Langzeit-Druckverformungsrestprüfungen. Ferner gibt der Zugversuch Auskunft über nachträgliche Änderungen gegenüber dem Bemusterungszustand. Dies ist oft der einfachste Weg, bei Reklamationen mögliche Veränderungen gegenüber dem Erstbemusterungszustand aufzudecken und nachzuweisen. Außerdem bekommt man mithilfe der Standardabweichung (z.B. verfrühtes Reißen durch Bindenähte, Einrisse, Kerben, Vernetzungsgrad usw.) Aussagen über die Verarbeitungsqualität.

Durch diese vielfältigen Ergebnisse sichert ein Zugversuch an O-Ringen bzw. Fertigteilen die Qualität wesentlich besser ab, als wenn nur die Rezepturqualität an Schulterstäben ermittelt wird. [...]

Dipl.-Ing. (FH) Ulrich Blobner, Dipl.-Ing. Bernhard Richter (O-Ring Prüflabor Richter GmbH)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1

Elastomere werden für unterschiedliche Anwendungen mit entsprechenden Additiven und Füllstoffen modifiziert und maßgeschneidert, um bestmögliche anwendungstechnische Eigenschaften zu erzielen. Die Füllstoffe und der Füllstoffgehalt bestimmen die viskoelastischen Eigenschaften eines elastomeren Compounds. Nachfolgend soll der Einfluss von Ruß als Füllstoff und der Rußmenge auf das mechanische und thermomechanische Verformungsverhalten eines Nitril-Butadien-Elastomers (NBR) gezeigt werden.

NBR ist ein typisches Elastomer der Dichtungstechnik für statische und dynamische, ölbeständige Dichtungen. Für die durchgeführten Untersuchungen wurde zunächst eine definierte Gummimischung hergestellt, diese mit unterschiedlichen Rußgehalten gefüllt und die verschiedenen Proben wurden anschließend vulkanisiert. Die gefertigten Proben wurden mittels quasistatischer und zyklischer Zugversuche auf ihre Festigkeitseigenschaften untersucht und der Einfluss des Füllstoffgehalts auf die Entwicklung der Shore-Härte wurde bestimmt. Der Einfluss eines wachsenden Füllstoffgehalts eines Elastomer-Compounds auf seine elastische Verformbarkeit und Dämpfung wurde durch dehnungsabhängige Messungen des Schubmoduls nachgewiesen. Die mittels dynamisch-mechanischer Analyse (DMA) ermittelten Steifigkeits-Temperatur-Kurven liefern Informationen zum temperaturabhängigen Verformungsverhalten der untersuchten Proben und zu den Auswirkungen unterschiedlicher Füllstoffgehalte auf die Viskoelastizität einer Probe.

Das Zeit-Temperatur-Verschiebungsprinzip lässt sich bei polymeren Werkstoffen grundsätzlich anwenden, mit dem Ziel, Masterkurven für eine bestimmte Referenztemperatur zu erlangen. Es dient dazu, aus Kurzzeitmessungen Informationen zum Langzeitverhalten einer Probe zu erhalten (Zeitraffer-Prinzip). Masterkurven von Elastomerwerkstoffen können auf die Reibungseigenschaften eines Werkstoffs Hinweise geben. Es werden verschiedene Zeit-Temperatur-Verschiebungsansätze für die untersuchten NBR-Compounds erprobt und deren Resultate dargestellt und diskutiert. [...]

Professor Dr.-Ing. Achim Frick, M.Sc Robert Boßler (Institute of Polymer Science and Processing, Hochschule Aalen)
ISGATEC: Media - Fachartikel 1
© ISGATEC GmbH 2020