Freonfreie Dichtheitsprüfung

Das alte Testsystem für die Dichtheitsprüfung von Wärmetauschern für die Autoklimatisierung arbeitete mit Freon, konnte nur eine Gutteil/Ausschuss-Aussage treffen, war nicht in der Lage, die genaue Leckrate zu bestimmen oder weitere Prüfdaten zu erfassen. Die Fehleranfälligkeit des Systems erforderte zudem zahlreiche Testwiederholungen.

Der den Unternehmen zur Verfügung gestellte Anforderungskatalog sah eine Temperaturkompensation beim Lecktesten mit Trockenluft als eine besonders wichtige Voraussetzung an, da selbst geringste Temperaturfluktuationen einen Anstieg oder Abfall des Luftdrucks und damit verfälschte Messergebnisse verursachen können. Wärmetauscher verstärken das Problem, da sie bestimmungs- gemäß die Umgebungstemperatur in ihr Inneres übertragen. Die im Werkstückinneren durch die Druckbeaufschlagung generierte Wärme wird dann genauso schnell nach außen übertragen. Schon das Einsetzen des Kühlers durch den Mitarbeiter erzeugt so viel Wärme, dass er Handschuhe tragen muss.

Außerdem weisen die Kühler bei ihrer Ankunft im Testbereich oft noch eine gewisse und individuell verschiedene Restwärme von den vorgeschalteten Produktionsgängen auf.

„Durch solche Bedingungen verlängert sich der Prüftakt, da der Temperaturausgleich relativ viel Zeit benötigt,“ erläutert Ed Millwood, Senior Manager in der Fertigungstechnik. „Abgesehen davon besteht dadurch auch eine größere Anfälligkeit gegenüber zufälligen Variablen wie Luftzug.“

„Obwohl das Lecktesten mit Helium relativ temperaturunabhängig ist, entschieden wir uns schon recht früh im Entscheidungsprozess aus Kostengründen gegen dieses Verfahren“, ergänzt er. „Die Lösungen, die sich Verfahren mit Trockenluft, Druckabfall und Differenzdruck bedienten, waren kostengünstiger, hatten aber Nachteile im Bereich der Prüftaktzeiten und der Temperaturkompensation. Mit ihnen konnte die von uns geforderte Genauigkeit nicht innerhalb der vorgegebenen Prüfzeiten erzielt werden. Durch diesen Ausscheidungsprozess befassten wir uns dann mit dem vorgeschlagenen Massendurchflusssystem.

Mittelpunkt der neuen Systeme ist das Lecktestgerät M1035. Durch eine schnelle kontaktlose Temperaturmessung können diese Systeme die Temperatur eines Prüflings mit der momentan herrschenden Umgebungstemperatur vergleichen und mit Hilfe einer Computersteuerung automatisch jede Leckratenmessung innerhalb eines Bereichs von ± 10 ° F anpassen.

Die der Massendurchflusstechnik eigene Genauigkeit und Geschwindigkeit sparten zuzüglich zur Temperaturkompensation auch noch Prüfstände ein, weil sie kürzere Prüftakte ermöglichen. Die geringere Testzeit des Massendurchflussverfahrens im Vergleich zu dem Druckabfall- oder Differenzdruckverfahren liegt im Einsatz einer Einzelpunktmessung begründet. Die beiden anderen Verfahren erfordern eine zweimalige Messung des Luftdrucks, damit ein eventueller Abfall über den Prüfzeitraum hinweg erfasst werden kann. Dieser Druckunterschied muss in eine volumetrische Leckrate umgerechnet werden. Dies erfordert normalerweise für größere Genauigkeiten und/oder geringere Leckratenlimite längere Prüftakte.

Abgesehen von einer geringeren Durchsatzleistung der Testgeräte, erklärt Millwood, seien längere Prüftakte anfällig gegenüber Zufallsvariablen und damit einer möglichen Verfälschung der Testergebnisse.

Beim Massendurchflussverfahren sind die benötigten Prüfzeiten kürzer, da ein bekannt dichter Behälter erst zusammen mit dem zu prüfenden Werkstück mit Druck beaufschlagt wird und dann beide Teile von der Druckquelle abgetrennt werden. Undichte Stellen im Prüfling verursachen direkt einen Luftfluss vom Behälter zum Werkstück zum Ersatz der durch die undichte Stelle entwichenen Luft. Dieser Luftstrom fließt über einen Massenflusssensor, über den die Durchflussgeschwindigkeit direkt gemessen wird.

Das Werk sei durch das Massendurchflusssystem in der Lage, so Millwood, täglich circa 3000 Kühler zu testen, wobei die volle Kapazität des Systems noch längst nicht ausgeschöpft sei. „Wir schätzen, dass sich unsere Einsparungen durch das neue System auf mindestens vierzig- bis fünfzigtausend Dollar im Jahr belaufen“.

Zum Beispiel sei Calsonic jetzt durch die größere Durchsatzgeschwindigkeit und höhere Genauigkeit des IDC-Systems in der Lage, die immer strengeren Anforderungen von einigen OEM’s im Hinblick auf Leckraten, die jetzt unter 5 Norm cm³ /min. liegen, zu erfüllen.

Vor der Druckbeaufschlagung des Kühlers wird durch das IDC-System ein Vortest durch Anlegen eines Vakuums durchgeführt. Dadurch werde das von den Autoherstellern auf den Montagebändern an den Werkstücken angelegte Vakuum simuliert, erläutert Millwood. Dieses Vakuum sorgt für eine schnellere Erstfüllung des Motor-Kühlsystems. Durch diesen ersten Vakuumtest werde auf der einen Seite sichergestellt, dass Kühlerstruktur und Dichtungen die Prüfprozedur überstehen, auf der anderen Seite könne ein extremes Leck sofort festgestellt werden.

Die Kühlerfabrik in Shelbyville verfügt über insgesamt acht IDC-Prüfstände, die in zwei Zellen mit jeweils vier Prüfständen grob kreisförmig angeordnet sind. Von der Klinchmaschine gelangen die Kühler über ein Förderband zum Eingang des Prüfbereichs. Bei jedem ankommenden Kühler pausiert das Förderband solange, bis dieser durch den für die vier zu einer Zelle gehörenden Prüfstände verantwortlichen Mitarbeiter vom Band gehoben wurde. Dieser spannt ihn dann in einen prüfbereiten Prüfstand ein.

Nach der gleichzeitigen Betätigung von zwei getrennten Start-Tasten übernimmt die Computersteuerung (PLS – programmierbare logische Steuerung) die Kontrolle. Zwei durchsichtige Türscheiben aus Plexiglas schließen sich vor der Prüflinghalterung. Durch pneumatische Klemmen wird der Kühler fest eingespannt, während die Dichtungen und Anschlüsse sich in Position bewegen: Die Druckleitung des Testgeräts wird an den entsprechenden Anschluss des Werkstücks angeschlossen und die anderen ungenutzten Öffnungen verschlossen. Als einen zusätzlichen Schutz gegen Zugluft verfügt die Druckleitung über einen doppelwandigen Außenschlauch.

Der Kühler wird automatisch auf ein Vakuum von 60 cm Hg eingestellt, dann von der Vakuumquelle abgetrennt und für 15 Sekunden durch den Massendurchflusssensor überwacht. Fällt das Vakuum in diesem Zeitraum mehr als 5 cm Hg ab, leuchtet eine „Ausschuss-Lampe“ auf dem Bedienfeld des M1035 auf und die Fehlermeldung „Vakuumfehler“ erscheint auf dem Display.

Nach bestandenem Vakuumtest wird der Kühler automatisch mit einem Druck von 1,6 kg/cc (1,6 bar) beaufschlagt und auf eine vom Kunden festgelegte Leckrate, normalerweise zwischen 10 und 5 Norm cm³/min geprüft. Der Gesamtprüfzeitraum pro Werkstück liegt bei Prüfhohlräumen von bis zu 2,5 l normalerweise bei einer Minute. Kühler, die durch die Prüfung als Ausschuss klassifiziert wurden, verbleiben bis zum manuellen Rücksetzen des Testgeräts durch den Mitarbeiter im Prüfstand. Die durch die Prüfung als „IO“ klassifizierten Werkstücke werden automatisch mit Tinte markiert, wobei die verschiedenen Prüfstände sich jeweils einer anderen Farbe bedienen, damit eine spätere Rückverfolgung gewährleistet ist.

Zur Zeit werden, laut Ken Peters, Fertigungstechnik, im Werk ungefähr 25 verschiedene Kühlerausführungen hergestellt. „Die Notwendigkeit minimaler Lagerhaltung und die JIT-Anforderungen der Kunden erfordern eine Neueinrichtung der Prüfstände circa dreimal pro Schicht“. Zu diesem Zweck wurden die Prüfstände mit austauschbaren, speziell für jeden Kühlertyp angefertigten Halterungen ausgestattet.

Eine sogenannte „Bücherei“ dieser Einspannplatten wird in Prüfstandnähe in fahrbaren Gestellen aufbewahrt. „Normalerweise sind wir in der Lage, alle vier zu einer Zelle gehörenden Prüfstände innerhalb von fünf bis sieben Minuten neu einzurichten,“ beschreibt er.

Jeweils ein Stand pro Zelle verfügt über die Zentraleinheit M1065 von IDC, durch die der gesamte Prozess überwacht und die Daten von allen vier M1035s gesammelt werden. Die Zentraleinheit zeigt die Testdynamik anhand einer Echtzeit-Grafik auf einem CRT-Bildschirm an.

„Die Echtzeit-Anzeige ist bei der Fehlersuche sehr praktisch,“ erklärt Peters. „Bestimmte Kurvenprofile werden mittlerweile schon mit bestimmten Problemen in Zusammenhang gebracht. Ein erfahrener Techniker kann manchmal schon einfach durch einen Blick auf die Testkurve feststellen, ob das Problem beim Prüfstand fehlerhafte Dichtungen, oder an einem Herstellungsfehler liegt. Manchmal können wir allein anhand der Grafik schon die fehlerhafte Dichtung feststellen.“

Jedes M1035 kann seine eigenen Testdaten speichern und auf Abruf wieder anzeigen, ausdrucken oder downloaden. Darüber kann das Gerät anhand der gespeicherten Daten für eine statistische Prozesssteuerung (SPS) und andere Qualitätsmanagementprogramme statistische Berechnungen durchführen.

„Bei nicht so eng definierten Problemen müssen wir die Daten einer eingehenden Auswertung unterziehen“, fügt Peters hinzu. „Dazu holen wir uns die Langzeitdaten und erstellen damit Trendcharts oder Histogramme.

Zweimal täglich, jeweils am Anfang einer Schicht, werden alle Testgeräte kalibriert. Hierbei handelt es sich um ein einfaches, circa zehn Minuten dauerndes Verfahren mit einem dichten, zu diesem Zeck angefertigten Meisterkühler, und dem digitalen Instrument CalMaster. „Wir rufen das Kalibrierprogramm des M1035 über das Bedienfeld des Testgeräts auf und spannen das Meisterstück als Nullreferenz in den Prüfstand ein“, erklärt Peters. „Dann schließen wir den CalMaster mit einer Schnellkupplung an die Vorderseite des Testgeräts an und stellen es auf eine bekannte Standardleckrate ein. Das M1035 kalibriert sich dann selbsttätig anhand der beiden Standards.“

„Diese Testgeräte haben sich als außerordentlich zuverlässig erwiesen“, fügt er hinzu. „Nur selten stellen wir ein Kalibrierproblem fest und unsere einzige Ausfallzeit dient zum gelegentlichen Auswechseln einer Dichtung. Das ist einfach innerhalb einer Minute ohne den Einsatz von Werkzeugen erledigt.“

Die Anlage habe aber noch weitere Vorteile, fährt er fort: „Bei unserem alten Freonsystem musste sich der Bediener beim Einsetzen der Kühler vorbeugen. Im neuen Prüfstand werden die Kühler fast senkrecht in Brusthöhe direkt vor der Maschine eingesetzt. Sie wiegen zwar nur zwischen 2 bis 5 Pfund, im Laufe einer achtstündigen Schicht macht das aber schon einen gewaltigen Unterschied. Beim Auswechseln der Einspannplatten macht sich dieser Vorteil noch stärker bemerkbar, denn diese wiegen ungefähr 10 Kilo“.

Weiterhin macht sich die Berücksichtigung ergonomischer Grundsätze beim Einsatz druckempfindlicher Starttasten bemerkbar. Diese reagieren schon bei Hautkontakt, so dass ein Niederdrücken nicht notwendig ist. Außerdem sind die Grafikdisplays zur leichteren Einsicht jetzt in Gesichtshöhe angeordnet.

Weitere Informationen A QE 600