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Dichtheitsprüfungen für die Sinnesorgane

Sensoren und elektronische Komponenten für autonomes Fahren
Dichtheitsprüfungen für die Sinnesorgane

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Sollen sich Fahrzeuge autonom oder teilautonom bewegen, sind die Sicherheitsanforderungen besonders hoch. Bild: metamorworks/stock.adobe.com
Sollen sich Fahrzeuge autonom oder teilautonom bewegen, hebt dies die Sicherheitsanforderungen auf ein neues Level. Sensoren und elektronische Komponenten müssen dann zuverlässig funktionieren – ein Fahrzeugleben lang. Eine Voraussetzung hierfür ist nicht nur Wasser-, sondern sogar Gasdichtheit.

Fahrzeugelektronik muss üblicherweise Temperaturen von –40 bis +150 °Celsius standhalten. Betrachtet man die sicherheitskritische Sensortechnologie für Advanced Driver Assistance Systems (ADAS), sind die Anforderungen noch schärfer. Ein Six-Sigma-Ansatz, der 3,4 Fehler unter einer Million Fällen gestattet, wäre in diesem Kontext unvorstellbar. Hersteller von ADAS-Komponenten verfolgen vielmehr eine Null-Fehler-Strategie: mit weniger als einem Versagensfall unter einer Milliarde Teilen.

Der zentrale Feind aller elektrischen und elektronischen Komponenten in einem Fahrzeug ist das Wasser, schon weil naturgemäß eine Kurzschlussgefahr besteht. Entsprechend wichtig ist die Wasserdichtheit der Gehäuse. Diese müssen in der Regel den Schutzklassen IP67 oder sogar IP69K genügen. Dabei besteht ein enger Zusammenhang zwischen dem Gehäusematerial und den Grenzleckraten, gegen die auf Dichtheit geprüft werden sollte. Interessanterweise ergeben sich bei Gehäusen aus Kunststoffen oder auch Stahl weniger strenge Anforderungen als bei Gehäusen aus Aluminium. Denn wie leicht Wasser durch einen Leckkanal mit definierter Länge und Durchmesser in ein Gehäuse eindringt, hat entscheidend damit zu tun, wie leicht sich ein Wassertropfen vom Gehäusematerial ablösen kann. Von Aluminium löst sich Wasser viel leichter ab als von Kunststoff.

Um die Wasserdichtheit von Kunststoffgehäusen sicherzustellen, lassen sie sich mit der einfachen Akkumulationsmethode gegen eine Helium-Leckrate von 10–3 mbar∙/s prüfen. Das Gehäuse wird dafür mit dem Prüfgas befüllt. Dann misst man, wie viel Prüfgas aus einem etwaigen Leck in einem bestimmten Zeitraum in eine simpel aufgebaute Akkumulationskammer austritt. So errechnet sich der Volumenstrom des austretenden Prüfgases und damit die konkrete Leckrate.

Bei Gehäusen aus Aluminium sind Prüfungen gegen tausendfach kleinere Lecks erforderlich. Für solche Tests gegen Grenzleckraten von 10–5 bis 10–6 mbar∙/s kommt nur die Heliumprüfung in der Vakuumkammer infrage. Das Aluminiumgehäuse wird dazu mit Helium befüllt und in eine Kammer gebracht, aus der man dann die Luft evakuiert. Damit sind auch kleinste Mengen Helium nachweisbar, die in das Vakuum der hochdichten Kammer austreten. Besteht allerdings keine Befüllmöglichkeit am Gehäuse – etwa weil es bereits hermetisch abgedichtet ist –, verwendet man die sogenannte Bombing-Methode. Dabei wird das Prüfteil zunächst einer Helium-Atmosphäre ausgesetzt, sodass das Prüfgas durch etwaige Lecks ins Gehäuseinnere eindringen kann. Erst dann kommt dieses Prüfteil in die Vakuumkammer, in der das Helium durch die Leckstelle wieder austritt.

In manchen Fertigungsprozessen wird die spätere Dichtheitsprüfung bereits berücksichtigt und das Bombing vermieden. Dafür befüllt man das Gehäuse unmittelbar vor seiner endgültigen Abdichtung mit einem Prozent Helium. Um bei der Prüfung austretendes Helium nachzuweisen, ist wegen der geringen Prüfgaskonzentration oft wiederum die Vakuumkammer erforderlich.

Es gibt allerdings noch einen anderen Weg, das Prüfgas is Innere zu bringen. Steuermodule sind sehr oft mit einer semipermeablen Gore-Tex-Membran ausgestattet. Sie hat den Zweck, temperaturbedingte Luftdruckunterschiede auszugleichen und eine Druckdifferenz zwischen Gehäuseinnerem und Umgebung zu vermeiden. Die Tatsache, dass solche Gehäuse durch ihre Membran gleichsam atmen, macht man sich zunutze, um sie bei der Dichtheitsprüfung mit Helium zu beaufschlagen. In einer Akkumulationskammer oder einer Vakuumkammer ist das austretende Prüfgas dann nachweisbar.

Dringt durch ein Leck Luftfeuchtigkeit ein und kondensiert bei einer Temperaturänderung, kann dies die Funktionssicherheit beeinträchtigen. Viele ADAS-Sensoren müssen darum sogar gasdicht sein. Luftfeuchtigkeit ist etwa für Lidar- und Radar-Sensoren problematisch. Lidar-Sensoren dienen der Erfassung von Objekten in mittleren Distanzbereichen. Dagegen decken Radar-Sensoren einerseits den Nahbereich um das Fahrzeug ab und scannen andererseits Hindernisse auf größere Distanz. Hinzu kommen Ultraschall-Sensoren für Einparkvorgänge. Um die Gasdichtheit der sicherheitskritischen Lidar- und Radar-Komponenten zu verifizieren, sind Dichtheitsprüfungen gegen Grenzleckraten im Bereich von 10–6 bis 10–7 mbar/s nötig. Dies macht eine Helium-Vakuumprüfung unausweichlich.

Derzeit werden noch viele Sensoren nur mit dem weit unempfindlicheren Druckabfallverfahren geprüft. Auch die tendenzielle Unzuverlässigkeit ist eine große Schwäche dieser Methode. Erhöht sich die Temperatur während der Druckabfallprüfung nur minimal, steigt entsprechend der Druck – was potenzielle Lecks verschleiert. Fällt die Temperatur dagegen ab, sinkt auch der Druck, und es kommt zu Fehlalarmen. Gerade im Fall von ADAS-Komponenten und -Sensoren spricht somit nicht nur die weit höhere Empfindlichkeit dafür, anstelle von Druckverfahren Prüfgase einzusetzen.

Inficon Holding AG
Hintergasse 15B
7310 Bad Ragaz/Schweiz
www.inficon.com


Bild: Inficon

Sandra Seitz
Market Manager Automotive Leak Detection Tools
Inficon
www.inficon.com


Webhinweis

Ein Video von Inficon zeigt, welche Wassermenge aus Lecks verschiedener Größen austreten – unter den Bedingungen, die die DIN EN 60529 für IP67 vorschreibt:



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