Die Sonne in der Klimakammer

Der Einfluss von Umweltbedingungen auf ihre Produkte ist für Automobilhersteller eine große Herausforderung. Das gilt vor allem, wenn sie weltweite Märkte und damit auch unterschiedliche Klimazonen bedienen. Denn bei extremen thermischen Bedingungen und Sonnenlicht können sich Materialien ausdehnen, zusammenziehen, austrocknen oder aufquellen. Dadurch kann sich die Funktionsfähigkeit von Komponenten wie Armaturenbrettern, Lenkrädern und elektronischen Bauteilen wie Airbags verringern oder sogar komplett verloren gehen. Die Kettenreaktion, die eine geschädigte Komponente innerhalb der Pkw auslösen kann, ist dabei noch gar nicht berücksichtigt. Ein enormes Qualitäts- und Sicherheitsrisiko für die Hersteller und Nutzer.

Zulieferer und Produzenten setzen deshalb auf professionelle Funktionstests, um Komponenten, komplexe Baugruppen und fertige Produkte auf ihre Beständigkeit gegen Umwelteinflüsse hin zu prüfen. Solche Tests erfolgen in speziellen Prüfständen, die Temperatur, Trockenheit, Feuchtigkeit und Sonneneinstrahlung präzise simulieren. Die Materialprüfungsexperten von Atlas Material Testing Technology unterstützen Hersteller dabei mit individuell konzipierten Prüfständen. Auch Zulieferer von Rohmaterialien wie Kunststoffen, Textilien und Lacken testen ihre Produkte mit Bewitterungsgeräten auf Wetterbeständigkeit. So kennen auch Komponentenhersteller die Alterungsprozesse, die Folgen von Umwelteinflüssen und die Qualität ihrer Materialien exakt.

Automobilhersteller nutzen häufig einen zweistufigen Prozess für realitätsnahe Klimatests ihrer Komponenten, Baugruppen oder fertigen Produkte. Im ersten Schritt prüfen sie in kleineren Klimakammern, ob alle Materialien in einem Bauteil kombinierbar sind und sich auch unter extremen Bedingung nicht gegenseitig beeinträchtigen. Denn unter großer Hitzeeinwirkung können sich Werkstoffe entscheidend verändern. Zum Beispiel treten Emissionen auf, die gegebenenfalls andere Materialien im Umfeld schädigen – oder Kunststoffe im Lenkrad dehnen sich bei starker Sonnenstrahlung möglicherweise so weit aus, dass die präzise Funktionsfähigkeit des Airbags gefährdet ist. Hersteller und Zulieferer müssen deshalb gemeinsam das Zusammenspiel der verwendeten Werkstoffe optimieren.

Nachdem die einzelnen Komponenten auf ihre Kombinierbarkeit getestet sind, kommen im zweiten Schritt die kompletten Autos auf den großräumigen Prüfstand. Dabei wird kontrolliert, ob Formen und Spaltmaße der zusammengesetzten Baugruppen unter starker Sonnenstrahlung sowie unter wechselnden Klimabedingungen einwandfrei bleiben. Meist zielen die Prüfungen darauf ab, die Wirkung von Temperatur zu ermitteln – entsprechend nationaler Industriestandards wie der Norm DIN 75220 (Vorgabe zur materialspezifischen Wärmeausdehnung).

Zudem liefern Klimawechseltests Ergebnisse zur Sicherheit und Funktionalität der gesamten Technik und Elektronik. Insbesondere das Wärmemanagement der Klimaanlage sowie Verbrauch, Geräuschentwicklung und Emissionswerte der Pkws, Züge und Flugzeuge stehen im Fokus der Prüfer. Während der beiden Prozessschritte sind die Prüfobjekte extremen Temperaturveränderungen ausgesetzt.

Es wirken hohe Temperaturen auf die Komponenten der Fahrzeuge – zum Beispiel bis zu 120 °C auf schwarzen Oberflächen. Ziel dieser Wechseltests ist es, Erkenntnisse über das Verhalten der Produkte unter Extrembedingungen wie Wüsten- und Tropenklima sowie starker Kälte zu gewinnen. Zusätzlich simulieren Hersteller verschiedenste Klimazonen und die Umweltbedingungen in den späteren Absatzregionen. Auch der Wechsel von Tag und Nacht fließt in die Prüfung mit ein.

Die Bedingungen während der Funktionsprüfungen müssen möglichst realitätsnah sein. Nur so sind die Aussagen über das Materialverhalten – zum Beispiel unter großer thermischer Belastung – zuverlässig. Feuchtigkeit, Wind sowie Sonnenstand und -intensität zu verschiedenen Tageszeiten müssen deshalb dem Verhältnis und der Intensität der gewünschten Klimazone entsprechen. Eine besondere Herausforderung ist dabei die präzise Simulation der Sonneneinwirkung: Nur eine gleichmäßige Oberflächenbestrahlung in Abhängigkeit vom Sonnenstand gewährleistet auch die sonnenähnliche Energieaufnahme.

Für die Klimatests greifen die Hersteller deshalb auf spezielle Solar-Klimakammern mit integrierten Sonnensimulationssystemen zurück. Der Aufbau ist meist modular – und die Zahl der Strahler auf das Objekt angepasst. Die Größe der Klimakammern reicht von Laborprüfkammern für Kleinteile und Komponenten über sogenannte Walk-in-Kammern mit Platz für mehrere Armaturenbretter. Die Drive-in-Ausführung ist für Funktionstests kompletter Autos geeignet.

Die Auswahl der richtigen Leuchtmittel ist entscheidend für Qualität und Aussagekraft der Ergebnisse: Sie ermöglichen die Sonnensimulation in den Prüfständen sowie die naturgetreue und gleichmäßige Licht- und Temperaturverteilung auf allen Außen- und Innenflächen der getesteten Objekte.

Während die Klimakammer über ihre Kammerluft die Umgebungstemperatur erzeugt, sorgen die Lampen für eine realistische und sonnenähnliche Bestrahlung. Damit simulieren sie den solaren Wärmeeffekt, den sowohl die visuelle (VIS) als auch die Infrarot(IR)-Strahlung hervorrufen.

Dabei variiert die Intensität der Bestrahlung, um Tagesabläufe und Sonnenstände realistisch abzubilden. Die Materialien nehmen in dieser Zeit entsprechend Sonnenenergie auf und erhitzen sich. Aufgrund ihrer spektralen Eigenschaften absorbieren Komponenten mit verschiedenen Farben auch unterschiedlich viel Energie. Zum Beispiel erreicht ein schwarzes Armaturenbrett unter derselben Sonneneinstrahlung deutlich höhere Temperaturen als rote Ledersitze. Deshalb sollten bei den Prüfungen Lampen zum Einsatz kommen, die das komplette Strahlungs-Spektrum abbilden können – für aussagekräftige Ergebnisse. Ausschlaggebend sind dafür die Werte der internationalen Referenzsonne CIE 85.

Um mit dem Simulationssystem unterschiedliche Sonnenstände und komplette Tagesabläufe wirklichkeitsgetreu nachzubilden, ist häufig ein mechanisches Positionierungssystem in die Prüfstände integriert. Hier sind die Leuchteinheiten in speziellen verfahr- und steuerbaren Rahmen befestigt, um die Position der Lichtquelle in der Prüfkammer automatisch anzupassen. Denn für präzise Messergebnisse ist die genaue Nachbildung der physikalischen Strahlungseffekte wichtig, ohne sie mit mechanischer Vereinfachung einzuschränken.

Die Prüfergebnisse aus der Simulation vergleichen Atlas-Experten mit Messergebnissen aus Freibewitterungstests. So stellen sie fest, ob die beobachteten Eigenschaftsveränderungen auch unter dem Einfluss realer Klimaverhältnisse entstanden sein könnten. In der Freibewitterung ermitteln Prüftechniker Klimadaten wie die durchschnittliche Temperatur, die Sonnenstunden und den Gesamtniederschlag in den wichtigen Klimazonen der Erde – in der Wüste genauso wie in subtropischem und mediterranem Klima – und liefern so alle für Labortests relevanten Messdaten.

Sind keine natürlichen Werte verfügbar, unterstützt eine spezielle Atlas-Software für virtuelle Simulation von Klimabedingungen die Prüfvorgänge. Sie berechnet exakt die Bestrahlungswerte und fasst Einstellungen wie Oberflächenstruktur, Tageszeit sowie Neigungswinkel zu einem naturgetreuen Klimamodell zusammen. Um die Übereinstimmungen zwischen der Laborprüfung und dem realistischen Anwendungsfall zu erfassen, kann die Software Cesora Spektralbereiche zwischen 250 und 3000 nm miteinbeziehen.

Neben Sonne und Feuchtigkeit können komplexere Prüfstände weitere Einflussfaktoren simulieren, um die Bedingungen späterer Anwendungsfälle noch präziser darzustellen. Die entsprechenden Daten fließen in die Prüfung mit ein – zum Beispiel Luftströmung aus einem Klimawindkanal oder Drehzahlen eines Straßensimulators. Dabei können Prüfer den Einsatz aller Module von einer Hauptsteuerung aus regeln. Das Sonnensimulationssystem lässt sich einfach mit dieser Steuerung verknüpfen. ■