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Oct 02, 2023

Dichtheitsprüfung von Aluminiumgussteilen

Bei der Outside-In-Prüfmethode wird ein Vakuum an das Teil angelegt und die Prüfkammer mit einem Gemisch aus Luft und Helium gefüllt. Wenn es ein Leck gibt, wandert Helium in das Teil, wo es sich befindet

Bei der Outside-In-Prüfmethode wird ein Vakuum an das Teil angelegt und die Prüfkammer mit einem Gemisch aus Luft und Helium gefüllt. Bei einem Leck dringt Helium in das Teil ein und wird dort vom Prüfgerät erkannt. Foto mit freundlicher Genehmigung von KUKA Assembly and Test Corp.

Durch die Erkennung von Komponentenlecks in den frühesten Phasen der Fertigung – nach dem Gießen und vor der Montage – können Getriebehersteller erhebliche Kosten einsparen. Foto mit freundlicher Genehmigung von KUKA Assembly and Test Corp.

Die „Schneckenspur“ und andere Hohlräume werden mit einer teilespezifischen Vorrichtung abgedichtet, die auf enge Maßtoleranzen gefertigt ist. Foto mit freundlicher Genehmigung von KUKA Assembly and Test Corp.

Neben dem Motor ist das Automatikgetriebe möglicherweise das wichtigste Teilsystem eines Automobils. Es spielt eine Schlüsselrolle für Handling, Leistung und Kraftstoffverbrauch.

Da Automatikgetriebe zur Übertragung rotierender mechanischer Kraft auf Flüssigkeitskupplungen angewiesen sind, ist es wichtig, dass diese keine Undichtigkeiten aufweisen. Das Erkennen von Komponentenlecks in den frühesten Phasen der Fertigung – nach dem Gießen und vor der Montage – erspart Getriebeherstellern erhebliche Kosten und Kopfschmerzen.

KUKA Assembly and Test Corp. ist ein Systemintegrator, der sich auf Montage- und Testsysteme für wichtige Automobil-Subsysteme wie Motoren, Getriebe, Achsen, Aufhängungskomponenten und Lenkungskomponenten spezialisiert hat. Zu unseren Kunden zählen Ford Motor Co., Borg Warner Inc., Harley-Davidson Inc. und Caterpillar Inc.

Wir verwenden Helium-Lecksucher zur Unterstützung bei der Produktion fortschrittlicher Automatikgetriebe, wie z. B. der neuen Neun- und Zehnganggetriebe, die zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs entwickelt wurden. In der Vergangenheit wurden viele Lecks bei oder nach der Endmontage entdeckt. Unsere Vorrichtungen und Vorrichtungen sind mit Helium-Lecksuchern von Inficon ausgestattet. Dadurch können wir die meisten Lecks schon bald nach dem Gießen der Teile erkennen und so die Kosten senken, indem fehlerhafte Gussteile frühzeitig im Montageprozess beseitigt werden.

Die Dichtheitsprüfungsprozesse von KUKA nutzen teilespezifische Vorrichtungen und Automatisierung. Nach dem Gießen und Bearbeiten werden die Getriebegehäuse robotergesteuert in die Prüfkammer geladen. Im Inneren der Kammer werden der „Wurmpfad“ und andere Hohlräume mit einer teilespezifischen Vorrichtung abgedichtet, die auf enge Maßtoleranzen gefertigt ist.

Sobald das Teil eingespannt und abgedichtet ist, wird die Kammer evakuiert. Anschließend wird Helium in das Gehäuse injiziert, das mit einem Inficon LDS3000 Helium-Lecksucher verbunden ist. Ventilatoren bewegen die Luft im Inneren des Gehäuses, um eine gleichmäßige Mischung aus 1 Prozent Helium und Luft zu erzeugen.

Der Lecksucher ist über ein Ventil und Werkzeug am Schneckenweg mit dem Prüfteil verbunden. Wenn das Ventil geöffnet wird, kann Helium, das die Außenseite des Teils umgibt, über Porositätslecks, Risse, Gewindelecks und andere Wege in das Innere des Teils wandern. Es wandert durch das Gehäuse in das Getriebe, wo es vom Leckdetektor erkannt und quantifiziert wird. An diesem Punkt kann eine Gut-Schlecht-Entscheidung auf der Grundlage standardisierter Leckraten getroffen und Daten zur Rückverfolgbarkeit gesammelt werden. Alle Passagen werden einzeln geprüft.

„Der Helium-Lecksucher von Inficon ist bei der Erkennung von Porositätslecks genauer als Luft- oder Unterwassertests“, bemerkt Thomas Parker, Automobil-Verkaufsleiter von Inficon für Nordamerika. „Zum Beispiel könnte ein Bereich von nur 1 Zoll Durchmesser auf einem Aluminiumgussteil bis zu einer Billion Löcher aufweisen, durch die Heliummoleküle wandern können. Eine solche Porosität würde bei Luft- oder Unterwassertests niemals festgestellt werden.

„Lecks sehen nicht unbedingt wie Risse oder perfekte kreisförmige Löcher aus. Sie ähneln möglicherweise einem höhlenartigen System aus mikroskopisch kleinen Rissen und Taschen im Metall. Bei Luftdruckprüfungen kann die erforderliche Zeit zum Erkennen eines Druckabfalls (der zur Messung der jetzt von Automobilherstellern geforderten niedrigen Leckraten erforderlich ist) Tage betragen.“

Die Erkennung von Heliumlecks dauert nur wenige Sekunden, wobei die gesamte Teil-zu-Teil-Testzeit etwa 30 bis 40 Sekunden beträgt. Durch dieses kurze Intervall erfolgt die Leckerkennung so zeitnah wie bei jedem anderen Produktionsprozess.

Eine branchenüblich zulässige Leckrate beträgt etwa 1 Standardkubikzentimeter pro Minute (sccm). Mit zunehmender Komplexität der Getriebe sind auch die darin enthaltenen Flüssigkeiten komplexer geworden. Die Leistungsanforderungen sind höher und die Leckraten geringer. Beispielsweise können bei neueren Neungang- und Zehnganggetrieben Leckratenanforderungen von 0,1 sccm oder weniger gelten.

Gegen Ende des Montagebandes werden Getriebe oft noch einmal auf Dichtheit geprüft, diesmal von innen nach außen. Anstatt ein Vakuum an das Teil anzulegen und die Prüfkammer mit Helium zu füllen, wird der Vorgang umgekehrt. In der Prüfkammer wird ein Vakuum angelegt und das Getriebe mit Helium gefüllt.

Der Vorgang funktioniert folgendermaßen: Das fertig montierte Getriebe wird in die Kammer gelegt und versiegelt. Anschließend werden Getriebe und Prüfkammer gleichzeitig evakuiert und das Getriebe mit Helium aufgefüllt. Da der Druckunterschied an den Getriebedichtungen 4 psi nicht überschreiten darf, wird das Getriebe intern mit 100 Prozent Helium bei etwa 3 psi unter Druck gesetzt.

Wenn ein Leck vorhanden ist, wandert Helium aus dem Getriebegehäuse in die Prüfkammer, wo es vom Inficon LDS3000-Instrument erkannt wird.

Der Inside-Out-Test wird durchgeführt, da Hersteller es vorziehen, innerhalb der Designkriterien des zu testenden Artikels zu testen. Bei einem Automatikgetriebe werden Flüssigkeitsdrücke von innen nach außen ausgeübt. Der Inside-Out-Test mit Helium bildet diese Betriebsbedingungen nach. Wenn unter Druck Durchgänge gequetscht oder Verbindungen aufgeweitet werden, kann Helium auf die gleiche Weise austreten, wie Flüssigkeiten austreten könnten. Trotz der Komplexität eines Getriebes – mit seinen Magnetventilen, Drehmomentwandlern, Schneckenwegen und anderen Wegen – kann Helium bei Undichtigkeiten schnell ins Vakuum gelangen.

„Der Heliumprozess ist im Vergleich zu anderen Testmethoden ein wiederholbarerer Test und nicht temperaturabhängig“, erklärt Parker. „Bei der Helium-Leckerkennung werden viele Variablen aus der Testgleichung entfernt, wodurch eine hohe Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit des Messgeräts erreicht wird.“

Im Vergleich zu Luftprüfmethoden bietet die Heliumprüfung mehrere Vorteile. Zum einen wird die Luftprüfung erheblich von der Temperatur beeinflusst. Heiße Teile oder abkühlende Teile können dazu führen, dass ein Massendurchflusstest ungenau und nicht wiederholbar ist. Zweitens sind Prüfgas-Lecktests nicht vom Volumen des Teils abhängig. Lufttestmethoden wie Massenstrom und Druckabfall werden vom Teilevolumen beeinflusst. Größere Volumina bedeuten längere Testzeiten und eine verringerte Empfindlichkeit.

Druckabfalltests erfordern eine Stabilisierungszeit. In manchen Fällen muss der Druck im Teil möglicherweise mehrmals „aufgefüllt“ werden. Durch den Druck wird jedoch auch Wärme erzeugt, was die Genauigkeit des Tests beeinträchtigen kann.

Die Helium-Lecksuche erfolgt bei niedrigeren Drücken. Das spart Zeit und erhöht die Sicherheit. Aufgrund der Empfindlichkeit der Helium-Lecksucher von Inficon ist zum Testen eines Teils nur eine geringe Menge Helium erforderlich. Je nach Teil kostet ein typischer Heliumtest etwa 0,09 US-Dollar pro Teil. Selbst bei niedrigen Drücken kann Helium zeitbasierte Lecks wie Stringer und Porosität aufdecken, die bei Massenfluss- und Druckabfalltests möglicherweise übersehen werden.

„Wenn Sie einen Porositätszustand haben, in dem es eine Billion winziger Löcher gibt, ist Prüfgas die einzige Methode, um das Leck zu finden“, sagt Parker. „Mit Druckabfall- oder Massenflusstests kann es passieren, dass Sie ein Leck übersehen, weil sie nicht … Millionen von Lecks in nahezu molekularer Größe finden werden. Defekte liegen häufig an den Zwickelstellen eines Gussstücks. Durch den Gussprozess entstehen Einschlüsse im Aluminium, wodurch ein Leckpfad entsteht. Auch gewichtssparende dünne Wände können zu potenziellen Porositätsproblemen führen.“

Ein weiteres Problem beim Testen von Aluminiumgussteilen ist Schmutz. Auch wenn die Teile nahezu endkonturnah gegossen werden, können dennoch einige Bearbeitungen erforderlich sein. Die maschinelle Bearbeitung ist ein schmutziger Prozess, und schmutzige Teile eignen sich nicht für Druckabfall- oder Massenflusstests. Beim Testen mit diesen Methoden müssen die Teile mit einem Lösungsmittel gereinigt werden, um die Schneidflüssigkeiten zu entfernen.

Die Teilereinigung fügt dem Prozess einen weiteren Schritt hinzu, ganz zu schweigen von Bedenken im Zusammenhang mit dem Lösungsmittel selbst, wie etwa Rückgewinnung, Emissionen und Recycling. In manchen Fällen müssen die Teile auch Zeit in einem Ofen verbringen, um restliches Lösungsmittel und Feuchtigkeit auszubrennen, da Wasser und Feuchtigkeit die Testergebnisse beeinflussen.

Die Erkennung von Heliumlecks wird durch Schneidflüssigkeiten und andere Rückstände weniger beeinträchtigt. Die Reinigung der Teile ist nur minimal erforderlich, was den Prüfvorgang vereinfacht.

Weitere Informationen zu Dichtheitsprüfgeräten finden Sie unter www.inficon.com.

Weitere Informationen zu automatisierten Montage- und Prüfsystemen finden Sie unter www.kuka-at.com.

Von Steve Kurzava, technischer Spezialist, KUKA Assembly and Test Corp. Saginaw, MI