Lithium-Ionen-Akkus und Co.

Dicht ist nicht gleich dicht!

01. September 2020, 16:24 Uhr   |  Corinna Puhlmann-Hespen


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Teil 2, Testverfahren im Vergleich

Das Druckabfall-Verfahren stößt an Grenzen

Leckraten in der Größenordnung von 10-3 mbar∙l/s (0,06 sccm) stellen in der Praxis die Grenze dessen dar, was sich mit einer herkömmlichen Druckabfallprüfung unter idealen Bedingungen gerade noch feststellen lässt. Für ihre Dichtheitsprüfung in der Fertigung greifen viele Hersteller darum nur bis zu Grenzleckraten von 10-2 mbar∙l/s (bzw. bis 1 sccm) und bei der Prüfung auf Groblecks zur tendenziell unzuverlässigeren Druckabfallprüfung. Der Nachteil: Gerade bei großen Bauteilvolumina wird die Messung der Druckveränderung schon durch kleinste Temperaturschwankungen während des Prüfprozesses stark beeinträchtigt. Dies lässt sich bei der Druckabfallprüfung nicht vollständig kompensieren – sie führt dann sehr leicht zu falsch positiven oder falsch negativen Ergebnissen. Darum bieten sich für alle Grenzleckraten im Bereich 10-3 mbar∙l/s oder kleiner eher die zuverlässigeren, prüfgasbasierten Methoden an. Die Wahl der konkreten Prüfmethode hängt auch davon ab, welche Druckdifferenz ein Bauteil verträgt. Erschwerend kommt hinzu, dass viele Teile, die dazu ausgelegt sind, die Schutzklasse IP67 einzuhalten, nur recht kleine Druckdifferenzen von 0,1 oder 0,2 bar aushalten – ohne dass das Bauteil selbst oder seine Dichtungen beschädigt werden.

Automatisierte Roboter-Lecksuche

Ist beispielsweise ein Battery Pack bereits zusammengebaut und der Hersteller möchte die Integrität der Dichtungen testen, verbietet sich ein zu hoher Differenzdruck, denn er könnte die Dichtungen beschädigen. Darum ist hier unter anderem die prüfgasgasbasierte Roboterschnüffellecksuche empfehlenswert. Dabei wird im Bauteil ein Prüfgasüberdruck von nur 0,1 bar erzeugt, und ein Roboterarm führt den Prüfgassensor automatisch an den Dichtungen des Battery Packs entlang, um gegebenenfalls austretendes Prüfgas zu detektieren. Zu berücksichtigen ist dabei, dass es sich um einen Materialmix handelt.  Denn in diesem Szenario besteht ein etwaiger Leckkanal auf seiner einen Seite aus dem Gehäusematerial, meist Aluminium, und auf seiner anderen Seite aus dem Polymer der Dichtung. Entsprechend sollte man auch die Grenzleckrate, gegen die die Dichtung zu prüfen ist, zwischen den materialtypischen Leckraten mitteln. Für dieses Prüfszenario wäre also eine Grenzleckrate im Bereich 10-4 mbar∙l/s ausreichend (auch wenn das reine Aluminiummaterial eine Prüfung gegen 10-5 bar∙l/s erfordern würde).

Eine weitere Option für eine integrale Dichtheitsprüfung des bestückten und versiegelten Battery Packs stellt die Akkumulationsprüfung dar. Dabei ermittelt man in einer simplen Akkumulationskammer, ob Prüfgas aus dem Innern des Prüfteils austritt. Ventilatoren sorgen dafür, dass sich austretendes Prüfgas in der Kammer verteilt und sich darin akkumuliert, um dann vom stationären Sensor detektiert zu werden.

Vakuum-Methode mit kürzesten Taktzeiten

Andere Bauteile sind Druckdifferenzen gegenüber natürlich deutlich robuster als ein fertiges Battery Pack. Ein noch nicht bestücktes Gussgehäuse aus Aluminium etwa hält auch hohen Druckdifferenzen stand. Für eine Vorprüfung der Dichtheit eines solchen Aluminiumgehäuses bietet sich darum eine Helium-Dichtheitsprüfung in der Vakuumkammer an. Neben ihrer Empfindlichkeit ist der große Vorzug der Vakuummethode ihre hohe Geschwindigkeit: Sie gestattet besonders kurze Taktzeiten in der Fertigungslinie. Das Prüfteil wird bei der Vakuummethode zuerst evakuiert und dann unter einem Druck von 1 bar mit dem Prüfgas Helium befüllt. Um das Prüfteil herum erzeugt man in der Vakuumkammer dann ein Vakuum. So lässt sich austretendes Helium sofort nachweisen. Alternativ arbeitet man sogar mit einem Druck von bis zu 6 bar, reduziert dann aber die Helium-Konzentration auf 15 Prozent. In jedem Fall ist bei der Vakuummethode die Druckdifferenz so groß, dass sich die Grenzleckrate, gegen die geprüft werden muss, vergrößert – ungefähr um den Faktor 10. Für die völlige Wasserdichtheit eines Aluminiumgehäuses prüft man in der Vakuumkammer also nicht gegen eine Grenzleckrate im Bereich von 10-5 mbar∙l/s, sondern von 10-4 mbar∙l/s. Der grundsätzliche Zusammenhang zwischen den Eigenschaften des Materials im Hinblick auf das Haftvermögen gegenüber Wasser und der entsprechend zu prüfenden Grenzleckrate bleibt aber auch bei der Vakuumprüfung unverändert wirksam: Stahl und Kunststoffe sind am Unkritischsten und Aluminium besonders anspruchsvoll.

Fazit: Will ein Hersteller etwaige Probleme durch einen Wassereintritt völlig ausschließen oder zumindest auf sehr wenige Wassertropfen begrenzen, führt an prüfgasbasierten Methoden letztlich kein Weg vorbei. Entscheidend dafür, welche konkrete Prüfgasmethode infrage kommt, ist, welchen Differenzdruck das Bauteil verträgt. Für die Vorprüfung von Gehäusen bietet sich die sehr schnelle und genaue Heliumprüfung in der Vakuumkammer an.

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2. Teil 2, Testverfahren im Vergleich

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