Dichtheitsprüfung

Wofür ist die Dichtheitsprüfung notwendig?

Die Dichtheitsprüfung oder auch Dichtigkeitsprüfung, ist eine zerstörungsfreie Prüfmethode, welche zum Nachweis der Dichtheit von Prüflingen oder der Ortung von Leckagen eingesetzt wird. Besonders in der Produktion spielen Dichtheitsprüfungen eine wichtige Rolle, denn die unterschiedlichsten Produkte und Systeme verlangen ein bestimmtes Maß an Dichtheit. Nicht nur installierte Systeme, dazu gehören beispielsweise Rohrleitungen wie Gas- und Abwasserleitungen oder Vakuum- und Kühlanlagen, müssen dicht sein, sondern auch Komponenten und Systeme in der Serienproduktion. Elektronikbaugruppen, Pumpengehäuse, Kraftstoff-Behälter oder Bauteile von Motoren sind nur eine kleine Auswahl der davon betroffenen Produkte. Daher muss die Dichtheitsprüfung, auch Lecktest genannt, in den unterschiedlichsten Branchen und Bereichen angewandt werden. Insbesondere in der Medizintechnik-, Kunststoff- und Automobilindustrie stellt sie eine besonders wichtige Prüfmethode für die Qualitätskontrolle dar.

Aufgrund der unterschiedlichen Anwendungsfälle haben sich verschiedene Dichtheitsprüfverfahren etabliert. Je nach Verfahren bieten sich unterschiedliche Dichtheitsprüfgeräte an, welche direkt in den Produktionsprozess integriert werden können. So lassen sich fehlerhafte Teile frühzeitig erkennen und es können Folgefehler und unnötige Kosten vermieden werden.

Dichtheitsprüfungen in der Serienfertigung

Zunehmende Automatisierung und Humanisierung des Arbeitsplatzes, bei gleichzeitiger Qualitätssteigerung, sind Forderungen, die auch in der Qualitätssicherung realisiert werden müssen. Während Werkstückabmessungen bei der zerspanenden Fertigung auf Dreh-, Bohr- und Transfermaschinen vollautomatisch überwacht und Werkzeuge entsprechend korrigiert werden, sind bei der Dichtheitsprüfung von Serienbauteilen und -baugruppen vielfach noch Methoden im Einsatz, welche den vorgenannten Forderungen bei weitem nicht gerecht werden. Zwar wurde eine Reihe zuverlässig arbeitender Prüfmethoden entwickelt, eine Integration in die Fertigungslinie, schnelle und genaue Arbeitsweise sowie klare Aussagen zum Prüfergebnis sind bei vielen Methoden der Dichtheitsprüfung jedoch nicht gegeben.

Die gebräuchlichsten Prüfmethoden sind:

• Unterwasser-Test
• Druckmessung
• Durchflussmessung
• Vakuum-Fluoreszenz-Test
• Ionisations-Test
• Halogen-Schnüffel-Test
• Massenspektrometer-Test
• Radioaktivitäts-Test

Bei den pneumatischen Dichtheitsprüfverfahren wird das zu prüfende Werkstück einer Druckdifferenz ausgesetzt, um festzustellen, ob aus dem Werkstück Druck entweicht. Die meisten dieser Verfahren können sowohl bei der Prüfung mit Überdruck als auch bei der Prüfung mit Unterdruck eingesetzt werden.

Für die Serienfertigung existieren mittlerweile verschiedenste Dichtheitsprüfgeräte mit unterschiedlichen Prüfverfahren, die sich individuell in den Fertigungsprozess von Serienteilen integrieren lassen. Um eine gleichbleibende Qualität gewährleisten zu können, müssen die Geräte in regelmäßigen Abständen nur noch mittels eines Testlecks oder einem Leckkalibrator auf Ihre Funktionalität geprüft werden.

Die Frage der Dichtheitsprüfung: Dicht oder undicht?

Der Begriff Dichtheit ist keine definierte Aussage. Absolut dichte Teile gibt es nicht. Die Forderung an die Dichtheit eines Bauteils ist abhängig von den späteren Betriebsbedingungen des Bauteils.
Die Dichtheitsprüfverfahren sind nach dieser Anforderung hinsichtlich der Höhe der Druckbeaufschlagung und der zulässigen Leckage festzulegen. Die Festlegung eines solchen Grenzwertes bereitet in der Regel Schwierigkeiten, da es hierfür keine allgemeingültige Berechnungsformel, sondern nur Erfahrungswerte aus ähnlichen Anwendungsfällen gibt.

Zulässige Leckage? Die Werkstücke müssen dicht sein!

Es gibt z.B. Bauteile an Verbrennungsmotoren, die müssen wasser- oder öldicht sein, andere dürfen keine Leckagen für Kraftstoff oder Gas aufweisen.
Ob ein Werkstück die geforderte Dichtheit aufweist, muss möglichst früh im Verlaufe des Herstellungsprozesses überprüft werden. Damit wird sichergestellt, dass es später im Einsatz unter den spezifischen Bedingungen ebenfalls dicht. Eine weitere Bearbeitung oder gar der Einbau in ein Endprodukt verursacht Kosten, die bei frühzeitiger Kontrolle vermeidbar sind.

Bei pneumatischen Dichtheitsprüfungen wird als Prüfmedium entweder Luft oder ein spezielles Prüfgas verwendet. Dies gilt auch wenn ein Werkstück flüssigkeitsdicht sein muss. Das Prüfmedium Luft hat gegenüber Flüssigkeiten eine wesentliche geringere Viskosität und ermöglicht damit eine wesentlich höhere Prüfgenauigkeit. Es gibt Leckagestellen, durch die praktisch keine Flüssigkeit entweichen kann - aber das gasförmige Prüfmedium. Damit ist eine Messung möglich.
Die wesentliche Voraussetzung für eine funktionierende Dichtigkeitsprüfung ist die Definition einer zulässigen Leckage.

Absolut Dicht – gibt es nicht

Absolut dichte Bauteile gibt es nicht. Daher kann eine absolute Dichtigkeit mit keinem Prüfverfahren festgestellt werden. Dies gilt auch für die Unterwassermethode. Im Allgemeinen lautet die Forderung, dass keine Blase aufsteigen darf. Genau betrachtet, heißt dies jedoch nur, dass im Verlaufe einer bestimmten Zeitdauer keine gerade noch sichtbare Blase zu erkennen ist.

Ist ein Werkstück dicht oder undicht, wenn eine Blase von 1 mm Durchmesser alle 3 Sekunden aufsteigt?
Dies festzulegen bedeutet, eine maximal zulässige Leckage zu benennen, bei deren Unterschreitung ein Werkstück noch als „dicht“ angesehen werden kann. Das heißt diese Leckage ist im späteren Einsatz noch tolerierbar ohne die Funktionssicherheit zu gefährden. Die Dichtheitsprüfung soll nun das Erkennen einer kleinen Leckage innerhalb kürzester Zeit ermöglichen.

Prüfspezifikation der Dichtheitsprüfung

Für die Spezifikation einer Dichtheitsprüfung werden zwei Parameter benötigt:

• max. zulässige Leckage
• Prüfdruck

Wie groß die zulässige Leckage sein darf, hängt von vielen Faktoren ab. Hier sind zu nennen:

• Werkstoff des Bauteils
• Konstruktive Gegebenheiten
• Vorgesehene Einsatzbedingungen

Die Kunst besteht nun darin, die Leckrate mit Luft festzulegen, bei der an einem Werkstück unter Betriebsbedingungen keine Leckage auftritt.
Für das Verhältnis von Luft- und Flüssigkeitsleckage ist das Verhältnis der Viskositäten entscheidend. Faktoren wie Wanddicke, Porosität oder Oberflächenbeschaffenheit haben jedoch auch ihren Anteil.
Die Angabe eines Leckagewertes muss immer mit einem dazu gehörenden Prüfdruck angegeben werden. Für die Dichtheitsprüfung wird der Prüfdruck meist so ausgelegt, dass die Bedingungen beim späteren Einsatz nachgezeichnet werden. Dies gilt für die Höhe des Druckes als auch für seine Wirkrichtung.

Mit steigendem Prüfdruck erhöht sich auch die Leckage. Dieser Anstieg ist bei größeren Leckstellen ungefähr proportional. Kleine Undichtigkeiten verhalten sich oftmals nicht so konstant wie beschrieben. Sie verändern sich unter Umständen auch unter dem Eindruck der Prüfung.

Letztendlich maßgebend ist die Wirtschaftlichkeit der Prüfung. Die Dichtheitsprüfung braucht nur so genau wie nötig sein. Wird die Leckagerate zu niedrig angesetzt, besteht die Gefahr, dass ein erhöhter Ausschussanteil „erprüft“ wird und damit die Fertigungskosten steigen. Die Durchführung von Versuchen zur Ermittlung der Leckrate ist ein probates Mittel. Oftmals liegen auch Erfahrungswerte für ähnliche Bauteile vor.

Für die Dichtheitsprüfung mit Luft (Druck- oder Durchflussmessung) wird die Leckage üblicherweise in Ncm³/min angegeben. Eine andere häufig zu findende Größe ist mbar*L/sec. Diese Angabe wird oft bei Verwendung eines speziellen Prüfgases (z.B. Helium) verwendet.
Die Umrechnung der beiden Größen ist einfach möglich:

60 Norm cm³/min = 1 mbar*L/sec

1 Norm cm³ ist die Gasmenge, die im physikalischen Normzustand (0°C und 1013 mbar) den Raum von 1 cm³ ausfüllt. 1 Norm cm³ ist aber kein Raummaß sondern eine Gasmenge, ausgedrückt in Raumabmessungen. Die Angabe Norm cm³/min ist somit ein Massestrom und kein Volumenstrom.

Wird die Leckrate in Norm cm³/min defineirt, hat dies für die Dichtheitsprüfung zur Folge, dass entweder im Massestromverfahren gemessen muss oder das Druckmesssignal um den Einfluss des barometrischen Drucks und der Umgebungstemperatur zu korrigieren ist.
Wird dies nicht gemacht, muss die Leckage in cm³/min oder ml/min angegeben werden, was in der Praxis auch üblich ist. Der Unterschied zwischen Normzustand und Prüfzustand beträgt durchschnittlich etwa 10%.

Die Methoden der Dichtheitsprüfung

Unterwassermethode

Der Unterwasser-Test (Sichtprüfung unter Wasser) ist noch immer eine häufig angewandte Prüfmethode, welche bei sorgfältiger Ausführung durch den Prüfer und bei guter Beobachtungsmöglichkeit des Werkstücks auch ein sehr genaues Ergebnis liefert.
Weitere Vorteile sind die relativ geringen Kosten und die Möglichkeit, die Leckstelle zu lokalisieren.

Es ist die einfachste und älteste Methode der Dichtheitsprüfung, welche nicht nur industriell angewandt wird. Durch das gleiche Verfahren werden beispielsweise Löcher in Fahrradschläuchen ermittelt, dabei reicht ein einfacher Eimer mit Wasser.
Die kommerzielle Prüfeinrichtung besteht aus einem Tauchbecken, einer Vorrichtung zum Abdichten der Werkstücke und einem Druckregler. Nachteile dieser Methode sind jedoch die fehlende Automatisierungsmöglichkeit, die Abhängigkeit vom Bedienungspersonal (geringe Prüfsicherheit) und der zusätzliche Aufwand für Rostschutz, sowie das Trocknen der Werkstücke. Zudem dauert sie sehr lange, weshalb heute häufig automatische Dichtheitsprüfanlagen zum Einsatz kommen.

Dichtigkeitsprüfung mittels Druckmessung

Bei der Druckmessung wird die aus dem Prüfling entweichende Luftmenge nicht direkt gemessen. Gemessen wird die Auswirkung der Leckagemenge auf den im Prüfling eingesperrten Prüfdruck.
Der Druckabfall bzw. Druckanstieg ist abhängig von der Größe des zu prüfenden Volumens.

Relativdruck- / Absolutdruckmethode

Die Relativdruck- und die Absolutdruckmethode sind in der Dichtheitsprüfung eine sehr häufig eingesetzte Methode.
Bei der Relativdruckmethode wird die Differenz gegen den Umgebungsdruck gemessen. Bei Drücken über dem Umgebungsdruck wird deshalb von Überdruckprüfung und bei Drücken unterhalb von Unterdruckprüfung gesprochen.
Bei der Absolutdruckmethode wird der Druck gegen das absolute Vakuum ermittelt und ist damit immer positiv.

Für die Dichtheitsprüfung wird der Prüfling mit einem Druck oder Vakuum beaufschlagt. Die durch die Leckagen entstehende Veränderung des Drucks wird anschließend gemessen und analysiert.
Der Prüfaufbau für diese Dichtheitsprüfung ist relativ einfach und die Möglichkeit der Automatisierung ist gegeben. Der Nachteil dieser Methode ist die Abhängigkeit vom Prüfdruck bei der Messwertauflösung und der starke Temperatureinfluss auf das Prüfergebnis.

Differenzdruckmethode

Dieses Prüfverfahren lässt sich gut automatisieren und in Dichtheitsprüfanlagen einsetzen, daher eignet es sich besonders für den Einsatz in der Serienfertigung.
Man füllt bei diesem Verfahren den Prüfling mit einem gewissen Druck und vergleicht diesen mit dem Druck eines Vergleichsvolumen, dessen Dichtheit feststeht.
Die Messwertauflösung ist unabhängig vom Prüfdruck. Die Messgenauigkeit wird durch den Messbereich des Differenzdruckaufnehmers bestimmt. Temperatureinflüsse wirken auf beide Seiten des Messsystems, der Einfluss ist somit geringer als bei der vorgenannten Methode.

Dichtheitsprüfung mittels Durchflussmessung

Bei der Durchflussmessung wird die durch das Messelement nachströmende Luftmenge gemessen. Es wird dabei zwischen der Massedurchflussmethode und der Volumendurchflussmethode unterschieden.