Normgerechte Reinheitsprüfung und -analyse von Fahrzeugkomponenten

Auswirkungen von Kontamination auf Fahrzeugkomponenten

Wichtige Fahrzeugkomponenten sind unter anderem solche, die in Motoren verwendet werden. So werden z. B. Kolben, die sich mit einem Spiel von wenigen Mikrometern in einer Zylinderlaufbuchse eines Motorblocks immer wieder hin und her bewegen, mit Motoröl luftdicht gehalten. Wenn eine geringe Menge an Metallverunreinigungen an der Seitenfläche eines Kolbenrings haftet, wird bei wiederholter Hin- und Herbewegung die Innenwand der Zylinderlaufbuchse beschädigt, was zu Motorproblemen führt.
Mit der zunehmenden Anzahl von Fahrzeugen, die mit Hochleistungsbatterien ausgestattet sind, wie z. B. Elektrofahrzeuge (EVs), Hybridelektrofahrzeuge (HEVs) und Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge (PHEVs), wird es auch immer wichtiger, auf die Metallkontamination von Komponenten und Materialien zu achten. Diese Kontamination kann dazu führen, dass Lithium-Ionen-Batterien Hitze entwickeln oder sich entzünden können.
Neben der vollständigen Reinigung dieser Bauteile nach der Fertigung ist auch ein Reinheitsmanagement durch Reinheitsprüfung und -analyse nach internationalen Industriestandards erforderlich.

Internationale Reinheitsstandards ISO 16232 und VDA 19

Als Standards zur Reinheitsprüfung von Fahrzeugkomponenten wurde 2002 vom Verband der Automobilindustrie die VDA 19-Norm herausgegeben, gefolgt von der ISO 16232, die im Jahr 2007 als internationale Norm veröffentlicht wurde. Mit diesen Normen wurde die Messung und Kompositionsanalyse von Fremdpartikeln unter Einhaltung der Qualitätsanforderungen zur Pflicht.
Diese Normen definieren das Reinheitsmanagement für öl- und wasserhaltige Fluidteile wie Tanks, Pumpen, Ventile, Rohre, Leitungen und Gehäuse – die wichtige Teile für Fahrzeugkomponenten wie Motoren, Turbolader und Getriebe sind – sowie für Lithium-Ionen-Batterien und elektronische/elektrische Komponenten. Partikelförmige Verunreinigungen, die in den Herstellungsprozessen dieser Fahrzeugkomponenten entstehen, werden im Reinigungsprozess weitestgehend entfernt. Daher ist es notwendig, Messungen und Analysen durchzuführen, um sicherzustellen, dass die in ISO 16232 und VDA 19 definierten Anforderungen an die Reinheit erfüllt werden.
Auch für Öl, das häufig in Fahrzeugen verwendet wird, gibt es eine internationale Industrienorm, die sich auf die technische Reinheitsprüfung in Flüssigkeiten bezieht. Mit dem Verfahren nach ISO 4406 zur Codierung der Anzahl der Feststoffpartikel wird die Art der Verunreinigung bestimmt.

Verfahren der Reinheitsprüfung und -analyse

Es gibt verschiedene Verfahren bei der Reinheitsprüfung und -analyse, wobei die folgenden zwei Verfahren nach ISO 16232 und VDA 19 als Standardverfahren bei der Reinheitsprüfung für die Automobilindustrie definiert sind.

Gravimetrisches Verfahren

Dieses Verfahren stellt die einfachste Methode zur quantitativen Bestimmung der Feststoffpartikel dar, da sie sich auf die Partikelmasse, als Differenz der Mengen der Ölprobe vor und nach der Präparation, bezieht.
Allerdings gibt dieses Verfahren keine Auskunft über die Partikelverteilung nach Partikelgrößen und die Eigenschaften von Kleinstpartikeln wie Metallen und Fasern aus. Somit lassen sich keine Informationen gewinnen, die für die Ermittlung der Ursache für die Kontamination oder die Verhinderung eines erneuten Auftretens nützlich sind.

Lichtstreuungsverfahren

Dabei werden optische Mikroskope zur Prüfung und Analyse eingesetzt. Es ist möglich, nicht nur das Vorhandensein und das Volumen von Verunreinigungen zu bestimmen, sondern auch die Partikelverteilung nach Partikelgrößen und die Eigenschaften von Partikeln.
Im Fahrzeugbau, wo Verunreinigungen durch kleinste Partikel die Qualität, Leistung und Sicherheit wichtiger Sicherheitskomponenten stark beeinträchtigen können, wird die Reinheitsprüfung mit Mikroskopen anhand dieses Lichtstreuungsverfahrens am häufigsten eingesetzt.

Vorgehensweise beim Extrahieren, Messen und Analysieren von Verunreinigungen mit dem Lichtstreuungsverfahren

Im Rahmen der Reinheitsanalyse von Fahrzeugkomponenten ist eine Prüfung nach der Montage bei komplexen Funktionsbauteilen, wie z. B. Motoren, nicht möglich. Daher wird das folgende Verfahren verwendet, um Analysen für jedes Bauteil durchführen zu können.

1. Das Bauteil mittels Hochdruckreiniger reinigen, um Fremdpartikel zu entfernen.
2. Die gereinigte Flüssigkeit durch einen Membranfilter filtern, um Fremdpartikel abzufangen.
3. Den verwendeten Membranfilter mittels Mikroskop analysieren.

Bei der Messung und Analyse mit Mikroskopen werden die Partikelanzahl, die Partikelgrößen und die Art der Fremdpartikel (z. B. Metalle und Fasern) unter identischen Einstellungen gemessen, analysiert und verglichen, um Messwertschwankungen zu vermeiden. Danach erfolgt eine detaillierte Untersuchung, einschließlich der Feststellung, ob diese Punkte Risikofaktoren für Fahrzeugkomponenten darstellen.
Nach ISO 16232 und VDA 19 werden verschiedene Standards definiert, von Verfahren zur Extraktion von Fremdpartikeln bis hin zur Mindestpartikelgröße, für die eine Analyse erforderlich ist. Für die automatische Messung sind auch die Pixelanzahl und die Extraktion von Fremdpartikeln definiert. Außerdem müssen die Berichte in einem Format erstellt werden, das diesen Standards entspricht.

Genauere und einfachere Reinheitsprüfung und -analyse nach ISO 16232 und VDA

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Die Modellreihe VHX ermöglicht die Durchführung von Restschmutzanalysen gemäß den Reinheitsstandards 16232 und VDA 19 für die Automobilindustrie. Mithilfe von Aufnahmen mit hoher Tiefenschärfe, die mit einem Digitalmikroskop in hoher Auflösung aufgenommen wurden, können auch Objekte mit unebenen Oberflächen mit hoher Genauigkeit gemessen und analysiert werden.

Im Modus „Detaillierte Analyse“ muss lediglich in einem Bereich des Membranfilters eine bestimmte Verunreinigungsfläche ausgewählt werden. Der Objekttisch bewegt sich dann automatisch zu diesem Bereich und die Vergrößerung kann einfach erhöht werden, um eine detaillierte Betrachtung zu ermöglichen. Dadurch wird der Prozess der Identifizierung von Fremdpartikeln vereinfacht und der Betrieb effizienter. Darüber hinaus ist eine detaillierte Betrachtung und Quantifizierung auch bei unebenen Oberflächen möglich, indem Tiefenzusammensetzung und 3D-Höhenmessung gleichzeitig verwendet werden.

Zeitersparnis und Quantifizierung durch automatisch reproduzierte Bedingungen und automatische Kalibrierung

Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX

Das Mikroskop speichert und reproduziert vergangene Bildaufnahmebedingungen. Durch einfaches Auswählen eines aufgenommenen Bildes als Vorlage werden dessen Aufnahmeeinstellungen (wie z. B. Objektivvergrößerung, Belichtungszeit, Verstärkung, Seitenlicht, Kantenanhebung, Weißabgleich und Lichtanpassungsbedingungen) geladen und automatisch reproduziert. Diese automatische Reproduktion der Einstellungen reduziert nicht nur die Arbeitszeit erheblich, sondern bietet auch verschiedenen Anwendern die Möglichkeit, Objekte unter exakt gleichen Bedingungen zu betrachten, was zu stabilen Analyseergebnissen führt.

Das hochauflösende Objektiv und der motorisierte Revolver ermöglichen eine nahtlose Zoomfunktion, die je nach Verunreinigungsgrad schnell zwischen 20- und 6000-facher Vergrößerung umschaltet, sodass ein Objektivwechsel nicht mehr erforderlich ist. Zusätzlich erkennt die Modellreihe VHX automatisch das verwendete Objektiv und kann Vergrößerungsdaten zusammen mit den aufgenommenen Bildern abgleichen.
Sobald die automatische Messung per Mausklick durchgeführt wird, werden die erforderlichen Kalibrierungswerte über die Kalibrierungsfunktion automatisch geladen. Mit der Reproduzierbarkeit der Bedingungen (Schwellenwertverfahren) zum Extrahieren von Verunreinigungen werden Messwertschwankungen verhindert.