Dichtheitsprüfungen sind in sehr vielen industriellen Fertigungsprozessen erforderlich. Oft sind in der Linie zur Qualitätssicherung sogar 100-Prozent-Prüfungen unverzichtbar, ob in der Kälte-Klima-Technik oder der Automobilbranche. So nehmen beispielsweise Hersteller von Lithium-Ionen-Batteriezellen inzwischen eine Vorprüfung der Dichtheit ihrer Zellengehäuse vor, damit keine undichten Zellen mit brennbarem Elektrolyt befüllt werden. Dies wäre nicht nur ein unnötiger Ressourcenverbrauch, wegen der Brennbarkeit von Lithium birgt dies auch ein erhebliches Risiko.
Bei der industriellen Fertigung ist sehr oft die Heliumvakuumprüfung die Methode der Wahl. Ihr Vorzug besteht darin, außerordentliche Genauigkeit, besondere Zuverlässigkeit und höchste Geschwindigkeit miteinander zu verbinden. So ist das Edelgas Helium nicht von ungefähr das wohl bekannteste Prüfgas. Allerdings ist der Einsatz von Helium auch ein Kostenfaktor. Heute setzen Hersteller darum auf eine Reihe von Strategien, um bei ihren industriellen Dichtheitsprüfungen den Heliumverbrauch zu reduzieren.
Wesentliche Vorteile der Helium-Vakuumprüfung sind, dass sie zum einen sehr genau und zum anderen sehr schnell ist. Denn wenn das Prüfgas Helium aus einem Leck im Prüfteil in eine Vakuumkammer austritt, ist es dort umgehend nachweisbar. Für eine 100 Prozent-Prüfung in der Linie ist die Heliummethode ideal, weil sie eine industrielle Prüfung im Takt der Produktion gestattet. Zugleich ist die praktische Grenzleckrate der Heliumprüfung um den Faktor 100 geringer als etwa bei der Akkumulationsmethode, einem weiteren Prüfgasverfahren. Mit der Vakuummethode lässt sich bei Bedarf gegen Leckraten im Bereich von circa 10-7 mbar∙l/s prüfen.
So werden selbst kleinste Lecks identifizierbar. Ein Nachteil der Vakuumprüfung ist, dass die Prüfanlage aufwendig ist – schon weil hochdichte Vakuumprüfkammern erforderlich sind. Hinzu kommt: Der Preis für Helium schwankt recht stark. Er ist meist von den weltweiten Fördermengen an Erdgas abhängig. Bevor gefördertes Erdgas genutzt werden kann, muss es zunächst von unbrennbaren Edelgasbestandteilen gereinigt werden. Edelgase wie Helium zu gewinnen, ist also ein Nebenprozess der Erdgasförderung.
Strategien, die den Helium-Verbrauch reduzieren
Für viele Dichtheitsprüfaufgaben in der industriellen Serienfertigung führt an der Vakuummethode mit Helium als Prüfgas kein Weg vorbei. Sei es wegen kurzer Taktzeiten oder weil das Bauteil gegen sehr kleine Leckraten getestet werden soll. Wenn in der Linie aber zwingend mit Helium geprüft werden muss, ist es eine gute Idee, den Heliumeinsatz und damit die Kosten so weit wie möglich zu reduzieren. Dafür gibt es eine Reihe von Ansatzpunkten. Zentral sind die folgenden drei:
eine konsequente Heliumrückgewinnung in der Prüfanlage,
eine reduzierte Prüfgaskonzentration oder
eine dynamische Bestimmung des Heliumuntergrunds in der Prüfkammer.
Heliumrückgewinnung ist Stand der Technik
In etlichen industriellen Dichtheitsprüfprozessen ist es möglich, den Heliumverbrauch schon dadurch zu reduzieren, dass man den Löwenanteil des Prüfgases nach der Prüfung konsequent zurückgewinnt – um es wiederzuverwenden. Wird Helium aus der Prüfanlage zurückgewonnen, betrifft dies in der Regel den Überdruckanteil des Prüfgases.
Ein Beispiel: Nehmen wir an, ein Prüfteil wird zur Vakuumdichtheitsprüfung mit 5 bar Helium beaufschlagt – denn der Heliumüberdruck gestattet es, die Prüfung zu beschleunigen und kleine Lecks noch schneller zu identifizieren.Das Prüfgas im Innern des Prüfteils lässt sich nach Abschluss des Dichtheitstests recht leicht in das Prüfgasversorgungssystem zurückführen – und zwar bis der Druck im Prüfteil wieder auf atmosphärischen Druck gesunken ist. Dies bedeutet, dass 80 Prozent des eingesetzten Heliums für weitere Tests zur Verfügung stehen, und nur 20 Prozent des Heliums im Prüfteil verbleiben. Umgekehrt heißt dies auch, dass mit jedem einzelnen Prüfvorgang nur noch die Heliummenge verbraucht wird, die bei atmosphärischem Druck das Innenvolumen des Prüfteils füllt.
Die Prüfgaskonzentration reduzieren
Bei Szenarien der industriellen Dichtheitsprüfung in der Linie ist es nicht immer erforderlich, mit reinem Helium als Prüfgas zu arbeiten. Denn als inertes Gas lässt sich Helium sehr einfach mit Luft oder auch mit Stickstoff mischen, sodass auch dieses Gemisch noch problemlos als Prüfgas verwendet werden kann. Wer mit einer nur zehnprozentigen Heliumkonzentration misst, verbraucht bei seiner Dichtheitsprüfung auch nur 1/10 des Heliums. Dies wirkt sich natürlich auch dann positiv auf den Heliumverbrauch aus, wenn das Helium wie oben beschrieben grundsätzlich rückgewonnen wird: Der Verbrauch sinkt in jedem Fall auf nur noch 10 Prozent des vorherigen Werts.
Beim Gebrauch eines verdünnten Prüfgasgemischs sind allerdings einige Aspekte zu beachten. Zunächst muss das Lecksuchgerät eine ausreichende Empfindlichkeit aufweisen. Denn statt gegen eine Leckrate von beispielsweise 1∙10-5 mbar∙l/s muss es mit einer nur noch 10-prozentigen Heliumkonzentration faktisch gegen eine zehnfach kleinere Leckrate von 1∙10-6 mbar∙l/s prüfen können. Industrielle Helium-Lecksucher wie etwa der LDS3000 von Inficon sind dazu problemlos in der Lage.
Auf eine gleichbleibende Heliumkonzentration achten
Zudem ist es bei einer Prüfung mit verdünntem Helium unerlässlich, die Heliumkonzentration im Prüfgasgemisch stets sorgfältig zu kontrollieren. Denn jede Abweichung in der Konzentration bringt eine entsprechende Abweichung in der gemessenen Leckrate mit sich. Schwankt bei den Dichtheitsprüfungen die Heliumkonzentration beispielsweise um einen Prozentpunkt – liegt sie also zwischen 9 und 11 Prozent statt genau bei 10 Prozent Helium – verändert sich eine gemessene Leckrate erheblich: um plus oder minus 1/10. Dies kann die Ergebnisse der Prüfung auf mitunter unannehmbare Weise verfälschen.
In der Praxis hat es sich bewährt, die Konzentrationsabweichung in einem kleineren Fenster von plus oder minus 1/20 zu halten. In unserem Beispiel bedeutet dies, die tatsächliche Heliumkonzentration so zu überwachen, dass sie stets zwischen 9,5 und 10,5 Prozent liegt. Dann ergibt eine tatsächliche Leckrate von beispielsweise 2∙10-6 mbar∙l/s bei der Prüfung stets Ergebnisse zwischen 1,9∙10-6 mbar∙l/s und 2,1∙10-6 mbar∙l/s.
Die dynamische Bestimmung des Heliumuntergrunds
Sogenannte Zero-Funktionen stehen bei der Vakuummethode schon seit längerem für den Einsatz vor der eigentlichen Messung zur Verfügung, nicht zuletzt, um den Prüfprozess zu beschleunigen. Diese herkömmlichen Zero-Softwarefunktionen ähneln der Tara-Taste an einer Waage: Sie sollten den bestehenden Heliumuntergrund so weit wie möglich ausblenden, damit bei der Prüfung nur das Helium aus einem Leck gemessen und angezeigt wird. Der Nachteil all dieser klassischen Zero-Funktionen bestand darin, dass sie statisch waren. Das bedeutet, dass es gerade bei Dichtheitsprüfungen gegen kleine Grenzleckraten oder bei Prüfungen in großen Vakuumkammern noch eine vergleichsweise lange Evakuierungsphase brauchte, bevor eine sinnvolle Messung möglich war. Eine neue, dynamische Untergrundbestimmung behebt dieses Problem.
Das Unternehmen Inficon nennt seine Softwarefunktion zur dynamischen Heliumuntergrundbestimmung EcoBoost. Diese dynamische Untergrundbestimmung definiert keinen festen Heliumwert als Nullpunkt, sondern analysiert kontinuierlich die Kurve, mit der der Heliumuntergrund während der Evakuierung und Prüfung fällt – und extrapoliert auf dieser Basis seine weitere Entwicklung. Leckraten, die anderenfalls im Untergrund verschwinden würden, sind so bereits viel früher messbar.
Schneller und flexibler prüfen – oder mit weniger Helium
Voraussetzung dafür, dass die EcoBoost Funktion einsetzbar wird, ist ein Dichtheitsprüfgerät, das eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit und Linearität aufweist, wie dies beispielsweise der LDS3000 tut. Grundsätzlich ergeben sich aus einer dynamischen Untergrundbestimmung drei mögliche Vorteile.
Erstens lässt sich damit die Geschwindigkeit der Helium-Vakuumprüfung spürbar erhöhen. Zweitens kann auch in großen Vakuumkammern mit entsprechend hohem Totvolumen schon nach deutlich kürzerer Evakuierungszeit sinnvoll gemessen werden – Prüfstationen werden also flexibler. Und drittens wird es einfacher, die Prüfgaskonzentration auf einen Bruchteil zu reduzieren.
Denn durch die dynamische Bestimmung des Heliumuntergrunds wird eine Reduktion der Heliumkonzentration im Prüfgas auf die bereits erwähnten 10 Prozent möglich, ohne dass damit Abstriche bei der noch detektierbaren Leckrate oder bei der Geschwindigkeit der Vakuumprüfung verbunden wären. Falls gewünscht, lässt sich die EcoBoost-Funktion also auch dazu nutzen, den Heliumverbrauch im industriellen Dichtheitsprüfprozess deutlich zu reduzieren.
Fazit: Nur die nötige Heliummenge verwenden
Bei Qualitätssicherungsprozessen in der Linie ist die Helium-Vakuumprüfung oft alternativlos, sei es wegen ihrer Geschwindigkeit oder ihrer Empfindlichkeit. Dass man für seine Prüfungen zwingend Helium als Prüfgas benötigt, bedeutet allerdings nicht, dass man jeden Heliumverbrauch in Kauf nehmen sollte.
Es gibt sinnvolle Strategien, den Prüfgaseinsatz zu reduzieren – von der Heliumrückgewinnung über die Verringerung der Heliumkonzentration bis hin zur dynamischen Bestimmung des Heliumuntergrunds während der Prüfung. Letztlich geht es in der industriellen Fertigung immer um eins: den für die Qualitätssicherung optimalen Kompromiss aus Grenzleckrate, Geschwindigkeit und Kosten zu finden.
