Bewertung der Sauberkeit von Automobilteilen

1. Hintergrund

Die Gesamtqualität eines Fahrzeugs ist gleich der Summe seiner Teile. Deswegen ist es für Hersteller unerlässlich, für jedes Bauteil strenge Qualitätsstandards einzuhalten. Hersteller müssen auch Anforderungen wie Emissionssenkungen, geringen Kraftstoffverbrauch, Langlebigkeit und behördliche Vorgaben berücksichtigen. Die zunehmende Komplexität von Automobilteilen und -komponenten erfordert von den Herstellern zudem eine genaue Kontrolle der Materialeigenschaften, Passungstoleranzen und technischen Sauberkeit, die alle eine wichtige Rolle für die Langlebigkeit, Haltbarkeit und Lebensdauer des Endprodukts spielen.

Partikelverunreinigungen können die Zuverlässigkeit eines Teils direkt beeinträchtigen, insbesondere wenn das Teil aus Komponenten mehrerer Lieferanten zusammengesetzt wird. Da Systeme und Komponenten immer kleiner werden, können selbst kleinste Partikel katastrophale Ausfälle verursachen. Deshalb ist es unerlässlich, die technische Sauberkeit und Integrität von Komponenten und Flüssigkeiten zu beurteilen.

2. Anwendungsbereich

Während der Produktion werden die hergestellten Metallteile bearbeitet, beispielsweise durch Trennen, Schleifen und Entgraten. Wenn Metallspäne und andere Fremdstoffe, die beim Trennen, Schleifen und Entgraten entstehen, nicht ordnungsgemäß aus kritischen Systemen entfernt werden, können schwerwiegende, systemweite Probleme auftreten (z. B. verkeilte Kurbelwellenlager, verstopfte Ventile, Probleme mit Düsen, Injektoren, Filtern oder elektronischen Teilen). Das gesamte System ist ausfallgefährdet, wenn ein Teil der Kraftstoffanlage, der Bremsanlage, des Hydraulikkreislaufs oder der Elektronik nicht den Sauberkeitsanforderungen entspricht.

Um die Sauberkeit von Teilen und Systemen zu gewährleisten, werden die Schmutzpartikel zunächst in einer Reinigungsanlage in einem Reinraum von den Komponenten entfernt. Die Rückstände werden dabei mittels Nassreinigung oder eines Ultraschallbads von den Teilen entfernt. Das Spülwasser wird dann durch eine Membran filtriert, um die Partikel zu extrahieren. Der Filter wird in einem Halter eingespannt, zur weiteren Analyse getrocknet und dann auf einem Mikroskoptisch zur Bilderfassung und Untersuchung montiert.

Da eine bestimmte Vergrößerung das Sichtfeld der Kamera einschränken kann, können größere Partikel auf zwei oder mehr Bilder aufgeteilt werden. Damit sie nur einmal erkannt werden müssen, kann jedes Partikel durch verschiedene Parameter beschrieben werden. Zu den wichtigsten gehören der maximale Feretdurchmesser und der äquivalente Kreisdurchmesser, die beide die Länge der Partikel beschreiben. Andere Partikelparameter können zur Messung der Fläche, der Form und des Reflexionsvermögens eines Partikels verwendet werden. Diese Merkmale werden verwendet, um spezielle Partikelfamilien wie Fasern und reflektierende Partikel zu erkennen. Die Unterscheidung zwischen metallischen und nichtmetallischen Partikeln basiert auf dem unterschiedlichen Verhalten des reflektierten Lichts.

Der Partikelerkennungsprozess führt zu einem Arbeitsblatt, in dem die Größe (typischerweise der maximale Feretdurchmesser) der einzelnen Partikel markiert ist. . Die Partikel werden in verschiedene Größenklassen eingeteilt, um den Bericht zu vereinfachen und einen besseren Vergleich der Messungen zu ermöglichen. Die absolute oder extrapolierte Anzahl der Partikel muss auf einen Referenzwert normalisiert werden. Abhängig von der verwendeten Norm und dem zu prüfenden Filter wird die Anzahl der Partikel auf einen Vergleichswert normalisiert. So kann der Anwender mehrere Messungen vergleichen, auch wenn die Proben unterschiedlich groß sind. Klassifizierungsparameter und Klasseneinteilung sind in verschiedenen internationalen Normen definiert. Größenklassen in der Automobilindustrie sind durch die minimale und maximale Partikelgröße definiert. Jedes Partikel wird nur einer Klasse zugeordnet. Ein typisches Regelwerk mit verschiedenen Größenklassen ist die VDA 19.1:

• Klasse D: Alle Partikel, deren maximaler Feretdurchmesser größer als 25 µm, aber kleiner als 50 µm ist.
• Klasse E: Alle Partikel, deren maximaler Feretdurchmesser größer als 50 µm, aber kleiner als 100 µm ist.
• Klasse F: Alle Partikel, deren maximaler Feretdurchmesser größer als 100 µm, aber kleiner als 150 µm ist.

Nach dieser Vorschrift wird ein Partikel mit einem Durchmesser von 75 µm der Größenklasse E zugeordnet. Abschließend erstellt das System einen Bericht mit allen Messergebnissen und Daten für die Filtermembran.

Abbildung 1. Extraktion von Schmutzpartikeln zur Inspektion.

3. Lösungen von Olympus für Metalle und Nichtmetalle

Das OLYMPUS CIX100 von Olympus wurde speziell für die Sauberkeitsanforderungen der modernen Industrie und nationaler und internationaler Normen wie VDA 19.1 und ISO 16232 entwickelt. Es ist ein schlüsselfertiges System zur Zählung, Analyse und Klassifizierung von Verunreinigungen und Fremdkörpern bis zu einer Größe von 2,5 µm. Die All-in-One-Prüflösung des Systems ermöglicht es, Prüfungen doppelt so schnell wie andere Prüfsysteme durchzuführen, da metallische und nichtmetallische Partikel gleichzeitig erkannt werden. Alle gezählten und sortierten Partikel werden live angezeigt, leistungsstarke Tools erleichtern die Überarbeitung der Prüfdaten. Die intuitive Software des Systems führt den Benutzer durch jeden Schritt des Prozesses und ermöglicht es auch unerfahrenen Prüfern, schnell und einfach Sauberkeitsdaten zu erfassen. In der Vergangenheit erforderte die Erkennung von Metallpartikeln die Aufnahme von zwei Einzelbildern (ein zeitaufwendiger Prozess) durch Drehung eines Analysators um 90°; das OLYMPUS CIX erkennt reflektierende und nicht reflektierende Partikel in einer einzigen Prüfung.

Abbildung 2: Das einfallende Licht auf die Filtermembran und auf die nichtmetallischen Partikel wird diffus gestreut. Unabhängig vom einfallenden Licht ist das „reflektierte“ Licht nicht polarisiert. Auch wenn das einfallende Licht polarisiert ist, wirkt sich dies nicht auf die Analyse der Polarisation aus. Die Filtermembran ist immer heller als die Partikel auf ihr.

Abbildung 3: Wenn das einfallende Licht auf ein metallisches Partikel trifft, erzeugt es eine echte Reflexion. Das von einer Metalloberfläche reflektierte Licht verändert die Polarisation des Lichts nicht. Dieser Unterschied wird bei der „klassischen“ Methode der Sauberkeitsprüfung genutzt. Die Polarisation des reflektierten Lichts kann mit der Kamera und der Software analysiert werden. Metallische Partikel sind sehr hell, wenn Polarisator und Analysator parallel eingestellt sind.

Das OLYMPUS CIX funktioniert anders (Abbildung 4). Der einfallende Lichtstrahl ist ebenfalls polarisiert. Die Polarisation eines Lichtspektrumbandes wird mithilfe einer Verzögerungsplatte verändert. Dadurch ändert sich die Polarisation des einfallenden Lichts je nach dessen Farbe (Abbildung 5).

Abbildung 4a: Die diffuse Reflexion von nichtmetallischen Partikeln bzw. der Filtermembran ist identisch mit dem klassischen Aufbau. Das reflektierte Licht ist in allen Farbbereichen unpolarisiert und muss nicht analysiert werden. Die Filtermembran ist heller als die dunklen Partikel auf ihr.

Abbildung 4b: Auch die Reflexion metallischer Partikel folgt dem klassischen Prinzip und verändert die Polarisation des Lichts nicht. Da aber die Polarisation jeder Farbe bekannt ist, ist es möglich, metallische Partikel direkt im Farbbild zu erkennen. Metallische Partikel werden nur bei Licht einer bestimmten Farbe hell.

Abbildung 5: Es wird nur ein Farbbild benötigt, um reflektierende (metallische) und nicht reflektierende (nichtmetallische) Partikel zu trennen. Eine zweite Prüfung ist nicht erforderlich, das spart Zeit. Darüber hinaus müssen keine mechanischen Teile gedreht werden, was den Verschleiß des Geräts reduziert.

Alle relevanten Daten, einschließlich Live- und Übersichtsbilder, werden während der Prüfung live auf einem einzigen Bildschirm angezeigt, so dass der Prüfer die Prüfung stoppen oder unterbrechen kann, wenn eine Filtermembran zu viele Verunreinigungen aufweist (Abbildung 6). Das System zählt und sortiert reflektierende und nicht reflektierende Partikel in Größenklassen, die in der Prüfkonfiguration und der gewählten Norm definiert sind. Das System OLYMPUS CIX100 unterstützt die wichtigsten internationalen Normen und anderen Regelwerken, die in der Automobilindustrie verwendet werden:

• ISO 16232-10 (A) (N) (V)
• VDA 19.1 (A) (N) (V)
• ISO 4406
• ISO 4407
• ISO 12345
• NAS 1638
• NF E48-651
• NF E48-655
• SAE AS4059

Eine statistische Kontrollkartenfunktion veranschaulicht visuell die Einhaltung der Partikelklassen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit. Das Miniaturbild von jeder vom System erkannten Verunreinigung wird mit Abmessungen verlinkt, was die Prüfung der Daten vereinfacht. Benutzer können die Informationen zu einer bestimmten Verunreinigung leicht abrufen.

Das System OLYMPUS CIX100 besitzt bessere Eigenschaften und eine höhere Produktivität während des gesamten Prüfprozesses. Intuitive Arbeitsabläufe und eine Schritt-für-Schritt-Anleitung tragen dazu bei, Zykluszeiten sowie die Kosten pro Prüfung und für die Fehlerbehebung zu reduzieren. Smart Report Tools verwenden vordefinierte Vorlagen entsprechend Industriestandard. Die Ergebnisse werden in Microsoft Word 2016 erstellt und können als PDF exportiert werden (Abbildung 7). Die Vorlagen helfen unerfahrenen Prüfern, Fehler zu vermeiden, können aber leicht an die Bedürfnisse jedes Anwenders angepasst werden. Die geprüfte Membran wird automatisch zur Wiederverarbeitung und Neuberechnung gespeichert.