6 Schritte zur Einrichtung einer zuverlässigen und reproduzierbaren Dichtheitsprüfung

Die Dichtheitsprüfung wird oft als einfache Gut/Schlecht-Prüfung angesehen: Druck wird angelegt, das Ergebnis gemessen und anschließend bewertet, ob der Prüfling den Anforderungen entspricht. In der Praxis erfordern zuverlässige und wiederholbare Ergebnisse jedoch die sorgfältige Berücksichtigung zahlreicher Einflussgrößen – darunter Temperatur, Stabilisierungszeit, Prüfvolumen und Parametrierung.

Das Einrichten eines Dichtheitsprüfprozesses beginnt damit, die Prüfbedingungen zu verstehen, eine stabile Umgebung zu schaffen und ein wiederholbares Messverhalten nachzuweisen. Erst danach wird der Prozess final mit einem kalibrierten Normleck eingemessen.

Die folgenden sechs Schritte bieten einen praktischen Ansatz zur Entwicklung eines robusten Dichtheitsprüfprozesses im Differenzdruckverfahren.

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Schritt 1: Definieren Sie Ihre Prüfspezifikationen

Bevor Sie ein Dichtheitsprüfsystem konfigurieren, müssen Sie zunächst die Prüfanforderungen klar definieren.

Zu den wichtigsten Parametern gehören:

• Erforderlicher Prüfdruck
• Zulässige Leckagerate
• Am besten geeignete Messmethode
• Akzeptable Prozessschwankungen

Die Differenzdruckmethode ist eines der am häufigsten eingesetzten Verfahren in der industriellen Dichtheitsprüfung. Dabei misst das System die Druckänderung über einen definierten Zeitraum. Diese Druckänderung wird anschließend mithilfe einer Berechnung, die den wirksamen Prüfvolumenwert berücksichtigt, in eine Leckrate umgerechnet.

Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass das Gerät direkt die Druckänderung misst – nicht die Leckrate selbst. Die Leckrate wird aus dem gemessenen Druckverlauf, der Messzeit und dem parametrierten Volumenwert berechnet.

Das Verständnis dieses Zusammenhangs ist entscheidend, da ein falsch parametrierter Volumenwert die angezeigte Leckrate erheblich beeinflusst, obwohl der tatsächlich gemessene Druckverlauf unverändert bleibt.

Schritt 2: Schaffen Sie eine temperaturstabile Umgebung

Die Temperatur ist einer der einflussreichsten Faktoren bei der Dichtheitsprüfung.

Beim Befüllen wird die Prüfluft komprimiert und erwärmt; beim Evakuieren kann sie sich abkühlen. Hat sich der Prüfling vor der Messung nicht ausreichend an die Umgebungsbedingungen angepasst, können daraus resultierende Druckänderungen fälschlicherweise als Leckage bewertet werden.

Bereits eine Temperaturänderung von nur 1 Kelvin kann bei annähernd konstantem Volumen eine Druckänderung von mehreren hundert Pascal verursachen. Bei etwa 1 bar Absolutdruck und Raumtemperatur sind es näherungsweise rund 340 Pascal; bei höheren absoluten Drücken fällt der Effekt entsprechend größer aus. Im Vergleich zu den bei einer Dichtheitsprüfung häufig betrachteten Druckänderungen von nur wenigen Pascal ist dieser Einfluss erheblich.

Temperatureinflüsse reduzieren

Um die Stabilität zu verbessern, können ein Wärmetauscher und ein Puffervolumen eingesetzt werden. Dadurch wird die Prüfluft näher an die Raumtemperatur herangeführt, bevor sie den Prüfling erreicht.

Zu den bewährten Verfahren gehören:

• Den Wärmetauscher möglichst in der Nähe und auf Höhe des Prüflings positionieren.
• Vermeidung direkter Sonneneinstrahlung.
• Vermeidung von Luftströmen aus Klimaanlagen, die direkt auf den Prüfaufbau treffen.
• Berücksichtigung saisonaler Temperaturschwankungen, wenn Druckluftleitungen durch unterschiedliche Umgebungen verlaufen.

Bei manuellen Dichtheitsprüfungen können Temperatureinflüsse auch durch den Bediener entstehen. Schon das mehrminütige Halten eines Prüflings kann ihn so stark erwärmen, dass sich das Messergebnis verändert. Einheitliche Handhabungs- und Wartezeiten sind deshalb unerlässlich.

Schritt 3: Legen Sie die richtige Prüfzyklusdauer fest

Sobald die Prüfumgebung ausreichend stabil ist, wird die geeignete Zyklusabfolge festgelegt.

Bevor die Zykluszeiten optimiert werden, sollte zunächst der gesamte Prüfaufbau überprüft werden. Dazu wird der Prüfling ohne zugeschaltetes Normleck mit bewusst großzügig gewählten Füll-, Stabilisierungs- und Messzeiten geprüft. So lässt sich feststellen, ob Prüfling, Verschlauchung, Anschlüsse und Adaption ausreichend dicht sind oder bereits eine reproduzierbare Grundleckage vorhanden ist.

Eine typische Differenzdruck-Leckprüfung besteht aus vier Phasen:

1. Befüllung

Während der Füllphase regelt das System den parametrierten Prüfdruck im Prüfling ein. Die erforderliche Zeit hängt unter anderem von Prüfdruck, Prüfvolumen, Versorgungsdruck, Verschlauchung und Formstabilität des Prüflings ab. Sie sollte so kurz wie möglich, aber mit ausreichender Reserve gewählt werden, damit der Prüfdruck auch bei normalen Prozessschwankungen zuverlässig innerhalb der vorgegebenen Toleranz erreicht wird.

2. Stabilisierung

Die Stabilisierungsphase ist einer der wichtigsten Teile des Prüfprozesses. Durch das Befüllen beziehungsweise Evakuieren entstehen thermische Effekte. Zusätzlich können sich nicht formstabile Prüflinge unter Druck ausdehnen oder mechanisch setzen. Vor Beginn der Messung müssen diese Veränderungen so weit abgeklungen sein, dass während der Messphase ein ausreichend stabiler und wiederholbarer Druckverlauf entsteht.

Wenn die Stabilisierungszeit zu kurz ist:

• können thermische Effekte als scheinbare Leckage oder als Druckanstieg bewertet werden.
• können Ausdehnung oder Setzen des Prüflings das Messergebnis beeinflussen.
• kann der Messwert zwischen einzelnen Prüfungen schwanken.
• kann ein zwar wiederholbarer, aber systematisch verschobener Messwert entstehen.

Eine längere Stabilisierungszeit führt in der Regel zu einem Wert, der näher am thermisch stabilisierten Ergebnis liegt. In der Produktion muss dieser Anspruch jedoch gegen die verfügbare Taktzeit abgewogen werden. Ziel ist nicht die längstmögliche Stabilisierungszeit, sondern die kürzeste Zeit, mit der ein zuverlässiger und wiederholbarer Prozess nachgewiesen werden kann. Wiederholbarkeit allein beweist dabei noch nicht, dass der thermisch stabilisierte Realwert gemessen wird.

3. Messung

Während der Messphase wertet das System die Druckänderung über einen definierten Zeitraum aus. Eine kürzere Messzeit kann die Zykluszeit reduzieren, erhöht jedoch den relativen Einfluss kleiner Schwankungen. Der Prozess muss deshalb validiert werden, um eine Messzeit zu bestimmen, die ein ausreichend großes und wiederholbares Signal liefert.

Als praktische Orientierung kann bei vielen Anwendungen ein Druckänderungssignal von etwa 20 bis 40 Pascal durch das Grenzleck während der Messphase hilfreich sein. Dieser Bereich ist kein allgemeingültiges Abnahmekriterium und muss immer im Verhältnis zu Prüfaufgabe, Sensorbereich, Prüfvolumen und geforderter Messfähigkeit bewertet werden. Schwankt ein Messwert beispielsweise um 1 Pascal, wirkt sich dies bei einem Gesamtsignal von 10 Pascal deutlich stärker aus als bei 30 Pascal.

4. Ent-/Belüften

Am Ende einer Überdruckprüfung muss der Prüfdruck sicher abgebaut werden. Bei einer Unterdruckprüfung wird der Prüfling kontrolliert auf Umgebungsdruck belüftet. Die erforderliche Zeit hängt unter anderem von Druckniveau, Prüfvolumen und Strömungsquerschnitten ab. Vor dem Entnehmen oder Öffnen des Prüflings darf kein für den Bediener gefährlicher Über- oder Unterdruck mehr vorhanden sein.

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Schritt 4: Überprüfen Sie die Wiederholbarkeit vor dem Einmessen

Das Einmessen sollte erst erfolgen, nachdem sich der Prüfprozess selbst stabilisiert hat. Bevor der angezeigte Leckratenwert angepasst wird, muss nachgewiesen werden, dass das System unter vergleichbaren Bedingungen wiederholbare Ergebnisse liefert.

Ein Dauertest – bei dem mehrere Messungen am selben Prüfling durchgeführt werden – hilft dabei, Folgendes zu erkennen:

• Messschwankungen
• Unzureichende Pausenzeiten
• Temperaturbedingte Drift
• Prozessinstabilität

Ein häufiges Muster ist, dass sich die Messergebnisse während der ersten Zyklen schrittweise verändern und anschließend ein Plateau erreichen. Dies kann auf eine zu kurze Pausenzeit hinweisen. Der Prüfling kehrt dann zwischen den Prüfungen nicht vollständig auf seine ursprünglichen Temperaturbedingungen zurück, sondern nähert sich über mehrere Zyklen einem thermischen Gleichgewicht. Nach einer längeren Unterbrechung kann die nächste Messung deshalb wieder auf einem deutlich anderen Niveau beginnen. Im Idealfall schwanken die Ergebnisse bereits ab der ersten Messung nur geringfügig um einen stabilen Mittelwert.

Verschiedene Materialien und Bauformen verhalten sich dabei unterschiedlich. Ein metallischer und formstabiler Prüfling stabilisiert sich häufig schneller, während Kunststoffbauteile oder verformbare Prüflinge deutlich längere Wartezeiten benötigen können.

Ein Dauertest ist eine wirkungsvolle praktische Vorprüfung der Wiederholbarkeit, ersetzt jedoch keine gegebenenfalls geforderte Messsystemanalyse oder Prozessfähigkeitsuntersuchung. Als erste Orientierung kann eine Streuung von deutlich weniger als 10 Prozent des relevanten Messsignals auf eine gute Wiederholbarkeit hindeuten; verbindlich sind jedoch die jeweils geforderten Bewertungskriterien.

Denken Sie daran: Ziel ist nicht in jedem Fall die maximal mögliche Genauigkeit, sondern eine für die Prüfaufgabe angemessene Genauigkeit, die durch wiederholbare und nachvollziehbar validierte Ergebnisse abgesichert ist – so genau wie nötig, nicht so genau wie möglich.

Schritt 5: Messen Sie den Prüfprozess mit einem kalibrierten Normleck ein

Sobald der Prozess stabil und wiederholbar ist, kann er mit einem kalibrierten Normleck eingemessen werden.

Ein kalibriertes Normleck stellt bei einem definierten Prüfdruck eine bekannte Leckrate bereit und dient damit als Referenz für den gesamten Prüfprozess. Während des Einmessens wird der parametrierte Volumenwert so angepasst, dass die angezeigte Leckrate mit dem Wert des Normlecks übereinstimmt.

Eine Änderung des parametrierten Volumenwerts verändert nicht den physikalisch gemessenen Druckverlauf. Sie verändert ausschließlich die Umrechnung der Druckänderung in die angezeigte Leckrate.

Entscheidend ist der für den Prüfprozess wirksame Volumenwert. Dieser umfasst nicht nur das Innenvolumen des Prüflings, sondern auch relevante Anteile aus Verschlauchung, Adaption und Prüfgerät. Der Wert kann zunächst geometrisch oder mithilfe einer Volumenermittlung abgeschätzt und anschließend mit dem kalibrierten Normleck eingemessen werden.

Das Einmessen mit einem kalibrierten Normleck verbessert außerdem die Vergleichbarkeit zwischen unterschiedlichen Prüfständen und Produktionsstandorten. Unterschiedliche wirksame Volumina, Verschlauchungen und Umgebungsbedingungen müssen dennoch für jeden Prüfprozess separat berücksichtigt und validiert werden.

Schritt 6: Validieren Sie den Prozess mit und ohne zugeschaltetes Normleck

Der letzte Schritt ist die Validierung des gesamten Prozesses.

Ein robuster Dichtheitsprüfprozess sollte mindestens unter zwei Bedingungen bewertet werden:

Ohne zugeschaltetes Normleck

Damit wird überprüft, ob der Prüfaufbau ausreichend dicht ist und ob Schläuche, Anschlüsse, Dichtungen, Adaptionen und der Prüfling selbst keine unzulässige oder instabile Grundleckage verursachen.

Mit zugeschaltetem Normleck

Durch das Zuschalten des kalibrierten Normlecks wird überprüft, ob das System das definierte Grenzleck zuverlässig und wiederholbar erkennt und bewertet.

Der Schwerpunkt der Validierung liegt auf der Wiederholbarkeit und der sicheren Unterscheidung zwischen Gut- und Schlechtteilen. Ein korrekt eingemessener Einzelwert ist wertlos, wenn der Prozess unter vergleichbaren Bedingungen nicht wiederholt zum gleichen Ergebnis kommt.

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Das oberste Ziel: Ein zuverlässiger Prozess, nicht nur ein bestandener Test

Ein erfolgreicher Dichtheitsprüfprozess basiert auf einer Reihe kontrollierter Schritte:

1. Definieren Sie die Prüfanforderungen.
2. Schaffen Sie stabile Temperaturbedingungen.
3. Legen Sie geeignete Zyklusparameter fest.
4. Überprüfen Sie die Wiederholbarkeit.
5. Messen Sie den Prozess mit einem kalibrierten Normleck ein.
6. Validieren Sie den Prozess mit und ohne zugeschaltetes Normleck.

Durch diesen strukturierten Ansatz können Hersteller Fehlbewertungen reduzieren, die Prozessfähigkeit verbessern und Dichtheitsprüfsysteme entwickeln, die auch unter realen Produktionsbedingungen zuverlässig funktionieren.

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