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© Fraunhofer
Aktuelle Regelwerke für die Bauteilsauberkeit VDA 19
Qualitätsforum Bauteilsauberkeit in Fahrzeugbau und Industrie 07.05.2015, Spiesen-Elversberg
Dr.-Ing. Markus Rochowicz
Abteilung Reinst- und Mikroproduktion
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung
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Hintergrund
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Entwicklungen und Trends in der modernen Automobiltechnik:
steigende Leistungsdichten
sinkende Schadstoffemissionen
reduzierte Flottenverbrauchswerte
aktive und passive fahrsicherheitsrelevanter Systeme (ABS, ESR, …)
höhere Laufruhe
neue Werkstoffe / gesetzliche Regelungen
Quelle: Volvo Quelle: Mercedes Quelle: Continental Quelle: Bosch Quelle: Pierburg
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Hintergrund
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Beispiel: steigende Leistungsdichte im Motor
Die verbauten Komponenten werden:
höher belastet
enger toleriert
Bei gleichzeitig hohem Druck hinsichtlich:
Werkstoffkosten
Fertigungskosten
Es werden immer mehr und immer komplexere Nebenaggregate eingesetzt
Die Aggregate reagieren funktionssensibel auf Partikelverschmutzungen
1972: 220 D (OM 615/R4)
2,2 Liter Hubraum
60 PS Leistung
8,5 l/100km Verbrauch
2012: 250 CDI (OM 651)
2,2 Liter Hubraum
204 PS Leistung
500 Nm Drehmoment
5,2 l/100km Verbrauch
Quelle: Mercedes
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Einzelne Partikel können zu Ausfällen führen
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Beispiele für Schadensmechanismen
Verstopfen von Düsen oder Filtern
Injektoren
Kraftstoff-zuführung
Klemmen von Lagern oder Gleitflächen
Turbolader
Kurbelwellenlager
Dosierpumpen
Zylinderlaufbahn
Blockieren von Ventilen
ABS, ESP
Hydraulik
Bremskraft-verstärker
Kurzschlusss von Leiterbahnen
Steuerelektronik
usw.
Partikel können auch schon in der Weiterverarbeitung / Montage stören
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Beispiele für Ausfälle
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Kraftstoff-System
Beispiel: Totalschaden an einem Truck-Motor
Verklemmen des Injektors;
Injektor schließt nicht mehr vollständig
Konsequenzen: Nichtstarter, Fehleinspritzer, Dauereinspritzer
Partikel ab ca. 50 µm werden reglementiert, keine Partikel ab ca. 200 µm zulässig
Quelle: Siemens VDO Quelle: Siemens VDO
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Bedeutung der Technischen Sauberkeit
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Steigende Bedeutung der Technischen Sauberkeit
1990 2000 2010
Bedeutung der Technischen Sauberkeit
ABS-Systeme
Diesel-Direkteinspritzer
Benzin-Direkteinspritzer
hydraulische Lenkung
Bleifreie Lagerschalen
Doppelkupplungs-getriebe
Turbolader
variable Nockenwellenversteller
(Druck-) Ölbereich
Kraftstoffsystem
Bremssystem
Kühl- und Klimasystem
Ansaugtrakt
Abgastrakt
Schalt-, Automatik- und Achsgetriebe
Elektroniken
Lenksysteme
…
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Technische Sauberkeit als Systemgröße
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Im Automobil gelten Sauberkeitsforderungen oft für ganze Systeme, z.B.
Kraftstoffsystem
Bremssystem
Ölkreislauf
Elektronik + Gehäuse
…
Der Injektor bestimmt die Sauberkeit des Kraftstoffsystems nach dem Filter
Die Ventile bestimmen die Sauberkeit im ABS-System der Bremse
Die Lagerschalen bestimmen die Sauberkeit des Druckölbereichs nach dem Filter im Motor
Der Leiterbahnabstand auf Elektroniken bestimmt die Sauberkeit des Gehäuses
…
In der Regel bestimmt das „schwächste Glied in der Kette“ die notwendig Sauberkeit des Systems
Quelle: Mathy
Quelle: Citroen SM Wiki
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Bedeutung der Reinigungstechnik steigt!
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Chemie/ Medium
Mechanik
früher
heute
Quelle: Dürr Ecoclean
Quelle: Waechter
Wie kann man sicher sein, dass die gereinigten Teile sauber genug sind – wie wird Technische Sauberkeit gemessen?
=> VDA 19 seit 2005
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Historie seit Erscheinen der VDA 19
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Labore und Dienstleister für Technischen Sauberkeit
Zahl der Labore insgesamt:
ca. 1000 Labore, in denen Bauteilsauberkeit geprüft wird,
> 90% bei den betroffenen Firmen
Einige tausend Personen sind im Labor oder der Qualitätssicherung mit Themen der Technischen Sauberkeit betraut
Ein breite Erfahrungsbas is is t seit 2005 gewachsen
Ca. 40 Dienstleister in Deutschland Ca. 4000 verkaufte Druckexemplare Plus eine nicht bekannte Zahl von Downloads beim VDA QMC Ca. 700 verkaufte englische Exemplare
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Der Industrieverbund TecSa 2.0
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Automobil-hersteller
Zulieferer
Dienstleister/ Techniklieferanten
Verbände
AGCO GmbH (FENDT) Alupress Brändle FIT Fachverband Industrielle Teilereinigung e.V.
Audi Behr CleanControlling IBU Industrieverband Blechumformung
BMW Bosch Dürr Ecoclean VDFI Verband der deutschen Federnindustrie
Daimler PKW Continental Gläser
Daimler Trucks EJOT HMT Häseler Metalltechnik
MAN Freudenberg HYDAC
Porsche FTE JOMESA
Volkswagen GETRAG Leica
Hengst Nerling Systemräume
INA-Schaeffler PALL
Mahle PAMAS
MANN+HUMMEL Quality Analysis
Modine Rap.ID
SKF RJL
VOSS Automotive Zeiss
Walter Söhner
Willy Voit
Witzenmann
ZF
Teilnehmer
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Bedarf für die Überarbeitung und Ziele
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Das Ziel ist eine neubearbeitete und erweiterte Auflage von VDA 19.
Bedarf:
1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen
2. Erweiterung der Prüfmöglichkeiten
3. Vereinheitlichung bei der Erstellung von Grenzwerten
4. Vorgehensweisen bei Grenzwertüberschreitung
5. Besserer Gesundheitsschutz des Prüfpersonals
e.g. Coreteam #1: Extraction
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Was bedeutet die “Neue VDA 19” für die Qualitätssicherung im Fahrzeugbau?
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Drei Beispiele
Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen durch:
Startparameter für die Extraktion
Die VDA 19-Standardanalyse
Hilfestellung für Konstrukteure und Entwickler bei der Erstellung von Grenzwerten
einheitliche Vorgehensweisen bei Grenzwertüberschreitung
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Beispiel 1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen:
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Empfehlung von Extraktionsparametern: Startparameter
Düsenform: rund
Düsendurchmesser: 2,5mm
Volumenstrom: 1,5l/min
Spritzabstand: max. 15cm
Spritzvolumen/Bauteilfläche: 5ml/cm²
Spritzen
min 200cm² Prüffläche
• keine Einschränkung der Extraktionsparamter (keine Standardparamter)
• aber, wenn möglich, gleicher Startpunkt für die Qualifizierungsuntersuchung
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Beispiel 1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen
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Empfehlung von Extraktionsparametern: Startparameter
Ultraschall
US-Frequenz: 35 – 40kHz
Einstellung der Leistungsdichte über Leistungs-regelung oder den Füllstandes des Beckens ohne Bauteil
Startzeit für die Erstellung der Abklingkurve 30 – 60 s
Leistungsdichte: 10 W/l
Schütteln
Spülen
Füllvolumen: 30-40%
Amplitude: ca. 50cm
Frequenz: 0,5 Hz
Dauer: 20 sec
Spülen ist sehr Erzeugnis spezifisch. Einheitliche Startparameter können nicht angegeben werden *)
Beispiel-Kaltreiniger 1
Flammpunkt [°C] 62 kinematische Viskosität [mm²/s]
1,9
Rohrdurch-messer [mm]
Volumenstrom [l/min]
4 1,43 5 1,79 6 2,15 8 2,87
10 3,58 12 4,30 15 5,37 20 7,16 25 8,95 30 10,74
Turbulente Strömung (gute Extraktions-wirkung) bei Re > 4000
min 200cm² Prüffläche
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Beispiel 1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen
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Hilfestellung bei der Auswahl des Extraktionsverfahrens
Bauteilaußenbereiche
Ba
ute
ilg
röß
e (
Prü
fbe
reic
h)
Ultraschall
Spritzen Mil
lim
ete
r
Z
en
tim
ete
r
Me
ter
Kleinteile Schüttgut z.B.
• Kugellagerkugeln
• Dichtscheiben
• Schrauben
• …
Einzelteile z.B.
• Pleuel
• Kolben
• Zahnräder
• Gehäuseteile
• Kurbelwelle (außen)
• …
Bauteilinnenbereiche
Qu
ers
chn
itt
(Prü
fbe
reic
h)
Schütteln
Spritzen
Spülen
M
illi
me
ter
Ze
nti
me
ter
Durchströmbare Innenbereiche mit kleinen Anschlussquerschnitten z.B.
• Leitungen
• Filtergehäuse
• Wärmetauscher
• Ölkanale (Motorblock, Kurbelwelle)
• …
Wenige verschließbare Öffnungen, einfache Hohlräume z.B.
• Druckluftbehälter
• Kühlflüssigkeitsbehälter
• kurze, dicke Rohre
• …
Große Öffnungen, zugängliche Innen-bereiche (Spritzlanzen verwenden)
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ZIEL: Möglichst vergleichbare Messung von Sauberkeitswerten (ohne die Messtechnik im Detail absprechen zu müssen)
Beispiel 1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen
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Einführung der Standardanalyse
ACHTUNG: Werden in Sauberkeitsspezifikationen Merkmale festgelegt, die nicht in der Standardanalyse enthalten sind, so ist die entsprechende Analysetechnik im Kunden-Lieferantenverhältnis abzusprechen. Dies kann zu Mehrkosten führen.
• Gravimetrie
• Lichtoptische Analyse (Mikroskope und Scanner)
• Vermessung: Partikel > 50µm (Länge und/oder Breite)
• Typisierung: Faserform, metallischer Glanz (optional)
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Beispiel 1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen
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Einführung der Standardanalyse
Mikroskope mit gekreuzten Polarisatoren
0% 100%
Pix
elza
hl
0 Grauwert 255
70% 30%
Binarisierungs-schwelle bei 70% des Grauwertmaximums
Filterhintergrund (Maximum der Grauwertverteilung) bei etwa der Hälfte des Grauwertebereichs
gekreuzte Polarisatoren
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50 ≤ x < 100 µm
100 ≤ x < 150 µm
150 ≤ x < 200 µm
200 ≤ x < 400 µm
400 ≤ x < 600 µm
600 ≤ x < 1000 µm
1000 µm ≤ x
Materialmikroskop 836 218 69 61 13 9 0
Materialmikroskop* 2086 340 127 91 26 21 0
Zoom-Mikroskop 2833 432 173 157 33 14 6
Zoom-Mikroskop (ohne Pol-Filter) 875 217 75 66 6 10 0
Stereomikroskop 1359 256 81 56 8 8 0
Scanner 1965 363 121 95 22 15 0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Pa
rtik
ela
nza
hl
ohne Konvention der Standardanalyse
Beispiel 1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen
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*abweichende Faserdefinition
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Beispiel 1. Höhere Vergleichbarkeit von Analyseergebnissen
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*abweichende Faserdefinition
50 ≤ x < 100 µm
100 ≤ x < 150 µm
150 ≤ x < 200 µm
200 ≤ x < 400 µm
400 ≤ x < 600 µm
600 ≤ x < 1000 µm
1000 µm ≤ x
Materialmikroskop 1988 345 119 93 18 11 0
Materialmikroskop* 2049 332 118 82 25 17 0
Zoom-Mikroskop 1489 281 107 86 14 11 0
Zoom-Mikroskop (ohne Pol-Filter) 1634 324 112 102 19 12 0
Stereomikroskop 1678 311 118 83 17 11 0
Scanner 1805 321 113 86 18 11 0
0
500
1000
1500
2000
2500
Pa
rtik
ela
nza
hl
mit Konvention der Standardanalyse
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Beispiel 2. Vereinheitlichung bei der Erstellung von Grenzwerten
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Zu berücksichtigende Punkte bei der Erstellung von Grenzwerte (informativ für Entwickler und Konstrukteure)
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Beispiel 2. Vereinheitlichung bei der Erstellung von Grenzwerten
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Ableitung von Grenzwerten für Einzelbauteile allein aufgrund der Flächenanteile
Innenfläche = 80%
Zulässiger
Grenzwert = 8mg
Benetzte
Gesamtfläche = 100%
Zulässiger
Grenzwert = 10mg
Benetzte Fläche = 10%
Zulässiger
Grenzwert = 1mg
Innenfläche = 8%
Zulässiger
Grenzwert = 0,8mg
Benetzte Fläche = 2%
Zulässiger
Grenzwert = 0,2mg
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Beispiel 2. Vereinheitlichung bei der Erstellung von Grenzwerten
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Ableitung von Bauteilgrenzwerten aus Systemgrenzwerten (informativ für Entwickler und Konstrukteure)
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Beispiel 3: einheitliche Vorgehensweisen bei Grenzwertüberschreitung
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• Wirtschaftliche Reinigungstechnik hat ihre Grenzen
• Bauteilsauberkeit ist eine „etwas andere Messgröße“
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Beispiel 3. einheitliche Vorgehensweisen bei Grenzwertüberschreitung
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Verbindliche Nachprüfung
• Bei Überschreitung eines Sauberkeitsgrenzwertes
• Überprüfung der Analysegerätschaften +
• Prüfung einer B-Probe
• Ist diese Prüfung ebenfalls niO, greifen vereinbarte Maßnahmen
Sauberkeitsgrenzwerte s ind Eingriffsgrenzen keine Toleranzgrenzen!
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Die wichtigste Neuerung
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„Für die Prüfung der Technischen Sauberkeit sind spezielle Einrichtungen, geeignete Räumlichkeiten und qualifiziertes, erfahrenes und motiviertes Personal notwendig“
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Markus Rochowicz Dr.-Ing. Gruppenleiter Reinheitstechnik Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA Abteilung Reinst- und Mikroproduktion Nobelstraße 12 | 70569 Stuttgart Telefon +49 711 970-1175 | Fax +49 711 970-1007 [email protected] www.ipa.fraunhofer.de