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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 Markus.Rochowicz@ipa.fraunhofer.de www.ipa.fraunhofer.de