Verfahren zur Klassifizierung von Partikeln in der Automobilindustrie mittels Luminiszenzspektroskopie

Abstract

Die technische Entwicklung in der Automobilindustrie hat in jüngster Vergangenheit eine verstärkte Anfälligkeit funktionsrelevanter Komponenten gegenüber Partikelverunreini¬gungen – sog. Restschmutz – mit sich gebracht. Beispiele für diese Schadensfälle sind Verstopfen von Düsen im Einspritzsystem, Verklemmen von Schiebern im Getriebe, Beschädigung von Lagerlaufflächen, Leckagen in hydraulischen und pneumatischen Dichtungs¬systemen sowie Kurzschlüsse in elektro¬nischen Steuersystemen. Aus diesem Grund müssen partikuläre Rückstände auf sauberkeitskritischen Komponenten gemäß VDA-19 messtechnisch erfasst und analysiert werden. Erstes Kriterium zur Bewertung der Partikel auf Bauteiloberflächen ist deren Anzahl und Größe. Darüber hinaus sind die mechanischen und elektrischen Eigenschaften der Partikel für das Eintreten eines Schadensfalls entscheidend. Elektronische Komponenten reagieren nur kritisch auf elektrisch leitende Partikel. In mechanischen Aggregaten hingegen können lediglich Partikel mit einer gewissen Härte zu Beschädigungen führen. Zur vollständigen Beschreibung der Bauteilsauberkeit ist somit die Bestimmung der Anzahl und Größe der Partikel notwendig und – je nach Anwendungsfall – deren mechanische oder elektrische Materialeigenschaften. Das derzeitige Verfahren nach Stand der Technik stellt die energiedispersive Röntgenanalyse am Rasterelektronen¬mikroskop (REM-EDX) dar. Dieses Verfahren ist jedoch technisch sehr aufwändig und liefert darüber hinaus nur die Elementverteilung des Materials. Die Materialeigenschaften, die sich aus der Molekülstruktur des Materials ergeben, können somit nur abgeschätzt werden. Zur Entwicklung eines technisch einfachen Verfahrens, zur direkten Bewertung von Partikeln entsprechend ihrer Materialeigenschaften, müssen zunächst die in der Automobilindustrie auftretenden Partikelquellen betrachtet und die daraus resultierenden Partikel nach Werkstoffen gruppiert werden. Anhand der relevanten Material¬eigen¬schaften der praxistypischen Restschmutzpartikel werden aus den Werkstoffgruppen vereinfachte Materialklassen abgeleitet. Zur vollständigen Bestimmung des Schädigungs¬potenzials von Restschmutzpartikeln ist somit neben der Größen- und Anzahlbestimmung lediglich deren Einordnung in die zugehörige Materialklasse notwendig. Zur Auswahl des Messprinzips, auf dessen Grundlage die Materialklassifizierung erfolgt, wurden Analyseverfahren anhand der Anforderungen der Automobilindustrie einander gegenübergestellt. Durch diese Betrachtung wurde ersichtlich, dass die Lumineszenzspektroskopie die aufgestellten Anforderungen komplett erfüllt. Dieses Prinzip ermöglicht eine direkte Aussage über die Materialklasse und somit die Materialeigenschaften der Partikel. Des Weiteren bedarf die Lumineszenzspektroskopie keiner teuren Gerätetechnik und ist mit der Lichtmikroskopie zur Bestimmung der Partikelgröße und -anzahl kombinierbar.

Technical developments in the automotive industry are making functionally-relevant components increasingly sensitive towards particulate contamination – so-called residual contamination. Examples of such failures include clogged injection system nozzles, jammed sliders in gear boxes, damaged bearing surfaces, leaks in hydraulic and pneumatic sealing systems and shorts in electronic control systems. As a result, particulate residues present on contamination-sensitive components need to be analyzed and recorded in compliance with VDA-19. To evaluate particles on component surfaces, the first step to is gain information about the quantity and size of particles present. Knowledge of the mechanical and electrical characteristics of the particles is also essential in order to assess failure risks. For example, electronic components only react critically to electrically-conductive particles; on the other hand, mechanical aggregates are only damaged by particles possessing a certain degree of hardness. Therefore, to fully describe component cleanliness, not only is it necessary to know the size and count of particles but also – depending on the application at hand – their mechanical or electrical material properties. The current state-of-the-art method applied is to use scanning electron microscope in combination with energy-dispersive X-ray analysis (SEM-EDX). However, this method is technically complex and only supplies information about the element distribution of particles. The material properties of a material can only be estimated from its molecular structure. In order to develop a technically simple method for assessing the material properties of residual particles, it is necessary to observe particle sources in automotive industry and to group the resulting particles into material types. Simplified material classes were then derived from the material groups based on the relevant material properties of residual contamination particles typically found in practice. Thus, as well as determining the size and count of residual contamination particles, the damage potential of such particles can be completely assessed by classifying them into appropriate material classes. To select a measuring principle to form the basis of the material classification, analysis techniques were compared with one another considering the requirements of automotive industry ascertained. This showed clearly that luminescence spectroscopy fulfilled all requirements. The principle enables direct information about the material class and thus the material properties of the particles to be gained. Furthermore, luminescence spectroscopy does not require any expensive devices and can be combined with light microscopy to ascertain particle size and count. Based on the measuring principle, a luminescence spectroscope was then designed and implemented in a test set-up to classify the materials forming the particles. In the sample chamber, on an analysis filter inactive to luminescence particles are illuminated by a beam of ultraviolet light between 360 and 370 nm. The luminescence signal is recorded simultaneously by a camera and a spectrometer and subsequently analyzed. The camera serves to localize the particles and the spectrometer records the wavelengths of the dispersive intensity of the luminescence signals. Gray value images of the particles on the analysis filter are also recorded by the camera under visible illumination to enable particle size and count to be ascertained. The test method defines the procedure for assessing the material class using the test set-up. Materials were classified by way of the luminescence spectra measured. The spectral variables of the central wavelength CWL, full width at half maximum FWHM and band symmetry at half maximum SFWHM were calculated from the wavelengths of dispersive intensity values. As characteristic value ranges can be assigned to each material class, materials can be classified by comparing the spectral variables recorded with the characteristic value ranges for each material class. The test method also enables particle sizes and counts to be ascertained using the optical camera system of the test set-up. To assess the method developed particles of known size and material typically found in manufacturing in the automotive industry were utilized. The quantity, size and material class of the particles on the test analysis filters were ascertained by applying the inspection method and test set-up. The suitability of the method for determining particle size, count and material class was then verified by comparing the test results with the particles used.