ADAS Dichtheitsprüfungen für die Sinnesorgane autonomer Fahrzeuge

Autor / Redakteur: Sandra Seitz * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Autonomes oder teilautonomes Fahren funktioniert nur mit einer Vielzahl von Sensoren. Aber diese müssen zuverlässig unktionieren – und deshalb wasser- oder sogar gasdicht sein.

Firmen zum Thema

Autonomes Fahren: ist ohne zuverlässige Sensoren nicht möglich.
Autonomes Fahren: ist ohne zuverlässige Sensoren nicht möglich.
(Bild: © temp-GTX64, stock-adobe.com)

Wenn Fahrzeuge in der Lage sein sollen, sich autonom oder teilautonom zu bewegen, müssen sie dafür mit einer Vielzahl an Sensoren und elektronischen Komponenten ausgestattet sein: die Idee hinter den fortschrittlichen Advanced Driver Assistance Systems (ADAS). Dass ADAS-Komponenten zuverlässig funktionieren, ein Fahrzeugleben lang, ist eine unverzichtbare Sicherheitsanforderung. Wasser aber ist der Feind jeder Elektronik und auch aller Sensoren. Oft gilt es, schon ein Eindringen von Luftfeuchtigkeit zu verhindern. Viele ADAS-Sensoren müssen deshalb nicht nur wasser-, sondern sogar gasdicht sein. Deswegen nutzen Hersteller zur Qualitätssicherung moderne Prüfgasmethoden, die ebenso empfindlich wie zuverlässig sind. Für viele Szenarien empfehlen sich darum Heliumprüfungen in der Vakuumkammer.

Sensoren und Elektronik werden immer wichtiger

Elektronische Komponenten und Sensoren spielen in modernen Fahrzeugen eine stetig wachsende Rolle. Der Siegeszug der Fahrassistenzsysteme hat diesen Trend noch beflügelt. Parallel dazu ist auch der Wertanteil deutlich gestiegen, den integrierte Schaltkreise und vergleichbare Elektronikkomponenten im Fahrzeug haben. Betrug er 1990 im Durchschnitt noch 62 US-Dollar hatte sich dieser Wert bis 2013 schon gut verfünffacht, auf 312 US-Dollar. Bis 2022 werden Prognosen zufolge in modernen Fahrzeugen schon Halbleiterprodukte im Wert von durchschnittlich 460 US-Dollar verbaut sein. Digitale Intelligenz gehört immer mehr zur Grundausstattung moderner Pkw: von der Motorsteuerung über das Antiblockiersystem bis zum ESP, von der aktiven Federung über die Reifendrucküberwachung bis zur Bremsenergierückgewinnung, vom Batteriemanagement über die adaptive Geschwindigkeitsregelung bis zur automatischen Notbremsfunktion.

Bildergalerie

Advanced Driver Assistance Systems

Mit der Weiterentwicklung der ADAS-Systeme und dem Markteintritt von Fahrzeugen, die immer stärker autonom unterwegs sind, vervielfacht sich zudem die Zahl der verbauten Umgebungssensoren. Während Assisted Driving prinzipiell schon mit einem einzigen Sensor im Fahrzeug beginnt, rechnet man für Pkws, die sich halbautonom fortbewegen, schon mit rund 16 verschiedenen Sensoren, Kameras und Radarsystemen. Soll sich das Automobil sogar vollständig autonom bewegen können, kalkuliert man mit mindestens 44 Sensoren. Alle diese Elektronikkomponenten und Sensoren im Fertigungsprozess auf ihre Dichtheit zu prüfen, ist unerlässlich, wenn die Elektronik das anvisierte Fahrzeugleben von rund 15 Jahren überdauern soll. Besonders streng sind die Anforderungen an ADAS-Komponenten für die drei höchsten Autonomieniveaus: Bedingungsautomatisierung (Level 3), Hochautomatisierung (Level 4) und Vollautomatisierung (Level 5).

Null-Fehler-Strategie statt Six-Sigma

In Geräten der Unterhaltungselektronik sind die Anforderungen an die Robustheit und Dichtheit der Halbleitertechnik naturgemäß weit geringer als bei den sicherheitskritischen Komponenten in einem Fahrzeug. In der Unterhaltungselektronik hat man es mit Temperaturbereichen von 0 bis 40 °Celsius zu tun, während Fahrzeugelektronik üblicherweise in einem Temperaturfenster von –40 bis 150 °C zuverlässig funktionieren muss. Betrachtet man die ADAS-Sensortechnologie, sind die Anforderungen im Zweifelsfall viel schärfer. Ein Six-Sigma-Ansatz, der 3,4 Fehler unter einer Million Fällen gestattet, wäre in diesem Kontext unvorstellbar. Hersteller von ADAS-Komponenten verfolgen vielmehr eine Null-Fehler-Strategie: mit weniger als einem Versagensfall unter einer Milliarde Teilen. Alles andere wäre für Fahrzeuge, die sich im dichten Stadtverkehr ebenso wie bei Autobahngeschwindigkeiten autonom oder teilautonom bewegen sollen, aus Sicherheitsgründen nicht tolerierbar.

Das Gehäusematerial als Dichtheitsfaktor

Der zentrale Feind aller elektrischen und elektronischen Komponenten in einem Fahrzeug ist das Wasser, schon weil naturgemäß eine Kurzschlussgefahr besteht. Entsprechend wichtig ist die Wasserdichtheit der Gehäuse elektronischer Komponenten. Dies bedeutet, dass diese Gehäuse in der Regel den Schutzklassen IP67 oder sogar IP69K genügen müssen. Dabei besteht zwischen dem Gehäusematerial und den Grenzleckraten, gegen die auf Dichtheit geprüft werden sollte, ein enger Zusammenhang. Interessanterweise ergeben sich bei Gehäusen aus Kunststoffen oder auch aus Stahl weniger strenge Anforderungen als bei Gehäusen aus Aluminium (siehe auch Autotest, September 2019). Denn wie leicht Wasser durch einen Leckkanal mit definierter Länge und Durchmesser in ein Gehäuse eindringt, hat entscheidend damit zu tun, wie leicht sich ein Wassertropfen vom Gehäusematerial ablösen kann. Aluminium beispielsweise ist viel kritischer als Kunststoffmaterial, weil sich Wasser von Aluminium viel leichter ablöst. Um die Wasserdichtheit von Kunststoffgehäusen sicherzustellen, lassen sie sich mit der einfachen Akkumulationsmethode gegen eine Helium-Leckrate von 10-3 mbar . l/s prüfen. Das Gehäuse wird dafür mit dem Prüfgas befüllt. Dann misst man, wieviel Prüfgas aus einem etwaigen Leck in einem bestimmten Zeitraum aus dem Gehäuse in eine simpel aufgebaute Akkumulationskammer austritt. So errechnet sich der Volumenstrom des austretenden Prüfgases und damit die konkrete Leckrate.

Vakuumprüfungen für Aluminiumgehäuse

Werden Gehäuse nicht aus Kunstoffen oder Stahl, sondern aus Aluminium gefertigt, sind Prüfungen gegen tausendfach kleinere Lecks erforderlich. Für solche Tests gegen Grenzleckraten von 10-6 mbar . l/s kommt praktisch nur die Heliumprüfung in der Vakuumkammer infrage. Das Aluminiumgehäuse wird dazu mit Helium befüllt und in eine Kammer gebracht, aus der man dann die Luft evakuiert. Damit sind auch kleinste Mengen Helium nachweisbar, die in das Vakuum der hochdichten Kammer austreten. Besteht allerdings keine Befüllmöglichkeit am Gehäuse – etwa weil es bereits hermetisch abgedichtet ist – verwendet man die sogenannte Bombing-Methode. Beim Bombing wird das Prüfteil zunächst einer Helium-Atmosphäre ausgesetzt, sodass das Prüfgas durch etwaige Lecks ins Gehäuseinnere eindringen kann. Erst dann kommt dieses Prüfteil in die Vakuumkammer, in der das Helium durch die Leckstelle wieder austritt.

Steuermodule mit Gore-Tex-Membran

In manchen Fertigungsprozessen wird die Notwendigkeit der späteren Dichtheitsprüfung bereits berücksichtigt – und das Bombing vermieden. Dafür befüllt man das Gehäuse unmittelbar vor seiner endgültigen Abdichtung mit einem Prozent Helium. Um gegebenenfalls austretendes Helium bei der späteren Prüfung nachzuweisen, ist dann wegen der geringen Prüfgaskonzentration oft wiederum die Vakuumkammer erforderlich. Es gibt allerdings noch einen anderen Weg, das Prüfgas in ihr Inneres zu bringen. Steuermodule sind sehr oft mit einer semipermeablen Gore-Tex-Membran ausgestattet, die den Zweck hat, temperaturbedingte Luftdruckunterschiede auszugleichen und eine Druckdifferenz zwischen dem Gehäuseinnern und der Umgebung zu vermeiden. Die Tatsache, dass solche Gehäuse durch ihre Membran gleichsam atmen, macht man sich zunutze, um sie bei der Dichtheitsprüfung mit Helium zu beaufschlagen. In einer Akkumulationskammer oder in einer Vakuumkammer ist das austretende Prüfgas dann nachweisbar. Allerdings hat die Prüfung in der aufwendigen Vakuumkammer gegenüber jener in der einfachen Akkumulationskammer immer den Vorzug einer höheren Geschwindigkeit und kürzerer Taktzeiten. Denn bei der Vakuumprüfung ist es unnötig, erst darauf zu warten, bis sich genügend Prüfgas in der Kammer angesammelt – oder akkumuliert – hat.

ADAS-Sensoren müssen gasdicht sein

Bei vielen ADAS-Sensoren ist es wichtig, dass sie nicht nur wasser-, sondern sogar gasdicht sind. Eine Komponente, die nicht gasdicht ist, birgt immer die Gefahr, dass eingedrungene Luftfeuchtigkeit bei Temperaturänderungen kondensiert und ihre absolute und dauerhafte Funktionssicherheit beeinträchtigt. Ein Beschlagen durch Luftfeuchtigkeit ist für Lidar (Light Detection And Ranging)- und Radar (Radio Detection And Ranging)-Sensoren ähnlich problematisch wie etwa für eine Kameraoptik. Lidar-Sensoren dienen der Erfassung von Objekten in mittleren Distanzbereichen. Dagegen decken Radar-Sensoren einerseits den Nahbereich um das Fahrzeug ab und scannen andererseits Hindernisse auf größere Distanz. Hinzu kommen auch noch Ultraschallsensoren für Einparkvorgänge. Um die Gasdichtheit der sicherheitskritischen Lidar- und Radar-Komponenten zu verifizieren und jedes Eindringen von Luftfeuchtigkeit auszuschließen, sind Dichtheitsprüfungen gegen sehr kleine Grenzleckraten im Bereich von 10-6 bis 10-7 mbar . l/s nötig. Dies macht eine Helium-Vakuumprüfung unausweichlich. Auch für die Gasdichtungen in einem Sensorgehäuse, durch die strom- bzw. signalführende Kabel ins Innere geführt werden, gelten dieselben strengen Dichtheitsanforderungen. Bei US-amerikanischen Herstellern von Lidar- und Radar-Sensoren beispielsweise ist darum die Heliumprüfung in der Vakuumkammer bereits die Methode der Wahl.

Unzuverlässige Druckabfallprüfung

Weltweit werden derzeit aber tatsächlich noch viele Sensoren nur mit dem weit unempfindlicheren Druckabfallverfahren geprüft. Auch die tendenzielle Unzuverlässigkeit ist ein großes Problem der Druckabfallprüfung. Denn wenn sich die Temperatur während der Druckabfallprüfung nur minimal erhöht, steigt entsprechend auch der Druck, was potenzielle Lecks verschleiert. Fällt die Temperatur dagegen ab, sinkt auch der Druck, und es kommt zu fälschlich identifizierten Lecks und Fehlalarmen. Gerade im Fall von ADAS-Komponenten und -Sensoren spricht aber nicht nur die weit höhere Empfindlichkeit dafür, anstelle herkömmlicher Druckverfahren Prüfgase einzusetzen – es ist ihre überlegene Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit, die Prüfgasmethoden unersetzlich macht.

Kein autonomes Fahren ohne Dichtheitsprüfung

Das Ziel der Hersteller von ADAS-Komponenten, eine Fehlerrate von unter einem Fall auf eine Milliarde Teile zu erreichen, mag ehrgeizig erscheinen, aber es ist unverzichtbar. Die Funktionsfähigkeit aller sicherheitskritischen Systeme muss langfristig gewährleistet sein. Und die Sensoren – sozusagen die Sinnesorgane autonomer Fahrzeuge – sind definitiv sicherheitsrelevant. Diese Komponenten bei der Fertigung sorgfältig auf ihre Gasdichtheit zu prüfen und kleinste Lecks auszuschließen, reduziert die Gefahr eines Eindringens von Luftfeuchtigkeit. Sensoren, die mitten im Betrieb gleichsam erblinden, wären auf den höheren ADAS-Autonomiestufen unvorstellbar. Kein autonomes Fahren ohne Dichtheitsprüfung!

* Sandra Seitz ist Market Manager Automotive Leak Detection Tools bei der Inficon GmbH.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:47687763)