In jedem PKW werden typischerweise 6 bis 10 m Gummischläuche verbaut. Zusammen sind das rund 5,4 Mrd. m verlegte Automobilschläuche in 2014. Um eine einwandfreie Funktion dieses Schlauchnetzes im Auto […]

Die Qualitätsanforderungen an Gummischläuche haben sich in den letzten Jahren kontinuierlich erhöht. (Foto: Sikora)
In jedem PKW werden typischerweise 6 bis 10 m Gummischläuche verbaut. Zusammen sind das rund 5,4 Mrd. m verlegte Automobilschläuche in 2014. Um eine einwandfreie Funktion dieses Schlauchnetzes im Auto sicherzustellen, gewinnt die Qualitätssicherung schon während der Herstellung von Gummischläuchen an Bedeutung.
Die Qualitätsanforderungen an Gummischläuche haben sich in den letzten Jahren kontinuierlich erhöht. In der Vergangenheit reichte es aus, dass der Schlauch als eine durchgehende, offene Verbindung gefertigt wurde. Weitere Parameter wie Exzentrizitätswerte wurden nicht berücksichtigt. Heute sind die Anforderungen an Gummischläuche sehr viel höher und komplex, insbesondere im Hinblick auf die Funktion und Sicherheit wie beispielsweise für Hydraulik- oder Turboladerschläuche.
Herstellung und Qualitätsanforderung
Je nach Anwendung und Belastung gibt es ein-, drei- oder fünflagige Gummischläuche. Diese werden in Extrusionsanlagen gefertigt. Dabei erzeugt ein erster Extruder die Innenschicht (Innengummi). Diese wird oft auf einen Dorn gespritzt, der nach der Fertigstellung des Schlauches mit Hilfe von Druckluft oder Wasser wieder herausgedrückt wird. Auf die Innenschicht wird bei mehrlagigen Schläuchen zusätzlich ein Druckträger als Verstärkung und Schutz eingearbeitet. Im Anschluss wird die Außenschicht (Außengummi) extrudiert. Bei bestimmten Anwendungen wie beispielsweise Turboladerschläuchen werden mehrere Innenschichten und Druckträger aufgetragen. Beispielsweise wird bei bestimmten Schlauchtypen als Innenschicht ein Silikon verwendet, auf das ein Druckträger aufgetragen wird. Darauf folgt eine Schicht Gummi, ein weiterer Druckträger und als Außenschicht erneut Gummi. Es gibt bestimmte Arten von Gummi wie zum Beispiel Fluorkarbon-Kautschuk (FKM), die bestens geeignet sind, um heterogene Medien, wie zum Beispiel Kraftstoff und Öle, zu transportieren. Spezifikationskonforme Gummischläuche sind für eine problemlose Weiterverarbeitung erforderlich. Eine anspruchsvolle Qualitätskontrolle dient darüber hinaus der Einsparung von Materialien.
Qualitätskontrolle mittels Röntgentechnologie
Zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Gummischläuchen werden heute verschiedene Technologien eingesetzt, beispielweise Laser zur Bestimmung des Durchmessers oder Röntgen zur Bestimmung der Konzentrizität. Konventionelle Techniken wie Ultraschall stoßen funktional an ihre Grenzen, da die Signale der einzelnen Schichten im Gummischlauch nicht eindeutig wiedergegeben werden. Der Schall wird durch das Gummi größtenteils absorbiert. Des Weiteren ist die Messgenauigkeit der Ultraschalltechnik von der Temperatur des zu messenden Materials abhängig. Es wird zusätzlich ein Koppelmedium – wie zum Beispiel Wasser – benötigt. Luftblasen können sich an Sensoren festsetzen und beeinflussen die Messergebnisse. Gummischläuche sind jedoch äußerst komplex und müssen vielfältige Anforderungen erfüllen, so dass eine Qualitätssicherung aller Schichten erforderlich ist. Die präzise Messung aller Schlauchparameter ohne Abhängigkeit von Umgebungs- oder Materialeinflüssen lässt sich durch den Einsatz von Röntgentechnologie sicherstellen.
Seit den frühen 90er Jahren bietet die Sikora AG, Bremen, Röntgentechnologien zur kontinuierlichen Qualitätskontrolle von strangförmigen Produkten während der Fertigung an. Je nach Anforderung wird ein Röntgenmesssystem entweder direkt nach dem Extruder (Heißmessung) oder am Ende der Linie (finale Qualitätskontrolle) installiert. Mit einer 4-Punkt-Online-Messung werden die Messwerte für die Wanddicke, die Exzentrizität, den Innen- und Außendurchmesser und die Ovalität ermittelt. Das System misst bis zu drei unterschiedliche Materialschichten. Diese Messwerte sowie die Exzentrizität werden an acht Punkten an einem Prozessorsystem numerisch oder grafisch als Schlauchquerschnitt in Echtzeit angezeigt und ermöglichen dem Bediener das Spritzwerkzeug optimal zu zentrieren.
Besonders effizient ist der Einsatz des Röntgenmesssystems in Kombination mit einem Prozessorsystem durch die automatische Regelung der Liniengeschwindigkeit oder Extruderdrehzahl unter Berücksichtigung der Minimalwerte. Damit wird zum einen die Qualität des Schlauches sichergestellt. Zum anderen wird durch die Regelung auf den Minimalwert nur so viel Material verbraucht wie erforderlich. Durch den Einsatz eines Röntgenmesssystems werden rund 5 % weniger Material für die Fertigung benötigt. Dies entspricht einer Kosteneinsparung von rund 100.000 EUR/a (Extruderausstoß: 300kg/h, Nutzungsdauer: 6.000 h/Jahr, Materialkosten: 1,5 EUR/kg). Die heute verfügbare Röntgentechnik deckt Produktdurchmesser von 0,65 mm bis 650 mm ab.
Röntgenmessverfahren

Die unterschiedliche Dämpfung der Materialien führt zu einem sichtbaren Kontrast im Röntgenbild. (Abb.: Sikora)
Die Röntgentechnologie basiert auf einem bildgebenden Verfahren. Zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete Röntgenröhren beleuchten den Schlauch quer zu dessen Achse. Den beiden Röntgenröhren gegenüber ist jeweils ein Zeilensensor positioniert. Die Zeilensensoren sind mit einem Szintillator belegt, der die empfangene Röntgenstrahlung in Licht umwandelt. Innerhalb von Millisekunden entsteht daraus ein Bild des Schlauchs. Produktionsbedingte Vibrationen haben keinen Einfluss auf das Messergebnis. Während des laufenden Produktionsbetriebs werden online kontinuierlich präzise Werte aufgenommen. Die Auswertung erfolgt direkt aus dem Scanbild. Bei der Röntgentechnologie ist keine Adaption an Materialien erforderlich, ein Kopplungsmedium wird nicht benötigt. Die Technologie ist unabhängig von der Temperatur des Messgutes, wodurch es möglich ist, ein Röntgenmessgerät ohne Mehraufwand direkt in die Extrusionslinie zu integrieren.
Grundlegendes Prinzip des Röntgenmessverfahrens ist die unterschiedliche Dämpfung von Materialien, angelehnt an das Periodensystem der Elemente. Die Dämpfung (µ) der Röntgenstrahlung eines Materials ist proportional zur Atomzahl hoch drei (µ~Z3) und proportional zu seiner Dichte. Wesentliche Grundbausteine synthetischer Gummis wie z.B. Styrol oder Vinylethylen sind Kohlenwasserstoffmoleküle. Daraus resultiert eine sehr geringe Dämpfung für Polymere, die nur aus Kohlenwasserstoffen hergestellt werden. Andere Gummiarten werden durch Co-Polymerisation mit weiteren Basisstoffen hergestellt, bei denen auch andere Elemente wie Chlor, Stickstoff (oder Sauerstoff enthalten sind. Entsprechend haben diese eine höhere Dämpfung und bilden einen starken Kontrast zu den auf Kohlenwasserstoffmolkülen basierenden Polymeren. Der Einsatz von entsprechenden physikalischen Modellen und robusten Optimierungsalgorithmen ermöglichen bereits für geringe Kontraste eine mikrometergenaue Messung der Schlauchdimensionen.
3-Achs-Röntgenmessung
Für die Gummischlauchfertigung bietet sich zur Qualitätssicherung ebenfalls eine 3-Achs-Röntgenmessung an. Die Messung in drei Ebenen ermöglicht eine 6-Punkt-Wanddickenmessung und in Kombination mit einer hohen Messrate die Detektion von Defekten wie Blasen zwischen den einzelnen Gummischichten. Kleinste Bläschen und Fehler im Schlauch werden so zuverlässig detektiert. Neben der Wanddicke, dem Außen- und Innendurchmesser sowie der Exzentrizität von bis zu drei Wanddicken misst das System auch die Ovalität des Schlauches. Die Messung in 3-Ebenen erfolgt für Produkte von 6 bis 65 mm.