Co to jest szczelność wyrobu?

WPROWADZENIE

W codziennej praktyce i w wielu dziedzinach życia mamy do czynienia z artykułami, wyrobami, urządzeniami, których ważną cechą jest szczelność, zapewniająca ich prawidłowe wykorzystanie w różnych warunkach. Takimi wyrobami spotykanymi w naszej codziennej praktyce są np. części wykorzystywane w samochodach (opony, zbiorniki, układy paliwowe, hamulcowe, chłodzenia i klimatyzacji, itp.), wyroby gospodarstwa domowego (lodówki, kuchenki gazowe, pralki, zmywarki, ekspresy do kawy, itp.), opakowania, urządzenia medyczne (strzykawki, fiolki, blistry, …), armatura wodna i gazowa (zawory, filtry do wody, dozowniki, …), urządzenia elektroniczne (zegarki, telefony, obudowy szczelne dla modułów elektronicznych, baterii, …), i wiele innych.

Producenci tych urządzeń powinni zapewnić odpowiednią jakość swoich produktów, m.in. poprzez odpowiednią kontrolę jakości w linii produkcyjnej. Jednym z parametrów świadczących o właściwej jakości wyrobu jest jego szczelność, a więc konieczna jest również kontrola tej cechy wyrobu na etapie produkcji.

W potocznym rozumieniu określa się tą cechę wyrobu jaką jest szczelność w sposób „zerojedynkowy”, tzn.: wyrób może być szczelny lub nieszczelny. Tak sformułowana cecha określa wyrób w sposób tylko jakościowy, gdyż podobnie moglibyśmy powiedzieć, że wyrób jest „ciężki” lub „lekki”, albo „długi” lub „krótki”. Widać, że tak sformułowana cecha wyrobu jest nieprecyzyjna, bo potrzebne są kryteria i tolerancje dla ilościowego określenia tego parametru jakim jest szczelność.

Dobrym przykładem potocznie rozumianej kontroli szczelności jest badanie przecieku z opony samochodowej, podczas zanurzenia koła w wodzie i obserwacji pęcherzyków powietrza wydostających się z opony w przypadku nieszczelności. Wtedy możemy stwierdzić, że jeśli pojawia się pęcherzyk powietrza to opona jest nieszczelna. Dokonujemy wówczas „jakościowego” rozróżnienia: wyrób jest szczelny lub nieszczelny. W tym miejscu można postawić pytanie:

• Co będzie jeśli pęcherzyk pojawi się dopiero po minucie obserwacji?
  Albo 10 minutach, albo po godzinie… itd.
• Ile czasu powinniśmy obserwować oponę pod wodą, aby dokonać właściwej oceny „szczelna/nieszczelna”?
  Widać więc, że tego typu kontrola szczelności jest mało precyzyjna, bo nie podaliśmy kryterium „ilościowego” dla oceny tej cechy wyrobu.

DLACZEGO TEST SZCZELNOŚCI JEST TAK WAŻNY?

W procesie produkcji, jeśli proces kontroli jakości powinien przebiegać w sposób bardziej lub mniej zautomatyzowany, musimy wykonać pomiar pewnej wielkości określającej badaną cechę wyrobu, a następnie porównać wynik tego pomiaru z przyjętym kryterium określającym prawidłowość wielkości opisującej tą cechę. Kryteria takie określamy mianem specyfikacji technicznych dla wyrobu, które powinny zostać sprecyzowane na etapie opracowywania konstrukcji wyrobu w taki sposób, aby wyrób był dostosowany do przeznaczenia i zapewniał prawidłową jego eksploatację przez przyszłego użytkownika. Takie kryteria mogą dotyczyć np. wymiarów z podaną tolerancją, wagi, parametrów elektrycznych, termicznych, itp., zawsze z tolerancjami dopuszczalnymi dla danego parametru.

1. JAK ZDEFINIOWAĆ WARTOŚĆ PRZECIEKU

Powyższe uwagi dotyczą w takim samym stopniu konieczności określenia szczelności wyrobu w sposób ilościowy, oraz podania kryterium, pozwalającego na zakwalifikowanie wyrobu jako dobrego (OK, szczelny) lub złego (NOK, nieszczelny).

Musimy więc zdefiniować pewien parametr, który będzie wskazywał na „stopień szczelności” danego wyrobu, oraz podać zakres wartości tego parametru, przy którym będziemy mogli zakwalifikować wyrób jako „dobry” (OK) lub „zły” (NOK).

Takim parametrem, który za chwilę zdefiniujemy będzie wielkość, którą nazwiemy „przeciekiem”, w języku angielskim „leak rate”, stąd oznaczymy tą wielkość literą L. Możemy teraz sformułować kryterium dla tej cechy wyrobu, które nazwiemy:

• „dopuszczalna wartość przecieku” (L_max).

Bardzo często spotkać można stwierdzenia, że skoro wyrób powinien być szczelny, to nie można dopuścić żadnego przecieku. Jednak w przyrodzie nie istnieje pojęcie absolutnej szczelności, podobnie jak nie można wytworzyć absolutnej próżni, lub temperatury zero kelwinów… W przykładzie z oponą, również nasze kryterium oceny zależało od tego w jakim czasie obserwujemy testowaną oponę. Jeśli nie zauważymy przecieku np. przez minutę, nie oznacza to, że po dłuższym czasie nie pojawi się pęcherzyk…

Szczelność wyrobu, podobnie jak każda inna cecha, powinna być dostosowana do jego przeznaczenia i zapewniać prawidłową jego eksploatację w założonych warunkach. Inne będzie kryterium np. dla zaworu pracującego w elektrowni jądrowej, a inne dla układu wydechowego w samochodzie, inne dla wysokociśnieniowego zbiornika wodoru, a inne dla baterii łazienkowej …

Przeciek może powstać na skutek wady w ściance wyrobu, może to być np. pęknięcie, porowatość, brak przyklejenia, wada uszczelnienia, wada materiałowa, itp. Przeciek zdefiniujemy jako ilość substancji (gazu, cieczy…) wydostającej się w jednostce czasu z testowanego wyrobu, na skutek istnienia tej wady.

Dla cieczy (np. woda) definicją przecieku będzie:

• L = dV / dt, gdzie dV jest objętością cieczy, a dt czasem.

Ponieważ ciecze są nieściśliwe, wielkość dV dobrze określa ilość wydostającej się substancji z wyrobu.

Dla gazu, aby dobrze określić ilość wydobywającego się gazu, powinniśmy podać ciśnienie, w jakim mierzona jest ta objętość. Wynika to z równania stanu gazu doskonałego (równania Clapeyrona) wiążącego parametry opisujące stan gazu: ciśnienie (P), objętość (V) i temperatura (T).

• P * V = n * R * T (n jest ilością moli gazu, R stałą gazową)

Tak więc iloczyn P * V jest miarą ilości gazu w danej temperaturze. Definicją przecieku dla gazu (np. powietrza) jest:

• L_g = P * dV / dt

Z powyższej definicji wynikają jednostki w jakich określamy przeciek (w układzie SI):

• [ P * dV / dt ] = Pa * m³ / s, czyli Pascal razy metr sześcienny na sekundę.

Dla przypomnienia: Pascal (Pa) to wielkość ciśnienia odpowiadająca naciskowi 1 N/m² (jeden Niuton na metr kwadratowy). Jest to bardzo mała wielkość odpowiadająca np. ciśnieniu jakie wywiera warstwa wody o grubości 0,1 mm. Ciśnienie atmosferyczne (1 bar) to 100 000 Pa, czyli 1 Pascal to jedna stutysięczna ciśnienia atmosferycznego.

W praktyce używa się innych, pochodnych jednostek dla opisu przecieku, do najczęściej używanych zaliczają się:

• mbar*l/s (milibar razy litr na sekundę, jednostka używana często przy testach helowych).
• atm*cm³/s lub atm*ml/s (atmosfera razy mililitr na sekundę, jednostka używana często w USA).
• bar*cm³/min, (bar razy centymetr sześcienny na minutę) jeśli przeciek następuje do atmosfery.

Ta ostatnia jednostka jest dość powszechnie używana w testach szczelności wyrobów w produkcji, bo mamy wówczas do czynienia z pomiarem objętości powierza wydostającego się do atmosfery z testowanego wyrobu. Ponieważ objętość mierzona jest w ciśnieniu 1 bar, często „upraszcza się” tą jednostkę i podaje się wartość przecieku w skróconej formie:

• cm³/min lub ml/min

Należy jednak pamiętać, że przy jakichkolwiek obliczeniach trzeba uwzględnić fakt, że w tej wielkości występuje „ukryta” wartość 1 bar.

Wielkość przecieku podana w tej jednostce (cm³/min) ma również prostą, intuicyjną interpretację przy teście zanurzeniowym w wodzie. Jest to po prostu łączna objętość pęcherzyków powietrza wydostających się z wyrobu w ciągu minuty, np.: przeciek o wartości 5 cm³/min oznacza, że przy zanurzeniu wyrobu w wodzie, wydostanie się łącznie 5 cm³ pęcherzyków powietrza w ciągu jednej minuty.

Relacje między wartościami przecieków wyrażonych w różnych jednostkach są następujące:

• 1 Pa*m³/s = 10 mbar*l/s
• 1 (bar)*cm³/min = 1,67*10^-2 mbar*l/s = 1,67*10^-3 Pa*m³/s

Często spotykaną w przemyśle jednostką przecieku jest „nieformalna” jednostka:

• 1 sccm

będąca skrótem od słów angielskich: „standard cubic centimeter per minute”, czyli „standardowy centymetr sześcienny na minutę”. Oznacza to przeciek do atmosfery w warunkach standardowych, czyli w temperaturze 20°C i w ciśnieniu 1013,25 hPa. Ta jednostka w zasadzie jest tym samym co 1 cm³/min (w domyśle do 1 bar), zawiera tylko uściślenie co do warunków otoczenia.

Prawidłowo sformułowane wymagania dla „klasy” szczelności wyrobu powinny więc zawierać informację o dopuszczalnej ilości medium (np. powietrza) wydostającego się w jednostce czasu z wyrobu, jeśli napełnimy go tym medium o określonym ciśnieniu.

Tak więc specyfikacje dla testowania szczelności wyrobu powinny zawierać dwa parametry:

• Ciśnienie testu P (przy określeniu jakiego medium używamy do testu – najczęściej powietrze, hel, …).
• Maksymalna dopuszczalna wartość przecieku (L_max).

Przykładem takiej specyfikacji jest wymaganie dla chłodnicy samochodowej u jednego z producentów (test powietrzem):

• Ciśnienie testu: 2 bar
• Dopuszczalna wartość przecieku: 1 cm³/min

Można zadać pytanie, dlaczego dopuszczamy taką nieszczelność dla wyrobu, który jest dość odpowiedzialną częścią układu chłodzenia silnika w samochodzie.

W chłodnicy, w czasie eksploatacji znajduje się płyn chłodniczy, na bazie wody. Natomiast test jest wykonywany przy użyciu powietrza, które znacznie łatwiej przenika przez niewielkie otwory niż woda. Istotne znaczenie ma tu różnica w lepkości obu płynów: woda ma lepkość ok. dwa rzędy wielkości większą niż powietrze.

Jeszcze większa jest różnica w lepkości dla układu olej-powietrze, stąd wartości dopuszczalnego przecieku powietrza dla wyrobów zawierających olej (np. układ smarowania silnika samochodu) są jeszcze większe, np. dla kanału olejowego w głowicy silnika u jednego z producentów:

• Ciśnienie testu: 500 mbar
• Dopuszczalna wartość przecieku: 10 cm³/min

Jednym z najważniejszych „wyzwań” dla konstruktora wyrobu (a także dla producenta), jest prawidłowe określenie wymagań jakościowych jakie musi spełnić wyrób, m.in. dla takiej cechy jaką jest szczelność.

Można zadać pytanie, w jaki sposób powstają specyfikacje dla szczelności, formułowane przez konstruktorów lub producentów, dla zapewnienia prawidłowej eksploatacji wyrobu.

Istnieje kilka metod, pozwalających wyznaczyć taki parametr jak dopuszczalna wartość przecieku.

1. Pierwszą z nich jest analiza zjawisk fizycznych, związanych z przepływem/przeciekiem określonego medium, przez wadę powodująca nieszczelność. Taką analizę teoretyczną można prowadzić w oparciu o prawa fizyki dla przepływów substancji przez teoretyczne modele wad wyrobu. Istnieje np. uproszczony model przepływu przez wadę, o postaci okrągłego otworu w ściance wyrobu i danej średnicy, przy zadanych ciśnieniach z obu stron otworu. Zakładając laminarny (lepki) przepływ można posłużyć się prawem Hagena-Poiseuille’a, dla przepływu gazów i cieczy przez taki otwór.

Dodatkowo można uwzględniać takie zjawiska, jak napięcie powierzchniowe dla cieczy (blokujące przeciek w niektórych przypadkach), różną geometrię wady, itp. Taka analiza pozwala np. na określenie przy jakiej wartości przecieku powietrza (przy danym ciśnieniu), ciecz nie będzie wydostawać się z wyrobu (wyrób będzie szczelny dla tej cieczy). Takie analizy stosuje się dla wielu wyrobów, w których w czasie eksploatacji znajduje się ciecz, a test wykonywany jest gazem (powietrze, hel, …). Zjawiska związane z przepływem (przeciekiem), przez rzeczywiste wady różnego rodzaju są opisywane skomplikowanymi prawami, niemniej jednak stosowanie uproszczonych modeli pozwala na względnie dobre wyznaczenie wartości L_max, (np. dla powietrza, przy zadanym ciśnieniu testu). Takie modele pozwalają też na analizę zależności przecieku od średnicy wady (lub ogólnie od jej geometrii), od ciśnienia testu, lepkości medium, itp. Bardziej szczegółowe dane na ten temat można znaleźć w literaturze przedmiotu, materiałach szkoleniowych, Internecie.

2. Kolejną metodą pozwalającą określić specyfikacje dla testu szczelności wyrobu jest wykonanie badania szczelności wybraną metodą produkcyjną (np. powietrzną), a następnie przeprowadzenie testów eksperymentalnych, w symulowanych warunkach rzeczywistej eksploatacji wyrobu. Na podstawie porównania rezultatów, można znaleźć korelacje między wynikami testów stosowanych w produkcji (np. za pomocą powietrza), a pojawianiem się wad, które można spotkać w czasie użytkowania wyrobu. Innymi słowami, można określić jaką nieszczelność (przeciek) powietrza możemy dopuścić w danych warunkach, tak, aby nie miała wpływu na właściwe użytkowanie wyrobu. W literaturze dostępne jest wiele opracowań opisujących wyniki eksperymentów polegających na znalezieniu korelacji pomiędzy przeciekiem powietrza, a przeciekami dla różnych cieczy dla tych samych wad.

W szczególności takie badania były prowadzone dla przemysłu motoryzacyjnego, gdzie wiele części i podzespołów zawiera ciecze takie jak paliwo, płyn hamulcowy, płyn chłodniczy, olej. Ciecze te pracują w różnych warunkach ciśnienia i temperatury, należy więc symulować takie warunki w eksperymentach, oraz ustalić jaką wadę wyrobu możemy jeszcze dopuścić, aby nie miało to wpływu na rzeczywistą pracę takiego podzespołu w samochodzie.

W warunkach produkcji seryjnej dla takiej części samochodowej testy są wykonywanie na ogół powietrzem, stąd konieczność znalezienia korelacji między wynikami testów prowadzonych różnymi metodami. Jednym z przykładów takiej metody określenia wymagań dla testu szczelności jest też badanie armatury wodnej powszechnego użytku (zawory, krany, złącza, itp.). Badanie polega na testowaniu detali z wadami wykrytymi metodą powietrzną, za pomocą wody w symulowanych warunkach eksploatacji (przy różnych ciśnieniach i temperaturze).

2. JAKIE INNE KRYTERIA MOGĄ OKREŚLAĆ DOPUSZCZALNĄ WARTOŚĆ PRZECIEKU

Specyfikacje dla testu szczelności są często podawane wprost w normach dla danego typu wyrobu, są to często normy obowiązujące wszystkich producentów danej branży, w danym kraju lub na Świecie. Przykładem są normy dla wymogów szczelności armatury gazowej domowego użytku, gdzie są wprost podane warunki: dopuszczalny przeciek 1 cm³/min dla testu powietrzem pod ciśnieniem 150 mbar. Podobnie, w normach ogólnie obowiązujących, podane są specyfikacje dla szczelności układów klimatyzacyjnych oraz chłodniczych. Dla tych wyrobów dopuszczalna wartość przecieku wynika z dopuszczalnego ubytku substancji chłodniczej w ciągu czasu eksploatacji. Typową wartością spotykaną w normach jest maksymalny ubytek równy 1 gram/rok. Niektórzy producenci posiadają własne normy dla danego typu wyrobów, określające ich własności jakościowe na podstawie uprzednich badań i doświadczeń produkcyjno-eksploatacyjnych. Jeśli więc producent podobnego wyrobu chciałby sformułować własne specyfikacje, może skorzystać z doświadczeń innych producentów, bądź z norm, jeśli takie są ogólnie dostępne.

Bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na określenie tolerancji dla każdego parametru decydującego o jakości wyrobu są względy ekonomiczne. Zgodnie z zasadą „fitness for purpose” czyli dostosowanie do przeznaczenia, wyrób powinien spełniać pewne założenia jakościowe w takim stopniu, aby mógł być prawidłowo eksploatowany, a jednocześnie jego cena była akceptowalna dla użytkownika.

W warunkach dużej konkurencji producenci starają się tak dopasować parametry jakościowe, aby proces produkcji był opłacalny, a produkt mógł być sprzedawany na rynku. Wiąże się to z pewną „optymalizacją” procesów produkcji, co może czasem mieć wpływ na obniżenie jakości. Jak widać pewną sztuką jest znalezienie kompromisu między czynnikami ekonomicznymi (cena, opłacalność produkcji) a parametrami jakościowymi wyrobu, które zależą od zastosowanej technologii produkcji, kontroli jakości, itp.

Wymóg odpowiedniej „klasy” szczelności dla wyrobu jest też jednym z parametrów, gdzie potrzebny jest taki kompromis. Producenci stosują np. różne metody kontroli szczelności i różne wartości dopuszczalnego przecieku dla takiego samego produktu. Jako przykład można podać elementy układu paliwowego w samochodzie, gdzie spotyka się wartości od poniżej 1 cm³/min do kilku cm³/min.

W przypadku wysokich wymagań dla szczelności wyrobu trzeba zastosować dla testowania metody helowe, które są znacznie droższe od metod powietrznych. Stąd na przykład ceny aut, w których takie podzespoły o „ostrzejszych” kryteriach są montowane, różnią się nawet kilkukrotnie w zależności od marki.

W uzupełnieniu aspektów ekonomicznych dla formułowania specyfikacji dla szczelności wyrobu należy wspomnieć o bardzo ważnych innych czynnikach, które muszą być brane pod uwagę, takich jak bezpieczeństwo użytkowania wyrobu, jego wpływ na środowisko, itp. Dopiero powiązanie wszystkich aspektów: technicznych, technologicznych, ekonomicznych, środowiskowych oraz bezpieczeństwa pozwala na właściwe określenie specyfikacji dla tej cechy wyrobu jaką jest jego szczelność.

Sformułowanie wymagań dla testu szczelności wyrobu, w postaci podania dopuszczalnego przecieku dla powietrza przy danym ciśnieniu pozwala ocenić w pewnym sensie geometrię największej dopuszczalnej wady wyrobu (średnicę, kształt, formę wady), dla której zapewnione jest jeszcze prawidłowe wykorzystanie wyrobu zgodnie z jego przeznaczeniem. Ma to zastosowanie głównie dla wyrobów, w których w czasie eksploatacji znajduje się medium w postaci cieczy lub gazu, a test szczelności pozwala sprawdzić, czy przy założonych wymaganiach, medium nie wydostanie się na zewnątrz wyrobu w czasie użytkowania. Przykładem są części i podzespoły w produkcji motoryzacyjnej, gdzie należy zapewnić szczelność ze względu na możliwość przecieku różnych płynów. Taka szczelność w założeniu jest zapewniona, jeśli wielkości ewentualnych wad wyrobu nie przekraczają pewnych rozmiarów. Wtedy, przy produkcyjnych testach powietrzem, dopuszczalny przeciek jest związany bezpośrednio z maksymalnym rozmiarem wady.

Spotykane są też inne sformułowania specyfikacji dla produkcyjnych testów szczelności, w zależności od typu wyrobu oraz jego warunków eksploatacji.

Jeśli mamy do czynienia z wyrobem, w którym powinno utrzymywać się stałe ciśnienie przez jakiś założony czas, można określić szczelność jako maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia w czasie eksploatacji. Przykładem może być wspominana wyżej opona samochodowa, w której można określić szczelność przy założeniu, że ciśnienie nie spadnie więcej niż np. 0,5 Bara w ciągu roku. Oczywiście w czasie testowania takiej opony w procesie produkcji nie dysponujemy tak długim czasem, aby wykryć ten założony maksymalny spadek ciśnienia. Powstaje pytanie jaką metodą i przy jakich parametrach należy taki test wykonywać. Jeśli mierzona będzie wartość przecieku, to kryteria w postaci dopuszczalnej wartości przecieku powinny być powiązane z wymaganiami co do spadku ciśnienia … Wówczas, wykonując szybki pomiar przecieku wykrywamy wady wyrobu, które mogłyby spowodować jego nieszczelność. Jest jednak pewien problem z takim bezpośrednim powiązaniem tej wartości przecieku (która odpowiada pewnej wielkości pojedynczej wady), ze spadkiem ciśnienia w wyrobie, bo może zdarzyć się sytuacja, gdy w wyrobie znajduje się wiele mikrowad (niewykrywalnych przez aparaturę testującą przecieki), które sumarycznie powodują większy spadek ciśnienia niż założony. W związku z tym w takich przypadkach metody pomiaru spadku ciśnienia będą bardziej miarodajne.

Kolejny przykład innego sformułowania specyfikacji dla kontroli szczelności to wymagania dla układów chłodniczych i klimatyzacyjnych, gdzie podaje się wartość maksymalnej ilości gazu chłodniczego, który może wydostać się w długim okresie czasu. Najczęściej spotykaną graniczną wartością przecieku dla takich układów jest wartość 1 g/rok (jeden gram na rok). Jeśli testy prowadzi się w procesie produkcji, np. metodą helową, należy dokonać odpowiednich przeliczeń tej granicznej wartości, na wartość przecieku dla helu, podawaną na ogół w jednostkach mbar*l/s (milibar razy litr na sekundę).

W przemyśle opakowań, kosmetycznym, medycznym, można spotkać specyfikacje dla testu szczelności, w postaci maksymalnej średnicy wady, która musi zostać wykrywana (np. 0,05 mm). Stosując produkcyjną metodę testowania, bądź za pomocą spadku ciśnienia, bądź pomiaru przecieku, należy również dokonać odpowiednich przeliczeń wykorzystując prawa opisujące zależność przecieku (przepływu) od geometrii wady. Należy pamiętać, że takie teoretyczne zależności obowiązują dla uproszczonych warunków (np. regularny kształt wady), mogą więc być podstawą dla przybliżonego określenia wartości przecieku dopuszczalnego. Możliwe jest też w takim przypadku potwierdzenie założonych wartości poprzez wykonanie pomiarów na wyrobach posiadających wady wzorcowe, lub z udziałem odpowiednich wzorców przecieku.

Kolejną ważną dziedziną, w której zastosowanie mają testy szczelności jest produkcja wyrobów, które powinny być hermetyczne, ze względu na ich stosowanie w zmiennych warunkach otoczenia. Dotyczy to np. urządzeń narażonych na opad atmosferyczny, zanurzenie w wodzie, zanieczyszczenie pyłem, wilgocią, itp. Dla takich urządzeń wymagania hermetyczności (szczelności) są określone poprzez normy IP, które precyzują na jakie czynniki zewnętrzne wyrób powinien być odporny. Przykładem jest norma IP67, która wymaga, aby wyrób był szczelny przy zanurzeniu do wody na głębokość 1 m, przez 30 minut. Podobnym wymogiem jest wodoszczelność zegarka, przy zanurzeniu np. do głębokości 50 m. Na tej głębokości panuje ciśnienie 5 bar, co od razu określa wymagania dla wartości ciśnienia w jakim powinien być wykonywany test.

Inne normy IP precyzują wymagania co do „bryzgoszczelności”, „pyłoszczelności”, itp. Powstaje znów problem jak dobrać warunki dla testów produkcyjnych takich wyrobów, aby spełniały wymagania norm IP. W masowej produkcji, gdzie stosuje się szybkie testy powietrzem, niemożliwe jest bowiem odtworzenie warunków sformułowanych w tych normach. Konieczne jest więc przeprowadzenie odpowiednich obliczeń lub wykonanie testów porównawczych dla znalezienia korelacji między wymaganiami norm, a kryteriami dla mierzonych w testach produkcyjnych wartości przecieków.

Problem hermetyczności urządzeń według norm IP lub podobnych, oraz warunków testowania szczelności w produkcji pojawia się coraz częściej w różnych dziedzinach. Przykładem jest cały przemysł samochodów elektrycznych, gdzie musi być zapewniona odpowiednia szczelność dla baterii, podzespołów elektronicznych, okablowania, itp. Inne przykłady to produkcja wodoodpornych urządzeń zawierających elementy elektroniki wewnątrz szczelnej obudowy, takich jak telefony komórkowe, zegarki, czujniki, elementy telekomunikacyjne, kamery, itp. Takie urządzenia powinny być testowane w procesie produkcji masowej, potrzebne więc są takie sformułowania specyfikacji dla testów szczelności, aby możliwe było ich dostosowanie do wymogów zapisanych w odpowiednich normach oraz dla zapewnienia ich prawidłowej eksploatacji.

Podsumowując, dla zapewnienia prawidłowego testowania szczelności wyrobów w procesie masowej produkcji, konieczne jest sformułowanie wymogów i specyfikacji określających metodę testowania oraz wartości parametrów pozwalających na określenie, czy wyrób jest „dobry” (szczelny), czy „zły” (nieszczelny). W zależności od typu wyrobu i jego przeznaczenia należy często dopasować kryteria akceptacji dla pomiaru wielkości przecieku (przy testach produkcyjnych) do jakościowych założeń eksploatacyjnych dla wyrobu. Wiąże się to z koniecznością przeprowadzenia analiz przy wykorzystaniu praw opisujących odpowiednie zjawiska fizyczne, lub wyników badań i eksperymentów laboratoryjnych, oraz uwzględniając aspekty ekonomiczne, środowiskowe i bezpieczeństwa użytkowania. Niezbędne jest więc posiadanie szerokiej wiedzy z różnych dziedzin oraz dużego doświadczenia, dla rozwiązania wielu zagadnień związanych z testowaniem szczelności wyrobów w warunkach produkcyjnych.

WNIOSKI

Dzięki swoim kompetencjom oraz wieloletniemu doświadczeniu w stosowaniu różnych metod kontroli szczelności w wielu dziedzinach produkcji, inżynierowie firmy ATEQ posiadają wiedzę pozwalającą na zaproponowanie rozwiązań związanych z metodyką testowania, doborem i optymalizacją parametrów testu, określeniem kryteriów i specyfikacji dla kontroli jakości w produkcji.

Przekazanie wiedzy może odbywać się poprzez konsultacje, udział w testach i eksperymentach związanych z konkretną aplikacją, jak również poprzez szkolenia organizowane w biurze Firmy lub w siedzibie Klienta.

W ofercie firmy ATEQ znajduje się aparatura i urządzenia, które mogą być wykorzystane praktycznie we wszystkich zastosowaniach w produkcji, od detektorów działających na zasadzie pomiaru spadku ciśnienia powietrza, poprzez bezpośrednie testowanie przepływów i mikroprzecieków metodami powietrznymi, helowymi, z wykorzystaniem wodoru, jak również metodami elektrycznymi.

Inżynierowie ATEQ służą swoją wiedzą i doświadczeniem na każdym etapie wdrażania kontroli szczelności w konkretnych aplikacjach w zakładzie produkcyjnym Klienta.

WŁODZIMIERZ WOJDOWSKI
Z wykształcenia i zamiłowania fizyk. Uzyskał tytuł Doktora Nauk Fizycznych na Uniwersytecie Warszawskim. Przez 10 lat był wykładowcą akademickim na Wydziale Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, następnie przez sześć lat pracował w Polskiej Akdemii Nauk, zajmując się m.in. badaniami nieniszczącymi. Kolejnym krokiem w karierze była praca na początku lat 90-tych dla francuskiej firmy ATEQ, z którą związany jest do dziś. Był prezesem ATEQ Polska, zanim w 2022 r. przekazał zarządzanie spółką swojemu synowi Wojciechowi Wojdowskiemu.

Szczelność pod kontrolą

Jubileusz firmy ATEQ

O kilkudziesięcioletniej historii firmy ATEQ, współczesnych standardach w kontroli szczelności
oraz znaczeniu współpracy z firmami integratorskimi rozmawiamy z Włodzimierzem Wojdowskim,
twórcą polskiej filii międzynarodowej firmy ATEQ.

W ubiegłym roku firma ATEQ, która ma filię m.in. w Polsce, świętowała 45 lat działalności. Jakie były początki?
Firma powstała we Francji, rozpoczynając działalność od produkcji, którą – jak to wówczas często bywało – prowadzono w garażu. Pierwszym produkowanym rozwiązaniem było urządzenie do testowania szczelności. Zapotrzebowanie rynku na tego typu produkty zaczynało wtedy szybko rosnąć. Badanie szczelności, które znalazło się w centrum uwagi ATEQ na początku działalności, do dziś pozostaje kluczowym obszarem aktywności firmy. Dotyczy to testerów szczelności, przecieku i przepływu w odniesieniu do powietrza oraz ciśnienia, z wyłączeniem przepływu mediów, np. cieczy. Początkowo urządzenia ATEQ były wykorzystywane m.in. do testowania szczelności zbiorników z gazem na statkach. Później okazało się, że takie testy są bardzo potrzebne  procesach produkcyjnych. Jednym z pierwszych obszarów zastosowań była produkcja sprzętu AGD, np. kuchenek gazowych, które stawały się we Francji coraz popularniejsze. Testy szczelności były potrzebne na wszystkich etapach – począwszy od produkcji komponentów, przez ich montaż, po złożenie kompletnego urządzenia. Po sektorze AGD, który był pierwszym odbiorcą rozwiązań ATEQ, przyszedł czas na aplikacje związane  motoryzacją i produkcją części samochodowych. Z uwagi na różnorodność tych komponentów i potrzebę wytwarzania ich w dużych ilościach, produkcja takich części jest bardzo zautomatyzowana, więc pojawiło się wielkie zapotrzebowanie na testowanie parametru szczelności na linii produkcyjnej – w sposób automatyczny, szybki, niezawodny i zapewniający precyzję pomiaru.

Jaka jest dziś strategia rozwoju firmy ATEQ?
Dynamiczny rozwój spółki-matki, czyli ATEQ  Francji, sprawił, że rozwiązania firmy zaczęły trafiać na inne rynki europejskie. Polityka, jaką przyjął Jacques Mouchet – założyciel ATEQ, a obecnie jej główny udziałowiec – od początku zakładała, że firma nie szuka dystrybutorów, lecz uruchamia filie. Taka strategia wynika m.in.  chęci zapewnienia każdemu klientowi nie tylko dostępu do naszych rozwiązań, ale także wsparcia na wszystkich etapach – od doboru metodyki testów przez wykonywanie badań i testów dla konkretnej aplikacji, do uruchomienia aparatury, konsultacji, szkoleń, itp. Ta filozofia – zaoferować klientowi kompleksowe wsparcie, a nie jedynie urządzenie oraz być jak najbliżej odbiorcy bezpośrednio, a nie przez dystrybutorów – pozostaje niezmienna. Dzięki naszemu know-how i doświadczeniu możemy wspierać klientów przy wyborze właściwego rozwiązania oraz odpowiedniej metody kontroli szczelności, a także służyć pomocą w zakresie serwisu czy kalibracji. Myślę, że właśnie takie podejście stoi za sukcesem firmy. Na świecie działa już około 30 filii ATEQ, zatrudniających łącznie około 500 pracowników, a obecnie w centrum uwagi jest region azjatycki. Działają już m.in. filie w Chinach, Japonii, Korei, Singapurze, a w planach jest uruchomienie kolejnych.

A jakie były polskie początki?
Historia ATEQ w naszym kraju rozpoczęła się w 1991 r. Firma dostrzegła wówczas potencjał wschodzących rynków Europy Środkowo-Wschodniej, a ja zostałem jej przedstawicielem na Polskę, Czechy i inne kraje regionu. Ważnym i ciekawym doświadczeniem było dla mnie obserwowanie rozwoju technologii przemysłowych, który w latach 90. był bardzo dynamiczny. To był moment transformacji rynkowej i nikomu jeszcze nie śniło się o takich metodach testowania, jakie oferowały urządzenia ATEQ. Pierwszymi klientami ATEQ w Polsce, podobnie jak wcześniej we Francji, byli przede wszystkim producenci sprzętu AGD. Jednak od początku docelowym kierunkiem rozwoju działalności była produkcja przemysłowa, a nie tylko sektor dóbr konsumenckich. W 2001 r., czyli 10 lat po tym, gdy zostałem przedstawicielem ATEQ, została utworzona filia firmy w Polsce. Z uwagi na stopień rozwoju rynku uznano, że potrzebne jest zwiększenie skali działalności. Dotyczyło to również innych rynków wschodnioeuropejskich, dlatego wkrótce potem zapadła decyzja o uruchomieniu w Czechach oddziału polskiej filii. To była nasza polska inicjatywa, dzięki której możliwe było działanie na szerszą skalę m.in. na rynku czeskim oraz słowackim. Dziś polska filia ma dodatkowo przedstawiciela na Węgrzech i w Rumunii.

Gdzie jest realizowana produkcja urządzeń trafiających do krajów na całym świecie?
Produkcja odbywa się we Francji. Część montażu przeprowadza się w Chinach i USA, co ułatwia działanie w ujęciu globalnym, ale „serca” urządzeń są wytwarzane we Francji.

Obecnie firma intensyfikuje działalność w kilku sektorach. Jakie branże do nich należą?
Po długim okresie działalności w obszarze produkcji przemysłowej ATEQ rozpoczął ekspansję w sektorze lotniczym, wprowadzając do oferty testery ciśnieniowe, które mogą być wykorzystywane bardzo szeroko – od szybowca, do Boeinga. Pozwalają testować układy pokładowe, np. realizować pomiary wysokości czy prędkości samolotu. Dostarczamy także urządzenia do testów elektrycznych i testery baterii akumulatorowych. To trzy główne punkty oferty dla przemysłu lotniczego. W chwili, gdy wchodziliśmy na ten rynek, był on już mocno zdominowany przez uznanych producentów tego typu urządzeń. Mimo to firmie ATEQ udało się uzyskać silną pozycję, a wśród naszych klientów są dziś m.in. Airbus, Boeing, Embraer, a nawet armie niektórych krajów. W sektorze lotniczym ATEQ dostarcza rozwiązania zarówno dla centrów obsługowych maszyn lotniczych, jak i na potrzeby produkcji samolotów i ich komponentów. Polska filia sprzedaje urządzenia dla lotnictwa w całej Europie Południowo-Wschodniej. Dużą sprzedaż notujemy np. w Serbii, gdzie obecnie prowadzonych jest wiele inwestycji. Do odbiorców naszych rozwiązań należy m.in. serbska armia. Kolejny obszar, który jest w tej chwili przedmiotem naszego zainteresowania to TPMS. Tire Pressure Monitoring Systems to systemy monitorowania ciśnienia w kołach samochodowych. Obecnie w każdej oponie znajduje się czujnik, który radiowo komunikuje się z komputerem pokładowym samochodu. Ten system musi być okresowo sprawdzany, a my oferujemy urządzenia umożliwiające przeprowadzenie takiej kontroli. Można je znaleźć np. na stacjach wulkanizacyjnych, serwisowych i dealerskich. W Polsce funkcjonuje centralny serwis ATEQ dla obszaru TPMS w Europie.

Przemysł motoryzacyjny, który zajmuje znaczącą pozycję wśród odbiorców rozwiązań ATEQ, w dobie pandemii przechodzi wyraźny kryzys. Czy jest on odczuwalny dla firmy?
To interesujące pytanie, ponieważ bardzo ciekawa jest nasza sytuacja w tym względzie. Po etapie niewielkiego spowolnienia, który nam udało się przetrwać w dość dobrej kondycji, nastąpiło znaczące odbicie. Wcześniej wstrzymane projekty zostały wznowione, budżety odmrożone i w tym roku notujemy wyjątkowo duży wzrost sprzedaży w tym segmencie. W tej chwili widzimy pewne wypłaszczenie wcześniejszego ożywienia na rynku, co jest zapewne efektem problemów z przestojami produkcyjnymi, ale nasze wyniki są bardzo dobre.

Stosunkowo nowym zagadnieniem są testy szczelności w produkcji pojazdów elektrycznych. Czy wiedza i doświadczenia firmy ATEQ związane z testowaniem silników spalinowych lub turboodrzutowych mogą być pomocne?
Elektromobilność to kolejny – po wspomnianych wcześniej lotnictwie i systemach TPMS – punkt na mapie najważniejszych sektorów działalności, na które kładziemy obecnie nacisk. Do tej pory największym odbiorcą rozwiązań ATEQ był sektor produkcyjny części do samochodów spalinowych. Od produkcji takich aut będzie się powoli odchodzić i musimy podążać za tymi zmianami. Dzięki naszej technologii, doświadczeniu i know-how mamy dość komfortową sytuację, ale nie mieliśmy dotąd rozwiązań stricte dla sektora elektromobilności, dlatego został stworzony osobny dział dla rozwoju działalności w tym obszarze.

W PRZYPADKU AUT ELEKTRYCZNYCH POTRZEBY DOTYCZĄCE TESTÓW SZCZELNOŚCI SĄ ZUPEŁNIE INNE NIŻ DLA SAMOCHODÓW SPALINOWYCH. BARDZO DUŻE WYMAGANIA DOTYCZĄ ZWŁASZCZA BATERII, KTÓRA NIE MOŻE MIEĆ KONTAKTU Z WILGOCIĄ, CO WYMAGA WYSOKIEJ KLASY SZCZELNOŚCI. DO TEGO DOCHODZĄ WYZWANIA TECHNICZNE W ZAKRESIE UZYSKANIA PRECYZJI I ODPOWIEDNIEJ CZUŁOŚCI POMIARU.

Kiedy rozpoczęliście przygodę z elektromobilnością?
Około trzech lat temu. W przypadku aut elektrycznych potrzeby dotyczące testów szczelności są zupełnie inne niż dla samochodów spalinowych. Bardzo duże wymagania dotyczą zwłaszcza baterii, która nie może mieć kontaktu z wilgocią, co wymaga wysokiej klasy szczelności. Do tego dochodzą wyzwania techniczne w zakresie uzyskania precyzji i odpowiedniej czułości pomiaru. Z myślą o testowaniu systemów elektrycznych, opracowywaniu metod kontroli szczelności, które będzie można wykorzystać przy produkcji samochodów elektrycznych oraz spełnieniu innych potrzeb rynku stworzyliśmy w firmie wspomnianą już wydzieloną komórkę skupiającą się na elektromobilności. Część rozwiązań opracowujemy wspólnie z partnerami – np. we współpracy z Toyotą wdrożyliśmy rozwiązania do testowania izolacji w silnikach elektrycznych. Wiele testów, nie tylko na potrzeby własne, przeprowadzamy w naszym laboratorium. Przykładem jest współpraca ze szwedzką firmą Northvolt, która chce produkować najnowocześniejsze baterie do samochodów elektrycznych. Obecnie buduje fabrykę w Gdańsku, a polska filia ATEQ przeprowadza testy rozwiązań i sprawdza możliwości ich zastosowań w produkcji. Znana marka, jaką jest ATEQ, w połączeniu z naszymi kompetencjami sprawia, że w obszarze rozwiązań, które oferujemy sektorowi elekromobilności nasza pozycja jest mocna w porównaniu z konkurencją.

Czy istnieją sektory przemysłu, w których firma ATEQ nie jest obecna ze swoimi rozwiązaniami, a planuje nawiązać z nimi współpracę?
Do takich sektorów należy przemysł medyczny. To specyficzna branża, a testy szczelności są potrzebne przy produkcji wielu elementów, jak np. strzykawki czy pompki. W tym przypadku nie wystarczy jednak zaoferowanie samych urządzeń – zaistnienie w tym sektorze wymaga współpracy z firmą, która zabuduje je w maszynie przystosowanej do pracy w warunkach produkcji medycznej. To jeszcze przed nami. W większości sektorów przemysłu, gdzie w produkcji wymagana jest kontrola szczelności, jesteśmy już jednak obecni. Poza sferą naszych zainteresowań jest przemysł ciężki, np. stoczniowy, hutnictwo, produkcja rurociągów itp. W tym obszarze potrzeby w zakresie kontroli szczelności są specyficzne i nie oferujemy rozwiązań dla tych branż. Czasem jednak przedstawiciele tych sektorów konsultują z nami rozwiązanie problemu, ponieważ mimo że nasze urządzenia nie są dla nich odpowiednie, możemy im służyć wiedzą, a niekiedy także wsparciem technicznym. Bez fałszywej skromności mogę zaryzykować stwierdzenie, że na testowaniu szczelności znamy się chyba jak nikt w Polsce.

Poza rozwiązaniami produktowymi oferujecie Państwo także usługi. Jakie?
Bardzo duże ożywienie notujemy w usługach kalibracyjnych. Realizujemy kilka tysięcy kalibracji rocznie, nie tylko w zakresie naszych urządzeń, lecz również rozwiązań innych, konkurencyjnych producentów, którzy takich usług nie oferują. To bardzo ważny obszar działania, ponieważ jakość urządzeń pomiarowych i prawidłowa kalibracja muszą być potwierdzone certyfikatami, które trzeba odnawiać co rok. Rozwijamy działalność w tym obszarze i obecnie jesteśmy w trakcie starań o uzyskanie certyfikatów laboratoryjnych, w tym akredytacji według normy ISO 17025, właściwej dla pomiarów ciśnieniowych. Po uzyskaniu certyfikatu ISO dołączymy do grupy kilku laboratoriów firmy ATEQ, które mają tę akredytację i będziemy mogli rozszerzyć usługi kalibracji.

ATEQ wspiera klientów także w ramach działalności szkoleniowej. Czy może Pan przybliżyć nam szczegóły?
Uruchamiając urządzenie u klienta, zawsze organizujemy przeszkolenie z jego obsługi. Często odbiorcy chcą pogłębić wiedzę, a wtedy organizujemy dla nich szkolenia – u nas lub w siedzibie odbiorcy. Typowe szkolenie trwa dwa dni. W pierwszym dniu przybliżamy teorię – często szeroko, nie ograniczając się do obsługi określonych urządzeń, ale także zaznajamiając odbiorców z metodami pomiaru szczelności itp. – a w drugim dniu przekładamy ją na praktykę, tj. pracę z konkretnymi urządzeniami czy aplikacjami. Dzięki wiedzy pozyskanej w trakcie szkolenia w razie wystąpienia problemów firma często może rozwiązać je samodzielnie, bez konieczności wysyłania do nas sprzętu czy wzywania naszego pracownika. Oferujemy jednocześnie serwis – gwarancyjny i pogwarancyjny – oraz wsparcie techniczne. Klient, który dostarczy nam zepsuty sprzęt w ciągu godziny może odebrać naprawione urządzenie. Gwarantujemy dużą dostępność części i wiedzę, co pozwala nam wyeliminować problemy bardzo szybko.

Kto dominuje w grupie odbiorców rozwiązań ATEQ – klient docelowy czy firmy integratorskie?
Myślę, że układ sił rozkłada się mniej więcej po połowie, może z lekką przewagą firm integratorskich. Według mnie jednym ze źródeł sukcesu ATEQ w Polsce jest fakt, że mamy wiele firm integratorskich z bardzo wysokimi kompetencjami. Tworzą je zwykle polscy inżynierowie, pasjonaci z ogromną wiedzą, którzy budują linie produkcyjne i stanowiska montażowe. W tej chwili współpracujemy z ponad setką takich firm. Napawa mnie to wielką radością, a efekty tego działania są najlepiej widoczne w tym, że wielkie koncerny realizujące produkcję w Polsce nie zamawiają linii produkcyjnych, stanowisk montażowych czy ich składowych na Zachodzie, lecz w naszym kraju. Nie wszyscy zdają sobie z tego sprawę. Dość powszechne jest przekonanie, że działalność firm integratorskich sprowadza się u nas głównie do montażu rozwiązań na liniach produkcyjnych. Tymczasem polskie firmy często tworzą te linie czy stanowiska montażowe od początku.

Na ile silna jest konkurencja na rynku, na którym działacie?
Widoczna jest różnica między Polską a innymi rynkami. W Polsce ATEQ ma zdecydowanie najmocniejszą pozycję, jeśli chodzi o firmy dostarczające takie rozwiązania jak nasze. Na polskim rynku dominują dystrybutorzy różnych urządzeń wielu firm, którzy zwykle nie oferują takiego wsparcia i kompetencji, jak my. W Czechach konkurencja jest silniejsza. ATEQ pozostaje liderem w zakresie oferowania rozwiązań do pomiaru szczelności na rynku naszych południowych sąsiadów, ale zaczynają pojawiać się inni producenci, głównie z Niemiec, z podobną ofertą.

Jak możecie Państwo podsumować kilkanaście miesięcy działania w warunkach pandemii?
Początkowo obawy były duże. Ograniczyliśmy obecność w firmie, pracowaliśmy na dwie zmiany. Natomiast jeśli chodzi o wyniki finansowe, praktycznie nie odczuliśmy zmian. Projekty w branżach, dla których pracujemy są zwykle długofalowe, często wielomiesięczne lub nawet wieloletnie, dlatego pandemia nie dała nam się finansowo mocno we znaki. Teraz, gdy różne inicjatywy i działania znowu nabierają tempa, notujemy obroty, których się nie spodziewaliśmy i nie wykluczam, że będzie to rekordowy dla nas rok pod względem wyników finansowych. Ostatnie lata również były dla nas latami prosperity, a roczny wzrost obrotów sięgał nawet 15–20 %. Obawy jednak wciąż nam towarzyszą – z jednej strony wznowiono realizację różnych projektów, a z drugiej pandemia trwa i występują braki w produkcji. Będziemy też mieć w coraz większym stopniu do czynienia z eliminowaniem z rynku samochodów spalinowych, których produkcja wiązała się ze znaczną częścią naszych przychodów. Dlatego musimy być stale czujni i gotowi na zmiany, stąd m.in. decyzja o rozwoju oferty dla elektromobilności.

Rozmawiała
Urszula Chojnacka
AUTOMATYKA

WŁODZIMIERZ WOJDOWSKI
Z wykształcenia i zamiłowania fizyk. Ukończył studia magisterskie i doktoryzował się na Uniwersytecie Warszawskim. Przez 10 lat był nauczycielem akademickim na Wydziale Fizyki UW, a następnie przez sześć lat pracował w Polskiej Akademii Nauk, zajmując się m.in. badaniami nieniszczącymi. W ramach kontraktu nadzorował budowę gazociągów w Syrii. Kolejnym etapem kariery było podjęcie pracy na początku lat 90 dla francuskiej firmy ATEQ, z którą jest związany do dzisiaj. Jest zapalonym żeglarzem. Lubi jazdę na rowerze, tenis stołowy, podróże i książki, szczególnie popularnonaukowe i z dziedziny fizyki. Dziś ulubioną formą spędzania wolnego czasu jest dla niego także kontakt z wnukami.

Rozwiązania ATEQ do testów w produkcji pojazdów elektrycznych

ATEQ jest międzynarodowym dostawcą zaawansowanych urządzeń pomiarowych dla kontroli jakości w produkcji, mającym ponad 45-letnie doświadczenie.
Specjalizuje się w testowaniu szczelności, a także w pomiarach przepływu oraz parametrów elektrycznych dla wyrobów w liniach produkcyjnych.
Jednym z największych odbiorców urządzeń ATEQ jest przemysł motoryzacyjny, gdzie metody testowania szczelności wyrobów są bardzo szeroko stosowane.

W standardowym, spalinowym pojeździe zamontowane są setki różnych części, dla których wymagane są testy szczelności na etapie produkcji. Są to elementy takich układów, jak silnik i skrzynia biegów wraz z osprzętem, układy paliwowe, hamulcowe, klimatyzacyjne, smarowania, chłodzenia itp. Natomiast konstrukcja pojazdów z napędem elektrycznym jest inna, co oznacza odmienne wymagania, również pod względem testowania jakości podzespołów.

W masowej produkcji pojazdów elektrycznych stosowanie testów szczelności jest stosunkowo nowym wyzwaniem, ze względu na specyficzne wymagania jakościowe dla elementów i części stosowanych w tych pojazdach. Jednym z newralgicznych obszarów związanych z prawidłowym funkcjonowaniem układów elektronicznych i elektrycznych, takich jak np. baterie i ogniwa, czujniki, elementy sterowania, itp., jest zapewnienie szczelności układów i komponentów. Każda, nawet śladowa ilość wody przedostająca się z otoczenia może stanowić zagrożenie dla prawidłowego funkcjonowania, a nawet bezpieczeństwa użytkownika pojazdu. Tego typu wyzwania pojawiają się nie tylko przy produkcji samochodów elektrycznych, ale także w odniesieniu do takich pojazdów napędzanych elektrycznie, jak ciężarówki, motocykle, pociągi, samoloty, drony, a nawet skutery, rowery i inne elektryczne „gadżety”.

Firma ATEQ, koncentrująca się na poszukiwaniu innowacyjnych rozwiązań technicznych, opracowała nowe sposoby testowania tych komponentów w masowej produkcji. Posiada też w ofercie aparaturę kontrolno-pomiarową i urządzenia służące do testów różnymi metodami, dostosowanymi do specyfikacji jakościowych poszczególnych wyrobów.

Szczelność pod kontrolą

Jednym z najważniejszych parametrów jakościowych podlegających stuprocentowej kontroli jakości jest szczelność komponentów. ATEQ, jako firma z wieloletnim doświadczeniem wyspecjalizowana w takich testach, uczestniczy wspólnie z producentami w doborze kryteriów jakościowych oraz oferuje odpowiednie urządzenia do testów produkcyjnych. Najpopularniejszymi metodami kontroli szczelności wyrobów są pomiary ciśnieniowe, z wykorzystaniem powietrza jako medium. Dokonuje się pomiaru spadku ciśnienia, bezpośrednio przecieku lub przepływu powietrza. Dostosowując te metody do wysokich wymagań szczelności dla urządzeń elektrycznych i elektronicznych, ATEQ opracowała modele teoretyczne korelacji przecieków dla różnych mediów. Celem tych opracowań było m.in. wyznaczenie maksymalnych przecieków powietrza, dla których zapewniona będzie wodoszczelność komponentów, zgodna ze specyfikacjami, określonymi często jako zgodność z klasami szczelności IP5X lub IP6X. Modele te zostały następnie potwierdzone w wielu doświadczeniach i eksperymentach, wykonywanych przez wykwalifikowanych inżynierów w oddziałach firmy ATEQ w wielu krajach świata.

Parametr wodoszczelności ma szczególne znaczenie dla zestawów baterii elektrycznych, gdzie niedopuszczalne jest przedostanie się nawet śladowych ilości wody. Dodatkową trudność w testowaniu tych komponentów stanowi ich duża objętość, co ogranicza czułość badania za pomocą metod powietrznych. ATEQ opracował aparaturę i patentowane rozwiązania pozwalające znacznie zwiększyć wykrywalność przecieków, przy zapewnieniu stabilności procesu w warunkach produkcji. Stosowana jest produkowana przez ATEQ aparatura i przetworniki różnicy ciśnień o wysokiej rozdzielczości, a także opatentowana metoda kompensacji wpływu warunków otoczenia na pomiar (technologia DNC). Pozwala to na wykonanie szybkich, stabilnych i bardzo precyzyjnych testów szczelności w masowej produkcji. Urządzenia współpracują z linią produkcyjną, zapewniając pełną automatyzację procesu kontroli jakości.

ATEQ ma bogate doświadczenie w testowaniu wodoszczelności komponentów zawierających elektroniczne układy wspomagania jazdy, takie jak różnego rodzaju czujniki, kamery, lasery, lidary, itp., montowane coraz częściej w pojazdach, nie tylko elektrycznych. Specyfiką takich testów jest zwykle brak możliwości wypełnienia wyrobu powietrzem, ze względu na zamkniętą obudowę. W tego typu obudowach montowane są też często membrany zapewniające wodoszczelność oraz pozwalające na wyrównywanie ciśnienia wewnętrznego z atmosferycznym. Testowanie takich detali wymaga stosowania specjalnych funkcji elementów zamkniętych, często z pomiarem prawidłowości montażu membran, wykonywanym za pomocą odpowiednich przepływomierzy. W niektórych konstrukcjach zamiast membrany stosuje się zawory zwrotne, które też podlegają testom funkcjonalnym. Do takich testów stosowana jest aparatura ATEQ o odpowiedniej dla danego wyrobu konfiguracji.

Produkcyjne testy szczelności komponentów mają na celu wyłącznie wykrycie i odrzucenie wyrobów nieszczelnych. Jeśli potrzebna jest pełna diagnostyka wykrytych wad, np. ich lokalizacja, stosuje się metody wykorzystujące detekcję gazów. ATEQ proponuje wykrywacze (sniffery), wykorzystujące do detekcji gaz formujący, zawierający niewielkie (i bezpieczne dla otoczenia) stężenie wodoru w azocie.

Dla produkcyjnych testów szczelności plastikowych obudów baterii i akumulatorów samochodowych stosuje się również metody jonizacji powietrza, za pomocą urządzeń opracowanych w ATEQ. Silniki elektryczne w pojazdach znajdują się w szczelnych obudowach, izolujących komponenty silnika od wpływu warunków zewnętrznych – wilgotności, bryzgów wody, pyłów i innych podobnych zanieczyszczeń. Kompletne zmontowane korpusy obudowanych silników również podlegają testom szczelności, a więc wymagają stosowania odpowiednio precyzyjnej aparatury, podobnie jak dla wcześniej opisanych aplikacji.

Podstawowym elementem każdej baterii jest ogniwo. Bateria składa się z zespołu ogniw, izolowanych od siebie za pomocą plastikowych osłon. ATEQ opracował metodę testowania tych osłon przy użyciu zjonizowanego powietrza. Test szczelności za pomocą tej metody może służyć do oceny kompletnej izolacji ogniw, a także do lokalizacji ewentualnych wad. Podobne metody i urządzenia wykorzystuje się również w testach izolacji uzwojeń w silnikach pojazdów elektrycznych.

Dodatkowe pomiary

Oprócz urządzeń do testowania szczelności – co jest główną specjalnością firmy – ATEQ opracował wiele innych nowatorskich rozwiązań do testowania komponentów w produkcji. W przypadku pojazdów elektrycznych ważna jest prawidłowa obsługa baterii akumulatorów. Bazując na doświadczeniu ATEQ z testerami akumulatorów lotniczych, opracowano urządzenia bazujące na pomiarach cyklu ładowania i rozładowania, pozwalające ocenić stan kompletnej baterii. Do obsługi i serwisowania przeznaczone są też tzw. balansery, stosowane przy montażu lub wymianie wadliwych modułów. Urządzenia te umożliwiają wykonanie cykli zrównoważenia elektrycznego całej baterii, czyli wyrównania naładowania poszczególnych ogniw.

Podczas pracy baterii wytwarzana jest duża ilość ciepła, niezbędne jest więc stosowanie układów chłodzenia, najczęściej za pomocą odpowiednich wymienników ciepła zawierających ciecz chłodzącą na bazie glikolu. Przedostanie się tej cieczy do elementów baterii może być niebezpieczne, toteż konieczne są również precyzyjne metody testowania szczelności takich układów, w większości bazujących na pomiarze spadku ciśnienia lub pomiarze przepływu masowego powietrza. Innym ważnym parametrem podlegającym testom jest drożność kanałów chłodzenia w wymienniku, którą testuje się odpowiednimi przepływomierzami firmy ATEQ. Dla ewentualnej lokalizacji wad wykorzystuje się gaz i odpowiednie detektory.

Tradycyjne aplikacje

Należy pamiętać, że poza nowymi aplikacjami dla kontroli szczelności komponentów nadal funkcjonuje wiele tradycyjnych aplikacji testowania przecieków w komponentach samochodowych w pojazdach elektrycznych. Takim testom szczelności podlegają układy hamulcowe, reflektory i lampy, układ ABS, centralna elektronika komputerowa, elementy układu kierowniczego oraz systemów klimatyzacji. Stosowane metody i specyfikacje dla kontroli takich wyrobów są podobne, jak stosowane dotychczas przy produkcji różnicowe pomiary spadku ciśnienia, a także metody bezpośredniego pomiaru przecieku lub przepływu.

W pojazdach elektrycznych, podobnie jak w „zwykłych” samochodach, stosowane są układy monitorujące ciśnienie w oponach. Systemy TPMS (Tyre Pressure Monitoring System) bazują na montowanych w kołach specjalnych czujnikach, które mierzą ciśnienie i za pomocą fal radiowych przesyłają informacje o jego ewentualnym spadku do komputera pokładowego, np. w przypadku uszkodzenia opony. ATEQ jest producentem najbardziej zaawansowanych na rynku urządzeń diagnostycznych do testowania i obsługi tych systemów, pozwalających również na programowanie i kopiowanie czujników, wprowadzanie danych do komputera auta, itp. Odbiorcami tych urządzeń są stacje serwisowe i obsługowe samochodów, firmy produkujące koła samochodowe, a także fabryki samochodów, gdzie na liniach produkcyjnych odbywa się kontrola systemów TPMS za pomocą specjalnych, przemysłowych wersji urządzeń diagnostycznych ATEQ.

Nowa odpowiedź na nowe wyzwania

Producenci współczesnych pojazdów stają przed wieloma nowymi wyzwaniami podczas procesu produkcyjnego, takimi jak rosnąca złożoność nowych pojazdów, nowe technologie oraz rosnąca presja na osiągnięcie najwyższego poziomu jakości w celu uniknięcia zagrożeń dla bezpieczeństwa i warunków eksploatacji. Aby sprostać nowym wyzwaniom, ATEQ oferuje przyrządy do testowania przecieków, przepływów oraz innych parametrów układów montowanych w pojazdach elektrycznych, dla zapewnienia jakości wielu komponentów w całym procesie produkcji. Inżynierowie ATEQ mają bardzo duże doświadczenie w zakresie istniejących aplikacji do testowania jakości komponentów w zautomatyzowanych liniach produkcyjnych. Są również gotowi zaprojektować nowe rozwiązania, w ramach prac badawczych we własnych laboratoriach oraz przy udziale specjalistów z zakładów produkcyjnych, a także przy współpracy z firmami integracyjnymi realizującymi kompletne rozwiązania automatycznego montażu i kontroli jakości. Mając biura i doświadczonych inżynierów na całym świecie, ATEQ może zapewnić lokalną pomoc w opracowaniu optymalnego rozwiązania technicznego dla testowania jakości wyrobów i komponentów w przemyśle. Jednocześnie oferuje pełną obsługę serwisową zakupionych urządzeń, okresowe kalibracje, szkolenia, itp. Specjaliści z ATEQ są do Państwa dyspozycji.

Zapraszamy do współpracy.

dr Włodzimierz Wojdowski

ATEQ

ATEQ READY TO TEST
HEV / EV/ PEV/ Fuel Cell EV VEHICLES

Jacques Mouchet
President, ATEQ

Whether it involves electric cars, trucks, buses or bikes, the ATEQ Group, a multinational measurement solutions provider with more than 45 years of experience, provides the quality processes car manufacturers require to manufacture better, faster and more reliable HEV / EV / PEV / Fuel Cell EV vehicles.

Using leak testing in the mass manufacturing of electric vehicles is relatively recent since the transportation industry was accustomed to testing internal combustion engines and turbojets. The drive away from fossil fuels and CO2 emissions has driven the development of new technologies. These new devices present new challenges for production line leak testing. Testing for leaks in one submarine electric motor or battery system per year versus leak testing thousands of vehicle motors per day has very different testing solutions.

E-mobility is not for toys and prototypes anymore. E-vehicles can range from an electric assisted bicycle, a fully electric motorbike or scooter, a fully electric car or hybrid vehicle, small electric drones and even large aircraft. ATEQ, with its technical focus and innovation culture, has found new ways to test these components for mass manufacturing.

The first basic component of every battery is a cell. A battery is a collection of cells. To keep the weight low, battery cells are frequently packaged in flexible pouches. ATEQ has developed a leak test method, patent pending, for testing these pouch cells using Ionized air technology. It allows for the testing of pouches, even without evaporating solvent.

The ionized air test can provide a leak test result for the whole pouch and it can also be used to locate the leak’s location in the cell. For metallic body cells, ATEQ also has a test method that detects the evaporation of the solvent. Each battery cell has a semi-permeable membrane that separates the battery’s plus and minus sides. This cell is flow tested prior to assembly to make sure the air flows through the membrane within the designated specifications and that there is not an unexpected hole in the membrane. Cells can be packaged together in a module with a protective envelope for easy handling.

At this stage, the module housing is generally not leak tight but sometimes a pressure decay leak test is used to test the module housing. ATEQ has a module balancer. A group of cells does not reach full charge if the cells are not at an identical charge level. The module balancer is used to even the charging level of cells during the manufacturing or maintenance process. The cells or modules are packaged together in leak tight protective housings to protect them against dust, water and mud splashing. It can be the 12 V battery of a classic internal combustion engine vehicle, a small bicycle rechargeable battery, or a fully electric vehicle car-sized battery. The leak tests all function similarly.

These battery housings and covers are tested for leaks separately before the cells/modules are mounted inside. If the housing is plastic, a differential pressure decay test with noise cancellation technology can be used to test for overall leaks in battery covers. If there is a desire to locate the defect in the cover, an ionized air leak test can be used. If the cover or tray is metal, only pressure decay technology with noise cancellation can be used. To locate leaks on a metal cover, a forming gas (H2N2) leak detection and localization with portable gas sensitive detector H6000 is the solution. ATEQ also proposes to automate this test with a smart holding robot.

Once the battery cells and modules are assembled in the housing, a final leak test needs to be performed. It can be done using a pressure decay or air mass flow technology with very low pressure drop sensors to quickly measure leaks. ATEQ’s patent pending Differential Noise Cancelling DNC technology blocks out background conditions from the leak reading. The housing typically has a semi-permeable membrane that enables the air pressure to equalize with atmospheric and temperature changes. This semi-permeable membrane lets air through, but not water.

Based on ATEQ’s experience with aviation battery testers, ATEQ can make custom battery testers that charge and discharge an entire battery.

ATEQ has an air flow tester to test the breathing patch to ensure it is not double-stacked and that it did not get poked. The tester can also perform a wet test which puts air over water to detect smaller defects at the sub-assembly level. Some batteries have a check valve instead of a breathing patch that relieves the pressure generated by any gasses emitted during charging. This check valve is tested with air pressure to look for openings, “cracking” pressure and flow using an ATEQ ERD leak tester.

Some large battery housings can be equipped with a liquid cooling circuit. The cooling circuit is also tested for leaks with an air tester. For large battery failure analysis, a forming gas sniffer can be used to locate leaks since air leak tests cannot show leak locations. Gas sniffer leak tests are also useful for troubleshooting potential leaks in a fixture. The disadvantage of using a tracer gas leak test on large batteries is that the tracer gas can take a lot of time to mix with the atmospheric air inside a battery if there is no tracer gas current across the battery. It is recommended to fully evacuate the atmospheric air from the battery tray or cover prior to pressurizing it with tracer gas since the tray/cover cannot sustain much vacuum.

It is also recommended to monitor the tracer gas concentration on multiple sealed openings in the battery to verify that the tracer gas has reached every corner of the battery.

Based on ATEQ’s experience with aviation battery testers, ATEQ can make custom battery testers that charge and discharge an entire battery. A fuel cell creates chemical energy by combining hydrogen, or any other combustible gas, with oxygen from the air and turning it into electricity for the vehicle.

The fuel side components are typically tested for leaks with a mix of 5% H2 (hydrogen) and 95% N2 (nitrogen) called forming gas. Contrary to pure hydrogen, forming gas is not flammable, and it helps detect defect areas that hydrogen could flow through. The air side is typically tested for leaks with an air pressure decay or mass flow instrument. The fuel cell’s semi-permeable membrane should be tested for air flow and the vehicle’s cooling system is leak tested with an air tester.

The upstream fuel storage and delivery systems are also tested for leaks, with air or forming gas, depending on the applications. The electric motors that operate the wheels are in leak tight housings that protect the motor against splashing water. A motor housing made of plastic can be tested using ionized air when it is not mounted. If the housing is metal, or fully assembled, it can be tested with air. The motor coil wires are coated with an insulating “varnish”. At times, this “varnish” gets cracked, mainly where the wires are bent. ATEQ has developed a test to detect this defect using ionized air technology.

The new electric vehicles also come with automated driving assistance that uses sensors to feel the environment. Whether the sensors are cameras, lidar, or something else, the sensors are in leak-tight housings since they are exposed to the elements. ATEQ also tests the TPMS sensors (Tire pressure monitoring system), during wheel and vehicle assembly and at maintenance level. An air leak test is generally preferred to test these sealed sensors.

At times, a car battery cannot sustain a fast enough charge so the energy has to be stored in a large capacitor to keep it from breaking. ATEQ has an instrument designed to safely discharge these capacitors before servicing the vehicle.

In addition to the new electric vehicle leak testing applications, it is important to remember that many of the traditional automotive air leak testing applications still exist within an e-vehicle such as: brake systems, headlights, tail lights, ABS and central computer electronics, steering components and air conditioning systems for example.

With the accelerated HEV/EV/PEV/Fuel Cell EV technology shift, OEMs must introduce new models to the market quicker than ever to stay competitive. However, this means that vehicle producers will face many new challenges during the manufacturing process such as: the increasing complexity of new vehicles, new technologies not yet fully mastered and the increased pressure to achieve the highest level of quality to avoid security risks and vehicle recalls.

To address these new challenges, ATEQ offers leak, flow, battery and TPMS testing instruments to ensure the quality testing of numerous components all throughout the EV vehicle manufacturing process.

ATEQ application engineers are familiar with existing electric vehicle leak test applications. They can also design a new leak testing solution for an application that has never been leak tested before. ATEQ has hundreds of experienced professionals who are trained in leak testing technologies. With offices and engineers all over the world, ATEQ is able to provide local assistance in developing the perfect quality testing solution for your application.