Anwendungsvielfalt von Klimaprüfschränken Qualitätsprüfung in der Kammer des Klimas

Klarlack, Craftbier, Corona-Impfstoff, all das muss haltbar sein, und zwar möglichst lange. Wie gut die Produktentwicklung geglückt ist, lässt sich mithilfe von Klimaprüfschränken testen. Dort reichen oft wenige Wochen Stabilitätstest, um eine Aussage über Monate oder Jahre der Lagerung zu treffen – Ein kleiner Einblick in die Welt der Umweltsimulation.

Woher weiß Lindt, wann die Schokoweihnachtsmänner grau werden? Wie garantiert Volkswagen die leuchtende Farbe seiner Autolacke über Jahrzehnte? Und was ist das Geheimnis hinter der Haltbarkeitsangabe von Medikamenten? Für all diese und weitere Fragen sind die Umweltbedingungen entscheidend. Welcher Temperatur ein Produkt ausgesetzt ist und wie stark sich die Belastung durch Sonnenstrahlen, Regen, Frost oder andere äußere Einflüsse darstellt, beeinflusst die Lebenszeit erheblich – in erster Linie die Lebenszeit des Produktes, im schlimmsten Fall sogar die des Anwenders.

Als beispielsweise der Airbag-Hersteller Takata im Jahr 2001 den verbauten Sprengstoff Tetrazol gegen Ammoniumnitrat austauschte, stellte sich erst 13 Jahre später heraus, dass Temperatur- und Luftfeuchtewechsel den Sprengstoff instabil machten. Die Explosionskraft der Airbags wurde unberechenbar und Millionen von Fahrzeugen mussten von den Automobilherstellern, die Takata-Airbags verbaut haben, sicherheitshalber zurückgerufen werden.

Um derartige Fehler zu vermeiden und eine reproduzierbare und gesicherte Angabe von Haltbarkeiten und Belastungsgrenzen zu bestimmen, werden Materialien, Prototypen und fertige Produkte daher am besten ausführlich geprüft. Dafür braucht es exakt einstellbare Bedingungen, anhand derer sich weltweit gültige und somit vergleichbare Prüfnormen festlegen lassen, etwa IEC 60068 oder ISO 16750. Darin sind Parameter wie Luftfeuchte, Temperatur und Prüfdauer vorgegeben.

Kraftpakete der Temperier-Technik

Hier kommen Klimaprüfschränke ins Spiel. Äußerlich gleichen sie Kühlgeräten, wie man sie aus dem Haushalt oder dem Labor kennt. Doch wie bei einem Auto, ist hier entscheidend, was unter der Haube steckt: Wo in einfachen Kühl- oder Gefrierschränken der Kompressor „nur“ eine gewisse Temperatur halten muss, warten Klimawechselschränke mit deutlich stärkeren Kompressoren auf, die schnelle Temperaturwechsel mit 20 Grad Celsius pro Minute und mehr ermöglichen – eine technische Höchstleistung.

Befragung Klimaprüfschränke

Produktprüfung mit Klimaprüfschränken

Wir möchten wissen, wie Sie Klimaprüfschränke zur Prüfung von Produkten in Ihrem Unternehmen oder Labor einsetzen. Welche Testarten sind beim Einsatz der Klimaprüfschränke für Sie relevant? Welche Grenzwerte für Temperatur und Luftfeuchte benötigen Sie für die Produktprüfung? Und welche Eigenschaften sind für Sie bei einem Klimaprüfschrank wichtig? Verraten Sie es uns in der Befragung Klimaprüfschränke und gewinnen Sie einen von zehn 50€-Wunschgutscheinen.

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Wozu so eine Temperaturachterbahn gebraucht wird? Klimaprüfschränke stellen dank ihrer leistungsstarken Temperaturkontrolle ein wichtiges Tool der Qualitätssicherung dar, etwa wenn es um die Haltbarkeit neuer Biersorten geht. Dort gilt als Faustformel: Ein Tag mit Temperaturwechsel von 60 auf 0 °C und zurück entspricht einem Monat Lagerung im Supermarkt.

Solche Stresstests, bei denen ein übertriebener Umwelteinfluss eingesetzt wird, um eine lange Zeit unter Realbedingungen nachzubilden, verkürzen die Entwicklungszeiten neuer Produkte erheblich. Das ist wirtschaftlich ein großer Vorteil, wenn man möglichst früh Fehler und Schwächen im Entwicklungsprozess erkennen will, etwa für eine neue Biersorte oder in anderen Industrien für ein neues Bauteil.

Die Familie der Temperaturschränke

Präzise Temperaturkontrolle bieten sie alle. Doch die Schwerpunkte der verschiedenen Klimakammern unterscheiden sich, u.a. im abgedeckten Temperaturbereich.

• Brutschrank/Inkubator: Temperiergerät von 5 bis 100 °C für biologische Proben, auch mit CO₂-Dosierung.

• Trockenschrank: Warmlagerung oder Trocknung von 30 bis 300 °C, auch mit Umluftsteuerung und Unterdruck.

• Konstantklimaschrank: Prüfungen unter konstanten Temperatur- und Feuchtebedingungen zwischen -10 und 100 °C, auch mit UV-Bestrahlung und hohen Feuchtewerten.

• Wechselklimaschrank: Temperatur- und Feuchtewechsel in hoher Geschwindigkeit zwischen -70 °C und 180 °C, 3 K/min bis 20 K/min, Feuchteregelung bis 98% rH

• Schock-Tester: Wechsel zwischen Extremtemperaturen von -80 bis 250 °C, oft mit Kalt- und Warmkammer.

In der Abbildung hier ist der typische Arbeitsbereich eines Wechselklimaschrankes als grünes Fenster in einem Temperatur-Luftfeuchte-Diagramm dargestellt. Eingetragen sind einige Prüfpunkte, wie sie z.B. bei Tests nach der „Internationalen Konferenz für die Harmonisierung technischer Anforderungen bei der Registrierung pharmazeutischer Produkte für Menschen“ (ICH) gefordert werden.

Der Bereich unten links im Diagramm ist besonders schwierig zu realisieren. Denn wenn man bei konstanter Temperatur die relative Raumfeuchte senken will, muss man Feuchtigkeit gezielt an einer kalten Stelle auskondensieren und gleichzeitig den restlichen Prüfraum beheizen. Nur mit ausgefeilter Regelungstechnik gelingt das ohne größere Temperaturabweichungen.

Platinen im Stresstest

Mit einem Klimawechselschrank prüfen Hersteller auch die Robustheit von elektrischen Leiterplatten – und zwar im Schnelldurchlauf: Anstatt über viele Jahre die Funktion der Platinen zu testen, setzen die Entwickler die elektrischen Bauteile in einen Temperaturwechselschrank und fahren z.B. ein genau definiertes Programm aus heißen und kalten Phasen zwischen -50 und 140 °C ab. Dabei steht das Prüfobjekt unter enormem Stress: Komponenten aus unterschiedlichen Metallen dehnen sich verschieden stark mit der Temperatur aus, wodurch im gesamten Prüfling Spannungen entstehen und Mikrorisse auftreten. Es ist ein Alterungsprozess im Zeitraffer. Dieser Test ist unter Qualitätsmanagern als IEC 60068-2-14 Nb bekannt. Er soll Schwachstellen noch im Entwicklungsstadium aufdecken.

Und obwohl beim realen Einsatz nie derartige Temperaturgefälle durchlaufen werden, lässt sich aus den Daten solcher Extremtests die, unter normalen Bedingungen zu erwartende, Lebensdauer abschätzen. Hierbei greifen Qualitätsmanager auf Statistikmodelle und Datensätze bereits bekannter Produkte zurück. So kann die Lebensdauer eines neuen Bauteils in nur wenigen Wochen abgeschätzt werden, statt einen Langzeittest über Jahre in Echtzeit durchzuführen. Dies hätte auch bei den fehleranfälligen Takata-Airbags die Gefahr der instabilen Sprengstoffe früher aufgedeckt.

Beschleunigte Alterung und deren Grenzen

Dass eine beschleunigte Stabilitätsprüfung Leben retten kann, zeigt auch die Entwicklung von Medikamenten oder Impfstoffen. Aktuell ist das Rennen um einen Corona-Impfstoff in vollem Gange. Dass Biontech und andere Unternehmen bereits auf der Zielgeraden sind, wäre ohne Klimaprüfschränke kaum möglich. Schließlich müssen die Wissenschaftler neben der Wirksamkeit des Vakzins auch dessen Lagerstabilität im Vorfeld genau prüfen. Für den möglicherweise schon dieses Jahr verfügbaren Impfstoff von Biontech gilt: -70 °C in der gesamten Lieferkette. Nur bei dieser Temperatur garantiert der Hersteller die Wirksamkeit des Impfstoffs.

Gerade bei biologischen Proben stößt die Methode des „Thermischen Alterns“, also der beschleunigten Alterung durch besonders hohe Temperaturen und Temperaturwechsel, allerdings oft an Grenzen. Proteine beispielsweise denaturieren ab einer bestimmten Temperatur einfach vollständig. Um es anschaulich zu machen: Das Bebrüten eines Kükens über 21 Tage bei 30 °C lässt sich nicht in wenigen Minuten bei 100 °C simulieren – Was dann herauskommt, ist ein hartgekochtes Frühstücksei. Für verlässliche Ergebnisse von Alterungstest müssen also gewisse Kenntnisse über die zugrunde liegenden Mechanismen vorhanden sein.

Wettermaschine für Proben

Sind die Grundlagen der Alterungsprozesse bekannt, stellen Klimaprüfschränke ein verlässliches Instrument der Qualitätssicherung dar. Und sie bieten dabei das, was sich manch einer für das Wetter draußen wünscht: Die volle Kontrollmöglichkeit über Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschlag und Sonnenschein. In entsprechend ausgestatteten Prüfschränken lassen sich sogar Luftdruck, Salzgehalt und Erschütterungen einstellen. Letzteres ist besonders für simulierte Transporte wichtig, etwa Lieferungen per LKW.

Grenzen setzen im Grunde nur noch physikalische Gesetze: Wer eine hohe Luftfeuchte simulieren will, kann nicht gleichzeitig tiefe Temperaturen einstellen. Dann fällt die Feuchtigkeit als Nebel aus und regnet quasi in der Kammer nieder.

Der wohl größte natürliche Klimaprüfschrank

Auch wenn die moderne Technik mit hoher Präzision Umwelteinflüsse für Haltbarkeitstests simulieren kann – manchmal geht nichts über die Natur selbst. So ist es bei vielen Herstellern von Autolacken mindestens seit den 1980er Jahren üblich, ihre Formulierungen im wohl größten natürlichen Klimaprüfschrank der Welt zu testen: dem Strand von Florida. Dort ist das Klima so stabil, dass sich normgerechte Stabilitätsprüfungen durchführen lassen. Regelmäßige Sonneneinstrahlung und die tropische Feuchte sorgen dafür, dass die Lackprüflinge dort beschleunigt altern. Eine Lackierung, die dort ein Jahr überdauert, hält in gemäßigten Klimazonen mehrere Jahre lang.

Für die meisten Qualitätsprüfer wird die Küste Floridas aber wohl zu weit entfernt sein. Sie können sich zumindest das Klima von dort im eigenen Prüfschrank präzise nachbilden.

* Christian Lüttmann, Redaktion LABORPRAXIS, christian.luettmann@vogel.de

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