Sonnensimulation

Sonnensimulation bei TechnoLab

Die Sonnensimulation dient dazu, das Alterungsverhalten (die Lichtechtheit) von Materialien festzustellen.

Kunststoffen, Metallen, komplexen Bauteilen, Beschichtungen, Lacken und anderen Materialien unterliegen verschiedenen Bestrahlungsintensitäten, Strahlungszusammensetzungen und Witterungsbedingungen, an unterschiedlichen Einsatzorten.

Unsere Sonne ist nicht nur die wichtigste Energiequelle für uns Menschen sondern auch ein entscheidender Faktor bei der Qualitätsbewertung von Bauteilen und Produkten in Bezug auf Lichtechtheit. Nahezu alle Produkte sind im Laufe ihrer Lebenszeit den Strahlen der Sonne ausgesetzt und müssen diesen standhalten. Auch Kunstlicht in z.B. Kaufhäusern hat Auswirkungen auf ein Produkt und kann dessen Erscheinungsbild über die Zeit verändern.

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Sonnensimulation an einem Prüfling
Sonnensimulation  Normen

  • ASTM C1442
  • ASTM D2565 Cycle 1
  • ASTM D3424 Methode 4
  • ASTM D4329
  • ASTM D4587
  • ASTM D4798 Cycle A-1 und B
  • ASTM D4799
  • ASTM D5071 Cycle 1 und 2
  • ASTM D5208
  • ASTM D6662
  • ASTM G151
  • ASTM G154
  • ASTM G155 Cycle 1
  • DIN 75220
  • DIN EN 927-6
  • DIN EN 1297
  • DIN EN 12224
  • DIN EN 13523-10
  • DIN EN 60068-2-2
  • DIN EN 60068-2-5
  • DIN EN ISO 105-B06
  • DIN EN ISO 4892-1
  • DIN EN ISO 4892-3
  • DIN EN ISO 11997-2
  • DIN EN ISO 16474-1
  • DIN EN ISO 16474-3
  • DIN ISO 9022-9
  • GB/T 16422.2 Cycle 10 und 12
  • GB/T 2424.14 Cycle A, B und C
  • GB/T 8013.1 Xenon Test
  • IEC 60068-2-5 Prozedur A
  • ISO 16474-2 Cycle B4
  • JDQ 53.3
  • MIL-STD-810G 505.5 Procedure I und II
  • MIL-STD-810G 505.6
  • MIL-STD-810H 505.7
  • prEN 1062-4
  • RTCA/DO-160G Section 16&rarr Fallstudie
  • SAE J2020
  • TSM0501G
  • TSM0502G
  • YY/T 0631 Xenon Test
Wir bieten u.a. auch folgende Prüfungen an:
wassertropfen
u.a. nach folgenden Normen:

  • DIN EN 60068-2-17
  • MIL-STD-810
  • NEMA 250
  • RTCA DO-160
  • VDE 0470-100
  • VW 80000

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IP-Schutzarten Prüfungen
frost, klima
u.a. nach folgenden Normen:

  • DIN EN 60060-2-1
  • MIL-STD 810
  • MIL-E-5272
  • MIL-STD 883
  • MIL-E-5272
  • MIL-STD 202

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Klimaprüfungen
motor
u.a. nach folgenden Normen:

  • DIN EN 2591-403
  • DIN EN 60068-2-6
  • 61373
  • DIN SPEC 79009
  • MIL-STD-810H
  • RTCA DO-160

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Vibrationsprüfungen
Erläuterungen zur Sonnensimulation

Ein wichtiger Bereich für die Sonnensimulation ist die Automobilindustrie. PKWs und LKWs sind über die gesamte Nutzungs- bzw. Lebensdauer teilweise intensiver Sonnenbestrahlung ausgesetzt. Die Auswirkung sind teilweise gravierend und betreffen sowohl Aussenanbauteile als wie auch Bauteile im Fahrzeuginnenraum. Lacke bleichen aus, Armaturenbretter verfärben sich und können reissen.

Hier kommen 2 unterschiedliche Einflussfaktoren zum tragen:

  • UV-Anteil des Lichtes
  • Thermischer Anteil des Lichtes
Während das UV Licht auch bei tiefer Temperatur Kunststoffe altern lässt wird bei der thermischen Einwirkung die Alterung aufgrund des Temperatureinflusses beschleunigt. UV Licht in Verbindung mit Wasser führt noch einmal zu einer beschleunigten Alterung, weshalb man hier auch von Bewitterungstests spricht.

Die Erzeugung des Lichtes wird mit unterschiedlichen Strahlern vorgenommen, z. B. durch:

  • Xenonstrahler, die ein sehr Sonnenlichtähnliches Spektrum aufweisen, allerdings mit einem hohen Infrarotanteil
  • Metall-Halogenidstrahler, die ein ähnliches Spektrum wie Xenonbogenlampen haben aber ohne den hohen Infrarotanteil
  • UV-Röhren, die als UVA, UVB, oder UVC Strahler eingesetzt werden und nur den UV Anteil des Lichtes auf den Prüfling einwirken lassen.

Sonnensimulation, Bewitterung, UV-Prüfungen

Mit diesen Tests sollen die Einflüsse wetterbedingter Faktoren wie Sonnenlicht, Temperatur, Feuchte/Wasser u.ä. auf Materialien und Oberflächen untersucht werden. Dabei muss man bei der Vorgehensweise grundsätzlich zwischen natürlicher (Freibewitterung) und künstlicher Bewitterung (Laborbewitterung) unterscheiden. Beides wird von TechnoLab durchgeführt.

Für die Freibewitterung setzt man die zu testenden Objekte an bestimmten Standorten mit besonderen klimatischen Eigentümlichkeiten den lokalen Umweltbedingungen unter Messbeobachtung aus. Dieses Vorgehen hat einen erheblichen Zeitaufwand zur Folge, zumal meteorologische Unwägbarkeiten Einfluss auf den Testverlauf nehmen können.

Die Laborbewitterung weist demgegenüber deutliche Vorteile auf. Die Einflussfaktoren (Bestrahlungsstärke, Temperatur, Feuchtigkeit u.ä.) können über den gesamten Beobachtungszeitraum konstant gehalten werden. So sind Ergebnisse in relativ kurzer Zeit erzielbar, wodurch belastbare Aussagen über „Wetterchtheit“, „Bewitterungsstabilität“ und „Lichtechtheit“ getroffen werden können.

Lichtechtheit / UV-Beständigkeit

Der Einfluss von Ultraviolettstrahlung (UV-Strahlung), insbesondere der kurzwelligen Strahlung, auf bestimmte Werkstoffe ist kaum zu überschätzen, ihre optischen und mechanischen Eigenschaften können sich deutlich verändern. Insbesondere organische Materialien und Kunststoffe erfahren unter dem UV-Licht in der Sonnenstrahlung teils signifikante Alterungsprozesse (vergilben, verfärben, verspröden, verfallen). Verschlechterung natürlicher und synthetischer Elastomere und Polymere durch photochemische Reaktionen.

Auch der Infrarotanteil der Strahlung kann erhebliche Folgen zeitigen wie beispielsweise: Verklemmen oder Ablösen beweglicher Teilen, Schwächung von Lötstellen, Verlust der Kalibrierung, vorzeitige Betätigung elektrischer Kontakte, Verblassen der Farben farbcodierter Komponenten, Änderungen der Eigenschaften von Elastomeren und Polymeren, Blasenbildung und Abblättern von Farben und anderen Oberflächen, Erweichen von Vergussmassen u.v.m.

Getestet werden in den Labors Komponenten aus Kunststoffen wie beispielsweise Acrylglas, PVC, Polyethylen und EPDM, wobei hierbei mechanische (Härte, Elastizität und Festigkeit) als auch optische Eigenschaften (Trübung, Verfärbung,Glanz) untersucht werden. Die UV-Simulationsanlagen decken einen großen Bereich an Strahlungsintensität kombiniert mit verschiedenen klimatischen Beanspruchungen ab.

Für die Durchführung dieser Tests kommen u.a. zum Einsatz:

Xenonbogenbewitterung

Die Strahlungscharakteristik bei Xenonbogenlampen wird durch die Verwendung von geeigneten Filtern angepasst, es wird entsprechend der DIN EN ISO 4892-2 das Verfahren A zur Prüfung mit Filtern für Globalstrahlung (künstliches Bewittern) und das Verfahren B zur Prüfung mit Filtern für Globalstrahlung hinter Fensterglas unterschieden.

UV-Bewitterung

Für die Realisierung der mit UV-Fluoreszenzlampen durchgeführten künstlichen Bewitterung bzw. Bestrahlung werden nach DIN EN ISO 4892-3 verschiedene Lampen verwendet, welche eine unterschiedliche Strahlungscharakteristik aufweisen. Das Verfahren A beschreibt die Bewitterung mit UVA-340-Lampen (Typ 1A) und das Verfahren B die Globalstrahlung hinter Fensterglas mit UVA-351-Lampen (Typ 1B). Bei beiden Lampen wird eine sehr gute Übereinstimmung mit der Strahlungscharakteristik des Sonnenlichtes erreicht. Die UVB-313-Lampen emittieren dagegen auch im Bereich des mittleren und fernen UV-Bereiches und damit unterhalb der solaren cut-off-Wellenlänge von 295 nm. Diese Lampen werden insbesondere für Untersuchungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet.

Fallstudie

Sand- und Staubtests an gekapselter Steuerelektronik
Gemäß RTCA/DO-160G Abschnitt 12

Klicken Sie hier für weitere Informationen…

Thermische Beständigkeit von Avionik-Elektronik
Gemäß RTCA/DO-160G Abschnitt 16


Die Herausforderung

An exponierten Stellen installierte Flugzeugausrüstung kann während des Bodeneinsatzes und des Fluges intensiver Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein. Sonnenlicht kann die Oberflächentemperatur von Elektronikgehäusen und -komponenten erheblich erhöhen.
Dies gilt insbesondere für Ausrüstung, die installiert ist:
  • in der Nähe von Flugzeugfenstern oder im Cockpitbereich
  • in Außenfächern
  • in Avionikräumen, die durch die Flugzeugstruktur der Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind
  • auf Flugzeugoberflächen oder an Außeninstallationen
Sonneneinstrahlung kann folgende Auswirkungen haben:
  • übermäßige Erwärmung elektronischer Bauteile
  • Zersetzung von Beschichtungen und Polymeren
  • thermische Ausdehnung mechanischer Strukturen
  • Leistungsminderung oder vorzeitiger Ausfall der Elektronik
Um einen zuverlässigen Betrieb unter diesen Bedingungen zu gewährleisten, müssen Bordgeräte unter simulierten Sonneneinstrahlungsbedingungen geprüft werden. Die Umweltqualifizierung gemäß RTCA/DO-160G umfasst spezifische Verfahren zur Bewertung der Auswirkungen von Sonneneinstrahlung auf Flugzeugausrüstung.
Diese Fallstudie stellt die Qualifizierungsprüfung hinsichtlich Sonneneinstrahlung eines versiegelten Avionik-Steuermoduls vor, das für den Einbau in Passagierflugzeugsystemen entwickelt wurde.


Prüfling (DUT)

Bei dem getesteten Gerät handelte es sich um eine Avionik-Steuereinheit, die für die Steuerung der Hilfssysteme des Flugzeugs zuständig ist.
Die Elektronik ist in ein versiegeltes Aluminiumgehäuse integriert, das für mechanischen Schutz und passive Wärmeableitung ausgelegt ist.
Wesentliche Merkmale des Prüflings
Parameter
Beschreibung
Produkttyp
Avionik-Steuerelektronik
Anwendung
Systeme für Passagierflugzeuge
Gehäuse
Aluminiumgehäuse
Kühlkonzept
Passive Wärmeableitung über das Gehäuse
Oberflächenschutz
Eloxierte Aluminiumoberfläche
Steckverbinder
Rundsteckverbinder in Luftfahrtqualität
Interne Elektronik
Mehrschichtige Leiterplattenbaugruppe
Obwohl Avionik-Räume einen gewissen Schutz vor direkter Sonneneinstrahlung bieten, verlangte der Hersteller eine Qualifizierungsprüfung hinsichtlich Sonneneinstrahlung, um die thermische Robustheit des Geräts zu überprüfen.


Testziel

Der Sonneneinstrahlungstest bewertet die Fähigkeit von Bordgeräten, der durch Sonneneinstrahlung verursachten Erwärmung standzuhalten.
Der Test überprüft, ob:
  • Das Gehäuse hält erhöhten Oberflächentemperaturen stand
  • Die interne Elektronik bleibt innerhalb der Betriebstemperaturgrenzen
  • Beschichtungen und Außenmaterialien sind beständig gegen Zersetzung
  • Das Gerät weist eine stabile elektrische Leistung auf
Das Prüfobjekt wurde während und nach der Exposition überwacht, um die kontinuierliche Funktionsfähigkeit sicherzustellen.


Versuchsaufbau

Die Tests wurden in einer Sonnenstrahlungssimulationskammer durchgeführt, die mit kalibrierten Lichtquellen ausgestattet war, welche die spektralen Eigenschaften und die Intensität des natürlichen Sonnenlichts nachbilden.
Das Prüfobjekt wurde in einer repräsentativen Einbaulage innerhalb der Kammer montiert. Hochleistungslampen simulierten die Sonneneinstrahlung, um die Außenflächen des Geräts zu erwärmen.
Temperatursensoren überwachten während des Tests sowohl die Oberflächen- als auch die Innentemperaturen.


Testbedingungen

Die Tests wurden gemäß RTCA/DO-160G Abschnitt 16 – Sonneneinstrahlung durchgeführt.
Typische Umgebungsparameter umfassen:
Parameter
Typische Bedingung
Strahlungsquelle
Lampen mit Sonnenspektrum
Strahlungsintensität
definierte Sonnenwärmebelastung
Expositionsdauer
mehrstündige Strahlungszyklen
Oberflächenerwärmung
überwacht durch Temperatursensoren
Betrieb des Prüflings
Funktionsüberwachung während der Exposition
Das Verfahren simuliert die Sonneneinstrahlung, die auftreten kann, wenn Flugzeuge auf Flughafenvorfeldern unter direkter Sonneneinstrahlung geparkt sind.


Prüfverfahren

Die Umweltqualifizierungsprüfung erfolgte gemäß den in der Norm festgelegten Verfahren.
  1. Prüfung vor der Testdurchführung
    Vor der Sonneneinstrahlung wurde das Prüfobjekt folgenden Prüfungen unterzogen:
    • Sichtprüfung
    • Funktionsprüfung
    • Dokumentation der Ausgangsbedingungen
  2. Sonneneinstrahlung
    Das Prüfobjekt wurde in die Sonneneinstrahlungskammer gebracht und simuliertem Sonnenlicht ausgesetzt, das von kalibrierten Lampensystemen erzeugt wurde.
    Die Bestrahlung führte zu einer kontrollierten Erwärmung der Geräteoberflächen.
  3. Temperaturüberwachung
    Temperatursensoren überwachten kontinuierlich:
    • die Oberflächentemperatur des Gehäuses
    • die internen Temperaturbedingungen
    • die elektrische Leistung des Prüflings
  4. Auswertung nach dem Test
    Nach Abschluss der Bestrahlungszyklen wurde der Prüfling zur Inspektion und Funktionsprüfung aus der Kammer entnommen.


Prüfung nach dem Test

Nach der Sonneneinstrahlung wurde das Prüfobjekt einer eingehenden Inspektion unterzogen.
Die Inspektionsmaßnahmen umfassten:
  • Beurteilung der Oberflächenbeschichtungen
  • Prüfung der Gehäuseintegrität
  • Überprüfung der Steckverbinder und Dichtungen
  • elektrische Funktionsprüfung


Ergebnisse

Die Avionik-Steuereinheit hat den Qualifizierungstest zur Sonneneinstrahlung erfolgreich bestanden.
Wichtige Beobachtungen:
Bewertung
Ergebnis
Zersetzung der Oberflächenbeschichtung
Keine festgestellt
Verformung des Gehäuses
Keine festgestellt
Interne Überhitzung
Keine festgestellt
Elektrische Funktionsfähigkeit
Voll funktionsfähig
Das Aluminiumgehäuse leitete die durch Sonneneinstrahlung erzeugte Wärme effektiv ab.


Fazit

Das getestete Avionik-Steuermodul hat die Qualifizierung hinsichtlich Sonneneinstrahlung gemäß RTCA/DO-160G Abschnitt 16 erfolgreich bestanden.
Der Test bestätigte, dass:
  • das Gehäuse den solaren Wärmebelastungen standhält
  • Beschichtungen und Materialien stabil bleiben
  • die interne Elektronik auch bei erhöhten Temperaturen eine zuverlässige Leistung erbringt
Diese Ergebnisse belegen die Eignung des Geräts für Flugzeugumgebungen, in denen die Ausrüstung längerer Sonneneinstrahlung und solaren Erwärmungen ausgesetzt sein kann.


Warum Tests zur Sonneneinstrahlung wichtig sind

Tests zur Sonneneinstrahlung stellen sicher, dass Bordgeräte auch unter intensiver Sonneneinstrahlung zuverlässig funktionieren.
Die Umweltqualifizierung gemäß DO-160 hilft Herstellern dabei:
  • die thermische Robustheit elektronischer Geräte zu überprüfen
  • das Gehäusedesign im Hinblick auf die Wärmeableitung zu validieren
  • Überhitzung während des Bodeneinsatzes zu verhindern
  • die Zertifizierung von Bordsystemen zu unterstützen
Durch die Nachbildung von Sonneneinstrahlungseffekten unter kontrollierten Laborbedingungen können Hersteller sicherstellen, dass Avionikgeräte auch in Umgebungen mit hoher Strahlung zuverlässig bleiben.