Beschleunigte Alterungstests mit Xenonlampen: Normen und Anwendungen

Denkt man an atmosphärische Faktoren, die die Alterung von Materialien verursachen, fallen einem sofort Niederschlag, Luftfeuchtigkeit und extreme Temperaturen ein. Weniger bekannt ist jedoch, dass auch die Sonne eine Rolle spielt. Schon die einfache Einwirkung von Sonnenlicht, die sogenannte Sonnenstrahlung , beschleunigt die Alterung vieler Materialien, die wir im Alltag verwenden. Moderne Klimakammern können diesen Zustand mithilfe von Xenonlampen simulieren .

Was sind Xenonlampen?

Technisch gesehen sind Xenonlampen eine Art Bogenlampe , die Xenongas als Brennstoff verwendet und ein sehr intensives Licht erzeugt. Sie wurden Mitte des 20. Jahrhunderts erfunden und finden Anwendung als Projektoren im Kino, als Blitzgeräte in der Fotografie und als Autoscheinwerfer.

Da die Qualität des von ihnen emittierten Lichts dem Spektrum des Sonnenlichts, werden sie heute in Klimakammern eingesetzt, um die Wirkung von Sonnenstrahlung auf verschiedene Materialarten zu simulieren. Diese Eigenschaft macht sie zum idealen Instrument für beschleunigte Alterungstests mit Xenonlicht.

Arten von Xenonlampentests

Die mit Xenonlampen werden je nach Zielsetzung in drei Hauptkategorien unterteilt:

• Bewitterungstest (atmosphärische Alterung): Simuliert die Langzeiteinwirkung von Sonnenlicht, Regen und Temperaturschwankungen. Er bewertet die Gesamtdegradation des Materials unter realistischen Außenbedingungen.
• Lichtechtheitsprüfung: Misst die Beständigkeit gegen Verfärbungen und Farbveränderungen durch Lichteinwirkung. Unverzichtbar für Textilien, Farben, farbige Kunststoffe und Verpackungsmaterialien.
• Photodegradationstest: Analysiert die chemischen und strukturellen Veränderungen, die UV- und sichtbare Strahlung im Material verursacht, wie z. B. Vergilbung, Versprödung und Verlust der mechanischen Eigenschaften.

Die Wahl der Prüfart hängt vom Werkstoff, dem Anwendungsbereich und der jeweiligen Norm ab.

Die Referenznormen: ISO 11341, ISO 4892 und ASTM G155

Die Prüfverfahren für Xenonlampen sind durch mehrere internationale Normen geregelt:

• ISO 11341 – Definiert Methoden zur Simulation der Sonneneinstrahlung auf Farben und Lacke. Sie ist die Referenznorm für die Oberflächenveredelungsindustrie.
• ISO 4892 – Legt Verfahren zur simulierten Sonneneinstrahlung auf Kunststoffe fest. Teil ISO 4892-2 betrifft insbesondere Xenon-Bogenlampen und ist für die chemische Industrie und die Polymerindustrie.
• ASTM G155 — Amerikanischer Standard für die Verwendung von Xenon-Bogenlampen zur Belichtung nichtmetallischer Werkstoffe.
• SAE J 2527 — Automobilspezifischer Standard zur Definition von Testbedingungen für Fahrzeuginnen- und -außenkomponenten.

Welche Materialien und Branchen profitieren von der Xenonprüfung?

Unzählige Alltagsgegenstände sind ständig dem Sonnenlicht ausgesetzt. Nahezu jedes Material kann von einem Xenonlampentest , um seine Strahlungsbeständigkeit zu prüfen. Man denke nur daran, wie schnell Textilien, Leder, Gummi, Kunststoffe und lackierte Metalle ausbleichen.

Die wichtigsten Sektoren, die Tests mit Xenonlampen erfordern, sind:

• Automobilindustrie: Zertifizierung der Beständigkeit von Innenraumkomponenten (Armaturenbretter, Sitze, Polster) und Außenkomponenten (Lacke, Kunststoffe, Dichtungen) gegenüber Sonneneinstrahlung
• Bauwesen: Prüfungen an Fassadenverkleidungen, Abdichtungsmembranen, PVC-Profilen und Dichtstoffen unter Einwirkung von Witterungseinflüssen
• Verpackung: Bewertung der Lichtechtheit von Verpackungen, Etiketten und Druckmaterialien, die in Schaufenstern ausgestellt werden.
• Chemische und kosmetische Anwendungen: Photostabilitätsprüfungen an Formulierungen, Industrielacken, Klebstoffen und Schutzbeschichtungen
• Luft- und Raumfahrt: Qualifizierung von Werkstoffen und Beschichtungen, die im Weltraum und in großer Höhe der Sonnenstrahlung ausgesetzt sind

Funktionsweise einer Xenonlampenkamera

Die Auswirkungen der Sonneneinstrahlung auf Materialien werden über Monate oder Jahre gemessen, da die meisten Schäden in den Sommermonaten und während der Stunden mit dem höchsten Sonnenstand auftreten. In der Klimakammer mit Xenonlampen lassen sich diese Langzeitbestrahlungen über Tage oder Wochen simulieren.

Dank ergänzender Werkzeuge lassen sich Temperatur und Luftfeuchtigkeit der Umgebung, um reale Expositionsbedingungen präzise nachzubilden. Mithilfe von Glasfiltern kann die Simulation Faktoren wie die teilweise Abschirmung des Fahrzeuginnenraums durch eine Windschutzscheibe berücksichtigen.

Die FDM-Kamera mit Xenonlampen

Die FDM-Xenonlichtprüfkammern sind mit einem 1600-W-Xenonbogenlampen-Beleuchtungssystem ausgestattet. Im Vergleich zu Wachstumskammern weisen sie dank eines verbesserten Kühlsystems einen größeren Temperaturbereich (0 bis 80 °C) auf und erfüllen die Spezifikationen der Normen ISO 11341, ISO 4892 und ASTM G155.

Die Standardkonfiguration umfasst:

• Lufttemperatursensor
• Sensor für relative Luftfeuchtigkeit
• Schwarzes Standardthermometer oder schwarzes Plattenthermometer
• Xenon-Bogenlampen
• Sonnenlichtfilter
• Glasfilter

Die Xenonbeleuchtung ist eindimensional und horizontal angeordnet. Für spezielle Anforderungen fertigt FDM auch kundenspezifische Lösungen mit individuellen Konfigurationen.

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Häufig gestellte Fragen zur Xenonlampenprüfung

Worin besteht der Unterschied zwischen Xenon, UV-A und fluoreszierendem UV-B?

Xenonlampen bilden das gesamte Sonnenspektrum von UV (295 nm) bis zum sichtbaren und infraroten Bereich ab und simulieren so die reale Bestrahlungsstärke (Volle Sonne ≈ 0,55 W/m²/nm bei 340 nm). UV-A 340 (ISO 4892-3) emittiert ausschließlich UV-Strahlung im Bereich von 295–400 nm mit einem Maximum bei 340 nm und simuliert damit den intensivsten Teil des Sonnenlichts, jedoch ohne sichtbares Licht und Infrarotstrahlung. UV-B 313 ist intensiver und beschleunigt die Wirkung, aber weniger realistisch. Xenonlampen sind Standard für die Qualifizierung von Produkten in der Automobil-, Textil- und Kosmetikindustrie; Leuchtstofflampen werden für Schnelltests eingesetzt.

Typische Xenon-Testdauer für die Automobilqualifizierung?

Für Fahrzeuginnenräume (VDA 75202, SAE J2412): 1250-Stunden-Test (entspricht ca. 10 Jahren in Florida) mit einem 102-minütigen Licht- + 18-minütigen Sprüh- + Dunkelzyklus. Für Außenlacke (SAE J2527, ASTM G155): 2500–5000 Stunden, entsprechend 3–5 Jahren realer Beanspruchung. Typische Beschleunigung: 5–10-fach im Vergleich zur Außenbeanspruchung. Wichtige Parameter sind die Bestrahlungsstärke (W/m²), die Temperatur der schwarzen Testfläche (BPT) und die Anzahl der Nass-/Trockenzyklen.

Welche Spektralfilter sollte ich für eine Xenonlampe verwenden?

Drei Standardfilter: Tageslicht (simuliert Sonnenlicht durch die Atmosphäre – für den Außenbereich, SAE J2527), Fensterglas (filtert UV-Strahlung unter 310 nm – simuliert die Belichtung durch Auto-/Gebäudeglas, SAE J2412) und erweiterter UV-Filter (Transmission bis 270 nm – beschleunigt den Alterungsprozess, für Siebanlagen). Die Wahl hängt von der Endanwendung ab: Für Fahrzeuginnenräume wird Fensterglas verwendet, für Außenlackierungen Tageslicht.

Kann ich Xenon mit Luftfeuchtigkeit und Temperatur kombinieren?

Ja, moderne Xenon-Kammern (Q-SUN Xe-3, Atlas Ci4000) integrieren die Steuerung von Luftfeuchtigkeit (10–95 % RH), Lufttemperatur (25–65 °C) und Schwarzlicht (bis zu 100 °C) und verfügen über Nass-/Trockenzyklen zur Simulation von Tau und Regen. Diese Kombination ist in Qualifizierungsprotokollen für die Automobil- und Textilindustrie obligatorisch , um reale Bedingungen abzubilden. FDM fertigt kundenspezifische kombinierte Xenon- und Salzsprühkammern für beschleunigte Korrosionsprüfungen