Forschung zur Anwendung von Nadelflammprüfgeräten bei der Brandschutzbewertung von elektrischen und elektronischen Produkten

Abstract:

Beim Betrieb elektrischer und elektronischer Geräte können Fehler wie Kurzschlüsse und alterungsbedingte Überhitzung von Bauteilen leicht zu winzigen Flammen führen, die umgebende Isolierkunststoffe und Gehäusematerialien entzünden und eine Hauptursache für Brände darstellen können. Das Nadelflammenprüfgerät bewertet die Flammwidrigkeit von Produktkomponenten und Isoliermaterialien, indem es durch solche internen Fehler hervorgerufene winzige Flammen simuliert. Es dient als wichtiges Prüfgerät für die Sicherheitszertifizierung elektrischer und elektronischer Produkte. LISUN Anhand des Nadelflammenprüfgeräts ZY-3 werden in diesem Artikel Funktionsprinzip, Strukturmerkmale, technische Schlüsselparameter, Prüfverfahren, Bewertungskriterien und praktische Anwendungsszenarien des Geräts vorgestellt. Es liefert technische Referenzen für die Brandschutzprüfung elektronischer Produkte, die Forschung und Entwicklung flammhemmender Materialien sowie den Marktzugang für diese Produkte.

Einführung

Viele Brände in elektrischen Anlagen entstehen durch die Entzündung von Bauteilen im Inneren. Anders als bei offenen Flammen im Außenbereich handelt es sich bei vielen Brandquellen lediglich um winzige Flammen, die durch Kurzschlüsse oder Überhitzung elektronischer Bauteile entstehen. Diese Flammen zeichnen sich durch ein geringes Volumen und eine konzentrierte Energie aus. Sie entzünden leicht benachbarte Kunststoffisolatoren, Leiterplattensubstrate und Kabelbaumummantelungen und breiten sich so zu schweren Bränden aus. Herkömmliche Verbrennungstests sind meist für großflächige offene Flammen ausgelegt und können die realen Betriebsbedingungen von Mikro-Brandquellen im Inneren von Geräten nicht abbilden. Nadelflammtestgerät ist ein speziell für solche Arbeitsbedingungen entwickeltes Prüfgerät. Es entspricht der chinesischen Norm GB/T 5169.5-2020 und der internationalen Norm IEC 60695-11-5:2016. Es dient zur Simulation kleinster Flammen, die durch interne Gerätefehler entstehen, und zur Beurteilung der Flammwidrigkeit von Materialien und Maschinenkomponenten unter Kleinflammenzündbedingungen sowie des Risikos der Flammenausbreitung. Es findet breite Anwendung in Haushaltsgeräten, Informationstechnikgeräten, Beleuchtungsprodukten, Automobilelektronik, unabhängigen Prüflaboratorien und Forschungsinstituten. Als ausgereiftes kommerzielles Nadelflammenprüfgerät LISUN Der Nadelflammenprüfer ZY-3 erfüllt die Normenanforderungen und ermöglicht eine präzise Flammensteuerung, automatische Zeitmessung und Datenaufzeichnung. Er eignet sich für Forschungs- und Entwicklungstests, Werksinspektionen und Zertifizierungsprüfungen. 

1 Funktionsprinzip des Nadelflammenprüfgeräts

Kernstück des Nadelflammenprüfgeräts ist ein standardisierter, nadelförmiger Brenner, der mit Butangas (Reinheit ≥ 95 %) betrieben wird und eine standardisierte Prüfflamme mit einer Höhe von 12 mm ± 1 mm erzeugt. Die Flamme wird unter einem Winkel von 45° auf die Probenoberfläche gerichtet, um die Auswirkungen von Kleinflammen zu simulieren, die durch Kurzschlüsse und Überhitzung der Bauteiloberfläche entstehen. Während der Prüfung werden die Einwirkzeit, die Nachbrennzeit und die Nachglühzeit der Probe nach Entfernung der Flamme erfasst. Gleichzeitig wird beobachtet, ob geschmolzene Tropfen das darunterliegende Seidenpapier und die Kiefernholzplatte entzünden. Ziel der Prüfung ist nicht die Messung des Materialverhaltens unter großflächiger Brandeinwirkung, sondern die Untersuchung, ob sich umgebende Materialien entzünden, wenn im Inneren des Geräts lokale Mikrobrandquellen entstehen, ob die Verbrennung nach der Entzündung selbstverlöschend ist und ob brennende Tropfen eine Brandausbreitung verursachen. Basierend auf diesen Beobachtungen kann die Brandsicherheit von Produkten bewertet werden.

Ein vollständiges Nadelflammenprüfgerät besteht aus einer geschlossenen Prüfkammer, einem nadelförmigen Brenner, einem Gaswegregelungssystem, einer Thermoelement-Temperaturmesseinheit, einem Zeiterfassungsmodul und einer Mensch-Maschine-Schnittstelle. Der Brenner ist winkelverstellbar: Er kann vertikal zur Kalibrierung und in einem Winkel von 45° für die eigentliche Prüfung positioniert werden. Das Thermoelement misst die Wärmeleistung der Flamme. Die Norm schreibt vor, dass die Flamme innerhalb von 23.5 s ± 1 s von 100 °C ± 2 °C auf 700 °C ± 3 °C ansteigen muss. Dies gewährleistet eine gleichbleibende Wärmeleistung bei jeder Prüfung und garantiert reproduzierbare und vergleichbare Prüfergebnisse über verschiedene Chargen und Labore hinweg.

ZY-3 Nadelflammtest

2 Schlüsselparameter von LISUN ZY-3 Nadelflammenprüfgerät

LISUN Das Nadelflammenprüfgerät ZY-3 ist in zwei Ausführungen erhältlich: ZY-3 mit geschlossener Kammer und ZY-3S ohne Kammer. Das Modell mit geschlossener Kammer isoliert äußere Lufteinflüsse und stabilisiert die Prüfumgebung; es eignet sich für Standardlabortests. Die kammerlose Version zeichnet sich durch kompakte Abmessungen aus und ermöglicht schnelles Screening in Produktionslinien. Die wichtigsten technischen Parameter sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1: Wichtigste technische Parameter der Nadelflammenprüfgeräte ZY‑3 und ZY‑3S

Wie Tabelle 1 zeigt, verfügen beide Versionen über identische Kernbrenn-, Zeit- und Temperaturindikatoren. Die Unterschiede liegen in der Kammerkonfiguration und dem Gesamtgewicht. Anwender können die Modelle entsprechend ihren Testumgebungen und Anwendungsszenarien auswählen. Die gesamte Einheit besteht aus hochtemperaturgespritztem Stahl und ist für Langzeit- und wiederholte Hochtemperaturtests geeignet. Sie unterstützt die Anwendung einer oder mehrerer kontinuierlicher Flammen, um die speziellen Anforderungen der IEC 62368-1 an kontinuierliche Verbrennungstests zu erfüllen.

3 Standardprüfverfahren und Ergebnisbeurteilung für Nadelflammenprüfgeräte

3.1 Testverfahren

1. Probenvorbehandlung und Einspannung: Befestigen Sie die Probe auf der Vorrichtung und wählen Sie die Stelle im Inneren des Produkts, die am ehesten fehlerhaften Flammen ausgesetzt sein wird, als Flammenapplikationspunkt.
2. Gerätekalibrierung: Zünden Sie den Brenner und stellen Sie die Flammenhöhe auf 12 mm ± 1 mm ein. Überprüfen Sie die Temperaturanstiegsrate der Flamme mit einem Kupferblock und einem Thermoelement, um die Einhaltung der Standardvorgaben zu bestätigen.
3. Testparameter einstellen. Die empfohlene Standard-Flammeneinwirkzeit beträgt in der Regel 30 s. Brenner in eine 45°-Position drehen und Flammenspitze mit der Probe in Kontakt bringen.
4. Nach Ablauf der voreingestellten Flammeneinwirkungsdauer fährt der Brenner automatisch zurück. Das Nadelflammenprüfgerät beginnt automatisch mit der Aufzeichnung der Nachflammenzeit und der Glühdauer.
5. Beobachten Sie das Verbrennungsverhalten der Probe während des gesamten Tests, achten Sie auf tropfendes Schmelzgut und prüfen Sie, ob das darunterliegende Seidenpapier und die weiße Kiefernholzplatte entzündet oder verkohlt sind.
6. Beenden Sie den Test, sobald die Probe vollständig erloschen ist und kein Leuchtphänomen mehr auftritt. Exportieren Sie die Testdaten und dokumentieren Sie die beobachteten Phänomene.

3.2 Kriterien für Bestehen/Nichtbestehen

Gemäß GB/T 5169.5‐2020 gilt eine Probe als bestanden im Nadelflammentest, wenn eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:
(1) Bei Flammeneinwirkung kommt es an der Probe weder zu einer Entzündung noch zu einem Glühen; das darunter liegende Seidenpapier entzündet sich nicht und die weiße Kiefernholzplatte zeigt keine Verkohlung.
(2) Nach Entfernung der Flamme beträgt die Gesamtdauer der Flamme und des Glühens auf der Probe weniger als 30 Sekunden, und Tropfen entzünden oder verkohlen die Unterlage nicht.

Längere Verbrennung der Probe oder Entzündung der Unterlage durch geschmolzenes Material deuten auf Brandausbreitungsgefahr bei internen Kleinflammenfehlern hin. Eine Produktüberarbeitung ist erforderlich, einschließlich struktureller Änderungen oder der Verwendung von Dämmstoffen mit höherer Flammschutzklasse.

4 Anwendungsszenarien des Nadelflammenprüfgeräts

Das Nadelflammenprüfgerät findet breite Anwendung in der Elektrotechnik, Informationstechnik, Beleuchtungstechnik, Automobilelektronik und Materialforschung und -entwicklung.

Erstens, in der Elektrogeräteindustrie: Isoliersockel von Relais, Schützen und Leistungsschaltern, Kunststoffabdeckungen von Schaltern und Steckdosen sowie Kabelisolationsschichten benötigen Nadelflammenprüfgeräte, um durch Kontaktlichtbögen und Überlastfehler verursachte Mikroflammen zu simulieren. Damit wird die Zündbeständigkeit der Isolierteile überprüft, um Sicherheitsanforderungen wie GB/T 2099.1 zu erfüllen und die elektrische Sicherheit im Niederspannungsbereich zu gewährleisten.

Zweitens werden Informations- und Audio-/Videogeräte wie Router, Drucker, Netzteile, Ladegerätgehäuse und die isolierenden Bauteile um die Leistungsmodule auf Brandgefahren durch Chip-Kurzschlüsse und Überhitzung geprüft. Gemäß GB/T 4943.1-2022 und IEC 62368-1:2023 ist der Nadelflammentest ein wichtiges Zertifizierungskriterium für Unterhaltungselektronik.

Drittens, in der Beleuchtungsindustrie: Kunststoff-Innenteile von LED-Treibergehäusen, Lampenfassungen, Vorschaltgeräten und Außenstrahlern werden auf Flammbeständigkeit gegen Mikroflammen durch fehlerhafte interne Komponenten geprüft und entsprechen den geltenden Normen. GB 7000.1-2015.

Viertens, Fahrzeugelektronik und Fahrzeuge mit alternativen Antrieben: Fahrzeugseitig verbaute zentrale Bedienelemente im Innenraum, Kabelbaumisolierungen, Ladesäulenisolatoren und BMS-Gehäuse werden getestet, um durch Ladeüberlastung und Schaltungsfehler verursachte Mikroflammen zu simulieren und so die Brandsicherheitsleistung von Fahrzeugkomponenten gemäß ISO 6722-1 und GB/T 2408-2021 zu bewerten.

Fünftens: Materialforschung und -prüfung: Modifizierte technische Kunststoffe wie ABS, PC, PA, Epoxid-Glasgewebeplatten und Polyimidfolien werden mit einem Nadelflammenprüfgerät auf Zünd- und Nachflammenverhalten untersucht. Die Daten dienen der Entwicklung von Flammschutzmittelformulierungen und der Bewertung der Materialqualität und liefern eine quantitative Prüfgrundlage für die Weiterentwicklung neuer Materialien.

5 Fazit

Das Nadelflammtestgerät Dieses Prüfinstrument ist von zentraler Bedeutung für die Simulation von Kleinflammenszenarien, die durch Kurzschlüsse und Bauteilüberhitzung in elektronischen Geräten entstehen. Es überwindet die Einschränkungen von Großflammentests, die Mikrobrandquellen im Inneren von Geräten nicht simulieren können. Die Testergebnisse spiegeln direkt das Brandschutzverhalten von Bauteilen und Isoliermaterialien unter realen Fehlerbedingungen wider. LISUN Das Nadelflammenprüfgerät ZY-3 erfüllt vollständig die nationalen Normen GB/T 5169.5-2020 und die internationale Norm IEC 60695-11-5:2016. Flammentemperatur, Flammenhöhe und Zeitgenauigkeit werden präzise gesteuert. Dank der dualen Bedienung per Touchscreen und Fernbedienung bietet es ein optimales Verhältnis von Prüfgenauigkeit und Betriebssicherheit und erfüllt die vielfältigen Anforderungen von Qualitätskontrollabteilungen in Unternehmen, externen Laboren und Forschungseinrichtungen.

Elektrische Sicherheit ist eine zwingende Voraussetzung für den Marktzugang von Produkten. Unternehmen müssen die Nadelflammenprüfvorrichtung umfassend nutzen, um bereits in der Produktentwicklungsphase Nadelflammenprüfungen durchzuführen, Brandgefahren in Bauteilen frühzeitig zu erkennen, die Materialauswahl und die Konstruktion zu optimieren, elektrische Brandrisiken von vornherein zu reduzieren und die Produktsicherheit zu gewährleisten.