Die verschiedenen Arten von Universalprüfmaschinen

Zusätzlich zu den üblicherweise durchgeführten Klimatests müssen viele Materialien mechanischen Prüfungen unterzogen werden , um ihre Beständigkeit zu überprüfen, bevor sie auf den Markt gebracht werden können.

Die Laborgeräte, mit denen diese Art von Test durchgeführt wird, werden als Universalprüfmaschinen , und es gibt verschiedene Arten.

Im folgenden Artikel werden wir sehen, welche verschiedenen Arten von Universalprüfmaschinen es gibt, welche Arten von Tests sie durchführen und warum sie ohne Klimakammern nicht auskommen .

Was ist eine Universalprüfmaschine?

Eine Universalprüfmaschine ist ein Laborinstrument, das Kräfte verschiedener Art und Stärke auf Materialien ausüben. Sie wird aufgrund ihres breiten Anwendungsspektrums als Universalprüfmaschine bezeichnet, war aber früher einfacher als „Zugprüfmaschine“ oder „Dynamometer“ bekannt.

Wie wir sehen werden, der Aufbau dieser Maschinen variieren, aber im Allgemeinen bestehen sie aus einem Rahmen mit einer oder zwei Stützsäulen. In der Mitte des Rahmens befindet sich der bewegliche Querträger mit einer daran befestigten Kraftmessdose , die eine kontrollierte Kraft auf die zu prüfende Probe ausübt.

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Wie man die verschiedenen Arten von Universalprüfmaschinen unterscheidet

Es gibt drei Parameter zur Klassifizierung der verschiedenen Arten von Universalprüfmaschinen: Funktionsprinzip, Konstruktionsmerkmale und Intensität der erzeugbaren Kraft.

Universelle Prüfmaschinen können drei verschiedene Funktionsprinzipien:

• Hydraulik
• Elektromagnetisch
• Reifen

Am häufigsten anzutreffen sind hydraulische Systeme, während pneumatische Systeme am seltensten vorkommen.

Hinsichtlich der Konstruktionsmerkmalevariieren Universalmaschinen je nach Modell erheblich, und es ist unmöglich, alle auf dem Markt erhältlichen Varianten umfassend zu beschreiben. Einer der grundlegenden Unterschiede ist, wie bereits erwähnt, die ein- oder zweisäulige Rahmenkonstruktion. Einsäulige Universalmaschinen sind seltener und finden weniger Anwendung. 

Schließlich lassen sich Universalprüfmaschinen anhand der Intensität der von der Maschine erzeugten Kraft unterscheiden, die von einigen hundert N bis zu 1000 kN oder mehr variieren kann.

Universalprüfmaschinentests

Materialien, die die Universalprüfmaschine durchlaufen, müssen zwei Hauptkategorien von Prüfungen: der Druckfestigkeitsprüfung und der Zugfestigkeitsprüfung.

Der Druckfestigkeitstest wird im Allgemeinen unter einachsigen Bedingungen durchgeführt und überprüft die Widerstandsfähigkeit von Werkstoffen gegenüber Belastungen, die dazu neigen, sie zu verformen und ihre Dehnung zu verringern oder sie zu komprimieren. 

Es wird hauptsächlich auf Beton und unterliegt dieser internationalen Norm.

Der Bruchlasttesthingegen ermittelt die Grenze in Bezug auf die aufgebrachte äußere Kraft oder Spannung, ab der ein Material hinsichtlich seiner Widerstandsfähigkeit endgültig unbrauchbar wird.

Es wird ferner in 5 verschiedene Tests, je nach Art der angewandten Kraft:

• Zugbruchlast
• Druckbruchlast
• Bruchlast bei gerader Biegung
• Torsionsbruchlast
• Bruchlast bei Scherspannung

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Die FDM-Umweltkammer für Konditionierungstests in der Universalmaschine

Manche Bruchlast- und Druckversuche werden als „Konditionierungsversuche“ , weil sie das Material bestimmten Umgebungsbedingungen aussetzen.

Diese Tests müssen durchgeführt werden, indem die Universalprüfmaschine in einer Umgebung aufgestellt wird, in der die Parameter Luftfeuchtigkeit und Temperatur, d. h. in einer Klimakammer.

Die FDM-Klimakammer ist das ideale Instrument für die Durchführung dieser Art von kombinierten Tests und kann in verschiedenen Größen gebaut , um allen Kundenbedürfnissen gerecht zu werden.

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Referenzstandards

• ISO 7500-1 — Metallische Werkstoffe – Kalibrierung und Überprüfung von statischen einachsigen Prüfmaschinen – Teil 1: Zug-/Druckprüfmaschinen – Kalibrierung und Überprüfung des Kraftmesssystems.
• ASTM E4 – Standardverfahren zur Kraftprüfung von Prüfmaschinen. Amerikanisches Äquivalent zu ISO 7500-1 für die Kalibrierung von Universalprüfmaschinen.
• ISO 9513 — Metallische Werkstoffe – Kalibrierung von Extensometersystemen für einachsige Zugversuche.
• ASTM E83 — Standardverfahren zur Überprüfung und Klassifizierung von Extensometersystemen.
• ISO 6892-1 — Metallische Werkstoffe – Zugprüfung – Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur.
• ISO 6892-2 — Zugprüfung bei erhöhter Temperatur (anwendbar auf Prüfungen in der Klimakammer).
• ASTM E8/E8M — Standardprüfverfahren für die Zugprüfung metallischer Werkstoffe.

Autoritative Quellen

• ISO – Internationale Organisation für Normung. Pflegt die Normenreihen ISO 7500 und ISO 6892 für Universalprüfmaschinen.
• ASTM International. Nordamerikanische Referenznormen ASTM E4, E83, E8.
• INRIM – Nationales Institut für Metrologische Forschung. Italienisches Institut für die Rückführbarkeit von Kraftskalen (Masse- und Gravitationsbeschleunigungsalter).
• ACCREDIA. Italienische Akkreditierungsstelle für Kalibrierlaboratorien für Wägezellen und Dehnungsmessstreifen.

Häufig gestellte Fragen zur Universalprüfmaschine

Welche Genauigkeitsklassen bietet ISO 7500-1 an?

ISO 7500-1 klassifiziert die Maschine anhand des relativen Fehlers der Kraftmessdose. Klasse 0,5: relativer Fehler ≤ 0,5 % des angezeigten Wertes, erforderlich für Materialcharakterisierungsprüfungen (F&E, Chargenqualifizierung in der Luft- und Raumfahrt). Klasse 1: Fehler ≤ 1 %, Industriestandard für mechanische Prüfungen nach ISO 6892 und ASTM E8. Klasse 2: Fehler ≤ 2 %, weniger kritische Anwendungen in der Qualitätskontrolle. Klasse 3: Fehler ≤ 3 %, nur für Vergleichsprüfungen. Die Kalibrierung erfolgt mit Gewichten der Klasse E2/F1 gemäß OIML R111 oder mit Referenzkraftaufnehmern von mit einer Unsicherheit von ≤ 0,1 %. Die Überprüfung wird typischerweise bei 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 % des Messbereichsendwertes mit mindestens fünf Anstiegs- und Abfallpunkten durchgeführt, um Hysterese zu erkennen. Empfohlene Häufigkeit: jährlich oder alle 10⁴-10⁵ Lastzyklen.

Wie wird ein Zugversuch nach ISO 6892-1 durchgeführt?

ISO 6892-1 definiert die Verfahren A und B für einachsige Zugversuche an metallischen Proben bei Raumtemperatur (10–35 °C). Verfahren A (geschlossene Dehnratenregelung): aktive Dehnratenregelung, 0,00025/s oder 0,0067/s gemäß Vereinbarung; erfordert ein Extensometer der Klasse 1 nach ISO 9513 (Fehler ≤ 1 %). Verfahren B (Traversengeschwindigkeit): Traversengeschwindigkeitsregelung, 5–30 mm/min im elastischen Bereich, Beschleunigung nach Erreichen der Streckgrenze. Hauptmessgrößen: Rp0,2 (Streckgrenze bei 0,2 % Dehnung), Rm (Zugfestigkeit), A (Bruchdehnung), Z (Einschnürung). Die Standardprobe ist vom Typ 3 mit Durchmesser d₀ = 10 mm und Messlänge L₀ = 5d₀ = 50 mm nach ISO 6892 (proportionales Format). Die Datenerfassung erfordert eine Frequenz von ≥ 10 Hz, eine Genauigkeit von F ± 1 % und ε ± 1 % je nach Klasse.

Wann ist eine in eine Universalmaschine integrierte Klimakammer erforderlich?

Die integrierte Klimakammer ist für Prüfungen außerhalb der Umgebungstemperatur gemäß ISO 6892-2 (Hochtemperatur, > 35 °C), ASTM E21 oder ASTM E606 (Ermüdung) erforderlich. Typische Temperaturbereiche: -70 bis +350 °C für Strukturmetalle, -80 bis +200 °C für Polymere, -196 °C (flüssiger Stickstoff) für Tieftemperaturstähle der Luft- und Raumfahrt. Die Integration erfordert: (1) einen Hochtemperatur-Extensometer (KM-Dehnungsmessstreifen für < 350 °C, LVDT-Extensometer für Tieftemperaturanwendungen) gemäß ISO 9513 Klasse 1; (2) Spannbacken aus Inconel 718 oder Nimonic 80A für > 300 °C; (3) optische Fenster für einen berührungslosen Video-Extensometer (DIC-System). Die Ausgleichszeit vor der Prüfung beträgt typischerweise 30–60 Minuten, um eine Temperaturhomogenität von ± 3 °C über die Messlänge gemäß den Normen des Anhangs zu gewährleisten

Wie kalibriert man eine Wägezelle und einen Extensometer?

Die Kraftmessdose wird gemäß ISO 376 mit einem Referenzdynamometer der Klasse 00, 0,5 oder 1 (Unsicherheit 0,03 %, 0,1 %, 0,3 %) an der mechanischen Kette kalibriert. Vorgehensweise: 3 Vorlastzyklen bei 100 % FS, anschließend 3 Messreihen mit um 120° gedrehtem Dynamometer zur Kompensation von Ausrichtungsfehlern. Typische Gesamtunsicherheit ≤ 0,5 % für eine Kraftmessdose der Klasse 1. DerExtensometer wird gemäß ISO 9513 mit einem zertifizierten Wegkomparator (Lasermikrometer oder Interferometer) über den Messbereich kalibriert und bei 20 %, 40 %, 60 %, 80 % und 100 % mit Vorwärts-Rückwärts-Scan verifiziert. Die Rückführbarkeit auf SI-Einheiten erfolgt über ACCREDIA/INRIM. Die Dokumentation des Kalibrierungszertifikats muss Folgendes enthalten: Unsicherheit, Korrekturtabellen, Umgebungsbedingungen (20 ± 2 °C, 50 ± 10 % RH), Gültigkeitsdauer in der Regel 12 Monate.