Universalprüfmaschine

Universalprüfmaschinen werden zur Ermittlung von physikalischen (mechanischen) Werkstoffeigenschaften und zur Werkstoffprüfung eingesetzt. Die beiden wesentlichen Messgrößen sind dabei die Kraft und die Länge, als Längenänderung unter einwirkender Kraft. Daneben können weitere Messgrößen (z.B. Temperatur) erfasst und zur Kraft und/oder Länge ins Verhältnis gesetzt werden. Neben der Ermittlung von Werkstoffeigenschaften werden Zugprüfmaschinen auch vielfach zur Designvalidierung und Qualitätssicherung von Werkstücken, Baugruppen oder kompletten Produkten eingesetzt.

Typische Anwendungen

Zugfestigkeit (Streckgrenze)

Die bekanntest und vielleicht auch eine der ältesten Anwendung von Universalprüfmaschinen ist die Ermittlung der Zugfestigkeit an Werkstoffen. Daher wird auch heute noch oft der Begriff Zugprüfmaschine synonym benutzt. Die Zugfestigkeit als Werkstoffeigenschaft beschreibt die maximale mechanische Zugspannung, als Kraft pro Flächeneinheit. Masseinheit hierfür sind N/mm² (Newton pro Quadratmillimeter) oder MPa (MegaPascal). Vereinfacht wird teilweise auch nur die maximale Zugkraft ohne Bezug auf die Fläche angegeben, sofern die Proben vergleichbar sind oder vergleichende Messungen erfolgen.

Die zugehörigen Prüfnormen der Werkstoffprüfung sind zumeist für unterschiedliche Materialgruppen ausgelegt. (z.B. DIN EN ISO 6892-1 für metallische Werkstoffe). Bei international harmonisierten Normen für Stahl wird anstelle der Zugfestigkeit oft der Begriff Streckgrenze benutzt.

Druck- und Bruchfestigkeit

Neben der Zugfestigkeit wird zur Beschreibung von Materialeigenschaften auch die Druck- oder Bruchfestigkeit herangezogen. Dies gilt inbesondere bei Werkstoffen deren Probenkörper nicht gezogen werden können (z.B. Pellets oder Tabletten) oder deren normaler Einsatz eine Prüfung auf Bruch nahelegen (z.B. Glasscheiben oder Solarzellen). Zerstörende Biegeversuche werden auch zur Prüfung von thermoplastischem oder duroplastischem Kunststoff mit Verstärkung nach DIN EN ISO 178 (3-Punkt-Biegeversuch) oder DIN EN ISO 14125 (4-Punkt-Biegeversuch) eingesetzt.

Die Scherfestigkeit von zwei miteinander verbundenen Werkstoffen, z.B. auf Leiterplatten gelötete elektronische Bauteile wird durch einen kontinuierlichen Kraftanstieg bis zum Bruch der Verbindung getestet.

Kraft- / Weg-Prüfung (Federprüfung)

Bei der Kraft-/Weg-Prüfung werden die Kraft- und Wegmesswerte zeitsynchron erfasst und als Diagramm graphisch dargestellt. Neben der klassischen (Druck- oder Zug-) Federprüfung mit linearer Kennlinien und der Ermittlung der Federkonstante, werden auch nichtlineare Kurvenverläufe mit Hysterese erfasst. Mit Hilfe der für Tasten und Schalter typischen Kraft-Weg-Kurven, lassen sich haptische Sinneswahrnehmungen objektivieren und Akzeptanzkriterien für elektromechanische Bauteile definieren.

Bei diesen Prüfungen werden zum Teil auch zusätzlich Schaltzustände oder elektrische Messwerte zeitsynchron zu den Kraft-Weg-Werten erfasst und elektromechanische Bauteile (z.B. Elektromagnetventile) während dem Test angesteuert.

Haltekraft - Haftkraft - Reibkraft

Ein weiteres Einsatzgebiet von Universal- oder Zugprüfmaschinen ist die Ermittlung der Halte- oder Haftkraft sowie der Reibkraft von Verbindungselementen in unterschiedlichsten Anwendungsgebieten. Die gewünschte mechanische Funktion dieser Elemente wird wesentlich durch die Größe Kraft bestimmt. Bei der Erfassung der Haftkraft auf Universalprüfmaschinen wird die gemessene Kraft entweder auf die Fläche (z.B. die Haftkraft eines Magneten in N/mm²) oder auf eine Linie (z.B. N/10mm), wie bei der Haftkraft von Klebebändern bezogen. In diesem Zusammenhang wird oft auch die Bezeichnung Schälversuch oder Peeltest benutzt.

Zur Ermittlung der Haft- und Gleitreibung, den Reibungskoeffizienten F(RH) und F(RG), wird eine entsprechende Vorrichtungen auf der Basistraverse der Zugprüfmaschine montiert und eine nach DIN 53375 oder ISO 8295 genormte Auflage über die zu prüfende Fläche gezogen.

Elastizität und Plastizität

Bei Biege- und Dehntests werden Kraft-Weg-Diagramme in belastender und entlastender Richtung aufgenommen, um anhand des Hystereseverhaltens des Materials oder des Bauteils die Anteile der plastischen und elastischen Verformung zu ermitteln. Bei diesen Prüfungen wird im Gegensatz zum klassischen Biege- oder Zugversuch das Material oder die Baugruppe nicht bis zur Streckgrenze belastet, sondern die Kraft vorher wieder reduziert. Veränderungen des eleastischen Verhaltens werden auf Universalprüfmaschinen als Dauertest mit Wiederholzyklen durchgeführt.

Klebrigkeit und Konsistenz

Neben der Haftfestigkeit von Klebstoffen oder Klebebändern kann die Bestimmung der Klebrigkeit bei Verarbeitungsprozessen eine wichtige Rolle spielen. Anhand der Klebrigkeit von Prepregs (vorimprägnierte Fasern oder Gewebe für leichte CFK/GFK Bauteile) läßt sich z.B. bestimmen, welche Parameter bei einem Folgeprozess verändert werden müssen und ob lange gelagertes Material überhaupt noch verarbeitet werden kann.

In der Lebensmittelindustrie beeinflussen die sensorischen Eigenschaften eines Produktes das Kaufverhalten der Kunden. Hier werden Klebrigkeit, Konsistenz und weitere "Mundgefühle" unter dem Stichwort Textur zusammengefaßt. Mit Hilfe der Kraft-Weg-Messung werden diese Eigenschaften unter standardisierten Bedingungen geprüft, wobei zumeist nicht absolute Kennwerte als Kriterum bewertet werden, sondern vergleichende Messungen stattfinden. Daher spielt die Genauigkeit und Auflösung der Wegmessung bei diesen Anlagen zumeist eine untergeordnete Rolle. Universalprüfmaschinen in diesen Anwendungsbereichen werden auch als Texture Analyser bezeichnet.

Konstruktiver Aufbau

Lastrahmen

Klassische Zugprüfmaschinen bestehen aus einem offenen oder geschlossen Lastrahmen, in der eine bewegten Travese mit einer Spindel auf und ab gefahren werden kann. Der Lastrahmen kann als 1-Säulen oder 2-Säulen-Konstruktion ausgelegt sein. Die 1-Säulen-Maschinen mit offenen Lastrahmen haben den Vorteil des von drei Seiten zugänglichen Prüfraums, werden allerdings i.d.R. nur für Kraftbereiche bis 5000 N gebaut, da sich die Verformung des Rahmens bei höheren Kräften sich nachteilig auf die Kraftmessung auswirkt.

(Skizze: 1/2 Säulige Universalprüfmaschine)

Die Spindeln zum Heben und Senken der Traverse werden elektromotorisch angetrieben, bei hohen Kräften kommen auch hydraulische Antriebe zum Einsatz. Entscheidend für die Wahl des Antriebs ist die Forderung nach einer exakten und vom Kraftverlauf oder plötzlichen Kraftwechseln unabhängigen Geschwindigkeitsregelung.

Kraftaufnehmer

Zur Kraftmessung werden fast ausschließlich Aufnehmer auf Basis DMS (DehnungsMessStreifen) eingesetzt, da diese auch bei statischen und quasistatischen Kräften eine hohe Messgenauigkeit mit geringer Drift aufweisen. Die Klassifizierung der Universalprüfmaschinen im Hinblick auf die Kraftmessung erfolgt in der Regel nach DIN EN ISO 7500, wobei die Klasse 1 die meisten einschlägigen Prüfnormen abdeckt. Die genauere Klasse 0.5 ist heute Stand der Technik. Die Kalibrierung von Universalprüfmaschinen erfolgt nach gleicher Norm am Aufstellungsort mit Krafttransfernormalen gleicher oder höherer Klasse, die wiederum nach DIN EN ISO 376 kalibriert sind.

Der Kraftaufnehmer ist zumeist an der beweglichen Traverse angebracht, kann jedoch auch an einer der festen Traversen montiert sein. Seltener finden sich in den Prüfmaschinen zwei Kraftaufnehmer zur Nutzung von zwei Prüfräumen ober- und unterhalb der Traverse ohne Wechsel des Kraftaufnehmers. Mehr-achsige Kraftaufnehmer in Sonderbauformen können neben der Haupt-Kraftachse auch Querkräfte oder Biegemomente mit erfassen.

Probenhalter und Krafteinleitungsteile

Um möglichst geringe Messfehler und eine gute Reproduzierbarkeit von Messergebnissen bei der Materialprüfung zu erzielen, ist die korrekte Krafteinleitung von entscheidener Bedeutung. Bereits geringe Abweichungen aus der Kraftmessachse oder Querkräfte können zu Messfehlern führen, die die angegebene Messunsicherheit der Universalprüfmaschine bei weitem überschreiten. Einen wesentlichen Beitrag zur Gesamt-Messunsicherheit haben daher die Probenhalter. Viele Prüfnormen referenzieren direkt oder im Anhang auf konstruktive Eigenschaften von Probenhalter und Krafteinleitungsteilen.

Sowohl die Kraftaufnehmer als auch die feststehende Traversen, bzw. der Objektträgerplatte sind mit Gewindeanschlüssen oder Wellenenden mit Querbohrung ausgestattet, um Probenhalter zu adaptieren. Bei rotationssymetrischen Krafteinleitungsteilen oder Probenhaltern kann auf ein Gewinde adaptiert werden. Wenn beide Seiten zum korrekten Einspannen der Probe gegeneinander referenziert werden müssen, empfiehlt sich die Adaption über Zapfen mit Querbohrung.

Prüfraum

Die Größe des Prüfraums wird bestimmt durch die Bauart des Gerätes. Während der Prüfraum bei 1-Säulen Maschinen in der Regel nur nach hinten begrenzt ist und zur Seite und nach vorne offen bleibt, begrenzen die beiden seitlichen Säulen den Prüfraum eines geschlossenen Lastrahmens. Der Abstand zwischen den beiden Führungen bei 2-Säulen Universalprüfmaschine ist auch vom Kraftbereich abhängig.

Sicherheitseinrichtungen

Neben der EU Maschinenrichtlinie und den daraus abgeleiteten Fachnormen wird als Produktnorm die DIN 51233 für die sicherheitstechnischen Festlegungen für Universalprüfmaschinen angewandt. Die Notwendigkeit von sicherheitstechnischen Einrichtung ist stark vom Einsatzbereich abhängig und muss bei der Nutzung der Prüfmaschine unbedingt berücksichtigt werden. Im Rahmen der Inbetriebnahme sollte daher eine Risikoanalyse durchgeführt werden, um zu ermitteln ob besondere Vorkehrungen zum Schutz des Bedieners der Anlage notwendig sind.

Messtechnische Anforderungen

Kraftmessung

Die Klassifizierung der Kraftmesseinrichtung erfolgt nach DIN EN ISO 7500 oder ASTM E4. Da Universalprüfmaschinen für statische und quasistatische Kraftmessung ausgelegt sind, werden fast ausschließlich DMS-basierte Kraftaufnehmer eingesetzt, die im Gegensatz zu piezoelektrischen Kraftaufnehmern eine wesentlich geringere Belastungsdrift aufweisen. Die korrekte Krafteinleitung und die korrekte Probenaufnahme bestimmt in der Praxis die Messgenauigkeit stärker, als die Messwertabweichung und Auflösung der Kraftaufnehmer.

Wegmessung / Längenänderungsmessung

Zur Steuerung der Maschine wird der Traversenweg und die aktuelle Position der Traverse erfasst. Diese Erfassung erfolgt über einen linearen Wegaufnehmer oder über die Spindelumdrehung. Bei hochpäzisen Antriebsspindeln und bekannter Verformung des Lastrahmens unter Kraft, können daraus indirekt Messdaten für die Längenänderung abgeleitet werden.

Anstelle der indirekten Methode kann die Verformung der Probe auch durch sogenannte Extensometer direkt am Prüfobjekt gemessen werden. Diese Wegaufnehmer werden direkt mit der Probe verbunden oder die Probe wird optisch mit vermessen. Extensonmeter können auch sehr geringe Verformungen erfassen, beeinflussen aber bei sehr geringen Kräften ggf. allerdings das Ergebnis der Kraftmessung.

Die Klassifizierung der Messeinrichtung für die Längenänderung erfolgt nach der DIN EN ISO 9513.

Weitere Messeingänge

Universalprüfmaschinen, die zur Prüfung von funktionellen Baugruppen oder elektromechanischen Maschinenelementen eingesetzt werden, benötigen zusätzliche Messeingänge, um die Zustandsänderungen der Prüfobjekte zeitsynchron zu den Kraft-Weg-Daten zu erfassen. Dies können einfache Schalteingänge oder genormte Signaleingänge sein.

Normative Verweise

Normen für Universalprüfmaschinen

Maschinenrichtlinie 2006/42/EG (kostenfrei zu beziehen bei: EUR-Lex)

DIN 51220 Werkstoffprüfmaschinen - Allgemeines zu Anforderungen an Werkstoffprüfmaschinen und zu deren Prüfung und Kalibrierung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG)

DIN 51233 Werkstoffprüfmaschinen - Sicherheitstechnische Festlegungen (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG)

DIN EN ISO 7500 Kalibrierung und Überprüfung von statischen einachsigen Prüfmaschinen - Teil 1: Zug- und Druckprüfmaschinen - Kalibrierung und Überprüfung der Kraftmesseinrichtung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG)

ASTM E-4 - Standard Practices for Force Verificaton of Testing Maschines (zu beziehen bei: ASTM International)

DIN EN ISO 9513 - Kalibrierung von Längenänderungs-Messeinrichtungen für die Prüfung mit einachsiger Beanspruchung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG)

DIN EN ISO 376 - Metallische Werkstoffe - Kalibrierung der Kraftmessgeräte für die Prüfung von Prüfmaschinen mit einachsiger Beanspruchung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG)