Mikä on universaali testauskone? Täydellinen opas

Universaali testauskone (UTM) on mekaaninen testauslaite, joka pystyy kohdistamaan ohjattuja veto-, puristus-, taivutus-, leikkaus- ja taivutusvoimia materiaalinäytteeseen sen mekaanisten ominaisuuksien – yleisimmin vetolujuuden, myötörajan, venymän ja kimmomoduulin – mittaamiseksi. Sana "yleinen" viittaa sen kykyyn suorittaa usean tyyppisiä mekaanisia testejä yhdelle kehykselle vaihtamalla testilaitteita, ei rajoittamattomaan kapasiteettiin. Kantavuus vaihtelee alle 1 kN herkille materiaaleille kuten kalvot ja kuidut yli 2000 kN rakenneteräkselle ja betonille komponentit.

Yleiset vetolujuustestilaitteet käytetään lähes kaikilla valmistus- ja tutkimussektoreilla – metallit, polymeerit, komposiitit, tekstiilit, kumi, liimat, rakennusmateriaalit, lääkinnälliset laitteet ja pakkaukset – aina, kun tarvitaan kvantitatiivisia tietoja materiaalin käyttäytymisestä mekaanisen kuormituksen alaisena suunnitteluun, laadunvalvontaan tai säännösten noudattamiseen.

Kuinka yleinen testauskone toimii

UTM:n perustoimintaperiaate on yksinkertainen: näyte otetaan kahden kiinnittimen väliin – yksi kiinteä ja toinen liikkuva – ja siihen kohdistetaan ohjattua voimaa, kun kone mittaa samanaikaisesti kohdistettua voimaa ja näytteen siirtymää tai muodonmuutosta. Näiden kahden mittauksen välinen suhde tuottaa jännitys-venymäkäyrän, josta johdetaan kaikki keskeiset mekaaniset ominaisuudet.

Lataa runko ja käyttöjärjestelmä

Kuormakehys tarjoaa rakenteellisen jäykkyyden kestämään testivoimia ilman taipumaa. Tyypillinen runko koostuu kahdesta tai neljästä pystysuorasta pylväästä, kiinteästä ristipäästä toisessa päässä ja liikkuvasta ristipäästä, jota ohjaa testitoimilaite. Käyttöjärjestelmä liikuttaa ristipäätä kontrolloidulla nopeudella tai käyttää voimaa säädetyllä nopeudella. Kaksi käyttötekniikkaa hallitsee:

• Sähkömekaaninen (ruuvikäyttöinen) — servomoottori käyttää kuularuuvia tai johtoruuvia ristipään liikuttamiseksi; erittäin tarkka nopeudensäätö, hiljainen toiminta, energiatehokas; sopii useimpiin veto-, puristus- ja taivutuskokeisiin 0,1 N - 600 kN
• Servo-hydraulinen — hydraulinen paine liikuttaa mäntää ja tankoa, joka on kiinnitetty ristipäähän; kykenee erittäin suuriin voimiin ( 200 kN - 5 000 kN ja enemmän ), nopea dynaaminen testaus ja väsymyspyöräily; vaatii hydraulisen voimayksikön huoltoa ja tuottaa enemmän melua ja lämpöä kuin sähkömekaaniset järjestelmät

Voiman mittaus: Kuormituskenno

Voimaa mitataan punnituskennolla – tarkkuusanturilla, joka muuntaa mekaanisen voiman sähköiseksi signaaliksi käyttämällä metallielementtiin kiinnitettyjä venymäantureita. Punnitusanturi on asennettu kuormitusjonoon ristipään ja yläkahvan väliin. Nykyaikaiset punnituskennot saavuttavat tarkkuuden ±0,5 % ilmoitetusta kuormituksesta tai parempi välillä 1 % - 100 % täydestä mittakaavasta, täyttää ISO 7500-1 Class 0.5 tai ASTM E4 vaatimukset.

Useimmat UTM:t toimitetaan vaihdettavilla punnituskennoilla, jotka kattavat eri voimaalueet – esimerkiksi 50 kN:n runkoa voidaan käyttää 50 kN:n punnituskennon kanssa rakennetestaukseen tai 500 N:n punnituskennoa ohutkalvotestaukseen, mikä laajentaa koneen käyttöaluetta merkittävästi.

Siirtymän ja venymän mittaus

Ristipään siirtymä mitataan koneen sisäänrakennetulla enkooderilla, mutta tämä sisältää rungon yhteensopivuuden ja pitoluiston – virhelähteet tarkalle venymämittaukselle. Tarkkoja materiaalin venymätietoja varten erillinen ekstensometri on kiinnitetty suoraan näytemittarin pituuteen. Tyyppejä ovat:

• Ota yhteyttä ekstensometreihin — kiinnitettävät veitsenterälaitteet, joissa on venymämittari tai LVDT; tarkkaan ±0,5 µm siirtymä ; on poistettava ennen näytteen murtumista vaurioiden estämiseksi
• Video ekstensometrit — kosketuksettomat optiset järjestelmät, jotka seuraavat merkittyjä pisteitä näytteen pinnalla; sopii hauraille tai venymäisille näytteille ja materiaaleille, joissa kosketus häiritsisi mittauksia; resoluutio tyypillisesti 0,001-0,01 mm
• Digitaalinen kuvan korrelaatio (DIC) — kehittynyt täyden kentän venymämittaus koko näytteen pinnalla; tarjoaa venymän jakautumiskartat yksittäisen keskimääräisen venymäarvon sijaan; käytetään tutkimuksessa ja kehittyneissä vikaanalyyseissa

Vetotesti: mitä se mittaa ja miksi sillä on merkitystä

Vetotesti on yleisin testauskoneella suoritettu testi ja se on useimpien materiaalieritelmien perusta maailmanlaajuisesti. Standardoitua koiran luuta tai suorakaiteen muotoista näytettä vedetään jännityksessä kontrolloidulla poikkipään nopeudella, kunnes se murtuu, jolloin muodostuu voima-siirtymäkäyrä, joka muunnetaan jännitys-venymäkäyräksi käyttämällä näytteen poikkileikkausalaa ja mittapituutta.

Seuraavat keskeiset ominaisuudet saadaan yhdestä vetokokeesta:

Käytännön esimerkkinä: rakenneteräslaadulla S355 on vähimmäismäärätty UTS 470-630 MPa , myötöraja on Vähintään 355 MPa , ja vähimmäisvenymä 22 % . Universaali testauskone tarkistaa nämä arvot materiaalispesifikaatioiden perusteella ennen kuin teräs on hyväksytty käytettäväksi rakenteessa.

Muut yleisellä testauskoneella suoritetut testit

Sama kuormituskehys, jota käytetään vetotestaukseen, voi suorittaa monia muita mekaanisia testejä muuttamalla kiinnikkeitä ja testikonfiguraatiota. Tämä monipuolisuus oikeuttaa "universaalin" nimityksen ja tekee yhdestä UTM:stä kykenevän palvelemaan useita testaustarpeita laboratoriossa.

Puristustestaus

Ristipää liikkuu alaspäin puristaen näytteen kahden levyn väliin. Käytetään betonin puristuslujuuden mittaamiseen (tyypillisesti 20-100 MPa rakennelaaduille), keramiikka, vaahtopakkaukset, kumitiivisteet ja luu. Betonikuution ja sylinterin puristustestaus on yksi UTM:iden volyymiltaan suurimpia sovelluksia rakennusteollisuudessa.

Kolmen pisteen ja neljän pisteen taivutustestaus (taivutus).

Palkkinäyte tuetaan kahdesta kohdasta ja kuormitetaan yhteen (kolmepiste) tai kahteen pisteeseen (nelipiste) tukien välissä. Mittaa taivutuslujuutta ja taivutuskerrointa – erityisen tärkeää hauraille materiaaleille, kuten keramiikolle, komposiiteille ja muoveille, joissa vetopitovauriot vaikeuttavat suoraa vetotestausta. Standardeihin kuuluvat muovien ISO 178 ja ASTM D790 sekä hammaskeraamien ISO 6872.

Kuorinta- ja leikkauskiinnitystestaus

Liimaliitokset, laminaatit, teipit ja pinnoitteet testataan kuorimalla määritetyissä kulmissa (90°, 180°, T-kuoritus) tai leikkaamalla sidoksen tasossa. Tulokset ilmaistaan ​​yksikkönä N/mm leveys kuoriutumistesteissä tai MPa kierrosleikkaustesteissä. Kriittinen pakkausten, autojen liimaus- ja lääketieteellisten laitteiden liimauskelpoisuuden kannalta.

Repeämiskestävyystestaus

Kalvot, tekstiilit ja ohuet kumilevyt testataan repeytymisen kestävyyden suhteen käyttämällä ISO 34:n tai ASTM D1004:n mukaisia housu-, kieli- tai kulman repeytymistestikonfiguraatioita. Huippuvoima ja keskimääräinen repäisyvoima ilmoitetaan.

Kuormituksen ja komponenttien testaus

Valmiit komponentit – kiinnikkeet, jouset, ketjut, köydet, turvavaljaat, lääketieteelliset implantit – testataan käyttämällä määritettyä tiivistyskuormaa ja varmistamalla, että pysyvää muodonmuutosta ei tapahdu, tai testaamalla tuhoutumiseen vähimmäismurtokuormituksen varmistamiseksi. A 500 kN UTM käytetään yleisesti nostolaitteiden ja ketjujen testaamiseen EN 818:n ja vastaavien standardien mukaisesti.

Yleisten testauslaitteiden kokoonpanot ja kehystyypit

UTM:itä valmistetaan useissa fyysisissä kokoonpanoissa, joista jokainen sopii erilaisiin kuormitusalueisiin, tilarajoituksiin ja testityyppeihin:

Tärkeimmät tekniset tiedot valittaessa yleisiä vetotestilaitteita

Oikean UTM:n valitseminen laboratorio- tai tuotantoympäristöön edellyttää teknisten tietojen arviointia yleiskuormituskapasiteetin lisäksi. Seuraavat parametrit vaikuttavat suoraan mittaustarkkuuteen, testauksen monipuolisuuteen ja pitkän aikavälin käytettävyyteen:

Kuormituskapasiteetti ja voiman tarkkuus

Koneen nimelliskuormituskapasiteetin on mukavasti ylittää testauksessa odotettu enimmäisvoima – valitse tyypillisesti runko Käyttöaste 60-80 % 100 %:n sijaan tarkkuuden varmistamiseksi pienemmillä kuormituksilla ja ylikuormitustapahtumien välttämiseksi. Voiman resoluutiolla (pienin mitattava voiman lisäys) on yhtä lailla merkitystä: 100 kN:n kehyksen resoluutio voi olla vain 1–10 N, mikä ei riitä ohuiden kalvojen testaamiseen, jotka rikkoutuvat 5–50 N:n jännitteellä. Tällaisissa tapauksissa pienemmän kapasiteetin punnituskenno (esim. 500 N) antaa tarvittavan resoluution suurempaan kehykseen.

Crosshead nopeusalue

Testistandardit määrittelevät ristipäiden nopeudet eri materiaaleille ja testeille – ISO 6892-1 metalleille määrittelee venymänopeudet 0,00025–0,0025 s⁻¹ elastisella alueella, kun taas muovien ISO 527 käyttää ristipäänopeuksia 1-500 mm/min . Koneen nopeusalueen on katettava kaikki sovellettavat standardit. Useimmat sähkömekaaniset UTM:t tarjoavat nopeuksia alkaen 0,001 mm/min - 1 000 mm/min , joka kattaa suurimman osan kvasistaattisten testien vaatimuksista.

Testitila (päivänvalo)

Kahvojen välinen pystyetäisyys suurimmalla etäisyydellä määrittää näytteen enimmäispituuden, jonka kone voi vastaanottaa. Vetotestauksessa ekstensometrillä vähintään 400-600 mm päivänvaloa tarvitaan tyypillisesti standardimetallinäytteille ISO 6892:n mukaan. Pidemmät näytteet (köysi, kaapeli, raudoitus) vaativat vaakasuuntaisia koneita tai pystyrunkoja, joissa on 1500–3000 mm päivänvaloa .

Tarkkuusluokka ja kalibrointi

UTM-tarkkuus luokitellaan ISO 7500-1 (metallit) tai ASTM E4 (USA) mukaan. Luokka 0.5 osoittaa, että kone mittaa voimaa sisäisesti ±0,5 % ilmoitetusta arvosta 1 %:sta 100 %:iin punnituskennon kapasiteetista. Luokka 1 (±1 %) on riittävä useimpiin teollisiin laadunvalvontasovelluksiin. Vuotuinen kalibrointi akkreditoidussa laboratoriossa vaaditaan jäljitettävän tarkkuuden ylläpitämiseksi kansainvälisten standardien mukaisesti.

Ohjaus- ja tiedonhankintaohjelmisto

Nykyaikaisia UTM:itä käytetään PC-pohjaisella ohjelmistolla, joka ohjaa ristipään liikettä, hankkii voima- ja siirtymädataa näytteenottotaajuuksilla tyypillisesti 10 Hz - 2500 Hz , laskee materiaalin ominaisuudet automaattisesti ja luo testiraportteja. Keskeisiä ohjelmistovaatimuksia ovat:

• Esiohjelmoidut testimenetelmät yleisille standardeille (ISO, ASTM, EN, DIN, GB)
• Kaikkien tarvittavien materiaaliominaisuuksien automaattinen laskenta raakatietokäyrästä
• Useiden näytteiden tilastollinen analyysi (keskiarvo, standardipoikkeama, min/max)
• Vienti vakiomuotoihin (CSV, Excel, PDF) ja integrointi LIMS-järjestelmiin
• 21 CFR Part 11 -vaatimustenmukaisuus farmaseuttisten ja lääkinnällisten laitteiden laboratorioissa, jotka vaativat elektronisia tietueita ja kirjauspolkuja

Kahvat ja kiinnikkeet: Koneen ja näytteen välinen liitäntä

Tartuntajärjestelmä on luultavasti kriittisin tekijä kelvollisten vetokoetulosten saamiseksi. Väärä tartunta aiheuttaa näytteen luisumisen (aliraportoitu vahvuus) tai ennenaikaisen vaurioitumisen tartuntarajapinnassa (virheellisiä murtumatietoja). UTM on vain niin hyvä kuin sen kiinnityslaite tietylle testattavalle näytteelle.

Yleiset kahvatyypit

• Kiilakahvat (itsekiristyvät) — yleisin kahva litteille ja pyöreille metalli-, muovi- ja komposiittinäytteille; pitovoima kasvaa vetokuorman kasvaessa; soveltuu kuormille alkaen 1 kN - 600 kN ; saatavana pneumaattisena, hydraulisena ja manuaalisena kiristysversiona
• Pneumaattiset kädensijat — ilmanpaine sulkee leuat hallitulla ja tasaisella puristusvoimalla; suositeltava pehmeille materiaaleille (kumi, vaahto, tekstiilit), joissa manuaalinen kiristäminen voi aiheuttaa vahinkoa; tarkka ja toistettava näytteiden välillä
• Tappi- ja haarukkakahvat — reikäisten näytteiden testaamiseen (pulttiliitokset, ketjun lenkit, kierretangot, turvavaljaiden nauha); kuorma kohdistetaan tapin kautta eikä pintakitkan kautta
• Capstan (pollari) kädensijat — langoille, langoille ja kuiduille, joita puristus vaurioittaisi; näyte kierretään rummun ympärille käyttämällä kitkaa pitovoiman kehittämiseksi asteittain
• Puristuslevyt — litteät karkaistu teräslevyt kuutioiden, sylinterien ja kiekkojen puristustestaukseen; on sijoitettava pallomaisesti, jotta näytteen vähäinen epäsuhtaisuus voidaan ottaa huomioon

Tärkeimmät kansainväliset standardit yleiselle vetotestaukselle

Materiaalitestauksen tulee noudattaa julkaistuja standardeja, jotka määrittelevät näytteen geometrian, testausnopeuden, ympäristöolosuhteet ja laskentamenetelmät. Oikean standardin käyttäminen materiaalille ja sovellukselle on pakollista, jotta tulokset ovat mielekkäitä, vertailukelpoisia ja materiaalispesifikaatioiden tai säädösten vaatimusten mukaisia.

UTM vs dedikoitu vetotestauskone: Milloin kukin valita

Omistautunut vetolujuustestauskone on optimoitu yhdelle testityypille – tyypillisesti vain jännitykselle – yksinkertaisemmalla suunnittelulla, alhaisemmilla kustannuksilla ja joskus suuremmalla suorituskyvyllä suuria määriä yhden materiaalin testausympäristöissä. Universaali testauskone maksaa enemmän, mutta tarjoaa joustavuutta useiden testityyppien suorittamiseen laboratoriotarpeiden kehittyessä.

• Valitse erillinen vetolujuusmittari kun: laboratorio testaa yhtä materiaalityyppiä suurella määrällä (esim. saapuvan langan tarkastus langanvetolaitoksessa), budjetti on rajallinen, eikä muita testityyppejä odoteta
• Valitse yleinen testauskone kun: laboratorio testaa useita materiaalityyppejä tai suorittaa useita testityyppejä (vetolujuus, puristus, taivutus, kuorinta); materiaalisekoitus voi muuttua ajan myötä; tai tutkimus- ja kehitystestaus edellyttää joustavuutta testikonfiguraatiossa

Useimmille teollisille laadunvalvonta- ja T&K-laboratorioille UTM on oikea valinta. Lisäkustannukset, jotka aiheutuvat erityisestä vetolujuustestauslaitteesta, katetaan tyypillisesti kuukausissa, koska vältytään erillisiltä puristus-, taivutus- tai tartuntatestauksilta.

Ympäristö- ja lämpötilatestaustarvikkeet

Monet materiaalit käyttäytyvät hyvin eri tavalla muissa lämpötiloissa kuin ympäristön lämpötiloissa – polymeerit muuttuvat hauraiksi alhaisissa lämpötiloissa, metallit hiipivät korkeissa lämpötiloissa ja liimat voivat pehmetä lämmössä. Universaalit testauskoneet voidaan varustaa ympäristökammioilla testauskyvyn laajentamiseksi kontrolloituihin lämpötila- ja kosteusolosuhteisiin.

• Ympäristökammiot (lämpötila) — asennetaan UTM:n testialueen ympärille; tyypillinen alue -70°C - 350°C ; sallia veto-, puristus- ja taivutuskokeet muissa kuin ympäristön lämpötiloissa standardien mukaan, kuten ISO 6892-2 (korotetun lämpötilan metallin vetotestaus)
• Kosteuskammiot — säädä suhteellista kosteutta alkaen 10 % - 98 % RH samanaikaisesti lämpötilan kanssa; käytetään hygroskooppisten materiaalien (nailon, paperi, puu) ja trooppisiin tai jäähdytettyihin olosuhteisiin soveltuvien tuotteiden testaamiseen
• Nestemäiset kylpykalusteet — upota näyte nesteeseen (vesi, öljy, kemialliset liuokset) testauksen ajaksi; käytetään tiivisteiden, O-renkaiden ja materiaalien pätevöintiin kemianpalveluissa
• Kryogeeniset kahvat — sallittava testaus nestemäisessä typessä ( -196 °C ) ilmailu- ja avaruusmateriaaleihin, suprajohtaviin johtoihin ja matalan lämpötilan rakennesovelluksiin