Wie nutzen Universalprüfmaschinen Kraftaufnehmer?

Universalprüfmaschinen sind unverzichtbare mechanische Prüfstände für Werkstoffqualifizierung, Strukturforschung und Qualitätssicherung. Ihren Namen verdankt die Universalprüfmaschine (UTM) ihrer Vielseitigkeit: Durch den Austausch von Spannzeugen, Druckplatten und Prüfvorrichtungen an einem einzigen mechanischen Rahmen lassen sich mit einem System Rohstoffe, Bauteile und fertige Baugruppen auf Zug, Druck, Biegung, Scherung und Schälfestigkeit prüfen.

Ob als elektromechanisches Tischgerät für die statische Charakterisierung oder als servohydraulisches System mit hoher Kapazität für dynamische Belastungen – Universalprüfmaschinen bringen präzise gesteuerte Weg-, Dehnungs- oder Lastprofile auf einen Prüfling (Probekörper) auf.

Der Kraftaufnehmer sitzt direkt in Reihe zwischen der beweglichen Traverse und dem oberen Probenhalter und erfüllt zwei Aufgaben gleichzeitig. Erstens liest die Maschinensteuerung den Kraftaufnehmer in einem geschlossenen Regelkreis kontinuierlich aus, um den Traversenweg zu regeln, konstante Belastungsraten einzuhalten oder bei Spannungsrelaxationsprüfungen gezielte Kraftschwellen zu halten.

Zweitens misst der Aufnehmer den Widerstand des Prüflings während seiner Verformung. Das Datenerfassungssystem verknüpft diese momentanen Kraftwerte mit dem Traversenweg oder den Dehnungswerten des Extensometers zur Spannungs-Dehnungs-Kurve, aus der Elastizitätsmodul, Streckgrenze und Zugfestigkeit berechnet werden.

Leistungsanforderungen an Universalprüfmaschinen

Die Werkstoffcharakterisierung erfordert einen lückenlosen Messpfad vom ersten Greifen der Probe bis zum Bruch. Sobald sich die Traverse bewegt, muss der Sensor kleinste Dehnungsübergänge erfassen, ohne dass thermische Drift oder mechanische Hysterese die Proportionalitätsgrenze verschleiern. Aufnehmer mit Dehnungsmessstreifen, die auf das Wärmeausdehnungsverhalten des Verformungskörpers abgestimmt sind, minimieren Nullpunktverschiebungen bei langen Prüfzyklen.

Eine ständige Herausforderung in der Werkstoffprüfung sind außeraxiale Kräfte. Zeigt eine Probe lokales Fließen, sind die Spannzeuge nicht exakt ausgerichtet oder bricht die Probe anisotrop, verläuft das Versagen nicht mehr rein axial. Außeraxiale Kraftkomponenten bringen Biegemomente in den Prüfstrang ein. Herkömmliche Säulen- oder Standard-Biegebalkenkörper erfassen diese Momente oft fälschlich als Axialkraft. Scherstegaufnehmer in Flachbauweise – üblicherweise als Low-Profile-Kraftaufnehmer bezeichnet – entkoppeln die Messachse mechanisch. Ihre interne, momentkompensierende Geometrie hebt orthogonale Scher- und Biegedehnungen auf, sodass Datenerfassungssysteme ausschließlich die tatsächliche axiale Zug- oder Druckkraft aufzeichnen.

Zudem wechseln Universalprüfmaschinen häufig zwischen monotoner statischer Belastung und zyklischen Ermüdungsprüfungen. Dauerfeste Sensoren sind dafür ausgelegt, kontinuierlichen Lastwechseln über zig Millionen Zyklen standzuhalten – ohne Nullpunktdrift und ohne innere Ermüdungsrisse. Hohe Eigenfrequenzen dieser steifen Verformungskörper verhindern mechanisches Nachschwingen, wenn spröde Proben schlagartig brechen.

TIPP: Lesen Sie auch Arten von Prüfmaschinen, die Sensoren für zuverlässige Bewertungen nutzen.

Typische Aufnehmerkonfigurationen in Universalprüfmaschinen

Maschinenbauer wählen die Geometrie des Kraftaufnehmers nach Maschinenkapazität, verfügbarer Höhe des Prüfraums und der mechanischen Art des Prüfzyklus aus.

• Der Interface 1200 Standard Precision Universal LowProfile Load Cell ist der primäre Sensor in elektromechanischen und hydraulischen Universalprüfmaschinen mittlerer bis hoher Kapazität. Seine Scherstegstruktur in Flachbauweise bietet eine außergewöhnliche Torsions- und Quersteifigkeit und ist damit die Standardwahl für Zug- und Druckprüfungen, bei denen mit außermittiger Belastung zu rechnen ist.
• Der Interface 1000 Fatigue-Rated Universal LowProfile® Load Cell bewahrt seine mechanische Integrität und Nullpunktstabilität über zig Millionen voll wechselnder Lastzyklen. Er wird häufig in dynamischen Maschinen mit Dauerbelastung eingesetzt.
• Interface S-Type-Kraftaufnehmer, darunter die Serien SSM oder SSM2 Sealed S-Type Load Cell, SSMF Fatigue Rated S-Type Load Cell und SM S-Type Load Cell, werden häufig in den Antriebsstrang von Tisch-Universalprüfmaschinen mit geringerer Kapazität integriert. Diese Sensoren bieten eine kompakte Bauhöhe und eine kostengünstige bidirektionale Messung für niedrigere Kräfte – typisch für Schäl-, Zug- und Biegeprüfungen an Kunststoffen, Klebstoffen und dünnen Folien. Viele Modelle verfügen über integrierte mechanische Überlastanschläge, die das Messelement schützen, wenn die Druckplatten versehentlich aufeinandertreffen.
• Interface Mehrachsensensoren sind wertvoll, wenn mehrachsige Spannungszustände nachgewiesen werden müssen. Sie ersetzen an der Traverse die einachsigen Aufnehmer. Diese 3-Achs- und 6-Achs-Kraftaufnehmer messen axiale Zug- oder Druckkräfte zusammen mit orthogonalen Querkräften und Momenten bei minimalem Übersprechen zwischen den Achsen. So können Ingenieure den tatsächlichen axialen Widerstand von störenden Vorrichtungskräften trennen oder kombiniertes Zug-Torsions-Verhalten gleichzeitig charakterisieren.
• Der Interface 1500 Low Capacity Universal LowProfile Load Cell und der 1600 Gold Standard Calibration Universal LowProfile Load Cell dienen als messtechnische Transfernormale für die jährliche Verifizierung von Universalprüfmaschinen. Inline eingebaut, um Arbeits-Kraftaufnehmer nach ASTM- und ISO-Normen zu kalibrieren, bieten diese Referenzaufnehmer eine extrem geringe Nichtlinearität und hohe thermische Stabilität, um die Maschinengenauigkeit über den gesamten Betriebsbereich zu verifizieren.

Erfahren Sie, wie UTM-Integratoren und Maschinenbauer diese hochgenauen Sensoren in ihren Prüfanlagen einsetzen.