Universalprüfmaschinen (FSA, ZPM)

Universalprüfmaschinen, auch Universal Testing Machines (UTM) genannt, sind hochwertige Laboreinrichtungen für umfassende Werkstoffprüfungen: Zug, Druck, Biegung, Scherung, interlaminare Scherung, statische Ermüdung, Kriechen und Relaxation. Die Kurzzeichen FSA (Floor-Standing Apparatus) und ZPM (Zero-Point Machine) bezeichnen hochwertige Ausführungen für F&E und akkreditierte Labore. Kennzeichnend sind die überlegene Steifigkeit des Rahmens, die messtechnische Genauigkeit der Kraftmessdose (Klassen 0,5 und 1 nach ISO 7500-1) und die Präzision der Wegmessung (taktile Dehnungsaufnehmer, Video-Extensometer, DIC-Systeme).

Ausführungen

UTM gibt es in mehreren Bauformen: Einsäulenausführung (Lasten bis 5 kN); vertikale Zweisäulenausführung (die verbreitetste, bis 100 kN); Portalbauweise (für höhere Lasten, bis 600 kN und darüber); waagerechte Ausführungen (für lange Proben wie Kabel und Seile); biaxiale Ausführungen (für kombinierte Zug-Torsions-Prüfungen an Rohren und Bauteilen). Ein sehr steifer Rahmen ist entscheidend, um die elastische Verformung der Maschine unter Last gering zu halten; diese addiert sich zur Verformung der Probe und verfälscht die Kraft-Weg-Kurve. Hochwertige ZPM erreichen Steifigkeiten von mehreren hundert kN/mm und sichern so eine höhere Genauigkeit.

Messsysteme

Die Genauigkeit einer UTM hängt von der Kraftmessdose ab (Dehnungsmessstreifen, Klasse 0,5 oder 1 nach ISO 7500-1: Fehler von ±0,5 % bzw. ±1 % auf die angezeigte Kraft, ab 2 % des Messbereichsendwerts) sowie vom System der Dehnungsmessung. Taktile Dehnungsaufnehmer (Clip-on) messen die Dehnung eines Probenabschnitts mit einer Genauigkeit von 0,5 % v. E.; Video-Extensometer verfolgen auf der Probe angebrachte Marken mit Kameras und Tracking-Algorithmen; DIC-Systeme (Digital Image Correlation) erfassen über ein auf die Probenoberfläche aufgebrachtes stochastisches Muster das gesamte 2D- oder 3D-Dehnungsfeld und liefern Verformungskarten, Dehnungsfelder und örtliche Dehnungen.

Werkstoffprüfungen

UTM führen Prüfungen nach den wichtigsten Normen durch: Zugversuch an Metallen (ISO 6892-1 bei Raumtemperatur, ISO 6892-2 bei erhöhter Temperatur, ISO 6892-3 bei tiefer Temperatur); Zugversuch an Kunststoffen (ISO 527-1/2); Zugversuch an Verbundwerkstoffen (ISO 527-4/5); Druckversuch an Metallen (ASTM E9); Biegeversuch an Kunststoffen (ISO 178); Biegeversuch an Metallen; Zugversuch an Geweben (ISO 13934); Zugversuch an Gummi (ISO 37); Abzugprüfung an Klebstoffen und Beschichtungen; Siegelnahtfestigkeit an Verpackungen; Biegefestigkeit von Verpackungen; Crashprüfungen an Fahrzeugbauteilen (bei niedrigen bis mittleren Geschwindigkeiten).

Spannzeuge und Sonderzubehör

Das notwendige Zubehör umfasst: mechanische Spannzeuge für Metallproben (Keil-, Hydraulik-, Pneumatikspannzeuge), Spannzeuge für Kunststoffe und Gewebe (manuell, pneumatisch, mit Schraube), Auflagen für Biegeprüfungen (Drei- oder Vierpunkt mit einstellbarer Stützweite), Druckplatten für Parallelplattenversuche, Zentriereinrichtungen, Verdrehsicherungen und Sonderklemmen. Für anspruchsvolle Anwendungen: Klimakammern für Prüfungen bei geregelter Temperatur (-70 / +250 °C), Feuchtekammern, Kühlsysteme mit flüssigem Stickstoff und Wasserprüfbecken für Umweltsimulationen.

Software und Auswertung

Die Software einer UTM verwaltet: genormte, normkonforme Prüfprogramme, die Aufzeichnung von Kraft-Weg- und Kraft-Dehnungs-Kurven, die selbsttätige Berechnung der Kennwerte (Höchstlast, Streckgrenze, Elastizitätsmodul, Bruchdehnung, Energie, Zähigkeit usw.), den Abgleich mit Abnahmevorgaben, Chargenstatistiken, die Erstellung förmlicher Prüfberichte, die rückverfolgbare Archivierung und die Anbindung an LIMS. Zu den weitergehenden Funktionen zählen Ermüdungsauswertung, zyklische Prüfungen, die Nachbildung komplexer Lastprofile und die Synchronisierung mit externen DIC-Systemen.

Normen und Kalibrierung

UTM unterliegen der ISO 7500-1 für die messtechnische Prüfung (Teil 1 statische Maschinen, Teil 2 zyklische), mit den Genauigkeitsklassen 0,5, 1, 2 und 3 je nach Fehler der gemessenen Kraft. Die regelmäßige Kalibrierung erfolgt mit hochwertigen Referenz-Kraftmessdosen, die nach ISO 376 kalibriert und auf nationale Normale rückführbar sind. Die Prüfung der Rechtwinkligkeit der Achsen, der Fluchtung der Spannzeuge und der Maschinensteifigkeit ist fester Bestandteil der Qualifizierung.