Wie Universalprüfmaschinen funktionieren und warum sie wichtig sind

Ganz gleich, ob Sie die Schälfestigkeit einer pharmazeutischen Blisterverpackung, die Zugeigenschaften einer flexiblen Folie oder die Druckbelastbarkeit eines Bauteils prüfen, die Universalprüfmaschine (UTM) ist eines der wichtigsten Instrumente in Ihrem Qualitäts- und F&E-Werkzeugkasten.

UTMs werden in allen Branchen eingesetzt, von der Verpackungs- und Medizintechnik bis hin zur Automobil- und Luftfahrtindustrie, und sind der weltweite Standard für die Prüfung mechanischer Materialien. Dieser Leitfaden erklärt, wie sie funktionieren, was sie messen und wie Sie das richtige Gerät für Ihre Anwendung auswählen.

Was ist eine Universalprüfmaschine?

Eine Universalprüfmaschine ist ein mechanisches Testsystem, das eine präzise, kontrollierte Kraft auf eine Probe ausübt, um zu messen, wie diese unter Belastung reagiert. Der Begriff “universell” bezieht sich auf die Vielseitigkeit des Geräts – es kann Zug-, Druck-, Schäl-, Biege- und Schertests an einer Vielzahl von Materialien und Produkten mit austauschbaren Spannzeugen, Vorrichtungen und Wägezellen durchführen.

UTMs werden von Qualitätsmanagern, F&E-Spezialisten und Labortechnikern verwendet, um wiederholbare, standardkonforme Daten zu generieren, die der Produktentwicklung, der Prozesskontrolle und der Einhaltung von Vorschriften dienen.

Eine kurze Definition eines UTM und der wichtigsten Begriffe, die in diesem Leitfaden verwendet werden, finden Sie in unserer UTM Knowledge Card [LINK TO: Wissenskarte – einmal live] und UTM-Glossar [LINK TO: Glossar – einmal live].

Wie funktioniert ein UTM?

Ein UTM besteht aus zwei Hauptkomponenten: dem Lastrahmenin dem die Probe gehalten und getestet wird, und dem Computer-Steuerungssystem, das den Test steuert und alle Daten aufzeichnet.

So läuft ein Standardtest ab:

1. Vorbereitung der Probe – Die Probe (ein Film, eine Dichtung, ein Bauteil oder ein Material) wird auf die von der jeweiligen Prüfnorm geforderten Maße vorbereitet.
2. Auswahl des Halters und der Halterung – An der Traverse und der Grundplatte werden die richtigen Klemmen oder Halterungen angebracht, um die Probe sicher zu halten.
3. Eingabe der Parameter – Der Bediener gibt die Prüfgeschwindigkeit, die Belastungsgrenzen und die anwendbare Prüfnorm in die Steuerungssoftware ein.
4. Testausführung – Die Traverse bewegt sich mit einer kontrollierten, programmierbaren Geschwindigkeit – entweder zieht sie die Probe auseinander (Spannung) oder drückt sie zusammen (Kompression). Die Belastung erfolgt über einen Gleichstrommotor mit variabler Geschwindigkeit, der zwei Präzisionskugelspindeln antreibt.
5. Datenerfassung – Ein Messgerät mit Dehnungsmessstreifen misst die Kraft, die auf die Probe wirkt, in Echtzeit. Ein optischer Encoder verfolgt die Position der Traverse mit hoher Genauigkeit. Die Daten werden während des Tests grafisch auf dem Bildschirm angezeigt.
6. Ausgabe der Ergebnisse – Die Software generiert Ergebnisse, einschließlich Spitzenkraft, Dehnung, Bruchpunkt, Streckgrenze und Spannungs-/Dehnungskurven – alle ausgedrückt gegen die Anforderungen der entsprechenden Norm, wie ASTM E8, ASTM D790 oder ISO 527.

Geschwindigkeit ist eine Schlüsselvariable. Die Traversengeschwindigkeit der UTM-Serie ist vom Bediener wählbar und wird mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von 0,1 % gesteuert, so dass bei jedem Testlauf hochgradig wiederholbare, normgerechte Ergebnisse erzielt werden.

Was kann ein UTM testen?

Die Vielseitigkeit einer UTM macht sie für ein breites Spektrum von Anwendungen relevant. Zu den häufigsten gehören:

Zugversuch – Messungen, wie viel Kraft ein Material aushalten kann, bevor es bricht. Entscheidend für Filme, Folien, Fasern, Gummi, Kunststoffe und Metalle. Zu den referenzierten Normen gehören ASTM D790 (Kunststofffolien) und ISO 6892 (Metalle).

Kompressionstest – Anlegen einer Drucklast, um zu beurteilen, wie sich ein Material oder eine Komponente unter Druckbelastung verhält. Wird für Hartverpackungen, Schaumstoffe und Strukturbauteile verwendet.

Peel-Tests – Messung der Kraft, die erforderlich ist, um zwei verklebte oder versiegelte Oberflächen zu trennen. Dies ist einer der wichtigsten Tests im Verpackungsbereich – insbesondere für heißgesiegelte flexible Verpackungen, bei denen die Unversehrtheit des Siegels direkten Einfluss auf die Produktsicherheit und Haltbarkeit hat. Wichtige Norm: ASTM D638.

Prüfung der Dichtungsstärke – Eine spezielle Anwendung von Schäl- und Zugtests, die dazu dient, zu überprüfen, ob Verpackungssiegel die erforderlichen Festigkeitsanforderungen erfüllen. Eine unzureichende Siegelstärke kann zu Verunreinigungen oder Leckagen führen. Daher ist dieser Test für Verpackungen von Lebensmitteln, Arzneimitteln und medizinischen Geräten von entscheidender Bedeutung.

Biegeprüfung und Biegeversuch – Beurteilung, wie ein Material auf Biegekräfte reagiert, relevant für starre Materialien, Leiterplatten und Strukturplatten.

Die Wahl des richtigen UTM: Verständnis der Belastbarkeit

Die Tragfähigkeit ist die wichtigste Variable bei der Auswahl eines UTM. Wenn Sie ein Gerät mit einer zu geringen Kapazität wählen, riskieren Sie ungenaue Ergebnisse. Wenn Sie ein Gerät mit einer zu hohen Kapazität für den Probentyp wählen, verringern sich Empfindlichkeit und Genauigkeit.

Industrial Physics’ bietet mit der UTM-Reihe von United Testing Systems drei Heldenkonfigurationen an

UTM 5-25kN Entwickelt für Anwendungen mit geringerem Kraftaufwand, einschließlich flexibler Verpackungsfolien, Folien, Klebebänder, Textilfasern und dünner Kunststoffe. Mit einer Tragkraft von 10kN und einem Traversenweg von bis zu 1.067 mm eignet sich das Gerät hervorragend für Laborumgebungen, in denen ASTM D790, ASTM D638 und ISO 527 getestet werden. Die Steifigkeit des Rahmens von 35 kN/mm sorgt für eine minimale Durchbiegung auch bei geringen Belastungen und liefert so genaue, reproduzierbare Ergebnisse.

UTM 50-100kN Die mittlere Konfiguration – geeignet für starre Verpackungsmaterialien, strukturelle Kunststoffe, Gummimischungen und gewebte Textilien. Mit einer Hochgeschwindigkeitskapazität von 50kN und einer Niedriggeschwindigkeitskapazität von 100kN bewältigt diese Maschine eine größere Bandbreite von Probentypen ohne Kompromisse.

UTM 100-600kN Für industrielle Anwendungen mit hohen Kräften, einschließlich Metalle, Verbundwerkstoffe, schwere Strukturkomponenten und Automobilwerkstoffe. Diese Konfiguration bietet einen Traversenweg von 1.525 mm, einen Abstand zwischen den Säulen von 560 mm und eine Rahmensteifigkeit von 140 kN/mm – und damit die nötige Steifigkeit und Leistung für anspruchsvolle Testprogramme.

Alle Geräte der UTM-Reihe arbeiten in einem Umgebungstemperaturbereich von 0°C bis 40°C und sind nach ASTM E8 zertifiziert.

Warum Reproduzierbarkeit wichtig ist

Für Qualitätsmanager und F&E-Spezialisten ist die Wiederholbarkeit von Tests nicht verhandelbar. Ein UTM, das aufgrund von schlechter Wägezellenkalibrierung, Rahmendurchbiegung oder Geschwindigkeitsinstabilität inkonsistente Ergebnisse liefert, untergräbt die Integrität Ihrer Daten und Ihre Fähigkeit, sichere Entscheidungen zu treffen.

Jedes UTM von United Testing Systems ist so konstruiert, dass es eine durchschnittliche Geschwindigkeitsgenauigkeit von 0,1 % bietet, mit automatischer A/D-Kartenstandardisierung bei jedem Start des Systems. Das bedeutet, dass Sie immer von einer kalibrierten Basislinie aus testen, unabhängig davon, ob Sie eine einzelne Probe oder eine Charge von Hunderten testen.

Spezifikationen im Überblick

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