11. DEZEMBER 2016

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Präzise Messung der Bruchdehnung


Technik - Messen, Prüfen

Mit Kurz spannenden hydraulische Probenhaltern und einem optischen Längenänderungsaufnehmer für Längs- und Querdehnung kann die Bruchdehnung über die gesamte sichtbare Probenlänge sehr präzise erfasst werden.

Steigende Anforderungen an die aktive und passive Sicherheit in Fahrzeugen erfordern präzise Prüfungen der Materialien. Speziell für sicherheitsrelevante Bauteile ist es wichtig, die statischen Kennwerte zu ermitteln – unter anderem Zugfestigkeit und Bruchdehnung. Diese Prüfungen sind auch bei Magna International Stanztechnik in Heiligenstadt, einer 100-Prozent-Tochter der Magna International, eines der weltweit führenden Autozulieferer im Bereich Metallumformung, ein zentraler Bestandteil der Qualitätssicherung. Das Portfolio reicht von Karosseriesäulen und Schwellern über Dachquerträger und Stoßfänger bis zum Türaufprallschutz.

Um deren nötige Festigkeit zu erreichen, werden verstärkt hochfeste und pressgehärtete Stähle eingesetzt. Die Prüfung der Fertigteile erfolgt mit gestanzten Proben. Diese sind aber aufgrund der oft nur geringen Abmessungen der Komponenten sehr klein. Sie können also mit üblichen Spannwerkzeugen nicht sicher gehalten und auch nicht mit der gewünschten Präzision geprüft werden.

Eine sehr effiziente Lösung, um kleine Proben sicher fassen zu können, bieten die kurz spannenden hydraulischen Probenhalter von Zwick aus Ulm, in der statischen Prüfung einer Weltmarktführer, der maßgeschneiderte Lösungen für hohe Anforderungen entwickelt und fertigt.

Diese Probenhalter werden aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften – gerade in Verbindung mit optischen Längenänderungsaufnehmern – zunehmend in der Qualitätssicherung der Automobilindustrie eingesetzt. »Auslöser für die Investition in diese Lösung«, erklärt Herbert Lindenbauer, Leiter der Qualitätssicherung bei Magna International Stanztechnik, »ist der steigende Bedarf nach hochfesten und pressgehärteten Stählen und die daraus folgenden Prüfungen an zum Teil sehr kleinen Proben. Ihre typischen Materialdicken liegen zwischen 1 und 3 mm, und die Zugfestigkeit reicht bis 1700 MPa.«

Hydraulik-Probenhalter für kurze Klemmlängen

Bei den kurz spannenden hydraulischen Probenhaltern werden die Spannzylinder über einen dritten Zylinder abgestützt und parallel geführt. Mit diesem zum Patent angemeldeten Verfahren ist es möglich, auch Proben mit Klemmlängen ab 6 mm sicher zu halten und gleichmäßig zu klemmen. Das symmetrische Schließen der Backen spart Zeit für die Einrichtung unterschiedlicher Probendicken und gewährleistet, dass die Probe exakt in der Prüfachse gespannt wird. Darüber hinaus verhindert die von Zwick entwickelte Kraftkonstanthaltung unerwünschte Zug- oder Druckkräfte auf die Probe während des Schließ- und Spannvorgangs, die aufgrund einer Materialverdrängung auftreten können. Die maximal zulässige Flächenpressung auf den Spannflächen liegt bei 1000 MPa und ist sehr genau einstell- und reproduzierbar. Das garantiert die nötige Präzision bei der Überprüfung der Materialeigenschaften direkt nach einem Produktionsschritt.

Sehr hilfreich ist, dass dieses System den bei kurzen Klemmlängen typischerweise auftretenden hohen Kippmomenten auf Führungen und Druckzylinder aktiv entgegenwirkt. Der Hydraulikprobenhalter für kurze Klemmlängen ist für Flach- und Rundproben konzipiert. Durch den vertikal verspannten Aufbau während der Prüfung ist der Halter auch für Wechsellast- und Dehnungsregelungsversuche geeignet. Trotz der kurzen Klemmlängen bietet diese Lösung ein freies Sichtfeld für optische und mechanische Längenänderungsaufnehmer. Kleine Kraftaufnehmer, Probenhalter, Werkzeuge und Prüfvorrichtungen kann man zeitsparend über optionale Anschluss-Schieber adaptieren – ohne Ausbau der Spannbacken.

Die bei Magna International Stanztechnik eingesetzte Prüfmaschine zur Messung der Zugfestigkeit stammt aus der neuen Allround-Line-Reihe. Diese ist mit einem Kraftbereich von 5 bis 250 kN für individuelle Prüfaufgaben in unterschiedlichen Anwendungen konzipiert. Das Herzstück der Prüfmaschine ist die Mess-, Regel- und Steuerelektronik Testcontrol II. Die wichtigsten neuen Vorteile sind die schnelle synchrone Messwerterfassung (bis 2000 Hz), die große Flexibilität durch die acht variablen Steckplätze, die guten Gleichlaufeigenschaften durch die digital angesteuerten AC-Antriebe, die ergonomische Display-Fernbedienung und der sehr hohe Sicherheitsstandard.

Messung lokaler Dehnungen

Aufgrund der verkürzten Proben können die bislang üblichen berührenden Längenänderungsaufnehmer nicht mehr problemlos eingesetzt werden. Zwick bietet deshalb als Alternativlösung optische Längenänderungsaufnehmer an. Sie messen die Dehnung selbst bei sehr kurzen oder schwer zugänglichen Proben berührungslos und reproduzierbar. Magna International Stanztechnik setzt für seine Zugprüfungen den Längenänderungsaufnehmer Video-X-tens ein.

In seiner Grundausführung bestimmt er berührungslos und hochauflösend Zug- und Druckverformungen an Metallen, Gummi, Verbundstoffen und allen Arten von Kunststoffen und Folien mit einem einzigen Messsystem. Er misst biaxial, also gleichzeitig Längs- und Querdehnungen – ohne zusätzliche Markierungen zu benötigen. Diese Entwicklung ist daher ideal für Messungen von r- und n-Werten nach ISO 10113 und ISO 10275. Der n-Wert ist ein Maß dafür, wie weit man das Material ohne Einschnürung strecken kann. Er wird aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm ermittelt. Für den r-Wert hingegen, ein Maß für die Richtungsabhängigkeit der plastischen Verformung, muss zusätzlich die Änderung der Breite gemessen werden. Sehr hilfreich ist die optionale Funktion für die Dehnungsverteilung. Sie ermittelt lokale Dehnungen über die Auswertung von 16 Messmarken und ermöglicht damit eine Erfassung der Bruchdehnung über die gesamte sichtbare Probenlänge.

Ein weiterer Vorteil des Video-X-tens im Vergleich zu üblichen Videoaufnehmern ist die schnelle Messrate von 166 Hz. »Wir nutzen dies zur Bestimmung der Dehngrenzen an umformgehärteten Proben«, erklärt Herbert Lindenbauer. »Positiv ist, dass mit dieser Lösung auch Ergebnisse ermittelt werden können, wenn die Proben außerhalb der Messlänge reißen.«

Präzises Erfassen der oberen Dehngrenze

Der Messbereich selbst ist abhängig vom Sichtfeld und reicht von 50 bis 1000 mm; die Auflösung von 0,25 bis 5 µm, entsprechend EN ISO 9513 Genauigkeitsklasse 1 bei einem Sichtfeld >_ 200 mm und Genauigkeitsklasse 2 mit einem 8-mm-Objektiv oder einem Sichtfeld über 200 mm.

Der Längenänderungsaufnehmer Video-X-tens ist vollständig in die Zwick-Prüfsoftware Test-X-pert II integriert. Sie steuert, synchronisiert und bearbeitet die Daten in Echtzeit. Alle Daten werden online angezeigt und ausgewertet. Dies ist vor allem für Anwendungen in Forschung und Entwicklung interessant, um die Ergebnisse einer Simulation mit den Ergebnissen aus einem Zugversuch zu verifizieren.

Dr. Peter Stipp
Freier Fachjournalist aus Bensheim
Euroblech Halle 11, Stand F65
www.zwick.de

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