Materialtests mit Zug-, Druck- und Biegeversuchen gehören zu den zentralen Aufgaben der Qualitätssicherung. Bei Zugversuchen, zur Messung der Dehnung, werden Extensometer eingesetzt. Die am häufigsten genutzte Messmethode ist die berührende Messung. Das hängt sowohl mit den geringen Kosten als auch mit der hohen Präzision der berührenden Differenzwegmessung zusammen. Typische Parameter bei Zugversuchen zur Charakterisierung von Umformeigenschaften an Metallen sind die r- und n-Werte: Der n-Wert beschreibt die Verfestigung, genauer: den Spannungsanstieg während der plastischen Verformung bis zur Gleichmaßdehnung und wird aus den Zugspannungsdaten und Dehnungswerten ermittelt. Der r-Wert beschreibt die senkrechte Anisotropie und muss zusätzlich über eine Breitenänderung während des Zugversuchs bestimmt werden. Wie Längen- und Breitenänderungen unter Last effizient bestimmt werden können und welche Genauigkeit erreicht wird, zeigen berührend und berührungslos messende Extensometer.

Automatisierte Prüfsysteme

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Das von Zwick, Ulm, entwickelte und modular aufgebaute Extensometer Makro-X-tens gehört zu den berührenden Systemen. Seine Stärke ist der Einsatz sowohl in manuell bedienten als auch in automatisierten Prüfanlagen. Die Übertragung einer gemessenen Längenänderung zum Auswertesystem erfolgt über Messfühler und Messschneiden. Diese Methode kombiniert die Möglichkeit einer automatischen Betätigung mit den Vorteilen, große Dehnungen mit hoher Genauigkeit zu messen. Die Messfühler sind sehr leichtgängig, belasten die Probe nur minimal und der Einfluss von Biegespannungen wird durch das beidseitige Ansetzen weitgehend kompensiert.

Sowohl Messfühler als auch Messschneiden sind steckbar und daher schnell und komfortabel an die jeweilige Versuchsart, den zu prüfenden Werkstoff und die Form der Probe anzupassen. Das reduziert Wechsel- und Rüstzeiten deutlich. Die Längenmessaufnehmer für hochgenaue Prüfungen sind ab einem Messweg von 20 µm in der Klasse 0,5 kalibriert. Der maximale Fehler in der Differenzweg-Messung zwischen zwei Messpunkten im Bereich 20 bis 200 µm beträgt nur ± 1 µm.

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Der Makro-X-tens gibt es als P- und HP-Variante sowie mit drei unterschiedlichen Fühlerarmlängen 300, 450 und 600 mm.

Anfangsmessbereich

Die HP-Variante ermöglicht eine noch höhere Auflösung und einen geschlossenen Regelkreis für die Dehngeschwindigkeitsmessung nach ISO 6892-1 (Verfahren A1) und ASTM E 8-09 (Verfahren B). Eine ›intelligente‹ Mitnahmevorrichtung erhöht die Genauigkeit im Anfangsmessbereich. Optional sind auch Feindehnungsmessungen möglich, etwa zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls und der technischen Elastizitätsgrenze (0,01-%-Dehngrenze). Der erfasste Dehnungsbereich liegt zwischen 0,05 und 0,25 % (Folien bis 1 %).

Die Bestimmung des r-Wertes bei Zugversuchen erfordert zusätzlich die Bestimmung der Breitenänderung. In diesem Falle wird ein optionaler Aufnehmer eingesetzt, der entweder manuell oder automatisch über die von Zwick entwickelte Prüfsoftware Test-X-pert II bedient wird. Gemessen wird in ein, zwei oder vier Querschnittsebenen. Für diese Messung kann ein berührungslos arbeitender Breitenänderungsaufnehmer wie der Video-X-tens von Zwick eingesetzt werden.

Hochtemperaturbereich

Trotz der vielseitigen Anwendungen berührenden Extensometer gibt es Einsatzgrenzen. Dazu zählen Dehnungsmessungen unter extremen Temperaturen oder Messungen an dünnen Drähten oder Metallfolien, die kritisch auf berührende Messschneiden reagieren. Hier bieten berührungslose Extensometer wie der Laser-X-tens entscheidende Vorteile. Er erzeugt auf der Oberfläche der Probe ein Speckle-Muster, das mit einer Vollbild-Digitalkamera aufgezeichnet wird. Dieses Muster dient als virtuelle Messmarke, deren Bewegung unter Belastung mittels eines speziellen Korrelationsalgorithmus verfolgt wird. Der Laser-X-tens benötigt also keine realen Messmarken wie optische Systeme mit Auflicht. Die Auswertung zweier aufeinander folgender Aufnahmen zeigt die Dehnung der Probe mit einer Auflösung < 0,15 µm. Komfortabel und effizient ist diese Lösung in automatisierten Anlagen, da keine Station mehr für die Markierung der Probe notwendig ist. Das verringert die Durchlaufzeit deutlich. Da die Lasermessung mit virtuellen Messmarken arbeitet, sind auch Messungen in Temperierkammern und Hochtemperaturöfen möglich.

Auflösung unter 0,15 µm

Der Laser-X-tens wird in verschiedenen Ausführungen angeboten. Eine davon ist der Laser-X-tens Array, speziell für das berührungslose Messen sowohl kleiner als auch großer Dehnungen entwickelt. Bei dieser Lösung besteht der Messkopf aus vier fest montierten, hochauflösenden Digitalkameras, deren Gesichtsfelder zu einem großen Bild zusammengefasst werden. Das ermöglicht Messwege bis 310 mm (abzüglich der Anfangsmesslänge). Die Auflösung liegt bei 0,15 µm. Der ›Array‹ weist keine sich bewegenden Teile auf, ist daher völlig wartungsfrei und erfüllt die Klasse 1 der ISO 9513 (Klasse B2 der ASTM E83). Er kann lokale Dehnungen und Dehnungsverteilungen und zweidimensionale Messungen an bis zu 100 Messpunkten erkennen. Ferner können Torsionsverformungen bestimmt werden.

Messungen von Breitenänderungen sind bei allen Laser-X-tens-Varianten ohne zusätzliche Markierungen möglich. Die weitgehend automatischen Prüfabläufe reduzieren subjektive Einflüsse, was gerade für automatisierte Serienprüfungen sehr effizient ist und die Qualität deutlich verbessert. Hinzu kommt, dass sich die höheren Beschaffungskosten sehr schnell amortisieren, da der Aufnehmer für unterschiedliche Messungen der Umformeigenschaften verwendet werden kann.

Dr. Peter Stipp

Fachjournalist aus Bensheim

Zahlen & Fakten

Seit mehr als 150 Jahren steht Zwick Roell für besondere Leistungsfähigkeit, Innovation, Qualität und Zuverlässigkeit in der Material- und Bauteilprüfung. Die Kunden vertrauen auf Zwick, denn das Unternehmen gehört zu den weltweit führenden in der statischen Prüfung und verzeichnet ein signifikantes Wachstum bei Betriebsfestigkeitsprüfsystemen. In Zahlen ausgedrückt: Im Geschäftsjahr 2012 erzielte Zwick Roell einen Auftragseingang von 189 Mio. €. Mit mehr als 1150 Mitarbeitern, Produktionsstandorten in Deutschland (Ulm, Radeberg, Bickenbach), Großbritannien (Stourbridge), Österreich (Fürstenfeld) und weiteren Niederlassungen in Frankreich, Großbritannien, Spanien, USA, Brasilien, Türkei, Singapur und China sowie weltweiten Vertretungen in 56 Ländern, steht die Marke Zwick für höchste Ansprüche an die Produkt- und Servicequalität.