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Home > Innere planare biaxiale Prüfung

Innere planare biaxiale Prüfung

Planar-Biaxial-Prüfsystem
Nahaufnahme des Testbereichs in einem planaren biaxialen System von MTS
Mit mehr als 25 Jahren Erfahrung in der Materialprüfung, Metallurgie und Systemtechnik bringt Dr. Erik Schwarzkopf, Wissenschaftler und Mitarbeiter bei MTS, sein einzigartiges Fachwissen in Kundenaufträge ein. Steve Lemmer, Senior Design Engineer bei MTS, entwickelt seit mehr als 23 Jahren innovative Testlösungen und war maßgeblich an der Entwicklung der fünfzehn planaren biaxialen Prüfsysteme beteiligt, die MTS weltweit installiert hat. In diesem Interview diskutieren sie die Ursprünge, Herausforderungen und Vorteile der planaren biaxialen Prüfung.

F: Was ist planare biaxiale Prüfung? Wie unterscheidet sie sich von der konventionellen uniaxialen Prüfung?

Schwarzkopf:
Die Idee hinter der planaren biaxialen Prüfung ist, dass in der realen Welt die meisten Strukturen und Komponenten in mehr als einer Richtung belastet werden. Um die realen Bedingungen zu simulieren, müssen Prüfingenieure die Möglichkeit haben, den Prüfkörper in mehrere Richtungen zu ziehen und dabei ein hohes Maß an Kontrolle über den Prozess ausüben. In diesem Fall bedeutet „Kontrolle“, den Mittelpunkt des Prüfkörpers genau in der Mitte zu halten und das Risiko zusätzlicher Biegespannungen zu beseitigen. Unser planares biaxiales System verwendet dazu vier Aktuatoren in einer Ebene. Prüfkörper für die planare biaxiale Prüfungen sind insofern einzigartig, als dass sie oft eine kreuzförmige Form mit vier Befestigungspunkten haben; und die Arme sind typischerweise gleich lang. Dies ist wichtig, da sich alles um die Mitte des Prüfkörpers herum gleichmäßig dehnen muss. Andernfalls wird der Test nicht die richtigen Ergebnisse erzielen.

F: Wie kam es zur planaren biaxialen Prüfung? Wo liegen ihre Ursprünge?

Schwarzkopf:
Der Bedarf an planaren biaxialen Prüfungen entstand in den 1960er Jahren mit dem Aufkommen von Düsentriebwerken. Bei den Herstellern der Luft- und Raumfahrtindustrie gab es ein großes Interesse an Spannungszuständen an Flugzeugstrukturen. Eine weitere frühe Anwendung war die Analyse der Kornstruktur von Blechen im Automobilbau. Bevor es planare biaxiale Tests gab, führten die Ingenieure mehrere separate einachsige Tests durch und sagten das reale, mehrachsige Verhalten durch Extrapolation voraus.

F: Welche Rolle hat MTS bei der Verfeinerung der planaren biaxialen Prüftechnik gespielt?

Schwarzkopf:
MTS beschäftigt sich ab den 1980er Jahren damit. Wir waren Pioniere bei der Entwicklung der ersten biaxialen Prüfsysteme, die mit einer einzigen Belastungseinheit gleichzeitig verdrehen und ziehen konnten. Dann haben wir Seitenlasten hinzugefügt, für die vier Aktuatoren benötigt werden. Die Fähigkeit unserer Lösungen, mehrere Achsen gleichzeitig zu steuern, war entscheidend, um diese Art von Tests sowohl durchführbar als auch genau zu machen. Durch unsere Erfahrung in der Automobilindustrie war MTS mit der Steuerung der Phasenbeziehung zwischen mehreren Aktuatoren sehr vertraut. Dann fügten wir einen Lastrahmen hinzu, um eine gewisse geometrische Beziehung zu gewährleisten. In den 1990er Jahren entwickelten wir dann die Software, digitalen Regler und Steuerungsschemata, die es dem Kunden erleichterten, eine echte Schwerpunktsteuerung zu erreichen. Das war schon vorher möglich, aber für viele Labore sehr schwierig und nicht effizient.

F: Welche kritischen Anforderungen werden durch planare biaxiale Tests erfüllt?

Schwarzkopf:
Ingenieure verlassen sich auf planare biaxiale Prüfdaten, um wichtige Konstruktionsentscheidungen über Materialfestigkeit und -dicke zu treffen. Anwendungen gibt es in vielen Branchen, vor allem für die Prüfung von Metallen. Der Schwerpunkt liegt dabei eher auf der dynamischen Prüfung, also in der Bruchmechanik und dem Ermüdungsrisswachstum. Unsere Kunden müssen wissen, wie schnell ein Riss wachsen wird und wie schnell er unter verschiedenen Belastungsbedingungen eine kritische Größe erreichen wird. Andere planare biaxiale Simulationen werden verwendet, um tatsächliche, reale Komponenten zu testen. Diese Tests können sowohl biaxiale als auch axiale und Torsionskräfte umfassen, und diese Kräfte können synchron oder gegenläufig sein. Einige Kunden möchten vielleicht Schadenstoleranztests durchführen, um das Risswachstum von einem großen Loch im Material zu messen, dann den Schaden reparieren und sehen, wie die Reparatur hält, oder sie testen, wie oft ein und dasselbe Loch repariert werden kann. Das ist die Schönheit der planaren biaxialen Prüfung: Sie kann derart angepasst werden, dass die Kräfte so gesteuert werden, dass man die benötigten Daten erhält.

F: Wie verwenden Kunden die Daten aus planaren biaxialen Tests?

Schwarzkopf:
Die Daten helfen unseren Kunden, neue Fertigungstechniken zu entwickeln, das Verhalten neuer Materialien wie Verbundwerkstoffe zu verstehen und bessere Modelle zu entwickeln. Es gibt zahlreiche praktische Anwendungen, die typischerweise in großen Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen durchgeführt werden. Hersteller der Luft- und Raumfahrt untersuchen Strukturen und Komponenten von Flugzeugen. Hersteller von Gasturbinen testen Komponenten, die in Flugzeugtriebwerken und Stromerzeugungseinheiten verwendet werden. Große nationale Labore sind in der Regel sehr an planaren biaxialen Prüfungen interessiert. Sie bietet einen Realitätsgrad, der deutlich näher an der tatsächlichen Betriebsumgebung liegt, als dies mit einachsigen Tests erreicht werden kann. Aber in Fällen, in denen ein Struktur- oder Komponentenversagen katastrophale Folgen haben kann, was sicherlich in der Luft- und Raumfahrt und bei der Energieerzeugung der Fall ist, ist die planare biaxiale Prüfung sehr beliebt.

F: Was sind einige der wichtigsten technischen Herausforderungen der planaren biaxialen Prüfung?

Lemmer:
Zu den anspruchsvollsten Aspekten der planaren biaxialen Prüfung gehören: Erzielung einer präzisen Schwerpunktsteuerung, Sicherstellung der korrekten Systemausrichtung und Realisierung der Testwiederholbarkeit.

F: Was ist eine Schwerpunktsteuerung?

Lemmer:
Die Schwerpunktsteuerung bezieht sich auf die Fähigkeit, den Mittelpunkt des Prüfkörpers genau dort zu halten, wo der Forscher es wünscht – normalerweise, aber nicht immer, in der Mitte des Prüfraums. Die planaren biaxialen Systeme von MTS können die Lage des Schwerpunkts innerhalb von Mikrometern steuern. In den meisten Anwendungen möchte der Kunde die Kanten in einem zyklischen Test durch Drücken und Ziehen nach außen oder innen bewegen. Das Zentrum muss jedoch stationär bleiben. Diese Tests dauern mehrere Tage. Unsere planaren biaxialen Systeme sind für Ermüdungsprüfungen mit kurzzeitigen Zyklen optimiert, die typischerweise zehntausend Zyklen umfassen. Eine typische Frequenz für diese Tests ist 1 Hz.

F: Warum ist die Sicherstellung der Systemausrichtung wichtig?

Lemmer:
Wenn der Test den Prüfkörper in zwei Richtungen drückt und zieht, muss die Anwendung dieser Kräfte in derselben Ebene erfolgen. Andernfalls entsteht eine ungewollte Biegekraft oder Scherspannung, die nicht richtig kontrolliert werden kann und in der Analyse keinen Nutzen bringt. Das beeinträchtigt die Daten, da ungewollte Spannungen zu einem frühzeitigen Versagen des Prüfkörpers führen können. Wenn Sie die Zyklen bis zum Ausfall zählen, ist diese Zahl dann nicht genau. Bei ungewollter Beanspruchung besteht außerdem die Gefahr, dass der Prüfkörper ausknickt. In vielen Branchen, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, kann der Austausch eines Prüfkörpers sehr teuer werden. MTS stellt die korrekte Ausrichtung mit einer Ausrichtungsvorrichtung sicher, die eine koplanare, konzentrische und gleichwinklige Einstellung ermöglicht. MTS bearbeitet die Aktuatoren und ihre Montageorte präzise, um Biegebelastungen zu minimieren, aber selbst kleine Fehlausrichtungen können den Test beeinträchtigen; es müssen immer kleinere Anpassungen vorgenommen werden, und die Ausrichtungsvorrichtung macht es einfach, diese Anpassungen durchzuführen.

F: Garantiert die Ausrichtungsvorrichtung die Wiederholbarkeit des Tests?

Lemmer:
Nach der optimalen Ausrichtung der Rahmenausrichtung muss der eigentliche Prüfkörper aufgesetzt und dann sichergestellt werden, dass die Ausrichtung immer noch korrekt ist. Wir verwenden standardmäßige hydraulische Keilspannzeuge, die das Prüfstück immer auf dieselbe Weise einspannen. Sie üben auf jeden Arm des Prüfstücks dieselbe Kraft aus. Mit anderen Worten: Sie sind absolut wiederholbar. Zudem sind sie so konzipiert, dass sie viele verschiedene Prüfstückgrößen aufnehmen können. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer verschraubten mechanischen Vorrichtung, die nicht annähernd so flexibel ist und nicht dieselbe Wiederholbarkeit der Ausrichtung bietet. Mit MTS können Sie innerhalb von Minuten sicherstellen, dass das Prüfstück ausgerichtet ist. Andere Systeme brauchen vielleicht einen halben Tag.

F: Wie haben diese Herausforderungen das Angebot von planaren biaxialen Vorrichtungen von MTS geprägt?

Lemmer:
Um die Integrität der Prüfdaten zu gewährleisten, sind unsere Systeme auf ein Höchstmaß an Kontrolle und Ausrichtung ausgelegt. Sie bieten eine außergewöhnliche laterale Steifigkeit. Die Aktuatoren enthalten hydrostatische Lager und sind ineinander verschachtelt, um den Abstand zwischen Aktuator und Prüfraum zu minimieren. Eine Übermomentensicherung unterstützt jeden Aktuator bei einem Ereignis außerhalb der Ebene. Sie fangen das Spannzeug im Lastzug auf und leiten die Kräfte zurück zum Boden, anstatt die Kraftaufnehmer oder Aktuatoren zu beschädigen. Denn egal wie vorsichtig man ist: Prüfstückarme können unerwartet brechen. Unser Systemdesign verhindert, dass der Rahmen beschädigt wird. Es handelt sich um eine sehr robuste Konstruktion mit kaum Reibung in den Aktuatoren, was auch für die Wellenformtreue und die Steuerungssoftware wichtig ist.

F: Wie umfassend ist das Angebot von MTS für Vorrichtungen für die planare biaxiale Prüfung?

Lemmer:
Wir haben Kraftkapazitäten von 25 bis 500 kN. Wir haben auch ein System, das 250 kN in eine Richtung und 500 kN in eine andere Richtung liefern kann. Viele dieser Systeme sind auch torsionsfähig. Jede Lösung umfasst das notwendige Zubehör, die Software, die digitale Steuerungstechnik und die Benutzeroberfläche, um die spezifischen Anforderungen jeder Testanwendung des Kunden zu erfüllen. Es handelt sich um eine Komplettlösung, sodass der Kunde alles aus einer Hand erhält und sicher sein kann, dass alle Komponenten nahtlos zusammenarbeiten. Wir haben seit 1990 fünfzehn dieser Systeme auf der ganzen Welt installiert und kennen uns sowohl mit den Testgeräten als auch mit den Tests sehr gut aus.

F: Gibt es Beispiele für Erweiterungen, die MTS in planare biaxiale Systeme einbauen kann?

Lemmer:
Das Design der planaren biaxialen Systeme von MTS kann leicht modifiziert werden, um die genauen Prüfanforderungen der Kunden zu erfüllen. Viele Kunden möchten die Lasten in beiden Richtungen gleich halten. Manche aber auch nicht. Ein Kunde für eine planare, biaxiale Vorrichtung war zum Beispiel mehr daran interessiert, das Verhältnis der Lasten zu kontrollieren und zu ändern, um zu sehen, wie es sich auf die Rissausbreitung und die Orientierung auswirkt. Dies wird auch als Ausgang des Mohrschen Spannungskreises bezeichnet. Die Hauptspannungen erzeugen Scherspannungen in einem Winkel. Die Spannungszustände und Risswachstumsraten können in diesen Fällen völlig unterschiedlich sein, was natürlich Auswirkungen auf die Konstruktion hat. Wie bereits erwähnt, können wir zu einer planaren biaxialen Prüfsystemkonfiguration auch eine Rotation hinzufügen, sodass Forschern einen weitaus größeren Teil des Spannungstensors untersuchen können. Im Laufe der Jahre haben wir eine Vielzahl von Umweltsimulationssystemen in planare biaxiale Lösungen integriert, um extreme Temperaturen, Vakuum und Feuchtigkeit auf Prüfstücke anzuwenden. Kürzlich haben wir ein kompaktes, massearmes 25-kN-System entwickelt, das Forscher in eine stationäre Teilchenstrahlanlage integrieren und artikulieren können.

Kontaktieren Sie MTS noch heute, um mehr über Lösungen für planare biaxiale Prüfungen zu erfahren.

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