Dynamische Ermüdungsprüfmaschine
Dynamische Ermüdungsprüfmaschine – ToronDFT™-Serie
Die dynamische Ermüdungsprüfmaschine der ToronDFT™-Serie ermöglicht präzise, hochfrequente zyklische Belastungen zur Materialcharakterisierung, Bauteilvalidierung und bruchmechanischen Forschung. Dieses stehende servohydraulische System basiert auf der Plattform der ToronDFT™-Serie und ist mit Belastbarkeiten von 25 kN, 50 kN, 100 kN, 250 kN und 500 kN erhältlich. Es führt Zug-Zug-, Zug-Druck- und vollständig reversible Ermüdungsversuche an Metallen, Polymeren, Verbundwerkstoffen und biomedizinischen Materialien durch, um Wöhlerkurven zu erstellen, Dauerfestigkeitsgrenzen zu bestimmen und Risswachstumsraten zu messen.
Der Lastrahmen der Serie ToronDFT™ verwendet zwei starre Säulen, einen präzisionsgeschliffenen Querträger und eine Standkonstruktion, die den Aktor für eine stabile Probenbelastung am Fuß positioniert. Ein dynamischer Hochleistungsaktor mit einem Hub von ±75 mm liefert kontrollierte sinusförmige, dreieckförmige und benutzerdefinierte Wellenformen mit Frequenzen, die sowohl für Niedrig- als auch für Hochzyklusermüdung geeignet sind. Ein geschlossenes servohydraulisches Regelsystem arbeitet mit einer ermüdungsfesten Kraftmessdose und einem optionalen Extensometer zusammen, um während des gesamten Tests eine präzise Kraft-, Weg- oder Dehnungsregelung zu gewährleisten.
Das System ermöglicht den Einsatz austauschbarer Spannvorrichtungen für axiale Zug-, Druck-, Biege- und spezielle Bauteilprüfungen. Ein auf den gewählten Lastrahmen abgestimmtes Hydraulikaggregat sorgt für einen konstanten Öldurchfluss und -druck. Eine integrierte digitale Steuerung automatisiert die Testdurchführung, die Datenerfassung und die Signalgenerierung. Die ToronDFT™-Serie lässt sich an die Prüfnormen, die Probengeometrie und die Durchsatzanforderungen jedes Labors anpassen.
Dynamische Ermüdungsprüfmaschine – Anwendungen der ToronDFT™-Serie
Die ToronDFT™-Serie unterstützt Ermüdungs- und Bruchmechanikprüfungen in Branchen, in denen die zyklische Belastbarkeit die Produktsicherheit und Lebensdauer bestimmt.
- Metal and Alloy Research: Charakterisiert die Dauerfestigkeit, die Dauerfestigkeitsgrenzen und das Dehnungs-Lebensdauer-Verhalten von Eisen- und Nichteisenlegierungen für die Legierungsentwicklung und die Einhaltung von Spezifikationen.
- Aerospace Structural Materials: generiert SN-Daten und Risswachstumsraten für Aluminiumlegierungen, Titan und Nickelbasis-Superlegierungen, die in Flugzeugzellenverkleidungen, Turbinenscheiben und Fahrwerken gemäß ASTM E466 und ASTM E647 verwendet werden.
- Entwicklung von Automobilkomponenten: Bewertet die zyklische Haltbarkeit von Aufhängungsarmen, Antriebswellen, Befestigungselementen und Schweißverbindungen unter Lastspektren, die repräsentativ für die Bedingungen im Straßenbetrieb sind.
- Biomedical Implant Testing: führt Ermüdungsvalidierungen von Wirbelsäulenfixationsvorrichtungen, Hüftschäften, Kniekomponenten, Knochenplatten und Zahnimplantaten gemäß ASTM F1717, ASTM F2077 und ISO 14801 durch.
- Zusammengesetzt Materials Testing: führt Zug-Zug-Ermüdungsversuche an faserverstärkten Polymerlaminaten und Sandwichplatten nach ASTM D3479 und ISO 13003 für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie der Windenergie durch.
- Schweißnaht- und Verbindungsprüfung: Stumpfschweißungen, Kehlnahtschweißungen und Klebeverbindungen werden einer Dauerfestigkeitsprüfung mit konstanter und variabler Amplitude unterzogen, um die Leistungsfähigkeit der Verbindung zu überprüfen.
- Bruchmechanik und Risswachstum: Messung von da/dN im Vergleich zu ΔK an kompakten Zugproben (CT) und mittleren Zugproben (MT) nach ASTM E647 zur Schadensverträglichkeitsanalyse.
- Verbindungselement- und Federprüfung: Ermittlung der Ermüdungslebensdauer von Bolzen, Schrauben, Nieten und Federelementen unter axialer und kombinierter Belastung.
Grundsätze
Die ToronDFT™-Serie unterstützt Testverfahren, die in einer breiten Palette internationaler Normen für Ermüdungs- und Bruchmechanik definiert sind.
- ASTM E466 - Standardverfahren zur Durchführung von kraftgesteuerten axialen Dauerfestigkeitsprüfungen mit konstanter Amplitude an metallischen Werkstoffen
- ASTM E606 - Standardprüfverfahren für die dehnungsgesteuerte Ermüdungsprüfung
- ASTM E647 - Standardprüfverfahren zur Messung der Ermüdungsrisswachstumsraten
- ASTM E399 - Standardprüfverfahren zur Bestimmung der linear-elastischen Bruchzähigkeit von metallischen Werkstoffen unter ebener Dehnung
- ASTM E468 - Standardverfahren für die Darstellung von Ergebnissen der Dauerfestigkeitsprüfung bei konstanter Amplitude für metallische Werkstoffe
- ASTM D3479 - Standardprüfverfahren für die Zug-Zug-Ermüdung von Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffen
- ISO 1099 – Metallische Werkstoffe: Dauerfestigkeitsprüfung: Axialkraftgesteuertes Verfahren
- ISO 12106 – Metallische Werkstoffe: Ermüdungsprüfung: Axial dehnungsgesteuertes Verfahren
- ISO 12108 – Metallische Werkstoffe: Dauerfestigkeitsprüfung: Verfahren zur Bestimmung des Dauerrisswachstums
- ISO 7500-1 - Metallische Werkstoffe: Kalibrierung und Überprüfung von statischen einachsigen Prüfmaschinen
- DIN 50100 - Dauerfestigkeitsprüfung: Durchführung und Auswertung zyklischer Prüfungen bei konstanter Lastamplitude an metallischen Proben und Bauteilen
Dynamische Ermüdungsprüfmaschine – Hauptmerkmale der ToronDFT™-Serie
Die ToronDFT™-Serie kombiniert einen starren Lastrahmen, einen reaktionsschnellen servohydraulischen Aktuator und eine digitale Steuerung zu einer konfigurierbaren Ermüdungsprüfplattform.
- Freistehender Lastrahmen: Die freistehende Konstruktion mit zwei Säulen und einem am Sockel montierten Aktor bietet eine stabile Plattform mit niedrigem Schwerpunkt, die die Übertragung von Vibrationen auf die Probe und die umgebende Ausrüstung minimiert.
- Hochleistungs-Dynamikaktuator: Ein ermüdungsgeprüfter Hydraulikaktuator mit einem Hub von ±75 mm sorgt für eine gleichmäßige zyklische Bewegung über den gesamten Frequenzbereich und unterstützt sowohl Dauerlaufprüfungen mit hoher Zyklenzahl als auch Ermüdungstests mit niedriger Zyklenzahl und niedriger Frequenz.
- Präzisions-Kraftmessdose: Eine ermüdungsgeprüfte Kraftmessdose (Klasse 0.5 nach ISO 7500-1) misst die Axialkraft mit hoher Genauigkeit und Langzeitstabilität und liefert zuverlässiges Feedback für die Regelung über Millionen von Zyklen.
- Servohydraulische Regelung mit geschlossenem Regelkreis: Ein Servoventil und ein digitaler PID-Regler halten Kraft, Verschiebung oder Dehnung innerhalb enger Toleranzen und gleichen automatisch Änderungen der Nachgiebigkeit der Probe aus, wenn Risse entstehen und wachsen.
- Integrierter digitaler Controller: automatisiert die Wellenformerzeugung (Sinus-, Dreieck-, Rechteck- und benutzerdefinierte Profile), die Datenerfassung, die Zykluszählung und den Testabbruch auf Basis benutzerdefinierter Fehlerkriterien.
- Hebe- und Verriegelungsmechanismus für den Querkopf: Ein motorisierter Querkopfverstellmechanismus und ein hydraulisches Verriegelungssystem ermöglichen eine schnelle Neupositionierung für unterschiedliche Probenlängen und Vorrichtungskonfigurationen ohne manuelles Unterlegen.
- Austauschbare Spannbacken und Vorrichtungen: Hydraulische Keilspannbacken, mechanische Spannbacken und kundenspezifische Vorrichtungen eignen sich für flache, runde und zusammengesetzte Proben zur Prüfung auf Zug-, Druck-, Biege- und kombinierte Belastung.
- Hydraulisches Aggregat (HPU): Ein speziell auf die gewählte Lastrahmenkapazität ausgelegtes HPU sorgt für einen stabilen Öldruck und -durchfluss. Filter- und Kühlsysteme verlängern die Lebensdauer von Servoventil und Aktor.
- Hohe Rahmensteifigkeit: Die Rahmensteifigkeit von bis zu 6.5 × 10⁸ N/m beim 500 kN Modell reduziert die parasitäre Durchbiegung und sorgt dafür, dass die gemessene Verschiebung repräsentativ für die tatsächliche Verformung der Probe bleibt.
- Großer vertikaler Prüfraum: Maximale vertikale Durchfahrtshöhen von 1,120 mm (25 kN und 50 kN Modelle) bis 2,000 mm (500 kN Modell) ermöglichen die Aufnahme hoher Prüfkörper, Klimakammern und Mehrpunkt-Biegevorrichtungen.
- Sicherheits- und Grenzwertschutz: Integrierte Not-Aus-, obere und untere Grenzwertschalter sowie Verriegelungsfunktionen schützen den Bediener, die Probe und die Maschine vor Überhub und unerwarteten Lastereignissen.
- Anpassbare Konfiguration: Belastbarkeit, Stellantriebshub, Testraum, Grundplatte, Greifer, Klimakammer und Steuerungssoftware können an den spezifischen Testumfang des Labors angepasst werden.
Theorie und Methode
Bei der Dauerfestigkeitsprüfung wird eine Probe wiederholten zyklischen Belastungen ausgesetzt, die mit einer kontrollierten Frequenz zwischen maximaler und minimaler Kraft (oder Dehnung) wechseln. Jeder Lastzyklus induziert mikroskopische Gleitungen entlang kristallographischer Ebenen im Material. Über Tausende oder Millionen von Zyklen akkumulieren sich diese Gleitereignisse zu persistenten Gleitbändern, dann zu Mikrorissen und schließlich zu einem dominanten Riss, der sich bis zum Bruch der Probe ausbreitet. Die Beziehung zwischen der angelegten Spannungsamplitude und der Anzahl der Zyklen bis zum Bruch (die Wöhlerkurve) charakterisiert die Dauerfestigkeit eines Materials.
Der servohydraulische Antrieb der ToronDFT™-Serie wandelt unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit in präzise, hochfrequente Kolbenbewegungen um. Ein Servoventil regelt den Ölfluss zum Aktor in Echtzeit, während ein Regler das Rückkopplungssignal der Kraftmessdose (oder des Extensometers) mit der Soll-Wellenform vergleicht und die Ventilposition anpasst, um die Zielamplitude innerhalb enger Toleranzen zu halten. Diese Architektur ermöglicht kraftgesteuerte Prüfungen zur Hochzyklusermüdung (HCF) und dehnungsgesteuerte Prüfungen zur Niedrigzyklusermüdung (LCF), bei der die plastische Verformung dominiert.
Bruchmechanische Prüfungen erweitern die Ermüdungsbewertung über die Gesamtlebensdauer hinaus. Der Prüfer erzeugt einen Kerbvorriss an einer Probe und wendet anschließend eine zyklische Belastung an, während er die Risslänge mit einem Dehnungsmessstreifen oder einem Spannungsabfallsystem überwacht. Die Auftragung der Risswachstumsrate (da/dN) gegen die Spannungsintensitätsfaktoramplitude (ΔK) ergibt eine Kurve, die das Verhalten im Schwellen-, Paris- und Instabilitätsbereich erfasst. Ingenieure nutzen diese Daten für die schadensverträgliche Auslegung, die Festlegung von Inspektionsintervallen und die Prognose der Restlebensdauer von Bauteilen.
Dynamische Ermüdungsprüfmaschine – Technische Spezifikationen der ToronDFT™-Serie
| Parameter | ToronDFT™ 25 | ToronDFT™ 50 | ToronDFT™ 100 | ToronDFT™ 250 | ToronDFT™ 500 |
|---|---|---|---|---|---|
| Rahmentyp | Bodenständig | ||||
| Nennlast (kN) | 25 | 50 | 100 | 250 | 500 |
| Maximaler vertikaler Testraum (mm) | 1,120 | 1,120 | 1,120 | 1,400 | 2,000 |
| Hub des Aktuators (mm) | ± 75 | ||||
| Arbeitstischhöhe (mm) | 900 | 1,000 | |||
| Effektiver Säulenabstand / Testbreite (mm) | 540 | 650 | 800 | ||
| Säulendurchmesser (mm) | 80 | 90 | 110 | ||
| Basisbreite, Links-Rechts (mm) | 1,100 | 1,200 | 1,500 | ||
| Sockeltiefe, Vorderseite-Rückseite (mm) | 800 | 1,000 | |||
| Gesamthöhe (mm) | 2,700 | 3,100 | 4,200 | ||
| Rahmensteifigkeit (N/m) | 5 × 10⁸ | 6.5 × 10⁸ | |||
| Ungefähres Gewicht (kg) | ≈1,250 | ≈1,650 | ≈2,100 | ||