Полное руководство по электронным универсальным испытательным машинам: выбор и применение

Электронные универсальные испытательные машины (UTM) являются отраслевым стандартом для измерения прочности на растяжение, сжимающей нагрузки, свойств на изгиб и т. д. — и все это на единой программируемой платформе. Независимо от того, являетесь ли вы инженером-материалистом, проверяющим новый полимер, или специалистом по контролю качества, проверяющим характеристики крепежа, электронный UTM обеспечивает точность, повторяемость и отслеживаемость данных, с которыми просто не могут сравниться гидравлические или механические предшественники. В этом руководстве рассказывается, как они работают, какие характеристики имеют значение, в каких отраслях на них полагаются и как выбрать подходящую машину для вашего применения.

Что такое электронная универсальная испытательная машина?

Электронная универсальная испытательная машина представляет собой силовую раму с серводвигателем, используемую для приложения контролируемых усилий растяжения, сжатия, изгиба, сдвига или отслаивания к образцу материала с одновременным измерением силы, смещения и деформации. Слово «универсальный» относится к его способности выполнять несколько типов испытаний на одной платформе, просто заменяя приспособления и методы испытаний.

В отличие от старых гидравлических UTM, электронные модели используют прецизионная система шарико-винтового или ходового винта питание от сервопривода переменного тока или шагового двигателя. Это устраняет необходимость в масляных системах, снижает затраты на техническое обслуживание и позволяет регулировать скорость траверсы от 0,001 мм/мин до 1000 мм/мин и более, что крайне важно при тестировании чувствительных к скорости материалов, таких как эластомеры или биологические ткани.

Основные компоненты и как они работают вместе

Понимание подсистем электронного UTM поможет вам осмысленно оценить спецификации и диагностировать проблемы с производительностью на местах.

Загрузочная рама

Силовая рама является основой конструкции. Одноколоночные фреймы обычно рассчитаны на емкость до 5 кН и подходят для небольших образцов, пленок и волокон. Двухстоечные рамы охватывают диапазон от 1 кН до 600 кН и выше, обеспечивая жесткость, необходимую для минимизации ошибок прогиба рамы при высоких нагрузках. Жесткость рамы измеряется в кН/мм; Более жесткая рама означает, что показания смещения более точно отражают деформацию образца, а не податливость машины.

Система привода

Серводвигатель с замкнутым контуром приводит в движение траверсу через прецизионные шарико-винтовые передачи. Контроллер сравнивает заданное положение или силу с показаниями датчика тысячи раз в секунду, корректируя скорость в реальном времени. Это позволяет контроль нагрузки, контроль смещения и контроль деформации режимы испытаний — необходимы для определения усталостных характеристик и исследований ползучести.

Тензодатчик

Тензодатчик представляет собой тензодатчик, рассчитанный на номинальную мощность машины. Классы точности по ИСО 7500-1 варьируются от класса 0,5 (±0,5% от показания) до класса 1 (±1%). Многие современные машины поддерживают сменные тензодатчики — например, заменяя ячейку 50 кН на ячейку 100 Н — что позволяет одной раме охватывать диапазон усилий в шесть десятилетий без ущерба для точности при низких нагрузках.

Экстензометры и измерение деформации

Смещение траверсы дает приблизительную деформацию, но контактные или бесконтактные экстензометры обеспечивают деформацию расчетной длины непосредственно на образце. Экстензометры с зажимом имеют точность ±0,5 мкм для металлов и жестких пластмасс. Видео- или лазерные экстензометры предпочтительны для резины, мягких тканей и тонких пленок, контакт с которыми может помешать измерению.

Программное обеспечение управления

Современное программное обеспечение UTM хранит готовые методы испытаний, соответствующие таким стандартам, как ASTM E8, ISO 6892-1, ASTM D638 и ISO 527. Программное обеспечение рассчитывает полученные результаты — модуль Юнга, предел текучести, предел прочности при растяжении, удлинение при разрыве, пробную нагрузку — автоматически и экспортирует данные в интерфейсы CSV, PDF или LIMS.

Объяснение основных технических характеристик

В таблице ниже приведены наиболее важные характеристики, которые покупателям следует сравнить между моделями:

Распространенные типы испытаний, выполняемые на электронных UTM

Обозначение «универсальный» достигается благодаря широкому спектру тестовых конфигураций, которые может поддерживать один корпус:

• Испытание на растяжение — измеряет UTS, предел текучести, удлинение и модуль упругости металлов (ASTM E8/ISO 6892-1), пластмасс (ASTM D638/ISO 527), текстиля (ISO 13934) и клеев (ASTM D1002).
• Испытание на сжатие — оценивает прочность на сжатие бетонных сердечников, пенопластов, композитов и упаковки (ASTM D695, ISO 604).
• Испытание на изгиб/трехточечный изгиб — определяет модуль упругости при изгибе и прочность балок, печатных плат и керамической плитки (ASTM D790, ISO 178).
• Тестирование на отслаивание и адгезию — Испытания на отслаивание ламинатов, медицинских пластырей и упаковочных швов под углом 90° и 180° (ASTM D903, ASTM F88).
• Испытание на сдвиг — конфигурации с одним нахлестом и пуансоном для сварных швов, клеевых соединений и крепежных деталей.
• Вязкость разрушения (К _ИК ) - с использованием образцов с надрезом и экстензометров смещения раскрытия трещины (CMOD) согласно ASTM E399.
• Ползучесть и расслабление - испытания под постоянной нагрузкой в течение нескольких часов или дней для определения зависящей от времени деформации полимеров и композитов.

Отрасли и приложения

Электронные UTM используются практически во всех отраслях производства и исследований. Следующие примеры иллюстрируют широту практического использования:

Аэрокосмическая и автомобильная промышленность

Полимеры, армированные углеродным волокном (CFRP), используемые в панелях фюзеляжа или компонентах шасси, должны соответствовать строгим требованиям к прочности на межламинарный сдвиг. Двухколоночный UTM с нагрузка 100 кН и соответствующая климатическая камера проверяет партии материалов перед производством. Производители автомобильной промышленности также используют UTM для сертификации ремней безопасности по стандарту ECE R16, где образцы должны выдерживать растягивающую нагрузку минимум 14,4 кН.

Медицинские приборы и биоматериалы

Швы, стенты, ортопедические имплантаты и гидрогели требуют механических характеристик в соответствии со стандартами серии ISO 10993 и ASTM F. Малогабаритный UTM с Датчик нагрузки 500 Н и приспособление для гидратированной ванны проверяет прочность узла шовного материала на выдергивание или модуль сжатия хряща при температуре тела (37 ° C).

Упаковка и товары народного потребления

Целостность уплотнения, устойчивость к проколу и сжатие при верхней нагрузке — это стандартные тесты для гофрированного картона, гибких пакетов и пластиковых контейнеров. Одноколонный UTM начального уровня с усилием 5 кН выполняет большую часть упаковочных работ и может быть интегрирован с конвейерной системой автоматизации для высокопроизводительной обработки линий контроля качества. 200 образцов в смену .

Строительство и гражданское строительство

Для испытаний арматуры на растяжение в соответствии со стандартом ISO 15630-1 требуется UTM, способный захватывать стержни диаметром 40 мм, что подразумевает грузоподъемность рамы не менее 600 кН с гидравлическими клиновыми захватами. Испытания на сжатие бетонного основания и испытания на растяжение геотекстиля одинаково распространены в лабораториях по производству строительных материалов.

Электроника и полупроводники

Испытания на растяжение проводов, испытания на изгиб печатных плат и измерения силы при вставке и извлечении соединителя требуют разрешения менее Ньютона. Микросиловые UTM с производительностью всего 2 Н и разрешение 0,001 мН используются в лабораториях анализа отказов полупроводников для характеристики усталости паяных соединений.

Электронные и гидравлические универсальные испытательные машины

Выбор между электронным и гидравлическим приводом является основополагающим решением. Сравнение ниже показывает преимущества каждой технологии:

Для подавляющего большинства лабораторных и производственных задач контроля качества, особенно тех, которые связаны с полимерами, композитами, клеями, медицинскими приборами и тонкими металлами, электронные UTM — лучший выбор по соображениям стоимости, точности и удобства использования. Гидравлические машины остаются доминирующими только там, где требования к нагрузке превышают ~600 кН или где динамические/усталостные испытания требуют сервогидравлического привода.

Как выбрать правильный электронный UTM для вашего приложения

Структурированный процесс отбора предотвращает чрезмерное уточнение (растраченный бюджет) или недостаточное уточнение (неудачные тесты или неточные данные). Выполните следующие действия:

1. Определите максимальную ожидаемую нагрузку. Испытайте не менее трех образцов, чтобы определить диапазон пикового усилия, затем выберите мощность машины как минимум на 20 % выше этого максимума. Избегайте регулярных испытаний при производительности машины ниже 2 % — точность значительно снижается.
2. Определите применимые стандарты. Подтвердите, какие стандарты ASTM или ISO регулируют ваши материалы. Стандарты определяют геометрию образца, расчетную длину, скорость траверсы и требуемую точность измерений — все это ограничивает ваш выбор спецификаций.
3. Выберите правильный тип крепления. Пневматические клиновые захваты сокращают время наладки при больших объемах работ по растяжению. Винтовые захваты подходят для нерегулярного использования и образцов различной ширины. Приспособления для трехточечного изгиба требуют определенного соотношения длины и глубины для каждого типа образца.
4. Определитесь с методом измерения деформации. Если ваш стандарт требует экстензометра (например, ISO 6892-1, метод A), в дополнение к стоимости рамы заложите в бюджет калиброванный прикрепляемый или видеоэкстензометр.
5. Рассмотрите потребности в экологических испытаниях. Если вам необходимо проводить испытания при повышенных или отрицательных температурах, выберите раму с достаточной высотой испытательного пространства для размещения климатической камеры и убедитесь, что компоненты весоизмерительного датчика и траверсы рассчитаны на этот температурный диапазон.
6. Оцените требования к программному обеспечению и управлению данными. Лабораториям, работающим под аккредитацией ISO/IEC 17025, необходимо программное обеспечение с поддержкой аудита и контролем доступа пользователей. Убедитесь, что программное обеспечение обеспечивает собственный экспорт в вашу систему LIMS или ERP.
7. Оцените общую стоимость владения. Учитывайте ежегодные затраты на калибровку (обычно 500–2000 долларов за машину. ), интервалы повторной калибровки тензодатчиков (обычно каждые 12 месяцев в соответствии с ISO 7500-1) и изнашиваемые детали крепления. Затраты на техническое обслуживание электронных UTM обычно на 40–60% ниже, чем у эквивалентных гидравлических машин в течение 10-летнего периода.

Калибровка, проверка и соответствие стандартам

UTM заслуживает доверия только в зависимости от статуса его калибровки. Основными стандартами, регулирующими проверку сил, являются:

• ISO 7500-1 — Классификация статических одноосных испытательных машин. Определяет классы точности (0,5, 1, 2) и интервалы калибровки с использованием отслеживаемых грузов или проверочных колец.
• АСТМ Е4 — Стандартные методы принудительной проверки испытательных машин, эквивалент ISO 7500-1 в США. Требуется для любой лаборатории, предоставляющей данные клиентам или регулирующим органам США.
• ИСО 9513 — Калибровка экстензометров. Определяет приборы класса A (±0,5% от показаний) и класса B (±1%) и процедуры проверки.
• EN 10002-3/ISO 6892 Приложение B — Проверка скорости и скорости деформации траверсы для испытаний металлических материалов.

Для лабораторий, ищущих Аккредитация ISO/IEC 17025 калибровка должна выполняться аккредитованным органом, признанным ILAC, а все бюджеты неопределенностей, включая соответствие машины, линейность весоизмерительных датчиков и калибровку экстензометра, должны документироваться и пересматриваться ежегодно.

Последние достижения в области электронных технологий UTM

Рынок электронного UTM быстро развивался, и несколько тенденций изменили возможности лабораторий:

Интеграция цифровой корреляции изображений (DIC)

Полноэкранное картографирование деформации с помощью DIC-камер, синхронизированное с контроллером UTM, заменяет одноточечную экстензометрию для образцов сложной геометрии. DIC может фиксировать концентрацию деформации в надрезах, отверстиях или сварных швах с помощью пространственное разрешение ниже 0,1 мм , превращая стандартное испытание на растяжение в комплексное исследование деформации.

Электромеханические испытания на усталость

Высокочастотные линейные двигатели или системы резонансного привода теперь позволяют некоторым электронным UTM выполнять испытания на циклическую усталость при скорости до 300 Гц , приближаясь к скорости традиционных машин резонансной усталости при гораздо меньших затратах и занимаемой площади. Это особенно ценно для аттестации компонентов аддитивного производства (АП).

Интеграция коллаборативного робота (кобота)

Автоматическая загрузка образцов с помощью коботов сокращает время оператора на одно испытание примерно с 4 минут до менее 45 секунд и устраняет непостоянство положения захвата. Системы с шестиосными коботами могут обрабатывать образцы на растяжение, балки с трехточечным изгибом и заготовки Шарпи из одного и того же магазина образцов, что позволяет ночные испытания при выключенном свете .

Практические советы для получения точных и повторяемых результатов

Даже самый лучший электронный UTM будет выдавать ненадежные данные, если его использовать неправильно. Следующие практики постоянно упоминаются в межлабораторных сравнительных исследованиях как источники изменчивости:

• Проверяйте выравнивание рукоятки перед каждой серией испытаний. Несоосность всего в 1° может привести к появлению изгибающих моментов, которые уменьшают измеренную прочность на разрыв на 5–10 % в хрупких материалах. Используйте инструмент для выравнивания или тензометрический образец для количественной оценки смещения в соответствии с ASTM E1012.
• Приведите образцы в соответствие со стандартом испытаний. ASTM D638 требует, чтобы пластиковые образцы выдерживались при температуре 23 °C ± 2 °C и относительной влажности 50% ± 5% в течение не менее 40 часов. Несоблюдение условий приводит к изменчивости результатов, связанных с влажностью, до 15 % в результатах нейлона и полиамида.
• Обнулите тензодатчик и экстензометр после захвата, но перед приложением нагрузки. Предварительное напряжение от закрытия рукоятки должно быть обнулено, чтобы избежать смещения начала кривой силы-перемещения.
• Используйте правильную геометрию образца для вашего стандарта. Замена образца типа V на образец типа I (ASTM D638) приводит к изменению площади датчика и дает несопоставимые результаты, даже если оба образца испытываются при одинаковой номинальной скорости.
• Регистрируйте температуру и влажность окружающей среды при каждом тесте. Большая часть программного обеспечения UTM поддерживает входы вспомогательных датчиков. Архивирование данных об окружающей среде защитит вас в случае спора клиента по поводу результатов, не соответствующих спецификациям.