Wat is een universele testmachine? Volledige gids

Een universele testmachine (UTM) is een mechanisch testinstrument dat gecontroleerde trek-, druk-, buig-, schuif- en buigkrachten kan uitoefenen op een materiaalmonster om de mechanische eigenschappen ervan te meten - meestal treksterkte, vloeigrens, rek en elastische modulus. Het woord "universeel" verwijst naar de mogelijkheid om meerdere soorten mechanische tests op één frame uit te voeren door de testopstellingen te veranderen, en niet naar een onbeperkte capaciteit. Laadvermogens variëren van minder dan 1 kN voor delicate materialen zoals films en vezels meer dan 2.000 kN voor constructiestaal en beton componenten.

Universele trekproefapparatuur wordt gebruikt in vrijwel elke productie- en onderzoekssector – metalen, polymeren, composieten, textiel, rubber, lijmen, bouwmaterialen, medische apparaten en verpakkingen – overal waar kwantitatieve gegevens over hoe een materiaal zich gedraagt onder mechanische belasting vereist zijn voor ontwerp, kwaliteitscontrole of naleving van de regelgeving.

Hoe een universele testmachine werkt

Het fundamentele werkingsprincipe van een UTM is eenvoudig: een preparaat wordt tussen twee armaturen geklemd – één vast en één bewegend – en er wordt een gecontroleerde kracht uitgeoefend, terwijl de machine tegelijkertijd de uitgeoefende kracht en de verplaatsing of vervorming van het preparaat meet. De relatie tussen deze twee metingen levert een spanning-rekcurve op waaruit alle belangrijke mechanische eigenschappen zijn afgeleid.

Laadframe en aandrijfsysteem

Het lastframe biedt de structurele stijfheid om de testkrachten zonder doorbuiging te weerstaan. Een typisch frame bestaat uit twee of vier verticale kolommen, een vaste kruiskop aan het ene uiteinde en een beweegbare kruiskop aangedreven door de testactuator. Het aandrijfsysteem beweegt de traverse met een gecontroleerde snelheid of oefent kracht uit met een gecontroleerde snelheid. Twee aandrijftechnologieën domineren:

• Elektromechanisch (schroefaangedreven) — een servomotor drijft een kogelomloopspil of spindel aan om de kruiskop te bewegen; zeer nauwkeurige snelheidsregeling, stille werking, energiezuinig; geschikt voor de meeste trek-, compressie- en buigtests 0,1 N tot 600 kN
• Servo-hydraulisch — hydraulische druk beweegt een zuiger en stang die aan de kruiskop zijn bevestigd; in staat tot zeer hoge krachten ( 200 kN tot 5.000 kN en hoger ), dynamisch testen op hoge snelheid en vermoeidheidscycli; vereist onderhoud van de hydraulische aandrijfeenheid en genereert meer geluid en warmte dan elektromechanische systemen

Krachtmeting: laadcel

De kracht wordt gemeten door een load cell: een precisietransducer die mechanische kracht omzet in een elektrisch signaal met behulp van rekstrookjes die op een metalen element zijn bevestigd. De loadcel wordt in de lasttrein tussen de traverse en de bovengreep gemonteerd. Moderne loadcellen bereiken een nauwkeurigheid van ±0,5% van de aangegeven belasting of beter over een bereik van 1% tot 100% van de volledige schaal, en voldoet aan de vereisten van ISO 7500-1 Klasse 0.5 of ASTM E4.

De meeste UTM's worden geleverd met verwisselbare loadcellen die verschillende krachtbereiken dekken. Een frame van 50 kN kan bijvoorbeeld worden gebruikt met een loadcel van 50 kN voor structurele tests, of een loadcel van 500 N voor dunnefilmtests, waardoor het bruikbare bereik van de machine aanzienlijk wordt vergroot.

Verplaatsing en rekmeting

De verplaatsing van de kruiskop wordt gemeten door de ingebouwde encoder van de machine, maar dit omvat ook de flexibiliteit van het frame en de gripslip: foutenbronnen voor nauwkeurige rekmetingen. Voor nauwkeurige materiaalrekgegevens wordt een speciale extensometer rechtstreeks op de meetlengte van het monster bevestigd. Typen zijn onder meer:

• Neem contact op met extensometers — opklikbare mesrandapparaten met een rekstrookje of LVDT; nauwkeurig tot ±0,5 µm verplaatsing ; moet worden verwijderd voordat het monster breekt om schade te voorkomen
• Video-extensometers — contactloze optische systemen die gemarkeerde punten op het monsteroppervlak volgen; geschikt voor fragiele monsters of monsters met hoge rek en materialen waarbij contact de metingen zou verstoren; resolutie typisch 0,001–0,01 mm
• Digitale beeldcorrelatie (DIC) — geavanceerde rekmeting over het gehele monsteroppervlak; biedt spanningsverdelingskaarten in plaats van een enkele gemiddelde spanningswaarde; gebruikt in onderzoek en geavanceerde foutanalyse

De trekproef: wat het meet en waarom het ertoe doet

De trekproef is de meest voorkomende test die wordt uitgevoerd op een universele testmachine en vormt de basis van de meeste materiaalspecificaties wereldwijd. Een gestandaardiseerd hondenbot of rechthoekig monster wordt met een gecontroleerde kruiskopsnelheid onder spanning getrokken totdat het breekt, waardoor een kracht-verplaatsingscurve ontstaat die wordt omgezet in een spanning-rekcurve met behulp van het dwarsdoorsnedeoppervlak en de meetlengte van het monster.

De volgende belangrijke eigenschappen zijn afgeleid van een enkele trekproef:

Als praktijkvoorbeeld: constructiestaalsoort S355 heeft een minimaal gespecificeerde UTS van 470–630 MPa , een vloeigrens van Minimaal 355 MPa en een minimale verlenging van 22% . Een universele testmachine verifieert deze waarden aan de hand van de materiaalspecificatie voordat het staal wordt goedgekeurd voor gebruik in een constructie.

Andere tests uitgevoerd op een universele testmachine

Hetzelfde belastingsframe dat wordt gebruikt voor trekproeven kan een breed scala aan andere mechanische tests uitvoeren door de armaturen en testconfiguratie te wijzigen. Deze veelzijdigheid rechtvaardigt de aanduiding "universeel" en maakt één UTM geschikt voor meerdere testbehoeften in een laboratorium.

Compressie testen

De kruiskop beweegt naar beneden, waardoor een preparaat tussen twee platen wordt samengedrukt. Wordt gebruikt om de druksterkte van beton te meten (meestal 20–100 MPa voor structurele kwaliteiten), keramiek, schuimverpakkingen, rubberen pakkingen en bot. Het testen van betonnen kubussen en cilinders is een van de meest grootschalige toepassingen van UTM's in de bouwsector.

Driepunts- en vierpuntsbuigtest (flexuurtest).

Een balkproefstuk wordt op twee punten ondersteund en op één (driepunts) of twee punten (vierpunts) tussen de steunen belast. Meet de buigsterkte en buigmodulus - vooral belangrijk voor brosse materialen zoals keramiek, composieten en kunststoffen, waar gebreken aan grip op trek het directe trekproeven moeilijk maken. Normen omvatten ISO178 en ASTM D790 voor kunststoffen, en ISO 6872 voor tandheelkundig keramiek.

Hechtingstesten voor afpellen en afschuiven

Lijmverbindingen, laminaten, tapes en coatings worden getest door afpellen onder gedefinieerde hoeken (90°, 180°, T-afpellen) of afschuiven in het vlak van de verbinding. De resultaten worden uitgedrukt in N/mm breedte voor afpeltesten of MPa voor lap-afschuiftesten. Van cruciaal belang voor verpakkingen, lijmverbindingen in auto's en de kwalificatie van lijmen voor medische apparatuur.

Scheurweerstandstesten

Films, textiel en dunne rubberen platen worden getest op weerstand tegen scheurvoortplanting met behulp van broek-, tong- of hoekscheurtestconfiguraties volgens ISO 34 of ASTM D1004. De piekkracht en de gemiddelde scheurkracht worden gerapporteerd.

Proefbelasting en testen van componenten

Afgewerkte componenten – bevestigingsmiddelen, veren, kettingen, touwen, veiligheidsharnassen, medische implantaten – worden getest door een gespecificeerde proefbelasting toe te passen en te verifiëren dat er geen blijvende vervorming optreedt, of door testen tot vernietiging om de minimale breukbelasting te verifiëren. EEN 500 kN UTM wordt vaak gebruikt voor het testen van hijsapparatuur en kettingen volgens EN 818 en soortgelijke normen.

Universele testmachineconfiguraties en frametypen

UTM's worden vervaardigd in verschillende fysieke configuraties, elk geschikt voor verschillende belastingsbereiken, ruimtebeperkingen en testtypen:

Belangrijke technische specificaties bij het selecteren van universele trekproefapparatuur

Het selecteren van de juiste UTM voor een laboratorium- of productieomgeving vereist het evalueren van specificaties die verder gaan dan het nominale draagvermogen. De volgende parameters zijn rechtstreeks van invloed op de meetnauwkeurigheid, de veelzijdigheid van de tests en het nut op de lange termijn:

Laadvermogen en krachtresolutie

Het nominale draagvermogen van de machine moet ruimschoots hoger zijn dan de maximale kracht die bij het testen wordt verwacht. Selecteer doorgaans een frame van 60-80% benutting in plaats van 100%, om nauwkeurigheid bij lagere belastingen te garanderen en overbelasting te voorkomen. De krachtresolutie (de kleinste meetbare krachttoename) is even belangrijk: een frame van 100 kN kan een resolutie hebben van slechts 1–10 N, wat onvoldoende is voor het testen van dunne films die breken bij 5–50 N. In dergelijke gevallen biedt een loadcel met een lagere capaciteit (bijv. 500 N) gemonteerd op een groter frame de nodige resolutie.

Snelheidsbereik kruiskop

Testnormen specificeren kruiskopsnelheden voor verschillende materialen en tests - ISO6892-1 voor metalen specificeert reksnelheden van 0,00025–0,0025 s⁻¹ in het elastische gebied, terwijl ISO 527 voor kunststoffen kruiskopsnelheden van 1–500 mm/min . Het snelheidsbereik van de machine moet aan alle toepasselijke normen voldoen. De meeste elektromechanische UTM's bieden snelheden van 0,001 mm/min tot 1.000 mm/min , dat de meeste quasi-statische testvereisten dekt.

Testruimte (daglicht)

De verticale afstand tussen de grepen bij maximale scheiding bepaalt de maximale monsterlengte die de machine kan verwerken. Voor trekproeven met een extensometer minimaal 400–600 mm daglicht is doorgaans nodig voor standaard metalen monsters volgens ISO 6892. Langere monsters (touw, kabel, wapening) vereisen horizontale machines of verticale frames met 1.500–3.000 mm daglicht .

Nauwkeurigheidsklasse en kalibratie

UTM-nauwkeurigheid is geclassificeerd volgens ISO 7500-1 (metalen) of ASTM E4 (VS). Klasse 0,5 geeft aan dat de machine de kracht naar binnen meet ±0,5% van de aangegeven waarde van 1% tot 100% van de capaciteit van de loadcel. Klasse 1 (±1%) is geschikt voor de meeste industriële kwaliteitscontroletoepassingen. Jaarlijkse kalibratie door een geaccrediteerd laboratorium is vereist om de traceerbare nauwkeurigheid te behouden voor testen volgens internationale normen.

Software voor controle en gegevensverzameling

Moderne UTM's worden beheerd via pc-gebaseerde software die de traversebeweging regelt, kracht- en verplaatsingsgegevens verkrijgt met bemonsteringsfrequenties die doorgaans afkomstig zijn van 10 Hz tot 2.500 Hz , berekent automatisch de materiaaleigenschappen en genereert testrapporten. De belangrijkste softwarevereisten zijn onder meer:

• Voorgeprogrammeerde testmethoden voor gangbare normen (ISO, ASTM, EN, DIN, GB)
• Automatische berekening van alle vereiste materiaaleigenschappen uit de ruwe datacurve
• Statistische analyse van meerdere monsters (gemiddelde, standaarddeviatie, min/max)
• Exporteren naar standaardformaten (CSV, Excel, PDF) en integratie met LIMS-systemen
• 21 CFR Part 11-naleving voor farmaceutische en medische apparatuurlaboratoria die elektronische dossiers en audittrails vereisen

Handvatten en bevestigingen: het raakvlak tussen machine en monster

Het gripsysteem is misschien wel de meest kritische factor bij het verkrijgen van geldige trekproefresultaten. Onjuist vastgrijpen veroorzaakt slippen van het monster (te weinig gerapporteerde sterkte) of voortijdig falen van de gripinterface (waardoor de breukgegevens ongeldig worden). Een UTM is slechts zo goed als zijn armatuur voor het specifieke exemplaar dat wordt getest.

Veel voorkomende griptypen

• Wiggrepen (zelfspannend) — de meest gebruikelijke greep voor platte en ronde metalen, kunststof en composietmonsters; de grijpkracht neemt toe naarmate de trekbelasting toeneemt; geschikt voor ladingen van 1 kN tot 600 kN ; verkrijgbaar in pneumatische, hydraulische en handmatige versies
• Pneumatische grepen — luchtdruk sluit de kaken met een gecontroleerde en consistente klemkracht; voorkeur voor zachte materialen (rubber, schuim, textiel) waar handmatig vastdraaien schade zou veroorzaken; nauwkeurig en herhaalbaar tussen monsters
• Pin- en gaffelgrepen — voor het testen van monsters met gaten (boutverbindingen, kettingschakels, draadstangen, veiligheidsharnasbanden); belasting wordt uitgeoefend via een pen in plaats van door oppervlaktewrijving
• Kaapstandergrepen (bolder). — voor draden, garens en vezels die door vastklemmen beschadigd zouden raken; het monster wordt rond een trommel gewikkeld, waarbij gebruik wordt gemaakt van wrijving om de grijpkracht geleidelijk te ontwikkelen
• Compressieplaten — platte platen van gehard staal voor compressietests van kubussen, cilinders en schijven; moet bolvormig zijn geplaatst om tegemoet te komen aan het niet-parallelisme van kleine exemplaren

Belangrijke internationale normen voor universele trekproeven

Materiaaltesten moeten de gepubliceerde normen volgen die de geometrie van het monster, de testsnelheid, de omgevingsomstandigheden en de berekeningsmethoden definiëren. Het gebruik van de juiste standaard voor het materiaal en de toepassing is verplicht om de resultaten zinvol en vergelijkbaar te maken en te voldoen aan de materiaalspecificaties of wettelijke vereisten.

UTM versus speciale trekbank: wanneer moet u ze kiezen?

Een toegewijd trekbank is geoptimaliseerd voor een enkel testtype (meestal alleen spanning) met een eenvoudiger ontwerp, lagere kosten en soms een hogere doorvoer voor testomgevingen met grote volumes voor één materiaal. Een universele testmachine kost meer, maar biedt de flexibiliteit om meerdere testtypen uit te voeren naarmate de laboratoriumbehoeften evolueren.

• Kies een speciale trekbank wanneer: het laboratorium een enkel materiaaltype met een hoog volume test (bijvoorbeeld inspectie van inkomende draad in een draadtrekfabriek), het budget beperkt is en er geen andere testtypen worden verwacht
• Kies voor een universele testmachine wanneer: het laboratorium meerdere materiaalsoorten test of meerdere testtypen uitvoert (trek, druk, buiging, afpellen); de materiaalmix kan in de loop van de tijd veranderen; of onderzoeks- en ontwikkelingstests vereisen flexibiliteit in de testconfiguratie

Voor de meeste industriële kwaliteitscontrole- en R&D-laboratoria is de UTM de juiste keuze. De extra kosten ten opzichte van een speciale trekbank worden doorgaans binnen enkele maanden terugverdiend doordat er geen aparte apparatuur hoeft te worden aangeschaft voor compressie-, buig- of adhesietests.

Accessoires voor omgevings- en temperatuurtesten

Veel materialen gedragen zich heel anders bij andere temperaturen dan de omgevingstemperatuur: polymeren worden bros bij lage temperaturen, metalen kruipen bij hogere temperaturen en lijmen kunnen bij hitte zacht worden. Universele testmachines kunnen worden uitgerust met klimaatkamers om de testmogelijkheden uit te breiden naar gecontroleerde temperatuur- en vochtigheidsomstandigheden.

• Omgevingskamers (temperatuur) — monteren rond de testzone van de UTM; typisch bereik −70°C tot 350°C ; maken trek-, compressie- en buigtesten mogelijk bij niet-omgevingstemperaturen volgens normen zoals ISO 6892-2 (metaaltrekproeven bij verhoogde temperatuur)
• Vochtigheidskamers — controle van de relatieve vochtigheid van 10% tot 98% RV gelijktijdig met temperatuur; gebruikt voor het testen van hygroscopische materialen (nylon, papier, hout) en kwalificerende producten voor tropische of gekoelde omgevingen
• Vloeibare badarmaturen — dompel het monster tijdens het testen onder in vloeistof (water, olie, chemische oplossingen); gebruikt voor de kwalificatie van afdichtingen, O-ringen en materialen in de chemische dienst
• Cryogene grepen — tests in vloeibare stikstof toestaan ( −196°C ) voor ruimtevaartmaterialen, supergeleiderdraden en structurele toepassingen bij lage temperaturen