Spezielle Lösungen für Forschung und Entwicklung

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Neben kundenspezifischen Lösungen, die Zwick in Zusammenarbeit mit den jeweiligen Instituten entwickelt, hat Zwick auch viele standardisierte Lösungen, die speziell in der Forschung Anwendung finden, im Programm. Ein zentrales Anliegen der Wissenschaftler an eine Materialprüfmaschine ist deren Flexibilität. Im Forschungsalltag treten immer wieder neue Prüfanforderungen auf, die - wenn möglich - mit dem bestehenden Maschinenpark geprüft werden sollen.

Schnittstellen an das System sind dabei von besonderer Bedeutung. Zum einen kommt immer wieder neue Sensorik zum Einsatz, die zusammen mit den Messsignalen der Maschine erfasst werden sollen. Auf der anderen Seite müssen die gewonnenen Daten einfach weiterverarbeitet werden können. Sei es direkt in der Software testXpert II oder durch einfachen Export in weiterführende Auswertesoftware.

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1. Integration von Dehnungsmessstreifen (DMS)

Grundsätzlich ist es eine elementare messtechnische Notwendigkeit sämtliche Signale, sei es die Kraft oder die Verformung, aber auch die Dehnung mit einem DMS zeitsynchron aufzuzeichnen.  

Für die Verwendung von Dehnungsmessstreifen bietet Zwick grundsätzlich 2 Varianten an.

Direkte Anbindung an die Mess-, Steuer- und Regelelektronik testControl

 Dazu wird über eine externe Anschaltbox die Weatstone’sche Brückenergänzung realisiert, die unterschiedliche DMS Typen (120Ω, 350Ω, etc…) an das Prüfsystem anbindet. In dieser Anschaltung kann ein applizierter DMS per 4- oder 6-Leitertechnik angeschlossen werden. Ebenfalls ist eine Temperaturkompensation möglich. Je nachdem wie testControl ausgestattet ist, können bis zu 4 DMS Kanäle eingebunden werden.

Alle Kanäle werden zeitsynchron auf testControl erfasst und können auch für dehnungsgeregelte Versuche verwendet werden. Mit den Möglichkeiten von testXpert II und testControl lassen sich auch alle Kanäle verformeln und so z. B. auch auf dem Mittelwert aus 4 DMS geregelt werden.

Mit der neuen Buserweiterung zu testControl können jederzeit 6, 12 oder mehr DMS Messstellen so integriert werden.

Anbindung über HBM Messverstärker

 Dazu wird über eine externe Anschaltbox die Weatstone’sche Brückenergänzung realisiert, die unterschiedliche DMS Typen (120Ω, 350Ω, etc…) an das Prüfsystem anbindet. In dieser Anschaltung kann ein applizierter DMS per 4- oder 6-Leitertechnik angeschlossen werden. Ebenfalls ist eine Temperaturkompensation möglich. Je nachdem wie testControl ausgestattet ist, können bis zu 4 DMS Kanäle eingebunden werden.

Alle Kanäle werden zeitsynchron auf testControl erfasst und können auch für dehnungsgeregelte Versuche verwendet werden. Mit den Möglichkeiten von testXpert II und testControl lassen sich auch alle Kanäle verformeln und so z. B. auch auf dem Mittelwert aus 4 DMS geregelt werden.

Mit der neuen Buserweiterung zu testControl können jederzeit 6, 12 oder mehr DMS Messstellen so integriert werden.

4. Zeitstandversuche und zyklische Eigenschaften

Neben den reinen Hochtemperaturzugeigenschaften sind z. B. in der Kraftwerkstechnologie weitere mechanische Eigenschaften von großer Bedeutung, die jeweils auch unter erhöhter Temperatur bestimmt werden müssen. Neben der reinen Hochtemperaturfestigkeit ist vor allem die geänderte Fahrweise vieler Kraftwerke bedingt durch die schwankende Einspeisung von Wind- und Sonnenkraftwerken ein Faktor, der besondere Anforderungen an die Werkstoffe bedingt.

So müssen viele Kraftwerke flexibel hoch und wieder runter gefahren werden können und das in teilweise sehr kurzen Intervallen. Dies führt zu einer zusätzlichen thermischen (TMF) Belastung der Materialien, die sich bei jedem An- und Abfahren thermisch ausdehnen und so einen Einfluss auf die Lebensdauer der Anlage haben. Im 20.ten Jahrhundert sind die meisten Kraftwerke nicht auf so eine Belastung ausgelegt worden und müssen im Nachhinein neu berechnet und auch entsprechend umgerüstet werden.

Bei allen Dampfkraftwerken, aber ganz speziell bei den A-USC Kraftwerken, die bei Temperaturen von bis zu 760 °C und Dampfdrücken bis zu 380 bar betrieben werden, spielt die Korrosion der Materialien eine weitere Rolle. Hierbei werden die jeweiligen Reaktionen (Relaxation oder Retardation) der Werkstoffe auf konstante Dehnung oder Spannung über längere Zeiträume beobachtet bei jeweils erhöhten Temperaturen. Das Ganze kann dann auch zyklisch (Creep Fatigue) geschehen.

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5. Low Cycle Fatigue (LCF-Versuche)

Beim Low Cycle Fatigue Versuch wird das Material bei einer bestimmten (meist erhöhten) Temperatur zyklisch jeweils bis zu einer geringen plastischen Verformung hin belastet. Die Probe (Material) hält bei dieser Belastungsart nur wenige tausend Lastwechsel aus. Die Prüfmaschine beziehungsweise der Regler der Maschine ist dabei besonders gefordert, da sich beim Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung die Steifigkeit der Probe dramatisch ändert und daher der Regler sehr schnell reagieren muss um z. B. eine konstante Dehnungszunahmegeschwindigkeit zu garantieren.
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6. Thermomechanische Ermüdung (thermo mechanical fatigue ) TMF

Die thermomechanische Ermüdung (TMF) ist die Simulation der mechanischen Belastung bedingt durch thermische Ausdehnung des Materials. In einem Kraftwerk (aber auch in jeder Wärmekraftmaschine) findet dies bei jedem Start oder Stopp der Anlage statt. Beim Start erwärmen sich alle Komponenten von Raumtemperatur auf Betriebstemperatur, was mit einer Ausdehnung des Materials einhergeht. Diese Ausdehnung erzeugt eine Spannung im Material, die genau bekannt sein muss um eine Schädigung von Bauteilen zu vermeiden.

Bei der thermomechanischen Ermüdung wird nun eine Probe zyklisch erwärmt und die Prüfmaschine überlagert in gleicher oder entgegengesetzter Phase eine mechanische Dehnung.

7. High Cycle Fatigue (HCF)

Im High Cycle Fatigue Test werden im Gegensatz zum LCF Versuch die Lastwechsel nur im linear-elastischen Bereich des Materials gefahren. Eine Hauptanwendung ist die Bestimmung der Dauerfestigkeit eines Materials oder Bauteils. Diese Dauerfestigkeitsbestimmung wird meistens mit Hilfe einer Wöhler-Kurve (s/n Kurve) ermittelt, bei der mit verschiedenen Spannungs- oder Dehnungsamplituden solange die Probe belastet, bis diese versagt. Dabei wird die Wöhler-Kurve mit konstanten, die Gaßner-Kurve mit variablen Amplituden bestimmt.

Auch diese Bemessungskennlinien werden bei verschiedenen Temperaturen ermittelt.

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8. Instrumentierte Nano- bis Makrohärte

Die instrumentierte Eindringtiefenmessung wird schon länger in der Forschung eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften sehr dünner Schichten oder Beschichtungen zu bestimmen. Durch eine Kraft-Eindringtiefenmessung kann sowohl die Härte (Martens) als auch die elastischen und plastischen Eigenschaften bestimmt werden.

Als Faustregel zur Bestimmung der Schichteigenschaften sollte der Eindringkörper (Vickers oder Berkowitch) maximal nur 10 % der Schichtdicke in diese eindringen. Das UNAT System von Zwick kann zwischen 10 nm und 30 µm, das ZHU/Zwicki System oberhalb 6 µm Eindringtiefe eingesetzt werden. Damit kann Zwick den gesamten Bereich der Nano-, Mikro- bis zur Makrohärte abdecken.

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Weichroboter ahmt Raupenbewegung nach

Eine Zwick Prüfmaschine unterstützt Forscher bei der Entwicklung von Silikonmaterial für komplexe Weichkörperroboter. Forscher an der Tufts Universität in den USA setzen eine biaxiale Prüfmaschine von Zwick ein, um biologische und technisch biocompatible Materialien zur Entwicklung des ersten Weichkörperroboters der Welt zu prüfen. Basierend auf dem neuromechanischen System der Raupe (Manduca sexta) ist der „Softbot“ Prototyp etwa 30 cm lang and besteht aus Silikon-Elastomer.
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