Univerzális tesztelőgép vs kompressziós tesztelőgép magyarázata

A Univerzális tesztelőgép (UTM) egyetlen platformon végez húzó-, nyomó-, hajlítási, nyírási és leválasztási teszteket – kompresszióvizsgáló gép csak nyomóterhelést végez. Az UTM a képességesebb és drágább műszer: kétoszlopos vagy négyoszlopos kerete, kétirányú működtetője és cserélhető markolatrendszere lehetővé teszi az erőirány megfordítását, és gyakorlatilag bármilyen tesztgeometriát alkalmaz. A kompresszióvizsgáló gépet kizárólag lefelé nyomó terhelésre tervezték – nincs benne húzóerő kifejtésére szolgáló mechanizmus, így olcsóbb, egyszerűbb a működése, és alkalmasabb nagy volumenű tömörítés-specifikus vizsgálatokra, mint például betonkocka-vizsgálat, téglavizsgálat és csomagolás-sűrítés. Ha az Ön laboratóriuma a nyomás mellett feszítésben vagy hajlításban is vizsgálja az anyagokat, az UTM a megfelelő választás. Ha a munkája kizárólag nyomó – különösen nagy terhelésű szerkezeti anyagok, például beton és falazat –, egy erre a célra szolgáló kompressziós teszter jobb értéket és gyakran nagyobb erőkapacitást biztosít dolláronként.

Alapvető tervezési különbségek: mire készültek az egyes gépek

Univerzális tesztelőgép architektúra

Az UTM egy szerkezeti keret – jellemzően két vagy négy teherhordó oszlop – köré épül, amely egy rögzített keresztfejet és egy mozgatható keresztfejet támaszt meg a tetején, amelyet vezércsavarok, hidraulikus hengerek vagy szíj-tárcsás rendszer hajt meg. Az aktuátor kétirányú: a keresztfejet egyenlő erőkapacitás mellett felfelé (feszítés) és lefelé (kompresszió) is tudja mozgatni. Az erőmérő cella az aktuátor és a fogantyúk közé egy vonalban van felszerelve, és mindkét irányban méri az erőt. Ez a szimmetrikus, kétirányú kialakítás az, ami a gépet "univerzálissá" teszi.

A keresztfejek közötti teszttér mindkét oldalról hozzáférhető, lehetővé téve a hosszú minták axiális terhelését. A felső és az alsó fogantyúk vagy rögzítőelemek felcserélhetők – ugyanaz a gép képes 6 mm-es huzalt húzó markolatba tartani, habtömböt összenyomni a lapos lemezek közé, vagy egy gerendát meghajlítani hárompontos hajlítószerelvényeken, egyszerűen a szerszámok felcserélésével. Az UTM-ek tartománya 100 N asztali egységek csomagoláshoz és fóliához 2000 kN-ig padlón álló gépek szerkezeti acélhoz és betonhoz .

Tömörítésvizsgáló gép felépítése

A kompresszióvizsgáló gép (CTM) – más néven betonkompressziós teszter vagy kockaprés – egy merev alapkeretből, egy rögzített alsó lapból és egy hidraulikus emelővel vagy elektromechanikus működtetővel lefelé hajtott felső lapból áll. A töltési irány egyirányú: a felső lap leereszkedik, és a minta a két lap közé zúzódik. Nincs olyan mechanizmus, amely megfordítja az aktuátort és felfelé feszítő erőt fejt ki.

A CTM-eket merev mintákon végzett nagy erejű nyomóvizsgálatokhoz optimalizálták. Mivel a keretnek csak a nyomó reakcióerőknek kell ellenállnia (nem húzónak), ezért rövidebb, tömörebb szerkezettel is elkészíthető, amely eredendően merevebb – ez kritikus a pontos méréshez a robbanásszerűen törő rideg anyagok tesztelésekor. A betonvizsgálatokhoz használt szabványos CTM-ek tartománya tól 1000 kN és 3000 kN között , speciális gépekkel elérve 5000 kN (500 tonna) kőzetekhez és nagyméretű sódermintához. Ezek az erőszintek ritkán állnak rendelkezésre azonos árú UTM-ekben.

Teszttípusok: Mire képes az egyes gép és mit nem

Erőtartomány és keretmerevség: Ahol a gépek eltérnek egymástól

Az erőtartomány az egyik legélesebb különbség a két géptípus között a gyakorlatban. Az általános anyagvizsgáló laboratóriumokat kiszolgáló UTM-eket leggyakrabban a 5 kN és 600 kN között tartományban. A szerkezeti acél szakítóvizsgálatára alkalmas 600 kN-os UTM lényegesen többe kerül, mint egy betonvizsgáló laboratóriumot kiszolgáló 3000 kN-os kompressziós teszter – mivel az UTM kétirányú kerete, precíziós szervovezérlése és extenzométer interfésze jelentős költségekkel jár, amelyekre egy hidraulikus CTM-nek nincs szüksége.

A keret merevsége egy másik kritikus paraméter. Amikor egy törékeny minta, például egy betonkocka robbanásszerűen eltörik, a megfelelő (alacsony merevségű) keretben tárolt energia hirtelen felszabadul, és a minta a természetes törési pontján túl tovább zúzódik, és mesterségesen alacsony szilárdsági értékeket produkál. Az EN 12390-4 és az ASTM C39 minimális keretmerevségi követelményeket ír elő a betonnyomás-vizsgálatokhoz — jellemzően maximális terhelés melletti elhajlási határértékként fejezik ki. A dedikált CTM-eket kifejezetten úgy tervezték, hogy megfeleljenek ezeknek a merevségi követelményeknek. Sok általános célú UTM-nek, különösen az elektromechanikus csavarhajtású modelleknek nincs kellő merevsége a vázszerkezetnek a pontos betonnyomás-vizsgálathoz nagy terhelés mellett.

Működtetőrendszerek: elektromechanikus vs. hidraulikus

Mind az UTM-ek, mind a kompresszióvizsgáló gépek elérhetők elektromechanikus (EM) és hidraulikus változatban, de a tipikus konfigurációk eltérnek a két műszertípus között.

Elektromechanikus UTM-ek

A legtöbb 600 kN alatti laboratóriumi UTM elektromechanikus: egy elektromos szervomotor vezércsavarokat vagy golyóscsavarokat hajt meg a keresztfej mozgatásához. Ez biztosítja pontos keresztfej elmozdulás szabályozás — ±0,1 mm vagy jobb pozíciópontosság — és állandó keresztfejsebesség 0,001 mm/perc és 1000 mm/perc között a teljes terhelési tartományban. Az EM hajtás tisztább (nincs hidraulikaolaj), csendesebb, és kevesebb rutin karbantartást igényel, mint a hidraulikus rendszerek. A korlátozás a maximális erő: a 600 kN feletti ólomcsavaros UTM-ek nagyon nagyok, lassúak és drágák lesznek.

Hidraulikus UTM-ek és kompressziótesztelők

600 kN felett a hidraulikus működtetés dominál mind az UTM-eknél, mind a CTM-eknél. A hidraulikus szivattyú nyomás alá helyezi az olajat a dugattyú/henger mozgatásához. Ez nagyon nagy erőket hoz létre egy kompakt hajtóműben – hidraulikus munkahenger generál 2000 kN elfér egy nagyjából 250 mm átmérőjű hengerben . A hidraulikus rendszerek kiváló erőszabályozást biztosítanak a terhelésvezérelt vizsgálatokhoz (a betonvizsgálatok szabványa, ahol a terhelési sebesség kN/s-ban van megadva az elmozdulás helyett). Hátránya, hogy a helyzetszabályozás kevésbé pontos, mint az elektromechanikus, az olajat időszakos cserére és szivárgáskezelésre van szükség, valamint a szivattyú hőt és zajt termel.

A kifáradási és dinamikus teszteléshez használt szervo-hidraulikus UTM-ek a hidraulikus erőkapacitást a zárt hurkú szervovezérléssel kombinálják az erő és az elmozdulás tekintetében. Ezek speciális, magas költségű műszerek, amelyeket általában kutatási és repülőgép-tesztelési környezetekben találnak meg, nem pedig rutin minőség-ellenőrző laboratóriumokban.

Markolat- és rögzítőrendszerek: sokoldalúság vs. egyszerűség

Az UTM sokoldalúsága nagyrészt a berendezési ökoszisztémájának köszönhető. A gép keresztfejei menetes vagy kapcsos rögzítési pontokkal rendelkeznek, amelyek cserélhető markolatokat és rögzítéseket fogadnak:

• Ékhatású húzó fogantyúk — önfeszítő pofák, amelyek a lapos vagy kerek mintákat megfogják; kapható sima pofával (puha anyagokhoz) vagy fogazott pofával (kemény anyagokhoz); a leggyakoribb UTM kiegészítő
• Tömörítő lapok — lapos edzett acéllemezek blokkok, hengerek és próbatestek összenyomásához; ezek konvertálják az UTM-et egy tömörítés-tesztelővé nem konkrét alkalmazásokhoz
• Hárompontos és négypontos hajlított rögzítők — görgős támasztékok és terhelési orrok hajlítási vizsgálatokhoz; A fesztávolságok a vizsgálati szabványokban meghatározott mintaméretekhez igazíthatók
• Peel szerelvények — forgókaros vagy T-lehúzható rögzítőelemek a ragasztó- és filmleválasztási tesztekhez meghatározott szögekben (90°, 180°, T-lehúzás)
• Extenzométerek — csíptetős vagy érintésmentes eszközök, amelyek a minta nyúlását a keresztfej elmozdulásától függetlenül mérik, pontos alakváltozásmérést biztosítva a Young-modulus és a folyáshatár meghatározásához

Ezzel szemben a kompresszióvizsgáló gépnek általában csak egy rögzítési konfigurációja van: a felső és az alsó lemezek. Az EN 12390-4 szerinti beton CTM-ek a gömb alakú felső lap önszintező, hogy alkalmazkodjon a kisebb minták nem párhuzamosságához – ez kritikus pontossági jellemző a betonkocka-teszteknél. Egyes CTM-ek elfogadják az opcionális sugártesztelési készülékeket, de a rögzítési tartomány töredéke annak, amit az UTM támogat.

Mérés és vezérlés: terhelési cellák, extenzométerek és szoftverek

Terhelési cella pontossága és hatótávolsága

Az UTM-ek jellemzően cserélhető mérőcellákat használnak – a laboratóriumok rendelkezhetnek egy 1 kN-os cellával a film- és ragasztóanyag-teszthez, valamint egy 100 kN-os cellával a fémvizsgálatokhoz, mindegyik saját kalibrációval. A mérőcella pontossága kritikus: az ASTM E4 és az ISO 7500-1 előírja, hogy a vizsgálógép erő pontosságának tartományon belül kell lennie. a jelzett erő ±1%-a az erőmérő cellák kapacitásának 2%-tól 100%-ig terjedő tartományában. A legtöbb modern UTM mérőcella ezt eléri ±0,5% vagy jobb pontosság a névleges tartományban.

A betonhoz használt kompressziós vizsgálógépek az EN 12390-4 szerint kalibrált mérőcellákat vagy nyomásátalakítókat használnak, amelyek pontosságot igényelnek a kifejtett erő ±2%-a a maximális kapacitás 20%-tól 100%-áig terjedő tartományban. A szélesebb tűrés a betonminta geometriájában és a felület-előkészítésben rejlő változékonyságot tükrözi, ahol a 2%-nál nagyobb mérési pontosság gyakorlatilag nem értelmezhető.

Szoftver képességek

Az UTM-szoftver szükségszerűen összetettebb, mint a CTM-szoftver, mert többféle vizsgálati típust, nyúlásmérő-adatokból való nyúlásszámítást és az anyagtulajdonságok (Young-modulus, folyáshatár, szakítószilárdság, szakítószilárdság, törési szívósság) származtatását kell kezelnie. Az Instron (Bluehill), a Zwick/Roell (testXpert) és az MTS (TestSuite) vezető UTM szoftverplatformjai programozható vizsgálati módszereket, automatikus anyagtulajdonság-számítást, mintakötegek statisztikai jelentését és a LIMS-szel (laboratóriumi információkezelési rendszerekkel) való integrációt biztosítanak.

A betonhoz készült CTM szoftver tervezésénél fogva egyszerűbb: a kezelő megadja a minta keresztmetszeti méreteit, a gép a megadott sebességgel terheli (általában 0,5 ± 0,25 MPa/s az EN 12390-3 szerint ), rögzíti a törési csúcserőt, és kiszámítja a nyomószilárdságot az erő osztva a keresztmetszeti területtel. Az eredmény egyetlen szám MPa-ban vagy psi-ben – nincs feszültség-nyúlás elemzés, nincs modulusszámítás.

Átfogó egymás melletti összehasonlítás

Ipari alkalmazások: Ki melyik gépet használja

Elsősorban UTM-eket használó iparágak

• Fémek és gyártás – az acél, alumínium, réz és hegesztési varratok szakítóvizsgálata az ISO 6892 és az ASTM E8 szerint a leggyakoribb UTM alkalmazás világszerte; a folyáshatár, a szakítószilárdság és a nyúlás a szerkezeti anyagok kötelező minőségi paraméterei
• Műanyagok és polimerek — szakító-, hajlító- és nyomóvizsgálatok fröccsöntött részeken, fóliákon és szálakon az ISO 527, ISO 178 és ASTM D638 szerint; a gyógyszeripar UTM-eket használ a tabletta keménységére és a kapszula tömítési szilárdságára
• Textíliák és geotextíliák — a szövetek, fonalak és geomembrán bélések szakítószilárdsága és nyúlása; ragasztott textíliák hámlási és varrásszilárdsága
• Repülés és autóipar — szerkezeti elemek vizsgálata, kompozit laminátum húzó- és nyomószilárdsági vizsgálata, ragasztókötések vizsgálata, rögzítőelemek kihúzása; gyakran speciális szerelvényeket és környezeti kamrákat igényelnek (emelt hőmérsékletű, kriogén)
• Csomagolás — karton és hullámkarton összenyomása, film szakítószilárdsága, tömítés lehúzási szilárdsága, palack összetörése; A csomagolólaborokban lévő UTM-ek gyakran napi 50–100 tesztet hajtanak végre több teszttípuson

Elsősorban tömörítésvizsgáló gépeket használó iparágak

• Építőanyag-vizsgáló laboratóriumok — a betonkocka- és hengernyomás-vizsgálat a legelterjedtebb minőségellenőrzési vizsgálat az építőiparban; egy tipikus helyszíni laboratórium tesztelheti 50-200 betonkocka naponta , ami kritikussá teszi a CTM átviteli sebességét és egyszerűségét
• Cementgyártás — a cementhabarcs kockák nyomószilárdsága az EN 196-1 és az ASTM C109 szerint a cementgyártás elsődleges minőségi paramétere; dedikált habarcsvizsgáló CTM-ek folyamatosan futnak a cementgyár minőségi laboratóriumaiban
• Falazat és kerámia — téglák, blokkok, csempék és tűzálló kerámiák nyomószilárdsága az EN 772-1, ASTM C67 szerint; ezek a tesztek megkövetelik a dedikált CTM-ek nagy erőkapacitását és merev kereteit
• Kőzetmechanika és geotechnika — a kőzetmag minták egytengelyű nyomószilárdság (UCS) vizsgálata az ISRM és az ASTM D7012 szerint; a nagy határoló nyomású kőzetmintákhoz akár 5000 kN erővel rendelkező CTM-ekre van szükség

Mikor helyettesítheti az UTM a tömörítésmérőt (és mikor nem)

A kompressziós lapokkal rendelkező UTM ugyanazokat a teszteket tudja elvégezni, mint a fémek, műanyagok, habok és csomagolások dedikált kompressziótesztelője. A kérdés az, hogy alkalmas-e beton- és falazatvizsgálatra, ahol a legtöbb vásárlási döntés megdől.

Az UTM csak akkor alkalmas betonnyomás-vizsgálatra, ha:

• Erőteljesítménye lefedi a várható csúcsterhelést – egy 150 mm-es szabványos betonkocka A 30 MPa tervezési szilárdság körülbelül 675 kN csúcserőt igényel ; egy 200 mm-es kocka 1200 kN-t igényel; a legtöbb 1000 kN alatti UTM nem megfelelő a rutin betonkocka teszteléshez
• Keretmerevsége megfelel a vonatkozó szabvány (EN 12390-4 vagy ASTM C39) követelményeinek; ezt ellenőrizni kell a gyártóval, nem feltételezni
• Felső lapja a szabvány követelményeinek megfelelően gömb alakú ülőszerkezettel rendelkezik
• A kalibrálási jogosultság kifejezetten a tömörítési módra vonatkozik – az ISO 7500-1 szerint kalibrált UTM szakítóvizsgálatra nem felel meg automatikusan az EN 12390-4 szerinti betonnyomás-vizsgálatnak

Kis volumenű kutatási alkalmazásokhoz – alkalmankénti betonminta-vizsgálatok egyetemi laboratóriumban számos egyéb vizsgálati igény mellett – a nagy kapacitású UTM megfelelő kompressziós rögzítőelemekkel praktikus választás, amely elkerüli két gép vásárlását. Egy kereskedelmi betonvizsgáló laboratórium számára, amely naponta nagy mennyiségben működik, a A dedikált CTM költséghatékonyabb, gyorsabban működik és célirányosan kalibrált pontosan erre a munkára.

Kalibrálási, szabványok és akkreditációs követelmények

Mind az UTM-eket, mind a CTM-eket rendszeresen kalibrálnia kell egy akkreditált kalibráló szervezetnek az erő pontosságának ellenőrzése érdekében. Az alkalmazandó szabványok eltérőek:

• ISO 7500-1 / ASTM E4 — a vizsgálógépek erőmérő rendszerének kalibrálására vonatkozó nemzetközi és amerikai szabványok; pontossági osztályokat határoz meg (0.5 osztály = ±0.5%, 1. osztály = ±1%, 2. osztály = ±2%); vonatkozik az UTM-ekre és minden erőmérő műszerre
• EN 12390-4 — kifejezetten a betonhoz használt nyomásvizsgáló gépekre vonatkozik; megköveteli a nyomólap síkságának és keménységének, a gömbölyű illeszkedés funkciójának és a terhelés kijuttatási sebességének pontosságának ellenőrzését az erőpontosság mellett; az EN 12390-3 szerint betont vizsgáló laboratóriumoknak kifejezetten ehhez a szabványhoz kell kalibrálniuk CTM-jüket
• Kalibrálási frekvencia — Az ISO/IEC 17025 szerint akkreditált laboratóriumok általában évente kalibrálnak; a nagy igénybevételt jelentő vagy nagy következményekkel járó tesztelési környezetek (nukleáris, repülőgépipari) féléves kalibrálást igényelhetnek; a kalibrálásnak mindig minden jelentős gépjavítást, áthelyezést vagy feltételezett túlterhelési eseményt kell követnie

Az ISO/IEC 17025 laboratóriumi akkreditáció esetén az akkreditáció hatálya meghatározza, hogy mely vizsgálatokra és erőtartományokra terjed ki. A fémek UTM-mel végzett szakítószilárdsági vizsgálatára akkreditált laboratórium nem kap automatikusan akkreditációt az ugyanazon géppel végzett betonnyomás-vizsgálatra – a vizsgálati módszereket, szabványokat és kalibrációs követelményeket egymástól függetlenül értékelik.

Döntési útmutató: Melyik gépet vásárolja meg

A következő kritériumok alapján határozza meg, hogy melyik műszer felel meg az Ön vizsgálati követelményeinek:

1. Szüksége van szakítóvizsgálatra? Ha igen – fémek, műanyagok, textíliák, fóliák vagy ragasztók esetében – az UTM kötelező. A csak kompressziós gépek semmilyen konfigurációban nem végezhetnek szakítóvizsgálatot.
2. Elsődleges munkája beton, falazás vagy sziklatömörítés? Ha igen, és a szükséges erő meghaladja a 600 kN-t, egy dedikált CTM nagyobb erőkapacitást biztosít alacsonyabb költségek mellett, és kifejezetten ezekhez az anyagokhoz tervezték és kalibrálták.
3. Mekkora a teszt mennyisége? A nagy volumenű betontesztek (napi 50 minta) a dedikált CTM egyszerűbb működésének és a gyorsabb ciklusidőnek köszönhető. A kutatás vagy a kis mennyiségű tesztelés indokolja egy olyan UTM költségét, amely többféle teszttípust is kiszolgálhat.
4. Mennyi a költségvetése? Az egyenértékű nyomóerő-kapacitásért a CTM általában költséges 30-50%-kal kevesebb mint egy UTM. Ha a teszt hatóköre kizárólag tömörítő, akkor nem indokolt többet költeni a soha nem használt UTM-képességre.
5. Extenzométer adatokra vagy feszültség-nyúlás görbékre van szüksége? Ha az anyagtulajdonságok jellemzésére (modulus, folyáshatár, törési energia) van szükség, akkor extenzométerrel ellátott UTM szükséges. A CTM-ek csak csúcserőt és nyomószilárdságot produkálnak, folyamatos erő-elmozdulás vagy feszültség-nyúlás adatokat nem.
6. Változik-e a teszt hatóköre idővel? Ha laboratóriuma új anyagtípusok tesztelését vagy új piacokra lépést tervez, az UTM sokoldalúsága befektetési védelmet biztosít. A CTM-vásárlás kötelezettséget jelent az élettartama alatti kompressziós tesztelésre.