Festigkeitsprüfung erklärt: Materialgrenzen für kritische Bauteile messen

Materialfestigkeits- und Oberflächenprüfung untersucht die Grenzen entscheidender Bauteile, die in kritischen Produkten eingesetzt werden. Hier erfahren Sie, was Sie über die Bewertung der Grenzen von Materialfestigkeit und -konstruktion wissen müssen – so wichtig für die Integrität vieler Produkte.

Wenn Sie schon einmal um Hilfe beim Öffnen eines Gurkenglases gebeten haben, hat das Abfüllunternehmen wahrscheinlich nie mit Mark Fridman gesprochen. Dasselbe gilt für die Tüte Chips, die Sie letzte Woche aufrissen, nur um zu sehen, wie sie sich quer durch den Pausenraum verteilten, als die Naht aufging. Oder das Aspirin, dessen Flasche einen kindersicheren Verschluss bewirbt, der treffender „menschenresistent“ hieße.

Fridman ist Präsident der Mark-10 Corp. in Copiague, New York. Er hat einen spannenden Job. Sein Unternehmen fertigt Prüfgeräte, die versuchen, verschiedene Fertigprodukte zu reißen, zu durchstechen, zu schälen, zu zerdrücken und anderweitig zu zerstören. Viele davon sind Konsumgüter wie die oben genannten. Doch Fridman und das Mark-10-Team sind besonders entscheidend für die Automobil-, Luft‑ und Raumfahrt- sowie Medizintechnikindustrie, wo Produktsicherheit oberste Priorität hat.

Kraftvolle Bestimmungen

Es geht nicht nur um Zerstörung. Mark-10-Geräte können die Auslösekraft von Sicherheitsgurten, die Elastizität von Federn, das Drehmoment zum Eindrehen einer Knochenschraube und zahllose weitere Anwendungen messen.

„Die Nutzbarkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit dieser und anderer gefertigter Objekte kann durch einen Kraft- oder Drehmomentwert quantifiziert werden“, sagt Fridman. „Ob Medizintechnik, Verpackungsmaterialien oder Luftfahrtkomponenten – viele Dinge, die wir täglich nutzen, müssen dieser Art physikalischer Prüfung unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie die Qualitätskriterien des Kunden erfüllen.“

Typischerweise erfolgt die Prüfung in der Fertigungsstätte dieser Objekte, oft direkt auf der Produktionslinie. Zu den mechanischen Festigkeitsprüfkomponenten, die Mark-10 anbietet, gehören:

• Kraftmessgeräte erfassen Zug- und Druckkräfte (Ziehen und Drücken) in Prüfanwendungen – die hantelförmigen Prüfproben, mit denen viele Werkstätten vertraut sind, würden auf einem solchen Gerät auseinandergezogen.
• Drehmomentmessgeräte messen im oder gegen den Uhrzeigersinn wirkende Kräfte, wie sie an Gewindeverbindungen, Knöpfen und Drehreglern oder dem genannten Gurkenglasdeckel auftreten.
• Reibungskoeffizienten-Messgeräte (COF) messen die statischen und kinetischen Kräfte, die entstehen, wenn ein „Schlitten“ (ein kleines Metallpad) über ein Zielmaterial gezogen wird.
• Drahtzugprüfgeräte messen die Abzugskraft für gecrimpte elektrische Anschlüsse, Rohrenden und Drahtverbinder.

Viele davon sind als Hand- und Tischgeräte erhältlich und werden oft in Verbindung mit manuellen oder motorisierten Prüfständen, verschiedenen Spannvorrichtungen und Aufsätzen sowie Software zur Auswertung der Testergebnisse eingesetzt.

„Viele unserer Kunden, besonders in Luftfahrt, Automobil und Medizintechnik, müssen bestimmte ISO-, SAE- oder ASTM-Normen erfüllen“, sagt Fridman. „Es gibt auch branchenspezifische Normen sowie solche, die Hersteller intern entwickeln, um sicherzustellen, dass ihre Produkte im Feld nicht versagen. Ein Maschinenbaubetrieb, der Montagedienstleistungen anbietet, könnte beispielsweise eine unserer Einheiten kaufen, um die Federkraft eines Hebels oder die Kraft zum Schließen einer Tür zu prüfen. Die Prüfung ist sehr anwendungsbezogen, die Anwendungen fast zu zahlreich, um sie zu zählen.“

Oberflächen engineering

Pat Nugent interessiert sich ebenfalls für Produktqualität, allerdings auf für die meisten Werkstätten bekanntere Weise. Als Vice President of Product Management bei Mahr Inc. in Providence, Rhode Island, verantwortet er das breite Messtechnik-Portfolio des Unternehmens, einschließlich Geräte zur Messung von Oberflächenrauheit, Rundheit und Form. Er erklärt, dass die Ausrüstung zur Quantifizierung der Rauheit vor Jahrzehnten entwickelt wurde, als die Zerspanung noch über Nocken und Handkurbeln erfolgte. Zudem beeinflussen diese antiken Methoden die heutigen Rauheitsstandards noch immer.

„Die ersten Profilometer waren nicht viel anders als ein altmodischer Plattenspieler, nur dass die Nadel auf und ab statt seitwärts bewegt wurde“, sagt Nugent. „Diese frühen analogen Geräte nutzten eine mathematische Berechnung namens Rq, eine Art quadratischer Mittelwert, um die Oberflächenrauheit zu bestimmen. Heute sind die meisten Werkstätten – zumindest hier in den USA – eher mit Ra, der arithmetischen Mittelrauheit, vertraut.“

Nugent fügt hinzu, dass in anderen Teilen der Welt meist der Rz-Standard verwendet wird – der durchschnittliche Spitzen-Tal-Unterschied über fünf aufeinanderfolgende Messlängen. Er weist jedoch schnell darauf hin, dass es rund hundert Oberflächenmessparameter und -standards gibt und Hersteller oft verwirrt sind, welchen sie verwenden sollen und warum.

„Als die Industrie ins digitale Zeitalter eintrat und Messgeräte leistungsfähiger wurden, fanden Menschen heraus, wie man verschiedene Oberflächenprofile erfassen und nutzen kann, um Teilequalität zu quantifizieren“, sagt er. „Denken Sie an die Bohrung eines Motorzylinders. Ein Hersteller wird die Oberfläche typischerweise vorkonturieren, dann mit einer Feinhon- oder Schleifoperation nacharbeiten, die die Spitzen abträgt, aber die Täler belässt. Wenn sie diese Prozesse präzise genug messen und steuern können, entsteht eine Art engineered surface, die optimale Verschleiß- und Schmiereigenschaften bietet.“

Rauheit und Welligkeit

Die gute Nachricht hinter all dieser Komplexität: Moderne Messgeräte wie die von Mahr können problemlos zwischen den auf der Zeichnung geforderten Rauheitsstandards umschalten. Sie können auch Welligkeit messen, die Hand in Hand mit Rauheit geht.

Sagt Nugent: „Ich sage Leuten, sie sollen an einen Holztisch denken, auf dem ein schweres Objekt lag. Die Wölbung in der Mitte kann als Welligkeit betrachtet werden, während die Maserung, die man mit den Fingernägeln spürt, die Oberflächenrauheit ist.“

Es ist wichtig zu erkennen, dass Oberflächenrauheit und Welligkeit zweidimensionale Messungen sind. Nimmt man eine Reihe solcher Messungen mit fortschrittlicher Optik wie in verschiedenen Mahr-Produkten vor, lassen sich detaillierte dreidimensionale Ansichten eines zerspanenen, gegossenen, umgeformten oder gedruckten Objekts erhalten.

Das führt zurück zu Nugents früherer Aussage über engineered surfaces – die Fähigkeit, Fertigungsprozesse auf mikroskopischer Ebene zu messen und damit zu steuern, kann zu tiefgreifenden Verbesserungen im Verhalten des fertigen Objekts führen und Chancen eröffnen wie verbesserte Knochenintegration bei orthopädischen Implantaten oder die Schaffung von Oberflächen, die denen der organischen Welt näher kommen.

Welche Hindernisse sind Ihnen bei der Messung der Materialfestigkeit begegnet? Wie haben Sie sie überwunden? Welche Tipps können Sie teilen?