Festigkeitsprüfung verstehen:Die Grenzen wichtiger Materialien und Teile messen

Materialfestigkeits- und Oberflächenprüfungen untersuchen die Grenzen wichtiger Teile, die in kritischen Produkten verwendet werden. Hier ist, was Sie über die Beurteilung der Grenzen von Materialfestigkeit und Konstruktion wissen müssen, die für die Integrität vieler Produkte so wichtig sind.

Wenn Sie jemals beim Öffnen eines Gurkenglases um Hilfe gebeten haben, ist es wahrscheinlich, dass die Abfüllfirma nie mit Mark Fridman gesprochen hat. Dasselbe gilt für die Tüte Kartoffelchips, die Sie letzte Woche aufgerissen haben, nur um zu sehen, wie sie durch den Pausenraum geflogen sind, als die Naht in der Mitte gerissen ist. Oder das Aspirin, das Sie brauchten, dessen Flasche mit einem kindergesicherten Verschluss wirbt, der genauer als menschenresistent bezeichnet werden müsste.

Fridman ist Präsident der Mark-10 Corp. in Copiague, New York. Er hat einen lustigen Job. Sein Unternehmen stellt Testgeräte her, die versuchen, verschiedene hergestellte Produkte zu zerreißen, zu durchstechen, zu schälen, zu zerquetschen und auf andere Weise zu zerstören. Viele davon sind Konsumgüter wie die oben beschriebenen. Aber Fridman und das Mark-10-Team sind besonders wichtig für die Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Medizinindustrie, wo die Produktsicherheit von größter Bedeutung ist.

Kraftvolle Feststellungen

Es geht nicht nur um Zerstörung. Mark-10-Geräte können die Auslösekraft des Sicherheitsgurts, die Federelastizität, das zum Eintreiben einer Knochenschraube erforderliche Drehmoment und unzählige andere ähnliche Anwendungen messen.
 

"Die Verwendbarkeit, Zuverlässigkeit und Haltbarkeit dieser und anderer hergestellter Objekte kann durch einen Kraft- oder Drehmomentwert quantifiziert werden", sagt Fridman. „Ob es sich also um medizinische Geräte, Verpackungsmaterialien oder Luft- und Raumfahrtkomponenten handelt, viele der Dinge, die wir täglich verwenden, müssen dieser Art von physikalischen Tests unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie die Qualitätskriterien des Kunden erfüllen.“

Typischerweise findet das Testen in der Einrichtung statt, in der diese Objekte hergestellt werden, und häufig auf der Produktionslinie selbst. Zu den von Mark-10 angebotenen Komponenten für mechanische Festigkeitsprüfungen gehören:

• Kraftmesser werden verwendet, um Zug- und Druckkräfte (Zug- und Druckkräfte) in Testanwendungen zu erfassen – die hantelförmigen Testcoupons, mit denen viele Werkstätten vertraut sind, würden auf einem solchen Gerät auseinandergezogen.
• Drehmomentmessgeräte messen Kräfte im oder gegen den Uhrzeigersinn, wie sie beispielsweise auf Gewindebefestigungen, Knöpfe und Zifferblätter oder den gerade erwähnten Deckel des Gurkenglases ausgeübt werden.
• Reibungskoeffizientenmessgeräte (COF) messen die statischen und kinetischen Kräfte, die beim Ziehen eines „Schlittens“ (eines kleinen Metallkissens) über ein Zielmaterial erzeugt werden.
• Drahtzugtester werden verwendet, um die Abzugskraft für gecrimpte elektrische Anschlüsse, Rohrabschlüsse und Drahtverbindungsverbinder zu messen.

Viele davon sind in Hand- und Tischversionen erhältlich und werden oft in Verbindung mit einem manuellen oder motorisierten Prüfstand, verschiedenen Greifvorrichtungen und -befestigungen und der Software zum Zusammenstellen und Analysieren der Prüfergebnisse verwendet.

„Viele unserer Kunden, insbesondere wenn es um Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Medizinprodukte geht, müssen bestimmte ISO-, SAE- oder ASTM-Standards erfüllen“, sagt Fridman. „Es gibt auch bestimmte branchenspezifische Standards sowie solche, die Hersteller intern entwickeln, um sicherzustellen, dass ihre Produkte in der Praxis nicht versagen. Eine Maschinenwerkstatt, die beispielsweise Montagedienstleistungen anbietet, könnte eines unserer Geräte kaufen, um die Federspannung an einem Hebel oder die zum Schließen einer Tür erforderliche Kraft zu prüfen. Die Tests sind sehr anwendungsspezifisch und die Anwendungen fast zu zahlreich, um sie zu zählen.“

Technische Oberflächen

Pat Nugent interessiert sich auch für die Produktqualität, wenn auch auf eine Weise, die den meisten Maschinenwerkstätten bekannter ist. Als Vice President of Product Management bei Mahr Inc. mit Sitz in Providence, Rhode Island, ist er für das breite Spektrum an Messtechnik des Unternehmens verantwortlich, einschließlich derjenigen, die zur Messung von Oberflächenrauheit, Rundheit und Form verwendet werden. Er erklärt, dass die Ausrüstung zur Quantifizierung der ersten davon – der Rauheit – vor Jahrzehnten entwickelt wurde, als die Bearbeitung noch mit Nocken und Handkurbeln durchgeführt wurde. Darüber hinaus beeinflussen diese antiken Methoden immer noch die heute verwendeten Rauheitsstandards.

„Die ersten Profilometer unterschieden sich kaum von einem altmodischen Plattenspieler, außer dass sich die Nadel auf und ab bewegte und nicht seitwärts“, sagt Nugent. „Diese frühen analogen Geräte verwendeten eine mathematische Berechnung namens Rq, eine Art Effektivwertmittelung, um die Oberflächenrauheit zu bestimmen. Heutzutage sind die meisten Geschäfte – zumindest die hier in den USA – eher mit Ra oder durchschnittlicher Rauheit vertraut.“

Nugent fügt hinzu, dass in anderen Teilen der Welt normalerweise der Rz-Standard verwendet wird, der die durchschnittliche Spitze-zu-Tal-Differenz zwischen fünf aufeinanderfolgenden Abtastlängen darstellt. Er weist jedoch schnell darauf hin, dass es ungefähr hundert Oberflächenmessparameter und -standards gibt und dass die Hersteller oft verwirrt sind, welche sie verwenden sollen und warum.

„Als die Industrie in das digitale Zeitalter überging und die Messgeräte leistungsfähiger wurden, fanden die Leute heraus, wie man verschiedene Oberflächenprofile sammelt und sie zur Quantifizierung der Teilequalität verwendet“, sagt er. „Denken Sie an die Bohrung eines Motorzylinders. Ein Hersteller bearbeitet die Oberfläche normalerweise grob und kommt dann mit einem abschließenden Hon- oder Schleifvorgang zurück, der die Spitzen abschlägt, aber die Täler zurücklässt. Wenn sie diese Prozesse genau genug messen und somit steuern können, entsteht eine Art technische Oberfläche, die optimale Verschleiß- und Schmiereigenschaften bietet.“

Rauheit und Welligkeit

Die gute Nachricht hinter all dieser Komplexität ist, dass moderne Messgeräte wie die von Mahr problemlos zwischen den Oberflächenrauheitsstandards wechseln können, die auf der Zeichnung stehen. Sie können auch die Welligkeit messen, die mit der Rauheit einhergeht.

Nugent sagt:„Ich rate den Leuten, an einen Holztisch zu denken, auf dem ein schwerer Gegenstand ruht. Die Schleife in der Mitte kann man sich als Welligkeit vorstellen, während die Maserung, die man mit den Fingernägeln fühlen kann, die Rauheit der Oberfläche ist.“

Es ist wichtig zu erkennen, dass Oberflächenrauheit und Welligkeit zweidimensionale Messungen sind. Führen Sie eine Reihe solcher Messungen mit fortschrittlichen Optiken durch, wie sie in einer Reihe von Mahr-Produkten zu finden sind, und Sie können detaillierte, dreidimensionale Ansichten eines bearbeiteten, gegossenen, geformten oder bedruckten Objekts erhalten.

Dies geht auf das zurück, was Nugent zuvor über technische Oberflächen gesagt hat – die Fähigkeit, Herstellungsprozesse auf mikroskopischer Ebene zu messen und damit zu steuern, kann zu tiefgreifenden Verbesserungen des Verhaltens des fertigen Objekts führen und Möglichkeiten wie eine verbesserte Knochenintegration in orthopädische Implantate und die Kreation bieten von Oberflächen, die denen in der organischen Welt ähnlicher sind.

Auf welche Hindernisse sind Sie beim Messen der Festigkeit eines Materials gestoßen? Wie hast du sie überwunden? Welche Tipps kannst du uns geben?