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Spezielle Lösungen für Forschung und Entwicklung

Neben kundenspezifischen Lösungen, die ZwickRoell in Zusammenarbeit mit den jeweiligen Instituten entwickelt, hat ZwickRoell 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 III oder durch einfachen Export in weiterführende Auswertesoftware.

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  • Branchenbroschüre: Akademia PDF 29 MB

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 ZwickRoell grundsätzlich 2 Varianten an. 

Direkte Anbindung an die Mess-, Steuer und Regelelektronik testControl
Anbindung über HBM Messverstärker

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.

Anbindung über HBM Messverstärker

Mit einem HBM MGC+ oder QuantumX lässt sich über einen speziellen Synchronisationsmechanismus die Zahl der Messstellen einfach erweitern. Die Messwerte werden dabei ebenfalls zeitsynchron mit den Messsignalen der Prüfmaschine erfasst, können dann aber nicht zur Regelung verwendet werden. 

2. Spezielle testXpert III Funktionen

Im Laufe der Jahre hat ZwickRoell immer wieder Funktionen in testXpert III integriert, die speziell für Forscher wichtig sind. Nachfolgend nur eine kleine Auswahl dieser Funktionen. 

zur testXpert III Software

3. Hochtemperaturversuche

Ein Großteil der Anstrengungen den Ausstoß von CO2 zu reduzieren, geht u. a. über eine höhere Effizienz der bisher bekannten Wärmekraftmaschinen. Um dies zu erreichen, muss die Brennraumtemperatur erhöht werden, was neue Werkstoffe bzw.Anforderungen bei erhöhter Temperatur erfordert.

Bei der Entwicklung neuer Kraftwerkstechnologien, sei es die A-USC (Advanced UltraSupercritical) Power Plants oder auch neuer Atommeiler, ist die genaue Kenntnis der Hochtemperatureigenschaften ausschlaggebend. Aus diesemTrend werden immer mehr Versuche bei hohen Temperaturen durchgeführt. 

Bei ZwickRoell gibt es ein eigenes Kompetenzzentrum, das sich um diese Belange kümmert.Typischerweise gehen die Prüftemperaturen dabei bis 1.200 °C, unter Vakuum oder Edelgasatmosphäre auch weit darüber hinaus. Eine der Herausforderungen bei der Durchführung von Hochtemperaturversuchen ist die direkte Messung der Verformung/Dehnung.

ZwickRoell setzt hier seit Jahren einen auf Hochtemperatur optimierten laserXtens ein, der problemlos durch ein Fenster in dem Hochtemperaturofen berührungslos die Dehnung an der Probe messen kann.

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.

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. 

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.

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 ZwickRoell kann zwischen 10 nm und 30 µm, das ZHU/Zwicki System oberhalb 6 µm Eindringtiefe eingesetzt werden. Damit kann ZwickRoell den gesamten Bereich der Nano-, Mikro- bis zur Makrohärte abdecken.

Wir suchen und finden für jede Ihrer Anforderung die optimale Prüflösung.

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