Zur Bestimmung der Dauerfestigkeit und der Lebensdauervorhersage sind Prüfungen unter zyklischer Belastung notwendig. Eine der neuesten Entwicklungen im Markt für dynamische Prüfungen ist die LTM-Prüfmaschinenreihe mit Linearmotor von Zwick.

Wann führt die periodische Belastung einer Komponente zum Bruch? Diese Frage stellt sich bei einer Vielzahl von Bauteilen – von Kurbelwellen über Verbindungselemente im Flugzeug- und Kraftwerksbau bis hin zu medizinischen Implantaten. Zur Bestimmung der sogenannten Dauerfestigkeit und der Lebensdauervorhersage sind daher Prüfungen unter zyklischer Belastung notwendig. Die LTM-Prüfmaschinenreihe mit Linearmotor von Zwick in Ulm ist für Frequenzen bis 100 Hz und Kräfte bis 10 kN ausgelegt und ergänzt damit das bestehende Portfolio des Unternehmens, das für dynamische Untersuchungen sowohl servohydrauliche Prüfmaschinen (bis 100 Hz und 2.500 kN) als auch Hochfrequenzpulsatoren (bis 285 Hz und 1.000 kN) anbietet.

Die Einsatzmöglichkeiten der neuen LTM-Prüfmaschine sind vielfältig und reichen von Untersuchungen an Normproben von Kunststoff- und Verbundmaterialien bis hin zu CT- und SEB-Proben aus Aluminium und Kunststoff. Zu den zentralen Tests bei dynamischen Prüfungen gehört die Bestimmung der Bruchzähigkeit KIC. Sie ist ein wichtiger Kennwert für metallische Werkstoffe und lässt sich unter anderem über einen Zugversuch an CT-Proben (compact tension) bestimmen. Hierbei wird an einer Probe mit einer mittigen, winkelförmigen Kerbe nach DIN EN ISO 12737 durch die dynamische Belastung mit der Prüfmaschine ein Anriss hervorgerufen. Dann erfolgt eine Belastung bis zum Bruch, wobei die Spannung gemessen wird, bei der der Riss instabil wurde. Zusätzlich wird die Rissausdehnung ermittelt. Prüfbedingungen, Prüfkräfte und Anzahl der Lastwechsel werden durch Werksnormen bestimmt.

Integrierte Kühlung
Die neue dynamische Prüfmaschinenreihe LTM steht zurzeit mit Kräften von 5 und 10 kN sowie einem Kolbenhub von 60 mm zur Verfügung. Die Positioniergenauigkeit liegt bei +/-2 μm. Für Komfort und Sicherheit sorgen die motorisch verstellbare und elektrisch überwachte Klemmung der Traverse. Der sichere Einrichtbetrieb nach EN 60204-1 reduziert die Geschwindigkeit auf 10 mm/s. Eine Standardkühlung über die Umgebungsluft ist integriert. Optional stehen zwei weitere Kühlmöglichkeiten zur Verfügung: entweder über einen Kühlwasseranschluss im Raum oder eine externe Versorgung durch einen Chiller. Beides reduziert nicht nur den Geräuschpegel sondern verringert vor allem die Erwärmung des Prüflabors, was zu genaueren Messergebnissen führt.

Weitere Forderungen des Marktes, neben den genannten Kühloptionen, waren Ölfreiheit, ein wartungsarmes System und ein breiter Geschwindigkeitsbereich – dies leistet die neue LTM ebenfalls. Denn sie wird rein elektrisch betrieben und damit entfallen Hydraulik- und Druckluftleitung im Labor. Das reduziert nicht nur Stillstandszeiten sondern aufgrund der wartungsarmen Lösung auch Kosten. Den Wunsch nach einem möglichst breiten Geschwindigkeitsbereich erfüllt die LTM mit Werten von 1 mm/min bis 1,5 m/s. Dadurch lassen sich sowohl dynamische Ermüdungsprüfungen als auch langsame statische Material- und Bauteilprüfungen durchführen. Gerade bei geringen Geschwindigkeiten bietet der patentierte elektrodynamische Antrieb eine besonders hohe Laufruhe. Hinzu kommt eine geringe Reibung durch die gleitgelagerte Kolbenstange, was Stick/Slip Effekte minimiert und die Prüfergebnisse bei geringen Amplituden verbessert. Die neuen LTM Prüfmaschinen lassen sich dank integrierter T-Nutenplatte und Auffangrinne auch für Untersuchungen mit flüssigen und korrosiven Medien einsetzen.

Intuitiv bedienbare Software
Unterstützt wird der Anwender durch die Mess-, Steuer- und RegelelektroniktestControl II und die Software testXpert R. TestControl II ist eine im Hause Zwick entwickelte digitale Mess- und Regelelektronik für dynamische Prüfmaschinen. Mit ihrem Regeltakt von 10 kHz ermöglicht sie während den Prüfungen eine schnelle Reaktion auf Ereignisse und bietet gleichzeitig eine hohe Messwert-Erfassungsrate.  Zusammen mit der Auflösung von 24 bit führt das zu sehr präzisen Messungen.

Die Software testXpert R lässt sich intuitiv bedienen und ist speziell auf dynamische Ermüdungsprüfungen ausgelegt. Sie bietet ein einheitliches Bedienkonzept – von der Kalibrierung der Aufnehmer über das Setzen der PID-Parameter und der Sollwertvorgabe bis hin zur Auswertung und dem Report. TestXpert R ist modular aufgebaut und kann einfach mit Prüfvorschriften für spezifische Versuche oder standardisierten Prüfabläufen nach ISO/DIN oder ASTM ergänzt werden.

Prüfung von Implantaten
Dank der ölfreien Antriebstechnik ist die neue Entwicklung auch für den Einsatz in der Medizintechnik geeignet. Typische Beispiele sind Ermüdungsprüfungen von Hüftgelenk-, Knie- und Zahnimplantaten. Komet Medical, die Chirurgiesparte von Gebr. Brasseler in Lemgo, setzt in ihrem Prüflabor ebenfalls auf die neue LTM-Prüfmaschine mit Linearantrieb. Gerade bei der Überführung von Prototypen in den Validierungsprozess sind umfangreiche Versuche notwendig.

Die dynamischen Prüfungen erfolgen unter zyklischer Belastung und werden zur Bestimmung der Dauerfestigkeitswerte und der Lebensdauervorhersage der Implantate eingesetzt. Die Prüfanforderungen von Komet umfassen verschiedene Prüfnormen. So lassen sich mittels der LTM zum Beispiel Ermüdungsprüfungen an Wirbelsäulenimplantaten nach ASTM F 1717, Dentalimplantaten nach ISO 14801 und Knochenschrauben nach ASTM F1264 durchführen. Neben der LTM Linear-Prüfmaschine im Labor von Komet kommt zukünftig auch eine zwickiLine Material-Prüfmaschine (Fmax 5 kN) mit integriertem Torsionsantrieb (Nmax 20 Nm) zum Einsatz. Mit dieser können die maximalen Bruchmomente und das Einschraubverhalten von Knochenschrauben nach ASTM F543 bestimmt werden. Damit decken beide Prüfmaschinen eine Vielzahl der relevanten Prüfnormen für Biomechanik und Endoprothetik ab.