Elektromagnetische Hochfrequenzpulsatoren sind eine wirtschaftliche Lösung, um die Schwingfestigkeit von Werkstoffen zu bestimmen. Durch den geringen Energieverbrauch und den nahezu wartungsfreien Antrieb stellen sie zudem eine effiziente Alternative zu servohydraulischen Prüfmaschinen dar.

Dynamisch beanspruchte Komponenten im Maschinen- und Anlagenbau unterliegen im Laufe ihrer Lebensdauer sowohl stark schwankenden als auch häufig periodischen Belastungen. Das gleiche gilt für Kurbelwellen, Pleuel und Steuerketten in Kfz-Motoren sowie Antriebsketten von Motorrädern. Eine zentrale Größe in Bezug auf die Sicherheit ist die Betriebsfestigkeit, die aus unterschiedlichen Faktoren resultiert. Einer der Faktoren ist die mechanische Eigenschaft der verbauten Werkstoffe. Die Ermittlung der Materialeigenschaften dynamisch beanspruchter Komponenten erfolgt meist über einen Dauerschwingversuch nach DIN 50100 (Wöhlerkurve) im Zug-, Druck-, Schwell- und Wechsellastbereich. Hinzu kommen bruchmechanische Untersuchungen an CT-(Compact Tension) und SEB-Proben (Single Edge Bending). Prüfungen im erweiterten Temperaturbereich und flüssigen Medien sowie dynamische Torsions- und Biegeversuche ergänzen die Prüfpalette.

Elektromagnetischer Hochfrequenzpulsator bis 1.000 kN
Das Unternehmen Zwick in Ulm bietet mit seinen elektromagnetischen Hochfrequenzpulsatoren eine wirtschaftliche Prüflösung zur Bestimmung der Schwingfestigkeit im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich von Werkstoffen an. Zudem sind sie umweltfreundlicher als konventionelle servohydraulische Prüfsysteme, da der elektromagnetische Antrieb trotz geringer Energiezufuhr eine große Kraftamplitude ermöglicht. Die hierzu aufgewendete Energie beträgt etwa zwei Prozent des Bedarfs einer servohydraulischen Prüfanlage. Auch die Installation gestaltet sich einfacher. Hochfrequenzpulsatoren benötigen kein Öl, keine Kühlwasserversorgung und keine kostspieligen, komplexen Wartungsmaßnahmen. Aufgrund des elektromagnetischen Antriebs sind die Systeme außerdem nahezu verschleißfrei und leiser als vergleichbare Unwuchtsysteme.

Die von Zwick angebotenen Hochfrequenzpulsatoren stehen in sechs Baureihen mit Prüfkräften von fünf bis 1.000 kN zur Verfügung. Prüffrequenzen bis 300 Hz (150 Hz beim Vibrophore 1000) gewährleisten kurze Prüfzeiten und damit einen hohen Probendurchsatz. Das Unternehmen ist laut eigener Aussage aktuell der einzige Hersteller, der einen Hochfrequenzpulsator bis 1.000 kN mit elektromagnetischem Antrieb anbietet.

Zentrales Merkmal des neu entwickelten Vibrophore 1000 ist das Lastrahmenkonzept. Der extrem steife Lastrahmen besteht aus vier Säulen, woraus gute Führungseigenschaften resultieren. Die geregelte Mittelkraft auf den Prüfling wird über das Verfahren der oberen Traverse und zwei Antriebsspindeln aufgebracht, die dynamische Last über den separat geregelten elektromagnetischen Antrieb. Der Frequenzbereich von 35 bis 150 Hz (acht Frequenzstufen) erfolgt über das Aktivieren/Deaktivieren von Gewichten. Die Bedienung ist einfach, da die Prüfvorschriften der von Zwick entwickelten Prüf-Software TestXpert an die Prüfaufgaben angepasst sind.

Bestimmung der Bruchzähigkeit KIC
Prüfbedingungen, Prüfkräfte und Anzahl der Lastwechsel werden durch Werksnormen bestimmt. Eine der zentralen Prüfungen ist die Bestimmung der Bruchzähigkeit KIC. Sie gilt als wichtiger Kennwert für metallische Werkstoffe in sicherheitsrelevanten Anwendungen wie dem Flugzeug- und Automobilbau sowie dem Kraftwerksbau. Die Bruchzähigkeit KIC beschreibt den Wert, bei der ein bereits vorhandener Anriss einer normierten Probe unter zunehmender Last zu einem plötzlichen Bruch führt.

Der zweistufige Versuch an einer präparierten  Probe, beispielsweise CT (Compact Tension) und SEB-Proben (Single Edge Bending) nach ASTM-E399 kann auf Zwick-Hochfrequenzpulsatoren und anschließend auf Zwick Material-Prüfmaschinen durchgeführt werden.

Zunächst wird ausgehend von der Kerbe ein künstlicher Riss durch eine zyklische Belastung erzeugt. Dieses sogenannte Anschwingen erfolgt aufgrund der Frequenz bis 90 Hz sehr schnell und reproduzierbar. Von Vorteil ist, dass durch die Empfindlichkeit der Resonanzfrequenz auf Änderungen der Struktur sowohl entstehende als auch wachsende Risse frühzeitig detektiert werden können. Im zweiten Teil des Versuchs wird die Probe bis zum vollständigen Versagen belastet. Die Belastungsrichtung verläuft dabei senkrecht zur Rissbene. Aus der Kraft-Verformungskurve und der Risslänge lässt sich die Bruchzähigkeit KIC bestimmen.

Dynamische Kettenprüfungen
Elektromagnetische Hochfrequenzpulsatoren werden auch genutzt, um Ermüdungs¬eigenschaften von Ketten zu erkennen. Dynamisch beanspruchte Gelenkketten dienen dazu, Kräfte und Bewegungen, wie zum Beispiel als Steuerkette in Kfz-Motoren, Antriebsketten in Motorrädern oder im Maschinen- und Anlagenbau, zu übertragen.  Im realen Einsatz unterliegen diese ständig periodisch schwankenden Belastungen unter schwierigen Umgebungsbedingungen.  Neben der Bruchfestigkeit und der Verschleißfestigkeit werden Rollen-, Buchsen- und Bolzenketten auf ihre Eigenschaften im Zeit- und Dauerfestigkeitsbereich geprüft. Die typischen Prüffrequenzen bei einer Kettenprüfung liegen zwischen 50 und 150 Hz, was eine kurze Prüfdauer garantiert.

Dynamische Kettenprüfungen mit elektromagnetischen Hochfrequenzpulsatoren können sowohl an Endlosketten als auch an einzelnen Kettenkomponenten (Kettenbrücken) erfolgen. Endlosketten werden entweder über das in der Anwendung vorgesehene Kettenrad oder einen speziellen Probenhalter in die Prüfmaschine integriert. Bei der Prüfung einzelner oder mehreren Kettenkomponenten erfolgt die Aufnahme im Probenhalter mit Hilfe eines Steckbolzens durch das letzte noch offene Kettenglied. Unabhängig von der Einspannung sind Prüfungen in Klimakammern und flüssigen Medien wie Ölen oder korrosiven Medien möglich.

Das wird beispielsweise bei Ermüdungsprüfungen an Pleuel genutzt. Um reale Bedingungen zu simulieren, werden sie in einem Ölbad mit Temperaturen von 90 bis 120 °C und typischen Prüffrequenzen von 150 Hz getestet.