Was ist mechanische Prüfung?

Die mechanische Prüfung ist ein Verfahren zur Untersuchung und Messung der Eigenschaften von Materialien. Es stehen verschiedene Maschinen/Instrumente zur Verfügung, um Materialien oder Fertigprodukte auf unterschiedliche Weise zu prüfen, darunter Druck-, Biege- oder Zugtests. Ziel ist es, die Kräfte zu messen, die durch diese Beanspruchungen entstehen und dazu führen können, dass ein Material während des Tests bricht, reißt, sich verbiegt oder nachgibt.

Warum ist mechanische Prüfung wichtig?

Die Durchführung mechanischer Prüfungen ist entscheidend, um die Eigenschaften eines Materials zu charakterisieren oder um Endprodukte zu validieren und sicherzustellen, dass sie für ihren Zweck geeignet und sicher in der Anwendung sind. Bei der Produktentwicklung müssen Sie Bauteile mit den richtigen Eigenschaften auswählen, um die gewünschte Funktionalität zu gewährleisten. Nach der Entwicklung ist es wichtig sicherzustellen, dass Sie auch in der Serienfertigung fortlaufend Produkte mit den gewünschten Eigenschaften herstellen können, um gleichbleibende Qualität und Sicherheit zu gewährleisten.

Die grundlegende mechanische Prüfung zielt darauf ab, die mechanischen Eigenschaften eines einzelnen Werkstoffs unabhängig von seiner Geometrie zu bestimmen. Da Rohmaterialchargen Schwankungen unterliegen können, gewährleistet die mechanische Prüfung jeder Charge, dass diese die Mindestanforderungen an die Festigkeit erfüllt.

Darüber hinaus gibt es empirische oder nachahmende Prüfverfahren, um entweder ein Verbundmaterial mit bestimmten Abmessungen zu messen oder die Reaktion einer Struktur oder eines Fertigprodukts auf eine bestimmte Beanspruchung zu bestimmen. Beispiele sind das Durchbiegen einer Betonbrücke unter Last oder das Zusammendrücken/Verformen von Lebensmittelverpackungen beim Stapeln auf eine bestimmte Höhe.

Funktionsweise von mechanischen Prüfgeräten

Ein Texture Analyzer bzw. Materialprüfgerät ist ein mechanisches Messsystem, das sich nach oben oder unten bewegt, um eine Probe zu komprimieren oder zu dehnen, in der Regel bis zum Bruchpunkt. Der bewegliche Arm ist mit einer Kraftmesszelle ausgestattet und erfasst die Kraftreaktion der Probe auf die auferlegte Verformung. Kraft-, Weg- und Zeitdaten (bzw. Spannungs-Dehnungs-Daten) werden erfasst und meist als Kurve im Diagramm dargestellt. Bei der Analyse geben sie Aufschluss über die mechanischen Eigenschaften der Probe.

Beispiele für Zugversuche

Anwendungsgebiete von mechanischen Prüfgeräten

Bei der Produktentwicklung oder der Auswahl von Materialien für ein Produkt müssen diese Materialien in der Lage sein, den vorgesehenen Anforderungen standzuhalten. Beispielsweise muss ein Verbraucher beim Schneiden von Lebensmitteln mit Besteck ein gewisses Maß an Biegung anwenden können, ohne dass Messer, Gabel oder Löffel sich verbiegen, während ein Flugzeugflügel eine gewisse Flexibilität aufweisen sollte. Ein starrer Flügel ist anfälliger für Metallermüdung und hat daher eine kürzere Lebensdauer. Flexible Flügel sind zudem leichter und können als Stoßdämpfer bei Turbulenzen fungieren.

Obwohl viele Materialien manuell geprüft werden können, um ein subjektives „Gefühl“ für ihre Eigenschaften zu bekommen, fehlt diesen Tests die Genauigkeit und Präzision. Der Einsatz eines quantitativen, kalibrierbaren und verifizierbaren Instruments, das zuverlässige, wiederholbare, archivierbare und nachvollziehbare Ergebnisse liefert, bietet die größte Sicherheit bei der Bewertung von Materialeigenschaften. Dies ist besonders wichtig, wenn es um Sicherheit geht oder archivierte Daten zum Chargenvergleich bzw. als digitaler Nachweis benötigt werden.

Das Messen mechanischer Eigenschaften ermöglicht auch den Vergleich physikalischer Merkmale des eigenen Produkts mit denen von Wettbewerbern. Falls erforderlich, kann so eine quantifizierbare Bestätigung bestimmter Produkteigenschaften, wie etwa „50 % höhere Festigkeit“, erbracht werden.

Welche Eigenschaften können mit mechanischen Prüfgeräten gemessen werden?

Die Fähigkeit eines Materials, sich zu verbiegen, zu komprimieren oder zu dehnen, kann je nach Verwendungszweck von Vorteil oder Nachteil sein. Die Möglichkeit, das Verhalten eines Materials unter unterschiedlicher Biegung, Kompression oder Zugbelastung zu messen, erlaubt es dem Konstrukteur, die gewünschten Eigenschaften entsprechend der Anwendung auszuwählen.

Die Härteprüfung ist die am häufigsten durchgeführte mechanische Prüfung und misst den Widerstand gegen Eindrücken oder Durchdringen, etwa mit Verfahren wie Brinell, Shore oder Vickers. Im Zugversuch sind die wichtigsten Kennwerte die Zugfestigkeit, Spannung, Dehnung, Elastizitätsmodul (Youngscher Modul), Streckgrenze und prozentuale Dehnung.

Weitere wichtige mechanische Eigenschaften sind Bruchzähigkeit, Kriechverhalten, Zeitstandfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit. Sie ermöglichen es Konstrukteuren und Ingenieuren, die Lebensdauer eines Bauteils oder Endprodukts vorherzusagen. Die Prüfung der Bruchzähigkeit liefert Informationen darüber, wie widerstandsfähig ein Material gegenüber Fehlern ist und wie sich diese auf seine Festigkeit auswirken, denn im Laufe der Nutzungsdauer entstehen unweigerlich Risse. Mit Hilfe der Ermüdungsprüfung können Betriebsbedingungen definiert werden, unter denen keine Materialermüdung während der geplanten Lebensdauer auftritt. Alternativ lässt sich damit die Fähigkeit eines Materials bewerten, wiederholten Belastungszyklen mit unterschiedlichen Spannungen standzuhalten, um sicherzustellen, dass die vorgesehene Lebensdauer erreicht wird. Durch die Auswahl von Materialien oder Komponenten mit gesteigerter Bruchzähigkeit oder Ermüdungsfestigkeit können Konstrukteure die Lebensdauer ihrer Produkte verlängern und deren Zuverlässigkeit erhöhen.

Neben den etablierten, ingenieurwissenschaftlich fundierten Messmethoden gibt es einfachere Prüfungen, die das tatsächliche Nutzererlebnis simulieren. Typische Beispiele sind die Kraft, die zum Betätigen eines Seifenspenders, eines Dosierinhalators oder zum Öffnen eines Dosenverschlussetiketts erforderlich ist.

Weitere mechanische Eigenschaften, die mit anderen Messinstrumenten bestimmt werden können, sind die Korrosionsbeständigkeit – um zu beurteilen, wie widerstandsfähig ein Material gegenüber Rost, chemischer Einwirkung oder Abnutzung ist – sowie die Schlagzähigkeit, bei der ermittelt wird, wie viel Kraft (meist durch ein Pendel erzeugt) ein Bauteil aufnehmen kann, bevor es bricht.