ElectroForce DMA 3200 für DMA mit hohen Kräften

ElectroForce®-Linearmotor

Das DMA 3200 verfügt über die patentierte Linearmotortechnologie ElectroForce. Diese Technologie ermöglicht unerreichte Leistungen und Datengenauigkeit bei nur einem einzelnen Messgerät. Diese einzigartige Motorentechnologie kombiniert leistungsstarke Magnete aus seltenen Erden mit einer reibungsarmen Biegeaufhängung, um die genaueste Kraft- und Wegesteuerung für eine große Bandbreite an Frequenzen und Amplituden zu erzeugen. Der Motor des DMA 3200 kann eine Kraft von bis zu 500 N aufbringen und einen kontrollierten Stellweg von 1 Mikrometer bis 13 mm abfahren. Die Prüfungen können sowohl im statischen als auch in den dynamischen Modi ausgeführt werden.

Zusätzlich zur reibungsarmen Konstruktion mit verschiebbaren Magneten wurden Schwachpunkte wie beispielsweise bewegliche Drähte und Lagerverschleiß beseitigt, die in anderen Motorkonstruktionen vorhanden sind. Dies sorgt für eine dauerhafte und zuverlässige Leistung, die sich über Jahrzehnte in Milliarden Prüfzyklen ohne Wartungsarbeiten bei Ermüdungsprüfungen mit dem ElectroForce-Messgerät bestätigt hat. Dieser Motor verfügt über eine branchenweit einzigartige Garantie von 10 Jahren.

Diese effiziente, leise und schmierungsfreie Motorentechnologie ermöglicht den Einsatz des DMA 3200 praktisch überall – vom Labor über den Fertigungsbereich bis hin zum Reinraum oder im Büro.

Hochgenauer optischer Wegesensor

Das DMA 3200 verfügt über einen hochgenauen Wegesensor (HADS) für die bestmögliche Steuerung und Messung bei kleinen und großen Verformungen, die für DMA und Ermüdungsprüfungen erforderlich sind. HADS ist eine äußerst performante optische Vorrichtung, mit der reibungsfreie, rauscharme Messungen im Nanometerbereich bei hohen Geschwindigkeiten möglich sind. Der Sensor wird unmittelbar neben der Probe und Belastungsachse platziert, um Fehler bei der Nachgiebigkeit oder Wärmeausdehnung weiter zu reduzieren.

Austauschbare Kraftsensoren

Am Sockel des robusten Prüfrahmens sind Kraftsensoren mit hoher Steifigkeit und Bandbreite montiert. Für die optimale Aufnahme unterschiedlicher Probensteifheiten sind diese Teile austauschbar.  Das Instrument wird standardmäßig mit einem 500-N-Sensor geliefert. Ein optionaler 22-N-Sensor kann zusätzlich eingesetzt werden, um die Daten bei weichen Proben mit weniger Newton-Kraft zu verbessern.

Konstruktion mit großer mechanischer Steifigkeit

Für mechanische Prüfungen ist es entscheidend, dass die Komponenten der Prüfinstrumente wie Rahmen, Verbindungsteile und Probenklemmen eine hohe Steifigkeit aufweisen, um eine optimale Messgenauigkeit zu erzielen. Durch Minimierung der Gerätekomponentenverformung, der sog. Nachgiebigkeit, werden Wegmessungen reduziert, die andernfalls möglicherweise als Probenverformung dargestellt werden. Die äußerst steife Ausführung des 3200 gewährleistet herausragende Datengenauigkeit. Das beginnt schon bei dem robust gestalteten Dreisäulenrahmen, der die axiale und außeraxiale Steifigkeit maximiert. Noch weiter optimiert wird dies durch den Einsatz von Luftlagern über und unter der Probe. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Wälz- oder Gleitlagern, die Lärm und Reibung während der Messung verursachen, bieten Luftlager den zusätzlichen Vorteil der Konservierung der Hochleistungs-Eigenschaften des reibungsfreien Linearmotors ElectroForce®.

Konvektionsofen (FCO)

Der FCO ist das führende Temperaturgerät für Materialprüfungen und darauf ausgelegt, Temperaturreaktionszeit, Gleichmäßigkeit und Temperaturstabilität zu optimieren. Der leistungsstarke Ofen erreicht Heizraten von bis zu 60 °C/min. Die herausragende Temperaturstabilität wird über zwei resistive Zwillingsheizelemente ermöglicht. Sie sorgen für eine gegenläufige Luftströmung in die einzigartig geformte Ofenkammer, die die Gasmischung unter Homogenitätsgesichtspunkten und unter dem Aspekt der Stabilität über einen Temperaturbereich von –150 °C bis +600 °C optimiert*. Der FCO verfügt standardmäßig über eine praktische, langlebige LED-Beleuchtung im Innenraum sowie ein Sichtfenster. Ein Kühlsystem mit flüssigem Stickstoff zur Temperatursteuerung auf –150 °C ist optional erhältlich. Alternativ dazu kann der FCO über ein mechanisches Luftkühlsystem ohne flüssigen Stickstoff auf bis zu –100 °C gekühlt werden.

* Für Prüfungen bei über 500 °C sind Probenklemmen erforderlich, die für Hochtemperaturmessungen ausgelegt sind.

Großprobenofen (LSO, Large Sample Oven)

Der LSO bietet geräumige Innenmaße für die Prüfung von großen Proben oder Bauteilkomponenten. Bei dieser Ausführung wird Luft über zwei resistive Heizelemente in den Ofenraum geführt, um die Gleichmäßigkeit über ein großes Luftvolumen zu optimieren und die Temperatur im Bereich von –150 °C bis 315 °C zu regeln. Der LSO verfügt standardmäßig über ein 140 mm x 190 mm großes Sichtfenster und eine mühelos herausnehmbare Tür. Der großvolumige LSO eignet sich ideal zur Konfiguration des DMA 3200 mit kundenspezifischen Spannlösungen für spezielle Anwendungen.

Luftkühlsysteme

Luftkühlsysteme (ACS, Air Chiller Systems) bieten einzigartige Gasstrom-Kühlmöglichkeiten ohne Flüssigstickstoff für Prüfungen unterhalb der Umgebungstemperatur. Es stehen zwei Modelle zur Verfügung: ACS-2 und ACS-3. Die Kühler sind mit einem mehrstufigen Kompressor ausgestattet, der zum Kühlen Druckluft (7 bar, 200 l/min) nutzen kann. Die Modelle ACS-2 und ACS-3 ermöglichen einen Betrieb des Zwangskonvektionsofens (FCO) bei Temperaturen von –55 °C bzw. –100 °C. Die Modelle ACS-2 und ACS-3 ermöglichen einen Betrieb des Großprobenofens (LSO) bei Temperaturen von –15 °C bzw. –50 °C. Die Kühlersysteme können den Einsatz von Flüssigstickstoff und die damit verbundenen Gefahren vermeiden bzw. reduzieren. Zudem versprechen sie eine herausragende Rentabilität.

Dreipunktbiegen

Im Modus „Dreipunktbiegung“ wird die Probe über Kontakte an drei Punkten (an beiden Enden und in der Mitte) deformiert. Dieses Verfahren wird als die reinste Form der Deformation bezeichnet, da die Probe an den Dreh- und Angelpunkten frei aufliegt und somit die Klemmwirkung keine Rolle spielt. Es eignet sich ideal für massive Stangen aus steifen Materialien wie z. B. Verbundstoffe, Keramik, glasartige und teilkristalline Polymere sowie Metalle.

Zug

Bei diesem Modus wird die Probe unten und oben eingeklemmt und unter Zug gehalten. Die Zugklemme eignet sich für Zugprüfungen dünner Folien, Streifen, Stangen sowie Einzelfasern und Faserbündeln.

Kompression

In diesem Modus liegt die Probe zwischen oberer und unterer Rundplatte und wird unter verschiedenen Kompressionsbedingungen verformt. Kompression eignet sich zur Prüfung zahlreicher Materialien mit kleinem bis mittlerem Modul, darunter Schäume, Elastomere, Gele und weitere weiche Feststoffe.

Doppelter und einfacher Cantilever

Die Cantilever-Modi werden auch als „geklemmte“ oder „aufliegende“ Biegemodi bezeichnet, da die Aufliege- und Deformationspunkte mechanisch an der Probe angebracht werden. Im doppelten Cantilever wird die Probe an beiden Enden und in der Mitte geklemmt. Dieselbe Klemme kommt auch als einfacher Cantilever zum Einsatz, wobei die Probe hier zwischen dem einen Ende und der mittleren Klemme eingeklemmt wird. Der einfache Cantilever ermöglicht die Untersuchung kürzerer Proben. Der Cantilever eignet sich ideal für allgemeine Prüfungen von Thermoplasten, Elastomeren und anderen hochgradig gedämpften Materialien sowie zum Messen der Übergänge von Beschichtungen auf einem Trägermaterial.

Scher-Sandwich

Im Scher-Sandwich-Versuch werden zwei gleich große Materialproben zwischen den beiden Enden und der Mittelplatte wie in einem Sandwich eingespannt. Die angelegte Verformung verläuft parallel zur Probendicke, während es sich bei der sich daraus ergebenden Verformung um eine einfache Scherung handelt. Dieser Modus wird oft als doppelter Zug-Scherversuch bezeichnet. Zu den typischen Proben zählen Polymerschmelzen, Schäume, Elastomere, Gele, Pasten und weitere weiche Feststoffe bzw. Flüssigkeiten mit hoher Viskosität.

Technische Daten

* Hinweis: Alle FCO-Vorrichtungen sind mit dem LSO-Klimasystem DMA3200 kompatibel. Adapter sind im Lieferumfang enthalten.

Fortschrittliche Steuerungssoftware WinTest

WinTest ist eine leistungsstarke Gerätesteuerungs- und Datenerfassungssoftware für das DMA 3200. Ihre Benutzeroberfläche ist intuitiv und ermöglicht die nötige Flexibilität in der Versuchskonfiguration für Ermüdungsprüfungen und DMAs. Zu den DMA-Versuchsmethoden gehören Temperaturrampen, Temperaturdurchläufe, Dehnungsabtastungen und Frequenzdurchläufe. Ermüdungs- und Rampentests können im Handumdrehen programmiert werden. Dafür stehen eine Vielzahl an Wellenformen zur Verfügung, u. a. Sinus, Dreieck, Quadrat oder Rampe. Darüber hinaus können Wellenformen kombiniert werden oder es können den realen Bedingungen ähnliche Wellenformen importiert werden. Mithilfe des einzigartigen TuneIQ und des kontrollierten Stillsetzens können Anwender die schier unbegrenzte Kraft und Beschleunigung der ElectroForce-Motoren nutzen, indem sie bestimmte Aufgaben durch Tuning vereinfachen.

TRIOS als Datenanalysesoftware

Die TRIOS-Software von TA Instruments überträgt DMA-Daten nahtlos aus WinTest. Experimentalphysiker erhalten damit das branchenführende Werkzeug zur Analyse und Darstellung von DMA-Daten. In dieser intuitiven Software sind viele verschiedene Plotwerkzeuge enthalten. Plotten auf verschiedenen Achsen, intelligente Standard- oder benutzerdefinierbare Einstellungen für Grafikoptionen, Drag-and-Drop für Overlays und benutzerdefinierte Werte seien hier nur als einige Beispiele aufgeführt. Zur vollständigen Palette der DMA-Analysemodelle und -funktionen gehören Zeit-Temperatur-Superposition (Time-Temperature Superposition, TTS), Peak-Analyse, Anfangspunktanalyse, Peak-Integration und kontinuierliche bzw. diskrete Relaxations-Zeit-Spektren. Die Software kann offline auf jedem beliebigen Computer installiert werden und ermöglicht so den einfachen Datenaustausch mit Kollegen.

Dynamisch-mechanische Analyse (DMA)

Die DMA ist ein Verfahren, bei dem eine sinusförmige Deformation, Spannung oder Dehnung auf eine Probe angewendet wird. Anschließend wird die viskoelastische Reaktion gemessen. Die Frequenz und Größe der Deformation können während eines Experiments konstant gehalten oder variiert (gesweept) werden. Die Materialreaktion auf die Deformation kann als Funktion der Temperatur, Frequenz oder Zeit überwacht werden. Mit der DMA können verschiedene mechanische Eigenschaften bestimmt werden, z. B. der komplexe Modul, E*, Speicher- und Verlustmoduln (E’, und E”) und Verlustfaktor (tan δ) von viskoelastischen Materialien, Erkennung von Molekularbewegungen und Entwicklung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen.

Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) mit hohen Kräften

Die DMA 3200-Lösung für eine hohe Kraftaufnahme ermöglicht breiter angelegte Versuchsparameter und Lastfälle. So können größere Proben oder echte Bauteilkomponenten getestet werden. Auf den obigen Abbildungen sind Beispiele für DMA-Möglichkeiten mit hoher Kraftaufnahme zu sehen.

Auf der Abbildung ganz oben dargestellt ist eine Temperaturrampe bei einer Polycarbonatstange mit einer Heizrate von 3 °C/min und einer Deformation von 0,4 %. Die Abmessungen der Probe lauten: 1,6 mm Dicke, 12,8 mm Breite, 19 mm Länge. Diese Ergebnisse verdeutlichen die Möglichkeiten der DMA 3200-Konstruktion auf verschiedene Weise: Zunächst einmal ermöglicht die auf hohe Kräfte und hohe Steifigkeit ausgelegte Konstruktion des DMA 3200, dass eine solch dicke Probe im glasartigen Bereich bzw. unterhalb der Glasübergangstemperatur (Tg) des Polymers im Zugmodus getestet werden kann. Bei einem herkömmlichen DMA-Messgerät mit auf niedrigere Kräfte ausgelegtem Design wären die Möglichkeiten in Bezug auf Kraft und Steifigkeit eingeschränkt. Solche Ergebnisse könnten nur in einem Biegemodus, nicht in einem Zugmodus gemessen werden. Darüber hinaus ermöglicht das reibungsfreie Design mit seiner herausragenden geringen Seitenkraftempfindlichkeit eine Charakterisierung des Glasübergangs über drei Dekaden in der Veränderung beim Modul.

Die Abbildung unten zeigt Dehnungsabtastungen an zwei zylindrischen Gummi-Proben, die mithilfe von Kompressionsklemmen bei einer Temperatur von 30 °C und einer Frequenz von 10 Hz getestet werden. Als Probenabmessungen wurden ein Durchmesser von 10 mm und eine Dicke von 20 mm gewählt. Diese beiden Gummi-Proben haben unterschiedliche Füllstoffgehalte, und zwar 40 phr und 60 phr, wobei phr (parts per hundred rubber) eine Chargiereinheit darstellt, mit der die Massenanteile einer Mischung angegeben werden. Es wird deutlich, dass ein höherer Füllstoffgehalt zu einem höheren Modul sowie zu einem deformationsabhängigeren Modul führt. Während dieser Prüfung betrugen die Kräfte, um eine 20-prozentige Deformation aufzuwenden, die einem Weg von 5 mm entspricht, nahezu 60 N. Dieses Ergebnis unterstreicht die herausragende Kraft- und Wegesteuerung des DMA 3200.

Ermüdungs- und quasistatische Prüfungen

Die meisten Materialien, Komponenten und Geräte sind während der Dauer ihres Einsatzes wiederholten Belastungen ausgesetzt. Diese Belastungen führen zur Ermüdung des Materials. Diese Ermüdung kann zu deutlichen Veränderungen im Materialverhalten führen, die wiederum die Gesamtleistung beeinträchtigen oder zu vollständigem und katastrophalem Versagen führen können. Eine mechanische Ermüdungsprüfung liefert Erkenntnisse über die Art und den Zeitpunkt des Versagens von Materialien, Komponenten oder Geräten, wenn diese oszillierenden Kräften oder Belastungen ausgesetzt werden. Diese Erkenntnisse zum Materialverhalten werden verwendet, um eine zuverlässige Produktleistung sicherzustellen und Garantieansprüche während der Lebensdauer des Produkts zu belegen.

Gleichbleibende Prüfungen, die sog. Zugprüfungen, eignen sich darüber hinaus, um die Festigkeit und Deformationsreaktion zu untersuchen. In diesem Fall werden die Eigenschaften während eines einzigen Bruchlasttests gemessen.

Mit dem DMA 3200 können zahlreiche Material-, Komponenten- oder Geräteeigenschaften gemessen werden, wobei das Gerät viele Arten von Studien zur statischen und dynamischen Festigkeit unterstützt.

Enabling Fatigue and Quasi-static Testing

Durch die Flexibilität, Leistung und Robustheit des DMA 3200 können neben der DMA zahlreiche Prüfungen und Erprobungen ausgeführt werden. Dank seiner großen Bandbreite an Geschwindigkeits- und Kraftoptionen bietet sich das DMA 3200 sowohl für Ermüdungsprüfungen als auch quasistatische Prüfungen an. Beispiele für diese Möglichkeiten werden auf den obigen Abbildungen dargestellt.

Auf der Abbildung oben wird ein einzelner Pulltest (Zugversuch) an einem kleinen Lotbarren durchgeführt. Der Stellweg wurde mit 1 Mikrometer pro Minute kontrolliert abgefahren, die Temperatur betrug konstant 25 °C. Die Abmessungen der Probe betrugen: 0,5 mm Durchmesser und 2 mm Länge. Für diese Prüfung ist eine langsame und exakte Stellwegkontrolle über einen sehr langen Zeitraum notwendig. In diesem Fall waren es 14 Stunden. Die Probe weist den klassischen linearen Bereich zu Beginn der Prüfung im linken Teil des Plots und ein sehr langes duktiles Versagen über den mittleren und rechten Teil des Plots auf. Dieser Test demonstriert die Flexibilität des ElectroForce-Linearmotors. Auch wenn sehr starke Dynamikmöglichkeiten vorhanden sind, kann der Motor genauso gut für exakte und langsame Prüfungen eingesetzt werden.

Die Abbildung unten zeigt die Ergebnisse einer Studie zu Ermüdungserscheinungen bei thermoplastischen Elastomeren. Diese Kurve wird oft als „SN-Kurve“ bezeichnet (wobei S=„Strength“ für Festigkeit und N=„Number of cycles“ für die Anzahl der Durchläufe steht). Im Allgemeinen wird die Lebensdauer von Materialien oder Komponenten unter schwingender Beanspruchung so geplottet (abgebildet) und charakterisiert, dass sie eine Funktion des Belastungsniveaus ist. Es wird ersichtlich, dass bei einer Abnahme der Belastung mehr Zyklen bis zum Versagen der Probe notwendig sind. Dieser Test demonstriert, wie das DMA 3200 für Prüfungen mit hohen Zyklen verwendet werden kann. Dabei kommen seine Eigenschaften der hohen Beschleunigung und Robustheit zur Anwendung.

Beispielmessungen:

• Elastizitätsmodul (E)
• Steifigkeit (K)
• Streckgrenze
• Bruchfestigkeit
• Bruchdehnung
• Dauerfestigkeit

Beispielstudien zur Festigkeit:

• Beschleunigte Lebensdauertests
• Bestimmung von SN-Kurven
• Mechanische Alterung
• Kriechverhalten und Regeneration
• Schubspannungsrelaxation
• Zugprüfungen