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如何购买通用测试机

如今,越来越多的加工商正在购买所谓的“通用”测试仪,以测量拉伸,弯曲,压缩和剪切性能,以进行材料评估,应用开发和质量控制。先进的电子技术改善了这些仪器的性能和易用性,甚至降低了价格。
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通用测试机(UTM)以受控的速度拉伸,弯曲,压缩或拉动塑料样品,直到它们破裂。它们是塑料混合机中最常见的仪器之一’实验室。他们在化合物开发过程中使用UTM来确定材料’对给定过程和最终用途的适用性。 UTM还可以方便地进行生产质量控制,以确保批次间的一致性。

如今,UTM在塑料成型机和挤出机的实验室中也越来越频繁地出现。原因之一是他们越来越多地参与前期产品和流程开发。另一个是他们对进料和成品零件的质量控制进行更严格的审查。

英斯特朗 Corp.产品经理Richard McManuis说,“许多OEM,特别是在医疗设备或汽车等高负债领域的OEM,要求塑料加工商在生产结束时进行自己的测试。内部测试的另一个原因是改善过程控制,这可以降低报废率并带来真正的投资回报。”

 

不同种类的测试

UTM由一个或两个垂直的承重柱组成,其上安装了一个固定的水平底板和一个可移动的水平十字头。在今天’在UTM上,色谱柱通常具有滚珠丝杠驱动器来定位可移动的十字头。

UTM的大小由框架的最大额定载荷与测量载荷/力的称重传感器或传感器的组合来描述。称重传感器连接到由电动马达或液压系统驱动的移动十字头。与手柄串联的称重传感器测量力,该力可以在数字显示器或PC上读取。许多UTM具有可互换的称重传感器,因此传感器可以与被测材料匹配。

UTM将力施加到样品上,以在塑料中引起应变。特殊测试—拉伸,弯曲,压缩或剪切—根据在试样中引起应变的方向和施加力的速度来分类。静态测试是使用标准机电UTM进行的。它们通常涉及以0.001英寸至20英寸/分钟的速度加载样品。动态或循环测试(例如,裂纹扩展和疲劳)通常是在伺服液压UTM上进行的,测试时间较长,负载较低。

早期的UTM具有模拟电子设备和图表记录器。它们已被数字控件和PC软件取代。新控件自动运行测试并显示数据—有时甚至在进行测试时。在过去的图表记录器中,甚至在PC出现之前的数字时代,从测试中获得的所有用户都是负载/变形曲线,分别表示y轴上的力与x轴上的变形。这些曲线需要计算和解释。最新的系统仍然提供这些曲线,但是它们还计算所需的数据,例如屈服强度,破坏强度和模量。 

到目前为止,使用UTM对塑料进行的最常见的测试是拉伸强度和模量以及弯曲强度和模量。为了通过ASTM D638和ISO 527进行拉伸测试,将样品两端都夹紧。一个夹钳是固定的,另一个夹钳位于一个十字头中,该夹头远离固定夹钳,拉动样品直至破裂,此后,十字头会自动停止。

弯曲测试(ASTM D790和D6272和ISO 178)是通过将试样放在机器固定床上的两个支架上进行的。对于此测试,十字头的方向与拉伸测试的方向相反,推动而不是拉扯试样的未支撑中心,直到其弯曲并可能折断。由于许多热塑性塑料在此测试中不会破裂,因此可能无法计算极限弯曲强度。相反,标准测试协议要求计算5%应变时的弯曲应力。

尽管UTM在根据ASTM D1621和ISO 844测试硬质泡沫塑料中起着主要作用,但它在压缩测试中的使用却不太常见。UTM还可以用于对任何类型的模制产品(例如瓶子)进行压碎测试。抗压强度的计算是使样品破裂或使其变形至给定高度的百分比所需的应力。

根据UTM供应商的说法,对于塑料而言,剪切测试甚至更为罕见。通过将样品置于冲头式剪切夹具中来获得剪切强度。以0.005英寸/分钟的速度向下推动冲头,直到样品的移动部分脱离固定部分。剪切强度计算为剪切力/面积。这在薄膜和片材产品中很重要,因为这种类型的载荷可能会导致其失效,而在其他挤出和模制产品的设计中很少考虑。根据ASTM D732(没有ISO等效标准),在试验中使用厚度为0.005至0.500英寸的塑料片或塑料模压盘。

由于不同类型的测试需要不同的夹具或固定装置,因此如何将样品固定在机器基座中至关重要。有数百种各种机械设计的夹具和固定装置。液压夹具的成本从几百美元到4000美元到5000美元不等。

对于塑料的拉伸测试,最常见的类型是楔形动作,自紧手柄。随着负载增加,它会自动拧紧。对于弯曲测试,最常见的是三点弯曲夹具。碟形压板用于压缩测试。对于剪切测试,固定装置和夹具通常由用户制造或由UTM供应商定制。

 

机电UTM

常用的机电单元的容量从100到135,000磅不等。尺寸越大,成本越高。无论是单柱还是双柱,用于测试塑料的最常用的机器都是立式台式单元。相同的原则适用于卧式机器,卧式机器主要用于自动过程中,该过程利用机器人连续处理样品。立式机器占地面积更小,更易于操作。它们具有重力的优势,这使其适用于诸如薄膜以及较重的成型零件之类的易碎样品。

单列UTM机器具有较低的承受力和较低的成本。它们的机架容量最大为1000磅。双柱UTM的称重机架容量为1000至135,000lb。称重传感器的额定最大力也应适合于UTM机架和样品。例如,将100磅称重传感器放置在1000磅机架中,可以用最大100磅的力进行测试。称重传感器的容量不应超过估计的样品或测量精度承受的最大断裂载荷极限。

Tinius Olsen的Wayne Hayward表示,许多塑料用户使用容量高达5000磅的单列或双列单元以及一组三个称重传感器都能很好地完成工作’的营销经理。他的公司’最受欢迎的UTM具有1000磅和2000磅的容量。

MTS Systems的市场经理Craig Stanton认为,最常用于塑料测试的机器的框架容量在2000至5000磅之间。

英斯特朗的MacManuis表示,未增强塑料的测试很少使用超过2000磅的框架容量。对于填充和增强塑料,通常需要机架容量为5000到7000 lb的机器。但是对于具有连续玻璃,碳或其他纤维的复合材料,可能需要最大承载能力为60,000 lb或更高的负载框架。

如果您购买的机器容量超出了您的需求,那么您不仅将支付更多现金,而且还将支付测试时间。较大的设备运行速度较慢。例如,具有250磅机架的机器通常以最高40英寸/分钟的速度运行,而具有5000磅机架的机器通常以20英寸/分钟的速度运行。

 

单列还是双列?

通常需要多少最大负载取决于要测试的材料类型,并且是决定选择单列或双列机器时要考虑的关键问题之一。还考虑是否需要在控制温度下进行测试的大型环境箱。双柱单元更高,可以在柱之间插入更大的样品和更大的保温柜。如果您要对泡沫进行压缩测试,则通常需要双柱单元,因为样品往往很大。

双柱机床本质上也更加坚固。结果,在测试期间挠度较小。最后但并非最不重要的是成本差异。单列UTM的价格低至7000美元至10,000美元,而双列UTM的价格通常在13,500美元至30,000美元之间。这些价格范围仅适用于机器。称重传感器的价格范围从1500美元到5000美元不等。不包括PC在内的数据采集和分析软件的价格最高可达2500美元。夹具和固定装置是另一项单独的成本,安装和培训也是如此。如果需要一个,热室的售价通常在8000至20,000美元之间。

 

软件进步

UTM的机械和电子设计已经相当成熟。新的发展是在控制软件中。现代PC软件可提高生产率和准确性,并且易于使用。英斯特朗说’s McManuis, “软件功能增加了以前无法达到的可重复性水平。”

加上试验机公司的行销经理Art Nehr, “设计人员和质量经理现在可以查看整个测试过程中发生的情况,而不是仅仅依靠一个断裂点。材料在断裂之前是否拉伸或变形?它是否与力成比例地变形?答案可以帮助他们评估替代材料,确定安全裕度并更好地模拟最终用户的应用。”

新软件可自动执行测试,数据收集,分析,报告输出以及数据存储和检索。用户可以告诉机器以一定的负载率运行,系统会自动调整十字头的速度。新软件还允许用户通过精确测量十字头移动距离的位置传感器,在测试过程中获得真实的应变值。试样长度的变化除以其原始长度,即可进行自动应变计算。

新软件还可以在更换传感器时自动进行称重传感器识别和校准。它“reads”称重传感器的电子装置并设置参数,从而消除了操作员先前进行的机械修改。

更新的软件具有更快的数据采集功能,可以更准确地捕获峰值载荷,并允许在以更高的速度或波动的载荷运行测试时更详细地检查应力/应变曲线。尽管可获得高达5 kHz的采样率,但典型的数据采集速率约为50 Hz(每秒读取50次)。

最新的PC驱动的UTM的价格比具有十多年历史的带有数字控制面板的机器便宜。新的PC型号具有更简单的控件,并且经常取消提供图形读数的数字显示器。来自Tinius Olsen的Hayward说,“现在,新的基于PC的UTM的软件驱动了整个操作,因此可以通过消除数字显示器和某些电子设备来降低成本。”

去年,Tinius Olsen推出了基于PC的单列和双列UTM T系列,容量高达22,250磅。Hayward估计T系列中的机器,包括用于数据采集的PC和Test Navigator软件,成本比公司低约10%’S系列台式单元,带有数字控制面板。海沃德说,“用户必须对S系列机器重新编程才能更改测试程序。使用PC驱动的T系列,您可以选择测量不同参数的用户可选测试程序。 ”

英斯特朗(Instron)最近增加了其新型Model 3300系列具有成本效益的PC驱动的单列和双列UTM的选件范围,其机架容量高达11,000lb。根据McManuis的说法,机架和电子设备的设计变更降低了这些单元的成本。 3300系列没有硬件控制面板,但是在负载框架中使用专用电子设备进行测量和控制。英斯特朗’其他两个机电UTM系列—性能更高的5500和5800型,框架容量为100至135,000 lb—也是由PC驱动的,但除了机架中的测量和控制电子设备外,还使用硬件控制面板,尽管按钮的数量比早期版本少。

这三个系列中配备齐全的单柱1000磅装置的价格从$ 19,000到$ 30,000。 1000至5000磅的满载双立柱模型的成本为19,000美元至36,000美元。价格中包括PC,系列IX / s软件,一套手柄和一个称重传感器。

MTS系统中具有2000至5000磅机架容量的双柱单元’新的基于PC的Alliance RT桌面系列的价格在25,000到50,000美元之间。其中包括机器,PC,TestWorks 4软件,一个称重传感器,一套夹具,安装和培训。

RT系列’数字控制系统位于负载框架中的单个电路卡上。据说可以提高可靠性并减少停机时间。据说独特的六点制导系统可通过x,y和z轴提供出色的十字头制导,从而提高了准确性和可重复性。

MTS中相对较新的是Synergie Low Force系列UTM。这些是单列台式机,最大容量为1000磅。它们也是基于PC的,据说在薄膜测试中很受欢迎。

测验 机s,Inc.最近推出了LabMaster单柱UTM系统,可用于最大250磅的低压力测试。&D仪器将拉力测试仪,称重传感器和支持网络的Windows PC集成在一个机箱中,并配有平板触摸屏显示器,以最大限度地减少工作台空间要求。它包括公司的最新增强功能’的LabMaster软件,称为“测试方法向导”,可简化设置并自动执行测试程序。它具有高分辨率,可检测负载或样品位置的微小变化。它的售价在16,000美元至16,500美元之间。

应用测试系统公司最近推出了升级版的ATS 1600系列,该系列现在由双柱单元组成,其承重能力为1000到500,000lb。它们由该公司PC驱动’的TestVu软件。市场经理丹尼·金(Denny King)说,1601至1605型(1000至5000磅的容量)的价格为20,000至25,000美元,包括PC,软件和称重传感器,但不包括固定装置。

Ametek公司’s测试和校准仪器部已从其英国劳埃德仪器(Lloyd Instruments)子公司推出了两个新增强的单列UTM。与以前的版本相比,它们的十字头速度范围更广,并且电子设备的改进和通过公司的通信速度的提高’基于Windows PC的专有Nexygen材料分析和测试软件。它们的集成控制台具有键盘和LCD显示屏。

一种版本是LFPlus系列数字测试机,这是一种低压力装置,可承受250磅的载荷。它的速度范围为0.002到50英寸/分钟,改进的电子设备据称可以提高机器的数据采样率。八-折。另一个版本是LRXPlus系列,最大容量为1100磅,十字头速度为0.004英寸至49英寸/分钟。它可以从10种可编程测试设置中进行选择,最多存储600个测试结果。

 

经济实惠的动态测试

与执行静态测试的机电UTM不同,伺服液压UTM执行动态或疲劳测试。这些需要在循环的加载和释放动作中反复施加力。例如,在疲劳裂纹扩展测试中,用户正在寻找确定材料破裂所需的周期。在机电设备上进行动态测试所需的力要小于静态测试所需的力。

伺服液压机的负载能力从100磅到吨不等,通常售价是机电UTM的两到三倍。它们主要用于金属的疲劳测试,但在汽车,航空航天,生物医学和电子领域的塑料中,塑料已逐渐替代了易受疲劳的结构部件中的金属,在塑料中的作用越来越大。“我们一直在看到处理器被要求测试塑料组件以提供有关其生命周期的信息,”伺服液压机领导者MTS的Stanton说。

在过去的两年中,MTS开发了两个PC驱动的伺服电单列UTM,据报道它们具有独特的功能,可以对材料和小型零件执行一系列的低压力动态和静态测试。这些单元虽然不便宜,但它们使动态测试比以往任何时候都更经济实惠。伺服电动驱动器优于伺服液压驱动器的好处是避免了对液压油,泵和水冷却的需求。

市场上的第一个伺服电动模型是具有很低承受力的专用单元。一种是MTS Tytron 250 MicroForce,这是一种50磅的水平框架装置,已用于测试薄包装膜,生物医学管材和缝合线以及微电子产品。另一个MTS模型NanoBionix主要用于生物材料研究和产品开发。它的速度高达2500个周期/秒,最大负载仅为51 g。它适用于测试粘弹性材料或非常小的微电子元件的准静态和动态特性。

现在,MTS刚推出了第一台具有更高帧容量的伺服电UTM—1000磅。这种全新的PC驱动的双柱单元可在高达20 Hz的频率下执行标准的静态测试和动态测试。斯坦顿说,“这是伺服电框架容量的突破,它为塑料加工商提供了一台可以进行动态测试的机器,而无需花费伺服液压单元的大量费用。”全新的Evolution UTM将于6月在NPE首次亮相,整套系统的售价约为50,000美元。—在与高端机电系统或低端伺服液压模型相同的范围内。

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