Extensometer

Dehnungsmessgeräte für die Materialprüfung – eine ZwickRoell Kernkompetenz

Ein Extensometer ist ein Dehnungsmessgerät, das zur Messung der Dehnung einer Probe unter Belastung verwendet wird. Dehnungsmessung ist eine der Kernkompetenzen von ZwickRoell.

Überblick Berührende Extensometer Optische Extensometer Auswahlkriterien Beratung anfordern

Im Wesentlichen gibt es zwei Hauptkategorien an Extensometern: berührende und berührungslose bzw. optische Extensometer. Die berührenden Extensometer können weiter unterteilt werden in Clip-on Extensometer und Fühleraufnehmer. Zu den berührungslosen Extensometern bzw. optischen Extensometern gehören Video-Extensometer und Laser-Extensometer.

	Berührende Extensometer		Optische Extensometer
	Clip-On Extensometer	Fühleraufnehmer	Video-Extensometer	Laser-Extensometer
Anwendung	Kosteneffektive Lösung für Standard-Anwendungen mit fester Ausgangsmesslänge und geringem Probendurchsatz	Flexibel für unterschiedliche Prüfanwendungen anpassbar	Flexibel für unterschiedliche Prüfanwendungen anpassbar Kamerabasiert: Die Bilder können für zusätzliche Auswertungen genutzt werden, zum Beispiel 2D DIC	Spezielle Technologie für die Messung unter Hochtemperatur
Probenmaterial	Eigensteife Proben	Alle	Alle; auch hochempfindliche Proben und Proben mit hoher Bruchenergie	Metall, Keramik, Feuerfest-Materialien, Graphit, Glas
Temperatur	Bis max. 200°C	Bis max. 360°C	Bis max. 360°C	Bis max. 2000°C
Bedienung	Manuell	Manuell bis automatisch konfigurierbar	Automatisch: Kein Bedienereinfluss, hohe Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse	Automatisch: Kein Bedienereinfluss, hohe Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse

Extensometer - Kategorien

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Was ist ein Extensometer bzw. Dehnungsaufnehmer?

Ein Extensometer ist ein Dehnungsmessgerät, das zur Messung der Dehnung eines Materials unter Belastung verwendet wird.

Die Dehnung des Materials ist eine physikalische Verformung unter Belastung, beispielsweise durch die Zugkraft im Zugversuch. Neben der Dehnung werden auch die Druckverformung oder die Durchbiegung mit Hilfe von Extensometern in unterschiedlichen Belastungsarten bestimmt. Belastungsarten sind außer den Zugversuchen auch zyklische Versuche (inkl. Ermüdungsversuche), Druckversuche und Biegeversuche.
Extensometer führen die Dehnungsmessung direkt an der Probe durch. Dadurch werden Einflüsse durch andere Prüfkomponenten auf die Messung ausgeschlossen und hohe Genauigkeiten erzielt.
Die Dehnungsmessung ist erforderlich für die Bestimmung von Werkstoffkennwerten. Zugmodul, E-Modul, Streckgrenze, Bruchdehnung, r-Wert und Poissonzahl sind typische Werte die mit einem Extensometer ermittelt werden. Diese Informationen sind für den Vergleich von Werkstoffen unerlässlich und helfen den Produktherstellern zu beurteilen, ob ein Material den Belastungen standhält, denen es bei der Verwendung für den vorgesehenen Zweck ausgesetzt ist.
Extensometer werden in den unterschiedlichsten Branchen und Materialbereichen eingesetzt. Beispiele sind Metalle, Kunststoffe, Faserverbundwerkstoffe, Elastomere, Folien, Textilien, Seile, Papier und Holz.

Berührende Extensometer

Die berührenden Extensometer für die Dehnungsmessung können weiter unterteilt werden in Fühleraufnehmer und Clip-on Extensometer.

zu Fühleraufnehmer zu Clip-on Extensometer

Fühleraufnehmer

Fühleraufnehmer setzen über Messschneiden, die auf Fühlerarme montiert sind, direkt an der Probe an. Die Dehnungsmessung erfolgt durch Auswertung der Winkel- oder der Wegänderung der Fühlerarme. Fühleraufnehmer sind bewährt und einfach zu verstehen. Diese Extensometer bieten eine hohe Modularität, damit sind sie flexibel für unterschiedliche Prüfaufgaben einsetzbar und das Handling lässt sich anpassen: Vom kosteneffizienten, manuellen Extensometer bis zum vollautomatischen System, ganz ohne Bedienereinfluss und mit höchster Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse.

Clip-On Extensometer (Ansetzaufnehmer)

Clip-On Extensometer (auch Ansetzaufnehmer genannt) sind eine kosteneffektive Lösung für Standard-Prüfaufgaben mit geringem Probendurchsatz. Sie werden direkt auf die Probe geklemmt. Die Messwegübertragung von der Probe zum Sensor ist kurz und steif, dadurch wird eine hohe Messgenauigkeit erzielt.

Allerdings sind sie wenig flexibel: Konstruktionsbedingt haben die meisten eine feste Anfangsmesslänge sowie einen begrenzten Messweg.

Berührende Extensometer / Clip-on Extensometer bzw. Ansetzaufnehmer: schematische Darstellung

Optische / berührungslose Extensometer

Die optischen Extensometer videoXtens und laserXtens arbeiten kamerabasiert und somit berührungslos. Daher nehmen sie keinerlei Einfluss auf die Ermittlung der Materialkennwerte. Ein weiterer Vorteil berührungslos messender Dehnungsmessgeräte liegt darin, dass sie ohne Beschädigungsgefahr auch bei kritischen Proben bis zum Bruch eingesetzt werden können. Die Anfangsmesslänge wird bei optischen Extensometern durch Messmarken gekennzeichnet. ZwickRoell Video- und Laser-Extensometer kommen auch ohne manuelles Setzen von Messmarken aus.

Das optische Extensometer lightXtens arbeitet auf Basis von Lichtdioden. Dieses Extensometer ist speziell für die vollautomatische Messung an hochdehnbaren Materialien (Elastomere, Seile, Folien) oder Proben mit großer Anfangsmesslänge (Stahlseile und Litzen) konzipiert.

Zu Video-Extensometer Zu Laser-Extensometer Zu lightXtens

Optische / Berührungslose Extensometer: Prinzip des Video-Extensometers

Optische Extensometer: Laser-Extensometer

Warum ein ZwickRoell Extensometer?

Extensometer sind eine unserer Kernkompetenzen, die aus jahrzehntelanger Erfahrung in der Anwendungstechnik resultiert.
Unsere Extensometer werden zusammen mit den anderen Prüfkomponenten im eigenen Haus entwickelt und hergestellt, so dass eine volle Kompatibilität der Prüfsysteme gewährleistet ist.
ZwickRoell Extensometer sind so konzipiert, dass sie die Anforderungen der Norm übertreffen, da ihre Genauigkeit für vergleichbare und sichere Prüfergebnisse unerlässlich ist.

Auswahlkriterien

Fast alle Zugprüfnormen wie ASTM und ISO erfordern eine Dehnungsmessung. Der für die Anwendung am besten geeignete Extensometer hängt von den Anforderungen der Norm und den Materialeigenschaften der Probe ab.

Das ideale Extensometer lässt sich anhand von sechs Hauptkriterien ermitteln. Dazu gehören Merkmale, die erfüllt werden müssen, wie die Genauigkeit, Auflösung, der Messbereich, gewünschte Messwerte und Prüftemperatur unter der das Extensometer zum Einsatz kommt. Aber den entscheidenenden Mehrwert bieten Merkmale wie ein einfaches Handling, reduzierter Trainingsaufwand, der Umfang der Funktionalität, Kosten je Prüfung oder zusätzliche Informationen durch Optionen.

Auswahlkriterien für Extensometer: Welches Extensometer bzw. Dehnungsmessgerät ist das richtige? Die Wahl des Extensometers hängt von Material & Probenform, Norm, Umgebungsbedingungen, Handling, Budget und Kosten ab.

Material & Probenform

Der Auswahlprozess für das optimale Extensometer beginnt bei Kriterien zu Material und Probenform

Maximale Dehnung: Wichtig für die Berechnung des erforderlichen Messbereichs. Zudem erfordern Materialien mit geringen Dehnungen meist eine höhere Genauigkeit.
Berührungsempfindlichkeit: Bei dünnen oder berührungsempfindlichen Materialien wird durch Fühleraufnehmer mit speziellen Messschneiden der Einfluss auf die Probe minimiert. Optische Extensometer sind hier ideal, da sie gar keinen Einfluss auf die Probe nehmen.
Bruchverhalten: Wichtig bei Prüfungen bis Bruch, damit das Extensometer nicht beschädigt wird. Für hohe Bruchenergien werden optische Extensometer oder Fühleraufnehmer mit entsprechendem Sicherheitsmechanismus eingesetzt.
Probendimensionen: Manche Probendimensionen schränken die Auswahl durch extreme Probenbreiten oder -dicken ein.
Probenform: Kann besondere Anforderungen stellen. Beispielsweise Bauteile mit unregelmäßigen Formen, die die Zugänglichkeit zur Probe einschränken.

Prüfablauf & Norm

Egal ob nach Norm oder nach Firmenstandard geprüft wird: Der Prüfablauf und die gefragten Messwerte geben klare Muss-Merkmale für das Extensometer vor:

Belastungsart: Wofür wird das Extensometer eingesetzt: Zug-, Druck-, Biege- oder zyklische Versuche? Manche Extensometer können alle vier Belastungsarten und sind für den schnellen Wechsel zwischen den Versuchsarten ausgelegt.
Anfangsmesslänge: Diese ist meist durch die Norm festgelegt. Auf Basis der Anfangsmesslänge und der maximalen Dehnung des Prüflings wird der Messbereich bestimmt, den das Extensometer abdecken muss.
Genauigkeit: Für die Genauigkeit der Extensometer beziehen sich die Normen meist auf Genauigkeitsklassen. Diese sind in den Kalibriernormen zu Extensometern anhand von gemessenen Abweichungen und Auflösungen definiert (ISO 9513, ASTM E83).
Gewünschte Messwerte: Welche Messwerte sollen in der Prüfung ermittelt werden und welche Anforderungen stellen sie? Beispielsweise werden Module gleich zu Beginn der Prüfung ermittelt, daher muss bereits hier eine entsprechende Genauigkeit vorliegen. Dies kann durch eine adäquate Kalibrierung sichergestellt werden.
Dehngeschwindigkeitsregelung nach ISO 6892-1 Methode A1 „closed loop“: Diese Dehnungsregelung legt spezielle Anforderungen an das Extensometer fest. Damit die Prüfgeschwindigkeit automatisch angepasst wird, spielt das Extensometer laufend aktuelle Dehnungswerte an die Elektronik zurück (bei ZwickRoell 2000-mal pro Sekunde).

Prüfumfeld

Wie ist das Prüfumfeld beschaffen und welchen Einfluss hat es auf das Extensometer?

Prüftemperatur: Bei Prüfung unter Temperatur muss auch das Extensometer dafür geeignet sein. Es gibt Extensometer die speziell für den Einsatz in Temperierkammer oder im Hochtemperaturofen konstruiert wurden und daher in diesem Umfeld eine sehr hohe Genauigkeit bieten.
Lichteinflüsse oder Konvektion, bspw. durch eine Klimaanlage, können die Genauigkeit eines berührungslosen, optischen Extensometers einschränken.
Staub, Schmutz und Vibrationen bei Prüfungen direkt in der Produktion erfordern ein robustes, unempfindliches Extensometer.

Funktionalität

Mit der Funktionalität kommt auch der Mehrwert. Denn aus einem Extensometer lässt sich deutlich mehr rausholen.

Flexibilität: Extensometer mit hoher Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Anwendungen, Probenarten oder Funktionen erübrigen die Anschaffung mehrerer Extensometer.
Bedienereinfluss: Wie wichtig sind sichere Prüfergebnisse durch einen geringen Bedienereinfluss? Der Bedienereinfluss kann zu Abweichungen und Streuungen der Prüfergebnisse führen.
Automatische Funktionen: Durch automatische Funktionen wird der Bedienereinfluss reduziert oder gar ausgeschlossen. Dies erhöht die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse deutlich. Automatische Funktionen machen ein Eingreifen überflüssig: von der automatischen Ausmessung des Prüfraums und der Zentrierung der Messstellen, über die automatische Einstellung der Anfangsmesslänge bis zum Ansetzen und Abheben von Messfühlern.
Mehrwert durch Optionen: Optische Extensometer erfassen über Kamera(s) einen großen Teil der Probe und können mehr Informationen aus der Messung gewinnen. Möglich sind Messungen an mehreren Messpunkten, vollflächige Dehnungsauswertungen über eine 2D Bildkorrelation oder eine automatische Bruchlagenbestimmung, die Probenausschuss vermeidet.
Nachrüstmöglichkeiten: Diese bestimmen die Zukunftssicherheit. Manche Extensometer decken von vornherein ein großes Anwendungsspektrum ab. Andere lassen sich durch Nachrüstmöglichkeiten auch später für weitere Anwendungen ganz einfach anpassen.

Handling

Das Handling rückt den Anwender in den Vordergrund.

Benutzerprofil: Wer arbeitet mit der Prüfmaschine? Sind es wechselnde Mitarbeiter der Produktion, die ohne viel Training die Prüfung durchführen sollen und wenig in den Prüfablauf eingreifen? Oder ist es der Fachspezialist, dem es dient, wenn er höchstflexibel und mit einer Vielzahl an Funktionen den Prüfablauf an allen Punkten steuern kann? Extensometer und Software lassen sich entsprechend anpassen.
Trainingsaufwand: Automatische Funktionen reduzieren das Training enorm. Hier punktet auch eine Software mit intuitiver Bedienung, übersichtlicher Struktur und die sich an die eigenen Arbeitsprozesse anpassen lässt.
Umbauaufwand: Wird zwischen verschiedenen Anwendungen gewechselt, muss dazu das Handling bei einer Umrüstung betrachtet werden: Wie lange dauert es, ist es von einer Person zu bewältigen und können dabei Fehler gemacht werden?
Probenmarkierung: Optische Extensometer erfordern je nach Probe eine Probenmarkierung – oder eben auch keine. Denn neben einer Vielzahl an Markiermöglichkeiten die je nach Probe und Prüfung angepasst werden kann, bieten optische Systeme auch markierungsfreies Messen an. Hierfür wird die natürliche Rauheit auf der Probenoberfläche genutzt und über die Software virtuelle Messmarken auf die Probe gesetzt.

Budget & Kosten

Bei den Kosten liegt das Augenmerk auf den Jahren nach der Anschaffung.

Anschaffungskosten: Diese stehen zwar am Anfang im Fokus, jedoch können geringere Kosten für die Bedienung eines Extensometers (sowie des gesamten Systems) höhere Anschaffungskosten schnell wieder kompensieren.
Trainingskosten hängen vom Trainingsaufwand und der Anzahl unterschiedlicher Bediener ab.
Kosten je Prüfung und möglicher Probendurchsatz: Je mehr der Bediener selbst Hand anlegen muss, desto mehr Zeit benötigt die Prüfung.
Umbauzeiten: Der Umbau des Systems bei Wechsel zwischen den Anwendungen kostet Zeit. Ein gutes Beispiel dazu ist der Umbau für die Verwendung einer Temperierkammer. Hier wird schon deutlich gespart, wenn eine Person den Umbau allein bewältigen kann.
Kosten für Nachtests: Zusätzliche Kosten entstehen durch fehlende Genauigkeit und Reproduzierbarkeit eines Systems. Wenn die Streuung der Werte zu groß ist, sind aufwändige Nachprüfungen erforderlich. Dabei fallen neben den Personalkosten zusätzlich erneute Materialkosten an. Daher spielen sichere Prüfergebnisse eine wichtige Rolle.
Unterhaltskosten: Nicht zuletzt sind die laufenden Unterhaltskosten von Bedeutung. Hierbei können verschleißfreie Teile oder die spezielle Ausrichtung für den Einsatz in staubiger Produktionsumgebung die Kosten reduzieren.