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Was ist Torsionsprüfung?

Die Torsionsprüfung ist eine Art der mechanischen Prüfung, die die Eigenschaften von Materialien oder Bauteilen unter Beanspruchung durch Winkelverschiebung bewertet – im Wesentlichen wird ein Prüfkörper verdreht und seine Reaktion gemessen. Diese Art der Belastung tritt in der realen Welt ständig auf, von einer Antriebswelle, die in einem Fahrzeug Kraft überträgt, bis hin zu einem aufgedrehten Flaschenverschluss, was die Torsionsprüfung zu einem unverzichtbaren Werkzeug macht, um zu verstehen, wie Materialien und Produkte im Einsatz tatsächlich funktionieren werden.

Die Torsionsprüfung kann in zwei verschiedene Kategorien unterteilt werden: die Prüfung von Rohmaterialien wie Metalldrähten oder Kunststoffschläuchen, um grundlegende Eigenschaften wie Scherfestigkeit und Modul zu bestimmen, oder die Funktionsprüfung von Fertigprodukten, die Torsion ausgesetzt sind, wie Schrauben, pharmazeutische Flaschen und ummantelte Kabel. Der erste Ansatz hilft Materiallieferanten und Ingenieuren, ein Material zu charakterisieren, bevor es in ein Produkt eingebaut wird, während der zweite überprüft, ob ein fertiges Teil oder eine Baugruppe den Torsionskräften standhalten kann, denen es während seiner gesamten Lebensdauer ausgesetzt sein wird.

Die am häufigsten gemessenen mechanischen Eigenschaften bei der Torsionsprüfung sind der Schubmodul, die Scherfließgrenze, die Scherzugfestigkeit, der Schubbruchmodul und die Duktilität. Zusammen geben diese Eigenschaften Ingenieuren ein vollständiges Bild davon, wie sich ein Material oder eine Komponente unter Torsionslast verhalten wird – von der anfänglichen elastischen Reaktion über den Punkt der bleibenden Verformung bis hin zum Versagen.

Warum eine Torsionsprüfung durchführen?

Viele Produkte und Komponenten sind während ihres Betriebs Torsionskräften ausgesetzt. Eine Torsionsprüfung ist erforderlich, wenn Ingenieure die in diesen Produkten verwendeten Materialien ändern oder aktualisieren möchten. Zum Beispiel erfährt das Metall in Fahrzeugantrieben im Einsatz komplexe kombinierte Belastungen, wobei Torsion die Hauptkomponente ist. Ein Ingenieur, der ein kraftstoffeffizienteres Fahrzeug entwickeln möchte, muss möglicherweise das Material der Antriebswelle ändern, um das Fahrzeuggewicht zu reduzieren. Die Torsionsprüfung kann dem Ingenieur helfen, ein geeignetes Material zu identifizieren, das die erforderliche Torsionsfestigkeit besitzt und gleichzeitig zum Ziel der Gewichtsreduzierung beiträgt.

Viele Fertigprodukte sind während ihres Betriebs ebenfalls Torsionskräften ausgesetzt. Produkte wie biomedizinische Schläuche, Schalter und Befestigungselemente sind nur einige Beispiele für Bauteile, die im täglichen Gebrauch Torsionsspannungen ausgesetzt sind. Durch die Torsionsprüfung ihrer Produkte können Hersteller reale Einsatzbedingungen simulieren, die Produktqualität überprüfen, Designs verifizieren und geeignete Fertigungstechniken sicherstellen.

| Instron Drei Beispiele für Torsionsprüfaufbauten: eine Flaschenverschlussvorrichtung an einem universellen Prüfsystem, ein Türschlosszylinder, der mit einem Schlüssel geprüft wird, und eine Spritze oder ein Fläschchen, das in einer Torsionsgriffvorrichtung befestigt ist.

Arten von Torsionsprüfungen

Torsionsprüfungen können durch Anlegen einer reinen Rotationsbewegung oder durch Anlegen sowohl axialer (Zug oder Druck) als auch Torsionskräfte durchgeführt werden. Die Arten der Torsionsprüfung variieren von Produkt zu Produkt, können aber in der Regel als Bruch-, Prüf- oder Produktfunktionsprüfung klassifiziert werden.

  • Reine Torsion: Anlegen ausschließlich von Torsionslasten an den Prüfkörper.
  • Axial-Torsion: Anlegen sowohl axialer (Zug oder Druck) als auch Torsionskräfte an den Prüfkörper.
  • Bruchprüfung: Verdrehen des Produkts, der Komponente oder des Prüfkörpers bis zum Bruch. Bruch kann als physischer Bruch oder als Knick/Defekt im Prüfkörper klassifiziert werden.
  • Prüfung der Beständigkeit: Anlegen einer Torsionslast und Halten dieser Drehmomentlast für eine festgelegte Zeitdauer.
  • Funktionsprüfung: Prüfung kompletter Baugruppen oder Produkte, wie Flaschenverschlüsse, Schalter, Drehknöpfe oder Lenksäulen, um zu überprüfen, ob das Produkt unter Torsionslasten wie erwartet funktioniert.

Torsionsprüfgeräte

Torsionsprüfungen können je nach spezifischer Anwendung an verschiedenen Prüfsystemen durchgeführt werden. Ein universelles Prüfsystem, wie die 6800er Serie, kann mit einem Torsions-Add-On konfiguriert werden, das dem System die Durchführung biaxialer Prüfungen (gleichzeitige und unabhängige axiale und Torsionsbelastung) ermöglicht. Funktionsprüfungen von Fertigprodukten werden oft an einem dynamischen Ermüdungssystem durchgeführt, wie Instrons ElectroPuls®.

Je nach Prüfkörper erfordert die Torsionsprüfung auch spezielle Griffe und Vorrichtungen – wie Drahttorsionsgriffe für runde Drahtprüfkörper oder kundenspezifische Vorrichtungen, die fertige Produkte wie Flaschenverschlüsse oder Befestigungselemente sicher und ohne Verrutschen unter Winkelbelastung halten.

Calculating Results

Die Drehmoment-Rotations-Kurve, die bei der Torsionsprüfung von Rohmaterialien entsteht, ist in vielerlei Hinsicht analog zur Kraft-Weg-Kurve, die bei der Axialprüfung erfasst wird. Die meisten Materialien zeigen einen ähnlichen linearen Bereich, der den Schubmodul darstellt, gefolgt von Fließen und letztendlichem Versagen.

Wie bei der Axialprüfung spielt die Probengeometrie eine wichtige Rolle bei den Torsionsprüfergebnissen – Faktoren wie Messlänge und Querschnittsform können die berechneten Schubmodul- und Festigkeitswerte beeinflussen, daher ist eine konsistente Probenvorbereitung für wiederholbare Ergebnisse wichtig.

| Instron Drehmoment-Rotations-Kurve, die einen Drehmomentanstieg auf ca. 0,5 N·m über 60 Umdrehungen zeigt, gefolgt von einem starken Abfall, der das Versagen des Prüfkörpers anzeigt.
Drehmoment-Rotations-Kurve, die einen Drehmomentanstieg auf ca. 0,5 N·m über 60 Umdrehungen zeigt, gefolgt von einem starken Abfall, der das Versagen des Prüfkörpers anzeigt.

Gängige Normen für Torsionsprüfungen

Die Torsionsprüfung wird durch eine Reihe von Industriestandards geregelt, abhängig vom zu bewertenden Material oder Produkt. Die folgende Tabelle zeigt einige der gängigsten Normen, die Instron unterstützt, darunter medizinische Geräte, Metalldraht und Fluidverbinder.

Norm Beschreibung
ASTM F543 Axial- und Torsionsprüfung von Knochenschrauben
ASTM A938 / ISO 7800 Torsionsprüfung von Metalldraht
ISO 594 / ISO 80369 Prüfung von konischen Luer-Anschlüssen
ISO 7206 Dauerfestigkeits- und Ermüdungsprüfung von künstlichen Hüftimplantaten

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