Entwicklung eines Kraft-Transfernormals für die Kalibrierung periodischer Kräfte in Werkstoffprüfmaschinen mit Quantifizierung parasitärer Einflussgrößen

Kurzfassung Im Rahmen des europäischen EURAMET-Forschungsprojektes „18SIB08 – ComTraForce – Comprehensive Traceability for Force Metrology Services“ (18SIB08 – ComTraForce – Comprehensive Traceablility for Force Metrology Services. Available at: https://www.ptb.de/empir2019/comtraforce/home/ [abgerufen am: Feb. 10, 2023]) wird ein dynamisches Kraft-Transfernormal entwickelt, das für die vollständig rückgeführte Kalibrierung von Werkstoffprüfmaschinen mit sich periodisch ändernden Kräften geeignet ist. Stand der Technik ist die in der ASTM E467 (ASTM E467-21, Standard Practice for Verification of Constant Amplitude Dynamic Forces in an Axial Fatigue Testing System, West Conshohocken, United States, ASTM International, 2021) beschriebene Nutzung von mit Dehnungsmessstreifen (DMS) applizierten Testproben für eine dynamische Verifikation einer Prüfmaschine, die zuvor gemäß DIN EN ISO 7500-1 (DIN EN ISO7500:2018-06, Metallische Werkstoffe – Kalibrierung und Überprüfung von statischen einachsigen Prüfmaschinen – Teil 1: Zug- und Druckprüfmaschinen – Kalibrierung und Überprüfung der Kraftmesseinrichtung (ISO 7500-1:2018), Berlin, Beuth Verlag, 2018) statisch kalibriert wurde. Ein Ziel des Forschungsprojektes ist es, die aufwändig applizierten Standardproben durch präzise und variabel nutzbare Kraft-Transfernormale zu ersetzen, um den bisherigen Aufwand deutlich zu reduzieren und eine vollständige Rückführbarkeit auf die SI-Basis-Einheiten, inklusive einer Messunsicherheitsangabe zu gewährleisten. Ein zentraler Aspekt ist dabei eine bestmögliche Vergleichbarkeit zwischen dem Kraft-Transfernormal und dem zu untersuchenden Prüfkörper zu erzielen, dessen Steifigkeit und Masseverteilung einen Einfluss auf die lokale Kraftwirkung und somit auch die vom Prüfsystem gemessene Kraft haben. Das Transfernormal soll zugleich Temperaturveränderungen und ggf. auftretenden Biegedehnungen erfassen können, um deren Wirkung auf die Kraftmessung des Werkstoffprüfsystems quantifizieren zu können. Die besondere Herausforderung liegt darin, dass die dynamischen Eigenschaften des Prüfaufbaus unverzerrt im Kalibrieraufbau widergespiegelt werden. Um möglichst alle Aspekte durch größte Variabilität und kompakter Bauweise zu berücksichtigen, wurde das Kraft-Transfernormal zweiteilig ausgeführt. Es besteht aus einem einer Standardschwingprobe ähnelnden Bauteil, nachfolgend als Dynamometer bezeichnet, das mit Sensoren zur Kraft- und Temperaturmessung sowie zur Erfassung von Biegedehnungen ausgestattet ist und einem Bauteil, nachfolgend als Steifigkeitsadapter bezeichnet, das die Steifigkeit entsprechend des Gesamtsystems mit Prüfkörper nachbildet. Um den Einfluss unterschiedlicher Masseverteilungen berücksichtigen zu können, verfügt das Dynamometer über Möglichkeiten zur Ankopplung definierter Massen. Das ComTraForce-Projekt wird im Rahmen des „European Metrology Programme for Innovation and Research – EMPIR“ gefördert, das dem EU-Förderprogramm „Horizon 2020“ entstammt.