Con más de 25 años de experiencia en pruebas de materiales, metalurgia e ingeniería de sistemas, el Dr. Erik Schwarzkopf, científico de planta de MTS, aporta una experiencia única a los compromisos con los clientes. Steve Lemmer, ingeniero de diseño sénior de MTS, lleva más de 23 años desarrollando soluciones de prueba innovadoras y ha desempeñado un papel fundamental en el diseño de los quince sistemas de prueba biaxial planar que MTS ha instalado en todo el mundo. En esta entrevista, analizan los orígenes, los retos y las ventajas de las biaxiales planares.
P: ¿Qué son las pruebas biaxiales planares? ¿En qué se diferencian de las pruebas uniaxiales convencionales?
Schwarzkopf:La idea de las pruebas biaxiales planares es que, en el mundo real, la mayoría de las estructuras y componentes están sujetos a cargas en más de una dirección. Para simular las condiciones del mundo real, los ingenieros de pruebas necesitan la capacidad de tirar de la probeta en múltiples direcciones mientras ejercen un gran control sobre el proceso. En este caso, "control" significa mantener el centro de la probeta con precisión en el centro y eliminar el riesgo de tensión de flexión adicional. Nuestro sistema biaxial planar utiliza cuatro actuadores en un plano para lograrlo. Las probetas para las pruebas biaxiales planares son únicas en el sentido de que suelen tener una forma cruciforme con cuatro puntos de fijación; y los brazos suelen tener la misma longitud. Esto es importante porque todo lo que rodea al centro de la probeta debe estirarse uniformemente. De lo contrario, la prueba no obtendrá los resultados correctos.
P: ¿Cómo surgieron las pruebas biaxiales planares? ¿Cuáles son sus orígenes?
Schwarzkopf:La necesidad de pruebas biaxiales planares surgió en la década de 1960 con la llegada de los motores a reacción. Hubo mucho interés entre los fabricantes aeroespaciales sobre los estados de tensión en las estructuras de las aeronaves. Otra de las primeras aplicaciones fue el análisis de la estructura del grano de las chapas metálicas en la fabricación de automóviles. Antes de las pruebas biaxiales planares, los ingenieros realizaban múltiples pruebas uniaxiales por separado y predecían el comportamiento multiaxial en el mundo real utilizando la extrapolación.
P: ¿Qué papel desempeñó MTS en el perfeccionamiento de la tecnología de pruebas biaxiales planares?
Schwarzkopf: MTS se involucró en la década de 1980. Fuimos pioneros en el desarrollo de los primeros sistemas de pruebas biaxiales que podían girar y tirar al mismo tiempo, utilizando una sola unidad de carga. Luego agregamos cargas laterales, para las cuales se necesitan cuatro actuadores. La capacidad de nuestras soluciones para controlar múltiples ejes simultáneamente fue vital para hacer que este tipo de pruebas fueran factibles y precisas. MTS estaba muy familiarizado con el control de la relación de fase entre múltiples actuadores gracias a nuestra experiencia en la industria automotriz. Luego agregamos un bastidor de carga para asegurar una relación geométrica específica. Luego, en la década de 1990, desarrollamos el software, los controladores digitales y los esquemas de control que facilitaron al cliente lograr un control adecuado del centroide. Antes de esto, era posible, pero era muy difícil y poco eficiente para muchos laboratorios.
P: ¿Qué necesidades críticas abordan las pruebas biaxiales planares?
Schwarzkopf: Los ingenieros confían en los datos de las pruebas biaxiales planares para tomar decisiones importantes de diseño sobre la resistencia y el espesor de los materiales. Existen aplicaciones en muchas industrias, principalmente para probar metales. La atención se centra en las pruebas dinámicas, es decir, en la mecánica de la fractura y el crecimiento de las grietas por fatiga. Nuestros clientes necesitan saber qué tan rápido crecerá una grieta y qué tan pronto alcanzará un tamaño crítico en diversas condiciones de carga. Se utilizan otras simulaciones biaxiales planares para probar componentes reales del mundo real. Estas pruebas pueden ser realmente biaxiales, axiales y torsionales, y estas fuerzas pueden estar sincronizadas u opuestas. Algunos clientes pueden querer realizar pruebas de tolerancia a los daños para medir el crecimiento de las grietas a partir de un gran agujero en el material, y luego reparar el daño y ver cómo aguanta la reparación, o probar cuántas veces se puede reparar el mismo agujero. Ésta es la belleza de las pruebas biaxiales planares: se pueden adaptar para controlar las fuerzas de cualquier forma que produzca los datos que se necesitan.
P: ¿Cómo utilizan los clientes los datos de las pruebas biaxiales planares?
Schwarzkopf:Los datos ayudan a nuestros clientes a desarrollar nuevas técnicas de fabricación, a comprender el comportamiento de nuevos materiales como los compuestos y a desarrollar mejores modelos. Existen numerosas aplicaciones prácticas, que suelen realizarse en grandes instalaciones de investigación y desarrollo. Los fabricantes aeroespaciales están estudiando estructuras y componentes de aeronaves. Los fabricantes de turbinas de gas están probando componentes utilizados en motores a reacción de aviones y unidades de generación de energía. Los grandes laboratorios nacionales tienden a estar muy interesados en las pruebas biaxiales planares. Proporcionan un grado de realismo mucho más cercano al entorno operativo real que el que se puede conseguir con las pruebas uniaxiales. Pero en los casos en los que una falla estructural o de un componente puede tener resultados desastrosos, lo cual es sin duda el caso de la industria aeroespacial y de generación de energía, las pruebas biaxiales planares son muy populares.
P: ¿Cuáles son algunos de los retos técnicos clave de las pruebas biaxiales planares?
Lemmer: Los aspectos más desafiantes de las pruebas biaxiales planares incluyen: lograr un control preciso del centroide, garantizar la alineación adecuada del sistema y lograr la repetibilidad de las pruebas.
P: ¿Qué es el control del centroide?
Lemmer:El control del centroides se refiere a la capacidad de mantener el centro de la probeta precisamente donde el investigador quiere, por lo general, pero no siempre, en el centro del espacio de la prueba. Los sistemas biaxiales planares de MTS pueden controlar la ubicación del centroide dentro de micrones. En la mayoría de las aplicaciones, el cliente desea mover los bordes hacia afuera o hacia adentro, apretando y tirando, en una prueba cíclica. Pero el centro debe permanecer estacionario. Estas pruebas duran días. Nuestros sistemas biaxiales planares están optimizados para pruebas de fatiga de ciclo bajo, que normalmente son diez mil ciclos. Una frecuencia típica para estas pruebas es de 1 Hz.
P: ¿Por qué es importante garantizar la alineación del sistema?
Lemmer: Si la prueba empuja y tira de la muestra en dos direcciones, la aplicación de esas fuerzas debe ocurrir en el mismo plano. De lo contrario, introduce una fuerza de flexión o una tensión de cizallamiento no intencionada que no puede controlarse adecuadamente y que no se tiene en cuenta en el análisis. Esto compromete los datos, ya que una tensión involuntaria puede provocar una falla temprana de la probeta. Si se cuentan los ciclos hasta la falla, ese número no será exacto. La tensión involuntaria también pone la probeta en riesgo de pandeo. En muchas industrias, especialmente en la aeroespacial, la probeta puede ser muy costosa de reemplazar. MTS garantiza una alineación adecuada con un dispositivo de alineación que proporciona un ajuste de alineación de mordaza a mordaza para garantizar que todo esté coplanario, concéntrico y ajustado angularmente. MTS mecaniza con precisión los actuadores y sus ubicaciones de montaje para minimizar las tensiones de flexión, pero incluso los pequeños desajustes pueden afectar a la prueba; es necesario realizar pequeños ajustes y el dispositivo de alineación facilita su realización.
P: ¿El dispositivo de alineación garantiza la repetibilidad de la prueba?
Lemmer:Después de conseguir que la alineación del bastidor sea perfecta, hay que colocar la probeta real en su sitio y asegurarse de que la alineación siga siendo correcta. Usamos mordazas de cuña hidráulicas estándar que se sujetan a la probeta de la misma manera cada vez. Aplican la misma fuerza a todas las patas de la probeta. En otras palabras, son muy repetibles. Y están diseñadas para adaptarse a muchos tamaños diferentes de probetas. La otra opción es utilizar un accesorio mecánico atornillado que no es tan flexible y no proporciona el mismo tipo de repetibilidad de alineación inducida por la mordaza. Con MTS, puede estar seguro de que la probeta está alineada en cuestión de minutos. Otros sistemas pueden tardar medio día.
P: ¿Cómo han influido estos retos en la oferta biaxial planar de MTS?
Lemmer:Para garantizar la integridad de los datos de las pruebas, nuestros sistemas están diseñados para lograr el máximo control y alineación. Proporcionan una rigidez lateral excepcional. Los actuadores incluyen cojinetes hidrostáticos y están anidados para minimizar la distancia entre el actuador y el espacio de la prueba. Un dispositivo de protección de sobremomento ayuda a sostener cada actuador en caso de un evento fuera del plano. Estos atraparán los accesorios en el tren de carga y llevarán las fuerzas a tierra en lugar de dañar las celdas de carga o los actuadores. Porque no importa cuán cuidadoso sea, las patas de la probeta pueden romperse inesperadamente. El diseño de nuestro sistema evita que se dañe el bastidor. Se trata de un diseño muy robusto sin apenas fricción en los actuadores, lo que también es importante para la fidelidad de la forma de la onda y el software de control.
P: ¿Cuál es la gama de ofertas de MTS para pruebas biaxiales planares?
Lemmer:Disponemos de capacidades de fuerza que van desde los 25 hasta los 500 kN. Asimismo, contamos con un sistema que puede entregar 250 kN en una dirección y 500 kN en otra. Muchos de estos sistemas también tienen capacidades de torsión. Cada solución incluye los accesorios, el software, la tecnología de control digital y la interfaz de usuario necesarios para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación de prueba de cada cliente. Es una solución completa, por lo que el cliente disfruta de una experiencia de “ventanilla única” y puede estar seguro de que todos los componentes están diseñados para interactuar sin problemas. Desde 1990 femos instalado quince de estos sistemas en todo el mundo y conocemos a fondo tanto los equipos de prueba como las pruebas.
P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de mejoras que MTS puede incorporar en los sistemas biaxiales planares?
Lemmer:El diseño de los sistemas biaxiales planares de MTS se puede modificar fácilmente para cumplir con los requisitos de prueba exactos de los clientes. Muchos clientes quieren mantener las cargas iguales en ambas direcciones. Pero algunos no. Por ejemplo, un cliente biaxial planar estaba más interesado en controlar la relación de las cargas y cambiar la relación para ver cómo afectaba a la propagación y orientación de la grieta. Esto también se conoce como la salida del círculo de Mohr. Las tensiones principales crean tensiones de cizallamiento en un ángulo. Los estados de tensión y las tasas de crecimiento de las grietas pueden ser completamente diferentes en estos casos, lo que por supuesto tiene implicaciones en el diseño. Como se menciona, también podemos agregar la rotación a una configuración de sistema de prueba biaxial planar, lo que permite a los investigadores investigar una porción mucho mayor del tensor de tensión. A lo largo de los años, hemos integrado una variedad de sistemas de simulación ambiental en soluciones biaxiales planares para aplicar temperaturas extremas, vacío y humedad a las probetas sometidas a prueba. Hace poco, diseñamos un sistema compacto de 25 kN de baja masa que permite a los investigadores integrarlo y articularlo dentro de una línea de haz de partículas estacionaria.
Comuníquese con MTS hoy mismo para obtener más información sobre las soluciones para pruebas biaxiales planares.
P: ¿Qué son las pruebas biaxiales planares? ¿En qué se diferencian de las pruebas uniaxiales convencionales?
Schwarzkopf:La idea de las pruebas biaxiales planares es que, en el mundo real, la mayoría de las estructuras y componentes están sujetos a cargas en más de una dirección. Para simular las condiciones del mundo real, los ingenieros de pruebas necesitan la capacidad de tirar de la probeta en múltiples direcciones mientras ejercen un gran control sobre el proceso. En este caso, "control" significa mantener el centro de la probeta con precisión en el centro y eliminar el riesgo de tensión de flexión adicional. Nuestro sistema biaxial planar utiliza cuatro actuadores en un plano para lograrlo. Las probetas para las pruebas biaxiales planares son únicas en el sentido de que suelen tener una forma cruciforme con cuatro puntos de fijación; y los brazos suelen tener la misma longitud. Esto es importante porque todo lo que rodea al centro de la probeta debe estirarse uniformemente. De lo contrario, la prueba no obtendrá los resultados correctos.
P: ¿Cómo surgieron las pruebas biaxiales planares? ¿Cuáles son sus orígenes?
Schwarzkopf:La necesidad de pruebas biaxiales planares surgió en la década de 1960 con la llegada de los motores a reacción. Hubo mucho interés entre los fabricantes aeroespaciales sobre los estados de tensión en las estructuras de las aeronaves. Otra de las primeras aplicaciones fue el análisis de la estructura del grano de las chapas metálicas en la fabricación de automóviles. Antes de las pruebas biaxiales planares, los ingenieros realizaban múltiples pruebas uniaxiales por separado y predecían el comportamiento multiaxial en el mundo real utilizando la extrapolación.
P: ¿Qué papel desempeñó MTS en el perfeccionamiento de la tecnología de pruebas biaxiales planares?
Schwarzkopf: MTS se involucró en la década de 1980. Fuimos pioneros en el desarrollo de los primeros sistemas de pruebas biaxiales que podían girar y tirar al mismo tiempo, utilizando una sola unidad de carga. Luego agregamos cargas laterales, para las cuales se necesitan cuatro actuadores. La capacidad de nuestras soluciones para controlar múltiples ejes simultáneamente fue vital para hacer que este tipo de pruebas fueran factibles y precisas. MTS estaba muy familiarizado con el control de la relación de fase entre múltiples actuadores gracias a nuestra experiencia en la industria automotriz. Luego agregamos un bastidor de carga para asegurar una relación geométrica específica. Luego, en la década de 1990, desarrollamos el software, los controladores digitales y los esquemas de control que facilitaron al cliente lograr un control adecuado del centroide. Antes de esto, era posible, pero era muy difícil y poco eficiente para muchos laboratorios.
P: ¿Qué necesidades críticas abordan las pruebas biaxiales planares?
Schwarzkopf: Los ingenieros confían en los datos de las pruebas biaxiales planares para tomar decisiones importantes de diseño sobre la resistencia y el espesor de los materiales. Existen aplicaciones en muchas industrias, principalmente para probar metales. La atención se centra en las pruebas dinámicas, es decir, en la mecánica de la fractura y el crecimiento de las grietas por fatiga. Nuestros clientes necesitan saber qué tan rápido crecerá una grieta y qué tan pronto alcanzará un tamaño crítico en diversas condiciones de carga. Se utilizan otras simulaciones biaxiales planares para probar componentes reales del mundo real. Estas pruebas pueden ser realmente biaxiales, axiales y torsionales, y estas fuerzas pueden estar sincronizadas u opuestas. Algunos clientes pueden querer realizar pruebas de tolerancia a los daños para medir el crecimiento de las grietas a partir de un gran agujero en el material, y luego reparar el daño y ver cómo aguanta la reparación, o probar cuántas veces se puede reparar el mismo agujero. Ésta es la belleza de las pruebas biaxiales planares: se pueden adaptar para controlar las fuerzas de cualquier forma que produzca los datos que se necesitan.
P: ¿Cómo utilizan los clientes los datos de las pruebas biaxiales planares?
Schwarzkopf:Los datos ayudan a nuestros clientes a desarrollar nuevas técnicas de fabricación, a comprender el comportamiento de nuevos materiales como los compuestos y a desarrollar mejores modelos. Existen numerosas aplicaciones prácticas, que suelen realizarse en grandes instalaciones de investigación y desarrollo. Los fabricantes aeroespaciales están estudiando estructuras y componentes de aeronaves. Los fabricantes de turbinas de gas están probando componentes utilizados en motores a reacción de aviones y unidades de generación de energía. Los grandes laboratorios nacionales tienden a estar muy interesados en las pruebas biaxiales planares. Proporcionan un grado de realismo mucho más cercano al entorno operativo real que el que se puede conseguir con las pruebas uniaxiales. Pero en los casos en los que una falla estructural o de un componente puede tener resultados desastrosos, lo cual es sin duda el caso de la industria aeroespacial y de generación de energía, las pruebas biaxiales planares son muy populares.
P: ¿Cuáles son algunos de los retos técnicos clave de las pruebas biaxiales planares?
Lemmer: Los aspectos más desafiantes de las pruebas biaxiales planares incluyen: lograr un control preciso del centroide, garantizar la alineación adecuada del sistema y lograr la repetibilidad de las pruebas.
P: ¿Qué es el control del centroide?
Lemmer:El control del centroides se refiere a la capacidad de mantener el centro de la probeta precisamente donde el investigador quiere, por lo general, pero no siempre, en el centro del espacio de la prueba. Los sistemas biaxiales planares de MTS pueden controlar la ubicación del centroide dentro de micrones. En la mayoría de las aplicaciones, el cliente desea mover los bordes hacia afuera o hacia adentro, apretando y tirando, en una prueba cíclica. Pero el centro debe permanecer estacionario. Estas pruebas duran días. Nuestros sistemas biaxiales planares están optimizados para pruebas de fatiga de ciclo bajo, que normalmente son diez mil ciclos. Una frecuencia típica para estas pruebas es de 1 Hz.
P: ¿Por qué es importante garantizar la alineación del sistema?
Lemmer: Si la prueba empuja y tira de la muestra en dos direcciones, la aplicación de esas fuerzas debe ocurrir en el mismo plano. De lo contrario, introduce una fuerza de flexión o una tensión de cizallamiento no intencionada que no puede controlarse adecuadamente y que no se tiene en cuenta en el análisis. Esto compromete los datos, ya que una tensión involuntaria puede provocar una falla temprana de la probeta. Si se cuentan los ciclos hasta la falla, ese número no será exacto. La tensión involuntaria también pone la probeta en riesgo de pandeo. En muchas industrias, especialmente en la aeroespacial, la probeta puede ser muy costosa de reemplazar. MTS garantiza una alineación adecuada con un dispositivo de alineación que proporciona un ajuste de alineación de mordaza a mordaza para garantizar que todo esté coplanario, concéntrico y ajustado angularmente. MTS mecaniza con precisión los actuadores y sus ubicaciones de montaje para minimizar las tensiones de flexión, pero incluso los pequeños desajustes pueden afectar a la prueba; es necesario realizar pequeños ajustes y el dispositivo de alineación facilita su realización.
P: ¿El dispositivo de alineación garantiza la repetibilidad de la prueba?
Lemmer:Después de conseguir que la alineación del bastidor sea perfecta, hay que colocar la probeta real en su sitio y asegurarse de que la alineación siga siendo correcta. Usamos mordazas de cuña hidráulicas estándar que se sujetan a la probeta de la misma manera cada vez. Aplican la misma fuerza a todas las patas de la probeta. En otras palabras, son muy repetibles. Y están diseñadas para adaptarse a muchos tamaños diferentes de probetas. La otra opción es utilizar un accesorio mecánico atornillado que no es tan flexible y no proporciona el mismo tipo de repetibilidad de alineación inducida por la mordaza. Con MTS, puede estar seguro de que la probeta está alineada en cuestión de minutos. Otros sistemas pueden tardar medio día.
P: ¿Cómo han influido estos retos en la oferta biaxial planar de MTS?
Lemmer:Para garantizar la integridad de los datos de las pruebas, nuestros sistemas están diseñados para lograr el máximo control y alineación. Proporcionan una rigidez lateral excepcional. Los actuadores incluyen cojinetes hidrostáticos y están anidados para minimizar la distancia entre el actuador y el espacio de la prueba. Un dispositivo de protección de sobremomento ayuda a sostener cada actuador en caso de un evento fuera del plano. Estos atraparán los accesorios en el tren de carga y llevarán las fuerzas a tierra en lugar de dañar las celdas de carga o los actuadores. Porque no importa cuán cuidadoso sea, las patas de la probeta pueden romperse inesperadamente. El diseño de nuestro sistema evita que se dañe el bastidor. Se trata de un diseño muy robusto sin apenas fricción en los actuadores, lo que también es importante para la fidelidad de la forma de la onda y el software de control.
P: ¿Cuál es la gama de ofertas de MTS para pruebas biaxiales planares?
Lemmer:Disponemos de capacidades de fuerza que van desde los 25 hasta los 500 kN. Asimismo, contamos con un sistema que puede entregar 250 kN en una dirección y 500 kN en otra. Muchos de estos sistemas también tienen capacidades de torsión. Cada solución incluye los accesorios, el software, la tecnología de control digital y la interfaz de usuario necesarios para cumplir con los requisitos específicos de la aplicación de prueba de cada cliente. Es una solución completa, por lo que el cliente disfruta de una experiencia de “ventanilla única” y puede estar seguro de que todos los componentes están diseñados para interactuar sin problemas. Desde 1990 femos instalado quince de estos sistemas en todo el mundo y conocemos a fondo tanto los equipos de prueba como las pruebas.
P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de mejoras que MTS puede incorporar en los sistemas biaxiales planares?
Lemmer:El diseño de los sistemas biaxiales planares de MTS se puede modificar fácilmente para cumplir con los requisitos de prueba exactos de los clientes. Muchos clientes quieren mantener las cargas iguales en ambas direcciones. Pero algunos no. Por ejemplo, un cliente biaxial planar estaba más interesado en controlar la relación de las cargas y cambiar la relación para ver cómo afectaba a la propagación y orientación de la grieta. Esto también se conoce como la salida del círculo de Mohr. Las tensiones principales crean tensiones de cizallamiento en un ángulo. Los estados de tensión y las tasas de crecimiento de las grietas pueden ser completamente diferentes en estos casos, lo que por supuesto tiene implicaciones en el diseño. Como se menciona, también podemos agregar la rotación a una configuración de sistema de prueba biaxial planar, lo que permite a los investigadores investigar una porción mucho mayor del tensor de tensión. A lo largo de los años, hemos integrado una variedad de sistemas de simulación ambiental en soluciones biaxiales planares para aplicar temperaturas extremas, vacío y humedad a las probetas sometidas a prueba. Hace poco, diseñamos un sistema compacto de 25 kN de baja masa que permite a los investigadores integrarlo y articularlo dentro de una línea de haz de partículas estacionaria.
Comuníquese con MTS hoy mismo para obtener más información sobre las soluciones para pruebas biaxiales planares.