Design, Manufacturing, and Testing of an Open-Source Universal Testing Machine for Hands-On Learning

Abstract

In dieser Arbeit wurde eine universale Zug-Druck-Prüfmaschine mit der Kurzbezeichnung MT-02 entworfen, gebaut und getestet mit dem Ziel dieses Gerät für Ausbildungs- und Demonstrationszwecke einzusetzen. Die Spezifikationen des neuenDesigns waren: preisgünstig, transportabel, leicht erweiterbar, einfache Bedienung, Open-Source-Software und Zug-Druck-Testung mit einer Prüflast bis 3,5 kN. Der Rahmen wurde aus normierten Aluprofilen gestaltet. Wenig belastete Teile wurden 3D gedruckt und die Ansteuerung erfolgt mit einem Arduino. Die Bedienung wurde mit einem Touch-Display realisiert und die Messdaten werden via einer USB-Schnittstelle übertragen. Um die Maschine testen zu können, wurde eine Zugtest-Reihe mit Kunststoffproben mit der MT-02 und einer kommerziellen niversalprüfmaschine durchgeführt. Die Ergebnisse wurden zur Überprüfung der Genauigkeit der gebauten Prüfmaschine verwendet. Es konnten alle Proben mit der Maschine erfolgreich getestet werden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Festikeit sehr gut erfasst wird. Die Dehnung, welche über die Querhauptverschiebung bgeschätzt wird, unterscheidet sich im Vergleich zu den Ergebnissen, ermittelt über den Video-Extensometer der kommerziellen Universalprüfmaschine, mit einem Faktor von zwei. Folglich wird der E-Modul um 48% unterschätzt. Abhilfe kann eine optische Dehnungsmessung schaffen. Zusammenfassend konnte anhand des Baus der MT-02 gezeigt werden, dass eine Zug-Druck-Prüfmaschine, welche zu Demonstrationszwecken sowie in der Ausbildung von Ingenieuren eingesetzt wird, relativ kostengünstig und ohne enorme Aufwände in technisch gut ausgestatteten Werkstätten problemlos gefertigt werden kann. Die Messergebnisse sind mit denen kommerzieller Testsysteme vergleichbar.

In this thesis, a universal testing machine called MT-02 was designed, built, and tested. The goal was to create a machine that can be used for academic training and demonstration purposes. The specifications of the design include: affordability, portability, ease of extending the soft- and hardware, open-source spirit, and the capability to perform tensile tests as well as compression tests with loads up to 3.5 kN. Standardized aluminum profiles are used to build the frame of the machine. Low loaded parts were 3D printed. The control is based on an Arduino board. The machine is operated via a touch display and the measurement data is transmitted via a USB interface to a PC.A tensile test series with plastic samples was performed on the MT-02 as well as on a commercial universal testing machine. After successfully testing all samples, the results were compared and interpreted regarding the accuracy and precision of the built machine. They indicated a good agreement concerning the strength. The strain of the sample, which is estimated by the displacement of the crosshead, deviates by a factor of two from the results of the commercial universal testing machine with a video extensometer. Thus, the Young’s modulus is underestimated by 48%. Optical strain measurement could resolve this issue. In summary, this thesis shows that a universal testing machine can be built at well-equipped workshops with a relatively low budget and effort. Measurement outcomes are comparable to commercial test systems.