万能試験機と圧縮試験機の違いを解説

あ 万能試験機 (UTM) は、単一のプラットフォーム上で引張、圧縮、曲げ、せん断、剥離のテストを実行します。 圧縮試験機 圧縮荷重のみを実行します。 UTM は、より高機能で高価な機器です。デュアルコラムまたは 4 コラムのフレーム、双方向アクチュエータ、および交換可能なグリップ システムにより、力の方向を反転し、事実上あらゆるテスト形状に対応できます。圧縮試験機は、下向きの圧縮荷重専用に設計されています。引張力を加える機構がないため、コストが低く、操作が簡単で、コンクリート立方体試験、レンガ試験、梱包材の圧縮など、大量の圧縮に特化した試験に適しています。 研究室で材料を圧縮に加えて引張または曲げでテストする場合は、UTM が正しい選択です。作業が圧縮のみの場合、特にコンクリートや石材などの高荷重の構造材料の場合、専用の圧縮試験機を使用すると、より優れた価値が得られ、多くの場合、1 ドルあたりの耐力が高くなります。

主要な設計の違い: 各マシンの目的は何ですか

万能試験機のアーキテクチャ

UTM は、上部の固定クロスヘッドと親ネジ、油圧シリンダー、またはベルトとプーリー システムによって駆動される可動クロスヘッドをサポートする構造フレーム (通常は 2 つまたは 4 つの耐力柱) を中心に構築されます。アクチュエータは双方向であり、同じ力容量でクロスヘッドを上向き (張力) と下向き (圧縮) の両方に動かすことができます。ロードセルはアクチュエータとグリップの間にインラインで取り付けられ、両方向の力を測定します。この対称的で双方向のデザインが、このマシンを「ユニバーサル」なものにしています。

クロスヘッド間の試験スペースには両側からアクセスできるため、長い試験片を軸方向に荷重することができます。上部と下部のグリップまたは固定具は交換可能です。同じ機械で、ツールを交換するだけで、引張グリップで 6 mm ワイヤを保持したり、平らなプラテン間でフォーム ブロックを圧縮したり、3 点曲げ固定具を横切ってビームを曲げたりすることができます。 UTM の範囲は次のとおりです。 梱包およびフィルム用の 100 N ベンチトップ ユニット、構造用鋼およびコンクリート用の最大 2,000 kN の床置き機械 .

圧縮試験機のアーキテクチャ

圧縮試験機 (CTM) — コンクリート圧縮試験機またはキューブ プレスとも呼ばれる — は、剛性のベース フレーム、固定された下部プラテン、および油圧ジャッキまたは電気機械アクチュエーターによって下方に駆動される上部プラテンで構成されます。荷重方向は一方向です。上部プラテンが下降し、試験片は 2 つのプラテンの間で押しつぶされます。アクチュエータを反転させて上向きの張力を加える機構はありません。

CTM は、硬い試験片に対する強力な圧縮試験用に最適化されています。フレームは（引張ではなく）圧縮反力にのみ耐えればよいため、本質的に剛性が高く、より短くコンパクトな構造で作成できます。これは、爆発的に破壊する脆性材料を試験する際の正確な測定に不可欠です。コンクリート試験用の標準 CTM の範囲は次のとおりです。 1,000kN～3,000kN 、専門の機械が到達します 5,000 kN (500 トン) 岩石や大きな骨材の標本用。これらの力レベルは、同等の価格の UTM ではほとんど利用できません。

テストの種類: 各マシンでできることとできないこと

力の範囲とフレームの剛性: マシンが分岐する場所

力の範囲は、実際には 2 つのマシン タイプ間の最も明確な違いの 1 つです。一般的な材料試験ラボで使用される UTM は、最も一般的には 5kN～600kN 範囲。構造用鋼の引張試験が可能な 600 kN UTM のコストは、コンクリート試験ラボで使用される 3,000 kN 圧縮試験機よりも大幅に高くなります。これは、UTM の双方向フレーム、高精度サーボ制御、および伸び計インターフェイスにより、油圧 CTM には必要のない大幅なコストが追加されるためです。

フレームの剛性も重要なパラメータです。コンクリート立方体などの脆い試験片が爆発的に破壊すると、コンプライアントな (剛性が低い) フレームに蓄えられたエネルギーが突然解放され、自然な破壊点を超えて試験片を押しつぶし続け、人為的に低い強度の測定値が生成されます。 EN 12390-4 および ASTM C39 は、コンクリート圧縮試験の最小フレーム剛性要件を指定しています。 — 通常、最大荷重時のたわみ限界として表されます。専用 CTM は、これらの剛性要件を満たすように特別に設計されています。多くの汎用 UTM、特に電気機械ネジ駆動モデルは、高荷重での正確なコンクリート圧縮試験を行うにはフレームの剛性が不十分です。

作動システム: 電気機械式 vs. 油圧式

UTM と圧縮試験機はどちらも電気機械 (EM) タイプと油圧タイプで利用できますが、一般的な構成は 2 つの機器タイプで異なります。

電気機械式UTM

600 kN 未満のほとんどの実験用 UTM は電気機械式です。電気サーボ モーターが親ネジまたはボールネジを駆動してクロスヘッドを動かします。これにより、 正確なクロスヘッド変位制御 — ±0.1 mm 以上の位置精度 — 全負荷範囲にわたって 0.001 mm/min ～ 1,000 mm/min の一定のクロスヘッド速度。 EM ドライブは、油圧システムに比べてクリーン (油圧オイルを使用しない)、静かで、定期的なメンテナンスの必要性が少なくなります。制限は最大の力です。600 kN を超える送りねじ駆動の UTM は非常に大きく、速度が遅く、高価になります。

油圧 UTM および圧縮試験機

600 kN を超えると、UTM と CTM の両方で油圧作動が支配的になります。油圧ポンプはオイルを加圧してピストン/ラムを動かします。これにより、コンパクトなアクチュエータ、つまり油圧ラムが非常に大きな力を生成します。 直径約250mmの円筒に2,000kNが収まる 。油圧システムは、荷重制御試験 (変位速度ではなく荷重速度 (kN/s) が指定されるコンクリート試験の標準) に優れた力制御を提供します。欠点は、位置制御が電気機械式よりも精度が低く、オイルの定期的な交換と漏れ管理が必要であり、ポンプが熱と騒音を発生することです。

疲労試験や動的試験に使用されるサーボ油圧 UTM は、力と変位の両方に対する油圧力能力と閉ループ サーボ制御を組み合わせています。これらは、通常の品質管理研究所ではなく、研究や航空宇宙試験環境でよく使用される専門の高コスト機器です。

グリップおよび固定具システム: 多用途性 vs. シンプルさ

UTM の多用途性は主に、そのフィクスチャ エコシステムによってもたらされます。機械のクロスヘッドには、交換可能なグリップと固定具を受け入れるネジ式またはクレビス式の取り付けポイントがあります。

• ウェッジアクション引張グリップ — 平らまたは丸い試験片を掴む自動締め付けジョー。滑らかなジョー (柔らかい材料用) または鋸歯状のジョー (硬い材料用) で利用可能。最も一般的な UTM アクセサリ
• 圧縮プラテン — ブロック、シリンダー、試験片を圧縮するための平らな硬化鋼板。これらは UTM を非コンクリート用途の圧縮試験機に変換します。
• 3点および4点曲げ治具 — 曲げ試験用のローラーベースのサポートと荷重ノーズ。スパン距離は試験規格で指定された試験片の寸法に合わせて調整可能
• ピール治具 — 定義された角度での接着剤およびフィルム剥離テスト用の回転アームまたは T ピール治具 (90°、180°、T ピール)
• 伸び計 — クロスヘッドの変位とは独立して試験片の伸びを測定するクリップオンまたは非接触デバイスで、ヤング率と降伏強度を決定するための正確なひずみ測定を提供します。

対照的に、圧縮試験機には通常、上部プラテンと下部プラテンという 1 つの治具構成しかありません。 EN 12390-4 に基づくコンクリート CTM では、 球状に固定された上部プラテン セルフレベリングにより、試験片のわずかな非平行度に対応します。これは、コンクリート立方体の試験にとって重要な精度機能です。一部の CTM はオプションのビーム テスト フィクスチャを受け入れますが、フィクスチャの範囲は UTM がサポートするものの一部です。

測定と制御: ロードセル、伸び計、およびソフトウェア

ロードセルの精度と範囲

UTM は通常、交換可能なロード セルを使用します。研究室には、フィルムおよび接着剤のテスト用に 1 kN のセルがあり、金属テスト用に 100 kN のセルがあり、それぞれ独自の校正が行われている場合があります。ロードセルの精度は重要です。ASTM E4 および ISO 7500-1 では、試験機の力の精度が以下でなければならないと規定しています。 指示力の±1% ロードセル容量の 2% ～ 100% の範囲で。最新の UTM ロードセルのほとんどは、 ±0.5%以上 定格範囲全体での精度。

コンクリート用の圧縮試験機は、EN 12390-4 に従って校正されたロードセルまたは圧力トランスデューサーを使用し、以下の精度が要求されます。 加えられた力の ±2% 最大容量の 20% ～ 100% の範囲で。より広い許容差は、コンクリート試験片の形状と表面処理における固有の変動性を反映しており、2% を超える測定精度は実際には意味がありません。

ソフトウェア機能

UTM ソフトウェアは、複数の試験タイプ、伸び計データからのひずみ計算、および材料特性 (ヤング率、降伏強さ、極限引張強さ、破断点伸び、破壊靱性) の導出を処理する必要があるため、必然的に CTM ソフトウェアよりも複雑になります。 Instron (Bluehill)、Zwick/Roell (testXpert)、および MTS (TestSuite) の主要な UTM ソフトウェア プラットフォームは、プログラム可能な試験方法、材料特性の自動計算、試験片バッチ全体にわたる統計レポート、および LIMS (Laboratory Information Management Systems) との統合を提供します。

コンクリート用の CTM ソフトウェアは設計がよりシンプルです。オペレータが試験片の断面寸法を入力すると、機械が指定された速度 (通常は 0.5 ± 0.25 MPa/秒、EN 12390-3 に準拠 ）、破壊時のピーク力を記録し、力を断面積で割ったものとして圧縮強度を計算します。結果は MPa または psi 単位の単一の数値になります。応力-ひずみ解析や弾性率の計算はありません。

包括的な比較比較

業界のアプリケーション: 誰がどのマシンを使用するか

主にUTMを使用する業界

• 金属と製造業 — ISO 6892 および ASTM E8 に準拠した鋼、アルミニウム、銅、溶接部の引張試験は、世界的に最も一般的な UTM アプリケーションです。降伏強さ、引張強さ、伸びは構造材料の必須品質パラメータです
• プラスチックとポリマー — ISO 527、ISO 178、および ASTM D638 に基づく、成形部品、フィルム、繊維の引張、曲げ、圧縮試験。製薬業界は錠剤の硬度とカプセルのシール強度に UTM を使用しています
• テキスタイルとジオテキスタイル - 生地、糸、ジオメンブレンライナーの引張強度と伸び。接着繊維の剥離強度と縫い目強度
• あerospace and automotive — 構造コンポーネントの試験、複合ラミネートの引張および圧縮、接着接合部の試験、ファスナーの引き抜き;多くの場合、特殊な設備と環境チャンバー（高温、極低温）が必要です
• 包装 — カートンと段ボールの圧縮、フィルムの引張と引き裂き、シールの剥離強度、ボトルの破砕;パッケージング ラボの UTM は、複数のテスト タイプにわたって 1 日に 50 ～ 100 件のテストを実行することがよくあります。

圧縮試験機を主に使用している業界

• 建材試験所 — コンクリート立方体および円柱の圧縮試験は、建設業界で最も一般的な品質管理試験です。典型的な現場の研究室はテストすることができます 1 日あたり 50 ～ 200 個のコンクリート立方体 、CTM のスループットとシンプルさが重要になります
• セメント製造 — EN 196-1 および ASTM C109 に準拠したセメント モルタル キューブの圧縮強度は、セメント製造の主要な品質パラメータです。モルタル試験専用の CTM がセメント工場の品質ラボで継続的に稼働
• 石材と陶器 — EN 772-1、ASTM C67 に基づくレンガ、ブロック、タイル、および耐火セラミックスの圧縮強度。これらのテストには、専用 CTM の高い力容量と剛性の高いフレームが必要です。
• 岩石力学と地盤工学 — ISRM および ASTM D7012 に基づく岩石コア試験片の一軸圧縮強度 (UCS) 試験。高い拘束圧力にある岩石標本には最大 5,000 kN の力の CTM が必要です

UTM が圧縮試験機の代わりになる場合 (およびそうでない場合)

圧縮プラテンを備えた UTM は、金属、プラスチック、発泡体、梱包材の専用圧縮試験機と同じテストの多くを実行できます。問題は、コンクリートや石材の試験に適しているかどうかであり、ほとんどの購入決定の中心となるのはそこです。

UTM は、次の場合にのみコンクリート圧縮テストに適しています。

• その力容量は、予想されるピーク荷重 (150 mm の標準コンクリート立方体) をカバーします。 30 MPa の設計強度には約 675 kN のピーク力が必要です ; 200mmの立方体には1,200kNが必要です。 1,000 kN 未満のほとんどの UTM は、日常的なコンクリート立方体試験には不適切です
• そのフレーム剛性は、該当する規格 (EN 12390-4 または ASTM C39) の要件を満たしています。これは想定ではなく製造元に確認する必要があります
• 上部プラテンには、標準要件に準拠した球面シート機構が付いています。
• 校正機関は特に圧縮モードを対象としています。引張試験用に ISO 7500-1 に従って校正された UTM は、EN 12390-4 に基づくコンクリート圧縮試験には自動的に準拠しません。

少量の研究用途（他のさまざまなテストニーズを伴う大学の研究室でのコンクリート試験片の時折テスト）の場合、適切な圧縮治具を備えた大容量 UTM が、2 台のマシンの購入を回避できる実用的な選択肢です。毎日大量の処理を行う商業用コンクリート試験ラボの場合、 専用 CTM はコスト効率が高く、操作が速く、目的に合わせて調整されています まさにその仕事のために。

校正、規格、および認定の要件

UTM と CTM は両方とも、力の精度を検証するために、認定された校正機関によって定期的に校正される必要があります。適用される規格は次のように異なります。

• ISO 7500-1 / ASTM E4 — 試験機の力測定システムを校正するための国際規格と米国規格。精度クラスを定義します (クラス 0.5 = ±0.5%、クラス 1 = ±1%、クラス 2 = ±2%)。 UTM およびあらゆる力測定機器に適用
• EN 12390-4 — 具体的には、コンクリートに使用される圧縮試験機に対応します。力の精度に加えて、プラテンの平面度と硬度、球面シート機能、荷重適用率の精度の検証が必要です。 EN 12390-3 に準拠してコンクリートを試験する研究所は、特にこの規格に合わせて CTM を校正する必要があります
• 校正頻度 — ISO/IEC 17025 認定の研究所は通常、毎年校正を行います。使用頻度が高い、または結果が大きいテスト環境 (原子力、航空宇宙) では、半年ごとの校正が必要な場合があります。重要な機械の修理、移転、または過負荷の疑いのあるイベントの後には常に校正を行う必要があります。

ISO/IEC 17025 実験室認定の場合、認定の範囲によって、どのテストと力の範囲がカバーされるかが指定されます。 UTM を使用した金属の引張試験の認定を受けた研究所が、同じ機械を使用したコンクリート圧縮試験の認定を自動的に受けるわけではありません。試験方法、規格、および校正要件は個別に評価されます。

意思決定ガイド: どのマシンを購入するか

次の基準を使用して、どの機器がテスト要件に適しているかを判断してください。

1. 引張試験は必要ですか? 「はい」の場合、金属、プラスチック、繊維、フィルム、または接着剤の場合、UTM は必須です。圧縮専用機械は、どのような構成でも引張試験を実行できません。
2. あなたの主な仕事はコンクリート、石材、または岩石の圧縮ですか? 「はい」で、必要な力が 600 kN を超える場合、専用 CTM は低コストでより高い力能力を提供し、これらの材料向けに特別に設計および校正されています。
3. テストのボリュームはどれくらいですか? 大量のコンクリート試験 (1 日あたり 50 個の試験体) では、専用 CTM の操作が簡単になり、サイクル タイムが短縮されるというメリットが得られます。研究または少量のテストでは、複数のテスト タイプに対応できる UTM のコストが正当化されます。
4. 予算はいくらですか? 同等の圧縮力容量の場合、CTM は通常コストがかかります 30 ～ 50% 削減 UTMよりも。テスト範囲が圧縮のみの場合、決して使用されない UTM 機能にさらに多くの費用を費やすことは正当化されません。
5. 伸び計データまたは応力-ひずみ曲線が必要ですか? 材料特性の特性評価 (弾性率、降伏点、破壊エネルギー) が必要な場合は、伸び計付きの UTM が必要です。 CTM はピーク力と圧縮強度のみを生成し、連続的な力-変位または応力-ひずみデータは生成しません。
6. テスト範囲は時間の経過とともに変化しますか? 研究室が新しい種類の材料のテストや新しい市場への参入を予定している場合、UTM の多用途性により投資が保護されます。 CTM の購入は、耐用年数に関する圧縮試験の実施を約束するものです。