Universalprüfmaschinen werden zur Ermittlung von physikalischen (mechanischen) Werkstoffeigenschaften und zur Werkstoffprüfung eingesetzt. Die beiden wesentlichen Messgrößen sind dabei die Kraft und die Länge, als Längenänderung unter einwirkender Kraft.

Daneben können weitere Messgrößen (z.B. Temperatur) erfasst und zur Kraft und/oder Länge ins Verhältnis gesetzt werden. Neben der Ermittlung von Werkstoffeigenschaften werden Zugprüfmaschinen auch vielfach zur Designvalidierung und Qualitätssicherung von Werkstücken, Baugruppen oder kompletten Produkten eingesetzt.

Die bekanntest und vielleicht auch eine der ältesten Anwendung von Universalprüfmaschinen ist die Ermittlung der Zugfestigkeit an Werkstoffen. Daher wird auch heute noch oft der Begriff Zugprüfmaschine synonym benutzt. Die Zugfestigkeit als Werkstoffeigenschaft beschreibt die maximale mechanische Zugspannung, als Kraft pro Flächeneinheit. Masseinheit hierfür sind N/mm² (Newton pro Quadratmillimeter) oder MPa (MegaPascal). Vereinfacht wird teilweise auch nur die maximale Zugkraft ohne Bezug auf die Fläche angegeben, sofern die Proben vergleichbar sind oder vergleichende Messungen erfolgen.

Die zugehörigen Prüfnormen der Werkstoffprüfung sind zumeist für unterschiedliche Materialgruppen ausgelegt. (z.B. DIN EN ISO 6892-1 für metallische Werkstoffe). Bei international harmonisierten Normen für Stahl wird anstelle der Zugfestigkeit oft der Begriff Streckgrenze benutzt.

Die zugehörigen Prüfnormen der Werkstoffprüfung sind in der Regel für unterschiedliche Werkstoffgruppen ausgelegt. (z. B. DIN EN ISO 6892-1 für metallische Werkstoffe). International harmonisierte Normen für Stahl verwenden häufig den Begriff Streckgrenze anstelle von Zugfestigkeit.

Neben der Zugfestigkeit wird auch die Druck- oder Bruchfestigkeit zur Beschreibung von Materialeigenschaften verwendet. Dies gilt für Materialien, deren Proben nicht gezogen werden können (zB Pellets oder Tabletten) oder empfindliche Bauteile zerbrechen (zB Glasscheiben oder Solarzellen). Korrekterweise ist dieser Maschinentyp als einachsige Druck- und Zugprüfmaschine zu bezeichnen. Zerstörende Biegeversuche werden auch zur Prüfung von thermoplastischen oder verstärkten Kunststoffen nach DIN EN ISO 178 (3-Punkt-Biegeversuch) oder DIN EN ISO 14125 (4-Punkt-Biegeversuch) eingesetzt.

Die Scherfestigkeit zweier miteinander verbundener Materialien, z. B. auf Leiterplatten gelöteter elektronischer Bauteile, wird durch einen kontinuierlichen Kraftanstieg bis zum Bruch der Verbindung geprüft.

Bei der Kraft-Weg-Prüfung mit einer Zugprüfmaschine werden die Kraft- und Wegmesswerte synchron aufgenommen und als Diagramm grafisch dargestellt. Neben der klassischen (Druck- oder Zug-)Federprüfung mit linearen Kennlinien und der Bestimmung der Federkonstante werden auch nichtlineare Kurven mit Hysterese erfasst. 

Mit Hilfe der für Taster und Schalter typischen Kraft-Weg-Kurven lassen sich haptische Sinneswahrnehmungen objektivieren und Abnahmekriterien für elektromechanische Bauteile definieren.

Beim Erfassen von Kraft und Weg werden auch digitale Ausgänge (z. B. von Schaltern) oder analoge Ausgänge erfasst. Werte und elektromechanische Komponenten (zum Beispiel elektromagnetische Ventile) werden während des Tests aktiviert.

Eine weitere Anwendung eines Zugprüfgerätes ist die Bestimmung der Halte- bzw. Haftkraft und der Reibkraft von Verbindungselementen, Klebstoffen etc. in einer Vielzahl von Anwendungen. Die gewünschte mechanische Funktion dieser Elemente wird im Wesentlichen durch die Kraftgröße bestimmt. Bei der Ermittlung der Haftkraft mit Zugprüfmaschinen wird die gemessene Kraft entweder auf die Fläche (z. B. die Haftkraft eines Magneten in N/mm²) oder eine Linie (z. B. N/10mm) bezogen, wie die Haftkraft eines Klebers Bänder. In diesem Zusammenhang wird häufig der Begriff Schältest verwendet.

Zur Bestimmung der Haftreibung und Gleitreibung werden die Reibungszahlen verwendetF (RH) und F (RG) wird eine entsprechende Vorrichtung auf die Grundtraverse des Zugprüfgerätes montiert und eine nach DIN 53375 bzw. ISO 8295 genormte Ausgabe über die zu prüfende Oberfläche gezogen.

Bei Biege- und Zugversuchen werden Kraft-Weg-Diagramme in Zug- und Druckrichtung aufgenommen, um anhand des Hystereseverhaltens des Materials bzw. des Bauteils den Zusammenhang zwischen plastischer und elastischer Verformung zu bestimmen. 

Im Gegensatz zum klassischen Biege- oder Zugversuch wird das Material bzw. die Baugruppe nicht bis zur Streckgrenze belastet, sondern zuvor die Kraft wieder reduziert. Änderungen des elastischen Verhaltens werden auf Zugprüfmaschinen als Dauerversuch mit wiederkehrenden Zyklen durchgeführt.

Neben der Klebkraft von Klebstoffen oder Klebebändern kann die Bestimmung der Klebrigkeit in Verarbeitungsprozessen eine wichtige Rolle spielen. Anhand der Klebrigkeit von Prepregs (vorimprägnierte Fasern oder Gewebe für CFK-/GFK-Leichtbauteile) lässt sich zB feststellen, welche Parameter in einem Folgeprozess geändert werden müssen und ob lang gelagertes Material überhaupt noch verarbeitet werden kann.

In der Lebensmittelindustrie beeinflussen die sensorischen Eigenschaften eines Produkts das Kaufverhalten der Kunden. Hier werden Klebrigkeit, Konsistenz und andere „Mundgefühle“ unter dem Stichwort Textur zusammengefasst. Mit Hilfe der Kraft-Weg-Messung werden diese Eigenschaften unter standardisierten Bedingungen geprüft, wobei in den meisten Fällen keine absoluten Kennwerte als Kriterium bewertet werden, sondern Vergleichsmessungen stattfinden. Daher spielt die Genauigkeit und Auflösung der Entfernungsmessung bei diesen Systemen meist eine untergeordnete Rolle. Zugprüfmaschinen in diesen Anwendungen werden auch als Texturanalysegeräte bezeichnet.

Klassische Zugprüfmaschinen bestehen aus einem offenen oder geschlossenen Lastrahmen , in dem eine bewegliche Traverse mit einer Spindel auf- und abgefahren werden kann. Der Lastrahmen kann als 1-Säulen- oder 2-Säulen-Konstruktion ausgeführt werden. 

Die 1-Säulen-Maschinen mit offenen Lastrahmen haben den Vorteil des von drei Seiten zugänglichen Prüfraums, sind aber idR nur für Kraftbereiche bis 5000 N gebaut, da sich die Verformung des Rahmens bei höheren Kräften negativ auf die Kraft auswirkt Messung.

Die Spindeln (Kugelgewindetriebe oder Trapezspindel) zum Heben und Senken der Traverse werden elektromotorisch angetrieben, bei hohen Lasten kommen auch hydraulische Antriebe zum Einsatz. Ausschlaggebend für die Wahl des Antriebs ist die Forderung nach einer exakten Drehzahlregelung, unabhängig von der Last oder plötzlichen Kraftänderungen.

Die Größe des Arbeitsraums wird durch die Gesamtkonstruktion der Maschine bestimmt. Während der Bereich bei 1-Säulen-Zugprüfmaschinen in der Regel nach hinten begrenzt ist und zur Seite und nach vorne offen bleibt, begrenzen die beiden seitlichen Säulen den Prüfbereich nach beiden Seiten. Der Abstand zwischen den beiden Führungen bei 2-Säulen-Zugprüfmaschinen hängt auch vom Kraftbereich ab.

Zur Kraftmessung werden fast ausschließlich Aufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen verwendet, da diese auch bei statischen und quasistatischen Kräften eine hohe Messgenauigkeit bei geringer Drift aufweisen. Die Einteilung von Zugprüfmaschinen und Universalprüfmaschinen bezüglich der Kraftmessung erfolgt generell nach DIN EN ISO 7500, wobei die Klasse 1 die meisten relevanten Prüfnormen abdeckt. 

Die genauere Klasse 0,5 ist heute Stand der Technik. Die Kalibrierung von Zugprüfmaschinen erfolgt nach gleicher Norm am Aufstellungsort mit Krafteinleitungsnormalen gleicher oder höherer Klasse, die wiederum nach DIN EN ISO 376 kalibriert sind.

Die Kraftmessdose wird in der Regel am Aufstellort angebracht bewegliche Querstange, kann aber auch an einer der festen Traversen montiert werden. Weniger verbreitet bei Zugprüfmaschinen sind zwei Kraftaufnehmer für den Einsatz von zwei Prüfkammern ober- und unterhalb der beweglichen Traverse ohne Wechsel des Kraftaufnehmers. Mehrachsige Kraftaufnehmer in Sonderausführung können neben der Hauptkraftachse auch Querkräfte oder Biegemomente erfassen. 

Abzieher und die festen Traversen der Zugprüfmaschine sind mit Gewindeanschlüssen oder Wellenenden mit Querbohrung zur Adaption von Probenhaltern ausgestattet. Bei rotationssymmetrischen Krafteinleitungsteilen oder Probenhaltern ist eine Anpassung an ein Gewinde möglich. Müssen beide Seiten zum korrekten Einspannen der Probe gegeneinander referenziert werden, empfiehlt es sich, diese mit einem Kreuzstift zu adaptieren.

Um möglichst geringe Messfehler und eine gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse bei der Materialprüfung zu erreichen, ist die richtige Krafteinleitung von entscheidender Bedeutung . Bereits geringe Abweichungen von der Kraftmessachse oder Querkräfte können zu Messfehlern führen, die die spezifizierte Messunsicherheit der Zugprüfmaschine weit überschreiten. Die Probenhalter tragen somit wesentlich zur gesamten Messunsicherheit bei . Viele Prüfnormen beziehen sich direkt oder im Anhang auf konstruktive Eigenschaften von Probenhaltern und Krafteinleitungsteilen.

Sowohl die Kraftaufnehmer als auch die festen Traversen der Zugprüfmaschine sind mit Gewindeanschlüssen oder Wellenenden mit Querbohrung zur Adaption von Probenhaltern ausgestattet. Bei rotationssymmetrischen Krafteinleitungsteilen oder Probenhaltern ist eine Anpassung an ein Gewinde möglich. Müssen beide Seiten zum korrekten Einspannen der Probe gegeneinander referenziert werden, empfiehlt es sich, diese mit einem Kreuzstift zu adaptieren.

Neben der Maschinenrichtlinie 2006/42EG und den daraus abgeleiteten Normen wird die Produktnorm DIN 51233 für die sicherheitstechnischen Festlegungen für Universalprüfmaschinen herangezogen. Der Bedarf an Sicherheitsausrüstung hängt vom Einsatzbereich ab und muss beim Einsatz der Prüfmaschine berücksichtigt werden. Bei der Inbetriebnahme sollte daher eine Risikoanalyse durchgeführt werden, ob besondere Vorkehrungen zum Schutz des Betreibers der Anlage erforderlich sind.

Die Klassifizierung des Kraftmessgerätes orientiert sich an DIN EN ISO 7500 bzw. ASTM E4. Da Zugprüfmaschinen für die statische und quasistatische Kraftmessung ausgelegt sind, kommen fast ausschließlich DMS-basierte Kraftaufnehmer zum Einsatz, die im Gegensatz zu piezoelektrischen Kraftaufnehmern eine deutlich geringere Lastdrift aufweisen. Die richtige Krafteinleitung und die richtige Probenaufnahme bestimmen in der Praxis die Messgenauigkeit stärker als die Messwertabweichung und Auflösung der Kraftaufnehmer.

Zur Steuerung der Maschine wird die aktuelle Position der Traverse erfasst. Linearer Wegaufnehmer oder die Spindeldrehung wird erfasst. Bei hochpräzisen Kugelgewindetrieben und bekannter Verformung des Rahmens unter Belastung lassen sich daraus indirekt Messdaten für die Längenmessung ableiten.

Anstelle der indirekten Methode kann die Verformung der Probe auch mit Extensometern direkt am Prüfling gemessen werden. Diese Wandler werden direkt mit der Probe verbunden oder die Probe wird optisch vermessen. Dehnungsmesser können sehr kleine Verformungen erkennen, beeinflussen aber ggf. das Ergebnis der Kraftmessung bei sehr geringen Kräften.

Die Klassifizierung der Messeinrichtung für die Länge auf einer Zugprüfmaschine erfolgt nach DIN EN ISO 9513.

Sowohl die Kraftmesseinrichtung als auch der Extensometer einer Zugprüfmaschine müssen routinemäßig auf die Kraft- und Längennormale eines Metrologischen Staatsinstituts (NMI), in Deutschland der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB), rückgeführt werden. Die entsprechenden Standards zur Durchführung der Kalibrierung basieren immer auf einer Vor -Ort-Kalibrierung , die in der Regel im Rahmen der jährlichen Wartungsintervalle stattfindet.

Ab September 2018 sollten alle Automobilzulieferer mit dem Qualitätsstandard IATF16949:2016 über Kalibrierzertifikate verfügen, die das DAkkS- oder ILAC-Logo tragen, bzw. von einem akkreditierten Kalibrierlabor erstellt werden. (Link: Akkreditierte Cal Certs |FAQs)

Zugprüfmaschinen zur Prüfung von Funktionsbaugruppen oder elektromechanischen Maschinenelementen benötigen zusätzliche Messeingänge, um die Zustandsänderungen der Prüflinge zeitsynchron zu den Kraft-Weg-Daten zu erfassen. Dies können einfache Schalteingänge oder standardisierte Signaleingänge sein.

Maschinenrichtlinie 2006/42/EG (kostenfrei zu beziehen bei: EUR-Lex )

DIN 51220 Werkstoffprüfmaschinen - Allgemeines zu Anforderungen an Werkstoffprüfmaschinen und zu deren Prüfung und Kalibrierung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

DIN 51233 Werkstoffprüfmaschinen - Sicherheitstechnische Festlegungen (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

DIN EN ISO 7500 Kalibrierung und Überprüfung von statischen einachsigen Prüfmaschinen - Teil 1: Zug- und Druckprüfmaschinen - Kalibrierung und Überprüfung der Kraftmesseinrichtung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

ASTM E-4 - Standard Practices for Force Verification of Testing Machines (zu beziehen bei: ASTM International )

DIN EN ISO 9513 - Kalibrierung von Längenänderungs-Messeinrichtungen für die Prüfung mit einachsiger Beanspruchung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

DIN EN ISO 376 - Metallische Werkstoffe - Kalibrierung der Kraftmessgeräte für die Prüfung von Prüfmaschinen mit einachsiger Beanspruchung (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

DIN EN ISO 6892-1:2016-06 Metallische Werkstoffe - Zugversuch - Teil 1: Prüfverfahren bei Raumtemperatur (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

DIN EN ISO 178 - Kunststoffe - Bestimmung der Biegeeigenschaften (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

DIN EN ISO 14125 - Faserverstärkte Kunststoffe - Bestimmung der Biegeeigenschaften (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )

DIN 53375 - Prüfung von Kunststoff-Folien (Norm zurückgezogen, Alternativ DIN 8295)

DIN EN ISO 8295 - Kunststoffe - Folien und Bahnen - Bestimmung der Reibungskoeffizienten (zu beziehen bei: Beuth Verlag AG )