DE102004011099B3

DE102004011099B3 - Vorrichtung zum Prüfen von Stoffeigenschaften hinsichtlich Zugscherbelastungen, insbesondere zur Prüfung von Klebstoffen

Info

Publication number: DE102004011099B3
Application number: DE102004011099A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brinz; Jane Lewis; Thomas Geiger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-03-06
Filing date: 2004-03-06
Publication date: 2005-12-08
Anticipated expiration: 2024-03-07
Also published as: US7448279B2; US20050193829A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum Prüfen von Stoffeigenschaften hinsichtlich Zugscherbelastungen, insbesondere zur Prüfung von Klebstoffen, umfassend eine Kraft-Einwirk-Vorrichtung (2), eine Messeinrichtung (3), eine Prüfkörper-Aufnahme (4) und einen Prüfkörper (5) mit einer Klebefläche (6). Sie zeichnet sich dadurch aus, dass der Prüfkörper (5) im Rahmen der beabsichtigten Krafteinwirkung formstabil ist. DOLLAR A Durch diese Maßnahme wird gewährleistet, dass die auf die Klebestelle einwirkenden Scherkräfte über den gesamten Versuchsvorgang hinweg etwa im rechten Winkel zur Klebefläche einwirken, so dass realitätsnahe Aussagen zu den Stoffeigenschaften des geprüften Klebers ermittelt werden können.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen von Stoffeigenschaften nach Anspruch 1.
Stand der Technik:
Zur Charakterisierung vom Klebstoffen werden unterschiedliche Methoden und Verfahren eingesetzt. Der gebräuchlichste Test ist dabei der Zugscherversuch. Dabei werden als Prüfkörper zwei handelsübliche Prüfstreifen miteinander verklebt und nach der Aushärtung des Klebers auseinandergezogen. Die gemessene Kraft bis zum Bruch der Klebestelle ist ein Maß für die Klebestärke. Dieser Versuch ist zwar leicht durchzuführen, durch die asymmetrische Zugbelastung kommt es jedoch zu einer Verdrehung der Klebestelle entlang der Kraftwirkung in den beiden Prüfstreifen. Dadurch wirkt die Zugkraft nicht mehr im rechten Winkel auf die Klebefläche, wodurch es nicht mehr möglich ist, eine eindeutige Aussage über die Zugschereigenschaften des Kleber zu erzielen.
Bei der sogenannten "dicken Zugscherprobe" wird ein mechanisch stabileres Material verwendet als bei den Prüfstreifen. Dabei werden zur Bildung eines Prüflings zwei längliche Streifen mit ausreichender Dicke und Breite vollflächig aufeinander geklebt. Beide Streifen müssen nach dem Verkleben quer zur Längsachse des Prüflings so durchtrennt werden, dass zwischen den Trennstellen eine definierte kraftschlüssige Klebeverbindung entsteht. Dabei muss beim Trennvorgang darauf geachtet werden, dass der mit dem jeweiligen Prüfstreifen verklebte zweite Prüfstreifen nicht beschädigt wird.
Die Bereitstellung eines Prüflings erfordert somit einen sehr hohen Aufwand und weist zusätzlich den Nachteil auf, dass die Genauigkeit bei der Bestimmung der wirksamen Klebefläche von der Genauigkeit bei der Anfertigung der Trennstellen in den einzelnen Prüfstreifen abhängig ist.
Bei sehr starken Klebeverbindungen kann es aber auch dabei vorkommen, dass die Prüfstreifen eine geringere mechanische Festigkeit aufweisen als die zu prüfende Klebeverbindung und brechen.
Die Verfügbarkeit von Prüfkörpern hängt somit auch stark von den Eigenschaften des zu prüfenden Klebers ab. Insbesondere Kleber mit hohen Klebkräften erfordern dementsprechend einen hohen Vorbereitungsaufwand.
Bei der Vielzahl der in der kombinatorischen Chemie durchzuführenden Versuche zur Ermittlung der gewünschten Eigenschaften eines Klebers ergibt sich daraus ein zeit- und kostenträchtiger Aufwand verbunden mit unbefriedigter Prüfgenauigkeit.

Aus der DE 196 44 094 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer bzw. reologischer Materialeigenschaften mittels eines Prüfkörpers bekannt. Dabei können einem Prüfkörper mehrere Lötverbindungen zugeordnet sein, wobei den Lötverbindungen jeweils das gleiche Lot zugrunde liegt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung:

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch ein Vorrichtung mit den Merkmalen des Auspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Merkmale sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend ist für die Vorrichtung zum Prüfen von Stoffeigenschaften hinsichtlich Zugscherbelastungen, insbesondere zur Prüfung von Klebstoffen, ein Prüfkörper vorgesehen, welcher im Rahmen der beabsichtigten Krafteinwirkung formstabil ausgebildet ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die auf die Klebestelle einwirkenden Scherkräfte über den gesamten Versuchsvorgang hinweg etwa im rechten Winkel zur Klebefläche einwirken. Auf dieser Basis können realitätsnahe Aussagen zu den Stoffeigenschaften des geprüften Klebers ermittelt werden.

Das bisher bekannte Problem des Verdrehens und Verkippens der Klebestelle in Bezug zur Kraftflussrichtung durch die bisher verwendeten Prüfstreifen wird somit behoben.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Prüfkörper aus einem für elektromagnetische Wellen durchlässigen Material gefertigt. Dadurch besteht der Vorteil, dass auf den auf der Klebefläche aufgetragenen Klebstoff sowohl von außen als auch von der Seite der Klebeflächen, also in den Bereichen die bisher einer nachträglichen Einwirkung unzugänglich waren, eingewirkt werden kann. So kann die Härtung des Klebers durch die Zufuhr von Energie in der Form elektromagnetischer Wellen beeinflusst werden. Die Prüfung des Klebers kann somit vom nach völlig ungebundenen bis hin zum vollkommen ausgehärteten Zustand entsprechend der gewünschten Parameterermittlung durchgeführt werden.

In einer darüber hinaus vorteilhaften Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass eine Energiequelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen zur Nutzung der zuvor genannten Vorteile vorhanden ist. Beispiele für solche Energiequellen sind Infraratquellen, UV-Quellen, Hochfrequenzquellen, gegebenenfalls auch eine elektrische Stromquelle zur Durchleitung eines elektrischen Stroms durch die Klebstoffverbindung und dergleichen mehr, sowie auch Quellen für Konvektionswärme.

Es ist vorteilhafter Weise wenigstens ein weiterer Prüfkörper an der Vorrichtung vorhanden, so dass verschiedene Klebstoffzusammensetzungen, die jeweils auf einem eigenen Prüfkörper aufgebracht sind, in einem Prüfvorgang geprüft werden können.

In einer nächsten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Prüfkörper so angeordnet sind, dass sich ihre Klebeflächen gegenüberliegen. Dadurch kann der zu prüfende Klebstoff beispielsweise zwischen zwei Stirnseiten der Prüfkörper aufgebracht und dem Prüfverfahren unterzogen werden. Bei einer gegebenenfalls nebeneinanderliegenden Anordnung mehrerer Prüfkörper kann beispielsweise eine gesamte Matrix mit mehreren Reihen und Spalten aufgebaut werden, so dass sich eine weitere Effizenzsteigerung im Prüfablauf ergibt.

Dabei sind voreilhafter Weise die Prüfkörper in einer etwa parallel zu ihren Klebeflächen ausgerichteten Ebene verstellbar Damit kann ein Prüfkörper nach dem anderen aus der oben angegebenen Matrizenanordnung dem Prüfverfahren unterzogen werden.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich daraus, dass die Größe der Klebefläche durch die Kontur einer Fläche des Prüfkörpers 5 definiert ist. Dies ergibt sich beispielsweise bei einer etwa zylinderförmigen Ausführungsform für den Prüfkörper, wobei die Stirnseite als Klebefläche vorgesehen ist. Selbstverständlich kann der Prüfkörper aber auch eine rechteckige, quadratische, dreieckige oder anders geformte Grundfläche aufweisen. Die Form der Fläche ist nur dahingehend wichtig, dass sie genau die Größe der Fläche definiert die zur Herleitung der exakten Stoffeigenschaften des zu prüfenden Klebstoffs zugrunde gelegt wird.

In einer überdies vorteilhaften Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung zur Aufbringung einer druckscherbelastenden Kraft auf den Klebstoff ausgebildet ist. Dadurch können weitere Parameter des zu prüfenden Klebstoffs ermittelt werden.

In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen kann es demgemäß vorgesehen sein, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung zur Aufprägung von stirn-zug-belastenden Kräften und/oder von torsionsbelastenden Kräften auf den Klebstoff ausgebildet ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform kann eine Kraft-Einwirk-Vorrichtung aufweisen, die zur Ausprägung einer statischen und/oder einer dynamischen Kraft auf den Klebstoff ausgebildet ist. Durch diese Ausführungsformen können unterschiedlichste realitätsbezogene Belastungen auf den Klebstoff simuliert werden.

Zum einen können die Scher-, Zug-, Druck- und Torsionsbelastungen simuliert werden, zum anderen ist es möglich diese sowohl in statischer als auch in dynamischer Belastung aufzubringen. Es ergibt sich somit ein Prüfspektrum von einer permanenten statischen Dauerbelastung bis hin zu einem sich ständig wechselnden Belastungsmuster, inklusive hoher Schwingungen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung Weg- und/oder Kraftabhängig wirksam ist. Dadurch ist es möglich den Klebstoff beispielsweise auf eine bestimmte Höhe zusammenzupressen und dann seine Eigenschaften zu prüfen. Die Höhe kann dazu je nach Anforderung mit variablem Druck auf eine gezielte Längenausdehnung oder mit variablem Weg auf eine bestimmte Druckausübung bezogen eingestellt werden.

Zur Aufnahme der Prüfköper kann es in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen sein, dass die Prüfkörper-Aufnahme eine Kraftschlüssige und/oder eine Formschlüssige Verbindung und/oder eine Spanneinrichtung aufweist. Damit können Zug Druck- und Rotationsbewegungen spielfrei übertragen werden. Bei einer beispielsweise hydraulisch oder pneumatisch betätigten Spanneinrichtunng ist auch eine rasche Spannung der Prüfkörper möglich. Selbstverständlich sind für die Betätigung der Spanneinrichtung auch andere Mittel denkbar.

In überdies überdies vorteilhaften Ausführungsform kann es auch noch vorgesehen sein, dass eine Klebstoff-Auftrags-Vorrichtung vorhanden ist, um den Klebstoffauftrag zu automatisieren.

Ausführungsbeispiele:
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen
1 eine ausschnittsweise, symbolische Schnittdarstellung auf Einheiten einer Vorrichtung zum Prüfen von Stoffeigenschaften hinsichtlich Zugscherbelastungen, mit Prüfkörper-Aufnahmen und darin angeordneten, durch einen Klebstoff verbundenen Prüfkörpern;
2 eine schräge Draufsicht auf zwei mit Klebstoff verbundene Prüfkörper mit ausschnittsweise dargestellten, daneben angeordneten Prüfkörper-Aufnahmen;
3 eine gegenüber der Ausführungsform 2 abgewandelte Ausführungsform eines Prüfkörpers und einer zugeordneten Prüfkörper-Aufnahme und einer ausschnittsweise dargestellten Klebstoff-Auftragsvorrichtung; und
4 eine Matrix von nebeneinander angeordneten Prüfkörpern.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum Prüfen von Stoffeigenschaften hinsichtlich Zugscherbelastungen, insbesondere zur Prüfung von Klebstoffen. Diese weist eine Kraft-Einwirk-Vorrichtung 2 und eine Messeinrichtung 3 auf. Mittels der Prüfkörper-Aufnahmen 4 sind die Prüfkörper 5, 5a an der Vorrichtung 1 fixiert. Ihre Klebeflächen 6 sind stirnseitig an den Prüfkörpern ausgebildet und durch den zu prüfenden Klebstoff 7 verbünden.
Die Prüfkörper 5, 5a sind aus einem für elektromagnetische Wellen durchlässigen Material gefertigt, so dass die aus den entsprechenden Quellen austretenden elektromagnetischen Wellen von jeder Seite auf den zu prüfenden Klebstoff einwirkten können. Als Quellen sind eine UV-Lichtquelle 8 und als weiteres Beispiel eine Wärmequelle 9 dargestellt. Je nach Ausführungsform kann die Quelle für die Wärmezufuhr direkt im Bereich der Klebestelle oder an einer geeigneten Strahlungseintrittsstelle für das UV-Licht angeordnet sein. Es kann aber auch eine entsprechend leitende Verbindung von der betreffenden Quelle zur Klebestelle bzw. zur Welleneintrittsstelle vorhanden sein, so dass die Quelle an einem geschützten Platz angeordnet sein kann.
Die Prüfkörper 5 weisen Ausnehmungen 10 auf, in welche entsprechende Aufnehmer 11 der Prüfkörper-Aufnahme 4 eingreifen. Damit können die Prüfkörper 5 axial mit Kraft beaufschlagt werden.
Um auch eine Drehbewegung auf die Prüfkörper übertragen zu können, ist es in einer besonderen Ausführungsform vorgesehen, dass die Ausnehmungen 10 Mitnehmer 12 aufweisen, die in Ausnehmungen 13 in den Prüfkörper-Aufnahmen 4 eingreifen (siehe 3).
Um die Prüfkörper 5 in den Prüfkörper-Aufnahmen 4 kraftschlüssig fixieren zu können sind Spannvorrichtungen 14 vorgesehen.
Im vorliegenden Fall wird der Prüfkörper 5 zusammen mit einem weiteren Prüfkörper 5a zur Prüfung des Klebstoffs eingesetzt. Der einfacheren Darstellung halber sind die drei Bewegungsrichtungen, die die Kraft-Einwirk-Vorrichtung 2 auf die Prüf körper 5, 5a und dementsprechend auf den zu prüfenden Klebstoff 7 ausüben kann durch die drei Pfeilrichtungen 15, 16 und 17 dargestellt. Die Ausführungsform der Prüfkörper-Aufnahmen 4 kann zur Aufprägung einzelner Kraftrichtungen auf die Prüfkörper 5, 5a gegebenenfalls von der hier symbolisch dargestellten Ausführungsform abweichen.
Die den Pfeilrichtungen 15, 16 und 17 entsprechenden Drehbewegungen beziehen sich auf die durch die Prüfkörper 5, 5a und den Klebstoff 7 durchlaufende Achse 18. Es handelt sich also um eine reine Funktionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels.
In 2 sind zwei Prüfkörper 5, 5a stirnseitig mit dem Klebstoff 7 verbunden. Links und rechts des Prüfkörpers 5a sind zwei Hälften einer Prüfkörper-Aufnahme 4 seitlich weggeschwenkt dargestellt. Schräg rechts oberhalb des Prüfkörpers 5 ist eine weitere Prüfkörper-Aufnahme 4 in schräger Draufsicht gezeigt.
Die 3 zeigt eine bezüglich der Ausnehmung 10 und dem Aufnehmer 11 dahingehend abgewandelte Ausführungsform eines Prüfkörpers 5 und einer Prüfkörper-Aufnahme 4, dass diese zusätzlich den Mitnehmer 12 und die entsprechende Ausnehmung 13 aufweisen, wodurch eine Drehbewegung übertragen werden kann. über der Stirnseite 6 ist eine Klebstoff-Auftrags-Vorrichtung 19 dargestellt, aus welcher zur Stirnseite 6 hin gerichtet eine bestimmte Menge Klebstoff 7 zum Auftragen herausragt.
4 zeigt eine matrixförmige Anordnung von Prüfkörpern 5, 5a die eine Reihe von drei und eine Spalte von vier Prüfkörpern 5, 5a zeigt. Diese sind in einer Ebene 20 stehend angeordnet, welche parallel zur Klebefläche 6 ausgerichtet ist, und in welcher die Prüflinge 5, 5a in einer besonderen Ausführungsform zur Steigerung der Effizienz des Prüfablaufs verschiebbar sind.
Grundsätzlich können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Vielzahl von unterschiedlichen Prüfvorgängen, wie Zug-, Druck-, Tarsionsscherversuche und auch Versuche hinsichtlich der Oberflächenklebrigkeit und einer Schälfestigkeit durchgeführt werden, Die dargestellten Ausführungsformen sind in keiner Hinsicht einschränkend gedacht sondern lediglich als Beispiel und umfassen alle Ausführungsmöglichkeiten im Rahmen der Ansprüche.

Claims

Vorrichtung (1) zum Prüfen von Stoffeigenschaften von Klebstoffen hinsichtlich Zugscherbelastungen, umfassend eine Kraft-Einwirk-Vorrichtung (2), eine Messeinrichtung (3), eine Prüfkörper-Aufnahme (4) und eine Matrix von Prüfkörpern (5, 5a) mit Klebeflächen (6), wobei die Prüfkörper (5, 5a) im Rahmen der beabsichtigten Krafteinwirkung formstabil sind, wobei die Prüfkörper (5, 5a) in einer etwa parallel zu ihren Klebeflächen (6) ausgerichteten Ebene (20) verstellbar sind, und wobei den Prüfkörpern (5, 5a) unterschiedliche Klebstoffzusammensetzungen zugeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper (5) aus einem für elektromagnetische Wellen durchlässigem Material gefertigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Energiequelle (8, 9) zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Klebefläche (6) eines Prüfkörpers durch die Kontur einer Fläche des Prüfkörpers (5) definiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung (2) zur Aufprägung einer druckscherbelastenden Kraft auf Klebstoff (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung (2) zur Aufprägung einer stirnzugbelastenden Kraft auf Klebstoff (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung (2) zur Aufprägung einer torsionsbelastenden Kraft auf Klebstoff (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung (2) zur Aufprägung einer statischen und/oder einer dynamischen Kraft auf Klebstoff (7) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Einwirk-Vorrichtung (2) weg- und/oder kraftabhängig wirksam ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkörper-Aufnahme (4) eine kraftschlüssige und/oder eine formschlüssige Verbindung zu den Prüfkörpern (5, 5 und/oder eine Spanneinrichtung (14) aufweist.