DE102007038329A1 - Device for determining mechanical characteristic of pasty material, has rigid base body, which is displaced by controlled shaker in oscillating manner, and mass body is connected with base body - Google Patents

Device for determining mechanical characteristic of pasty material, has rigid base body, which is displaced by controlled shaker in oscillating manner, and mass body is connected with base body Download PDF

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Abstract

The device has a rigid base body (1), which is displaced by a controlled shaker (2) in oscillating manner. A mass body (5) is connected with the base body, and is displaced by the base bodies partly in oscillating manner. An acceleration sensor (7) is arranged in the mass body and is provided for determining the acceleration signal of the mass body in displaced oscillating manner. An independent claim is included for a method for determining mechanical characteristic of a pasty material.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines pastösen Materials.The The invention relates to an apparatus and a method for detection mechanical properties of a pasty material.

Pastöse Materialien oder Pasten werden in der Automobilelektronik aufgrund ihrer guten thermischen Leitfähigkeit eingesetzt, um z. B. Wärme von einer Leiterplatte über ein Gehäuse einer elektronischen Baugruppe ableiten zu können. Bei dieser Ausführung ist das pastöse Material zwischen der Leiterplatte und dem Gehäuse eingebracht. Bei der Untersuchung solcher Baugruppen wurde ferner festgestellt, dass das pastöse Material neben der thermischen Leitfähigkeit zudem dämpfende Eigenschaften aufweist. Es ist deshalb vorgesehen, die pastösen Materialien gezielt als Dämpfungsglied zu verwenden, um den zunehmenden Schwingungsbelastungen der Baugruppen in einem Fahrzeug zu begegnen. Um die Dämpfungsfunktionen jedoch optimal erfüllen zu können, ist es erforderlich, das mechanische Verhalten der pastösen Materialien zu verstehen.pasty Materials or pastes are due in automotive electronics used their good thermal conductivity to z. B. Heat from a printed circuit board via a housing derive an electronic module. at This version is the pasty material between the circuit board and the housing introduced. During the examination Such assemblies have also been found to be pasty Material in addition to the thermal conductivity also dampening Features. It is therefore intended, the pasty materials targeted to use as an attenuator to the increasing To counteract vibration loads of the modules in a vehicle. However, to optimally fulfill the damping functions It is necessary to be able to understand the mechanical behavior to understand the pasty materials.

Charakteristische Kenngrößen für die mechanischen Eigenschaften eines Materials sind unter anderem das Elastizitätsmodul (E-Modul) und dessen Dämpfungsfaktor. Zur Ermittlung dieser Materialparameter werden zu untersuchende Materialien gemäß einem standardisierten Verfahren untersucht. Für viskoelastische Materialien sind ein Versuchsaufbau und die Auswertung der Messergebnisse in der Norm ISO 18437-2 beschrieben. Der darin für viskoelastische Materialien beschriebene Messaufbau ist jedoch nicht für zähflüssige Materialen, wie z. B. die eingangs beschriebenen in der Automobilelektronik verwendeten pastösen Materialien, geeignet.Characteristic parameters for the mechanical properties of a material include the elastic modulus (modulus of elasticity) and its damping factor. In order to determine these material parameters, materials to be investigated are investigated according to a standardized method. For viscoelastic materials, a test setup and the evaluation of the measurement results are standard ISO 18437-2 described. However, the test setup described therein for viscoelastic materials is not for viscous materials such. As the initially described in automotive electronics pasty materials suitable.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung für die mechanische Erprobung von pastösen Materia lien sowie ein Verfahren zur Auswertung bzw. Ermittlung der mechanischen Eigenschaften des pastösen Materials anzugeben.It It is therefore an object of the present invention to provide a device for the mechanical testing of pasty materials as well as a method for the evaluation or determination of the mechanical properties of the pasty material.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.These Tasks are characterized by the features of the independent claims solved. Advantageous embodiments are in the dependent Claims specified.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines pastösen Materials umfasst einen steifen Grundkörper, der durch einen steuerbaren Shaker in Schwingungen versetzt werden kann. Mit dem Grundkörper verbunden und durch diesen teilweise in Schwingung versetzbar ist ein Massekörper. Zwischen dem Grundkörper und dem Massekörper ist ein definierter Spalt zur Aufnahme des zu prüfenden pastösen Materials gebildet. Ein Beschleunigungsaufnehmer ist an dem Massekörper angeordnet und dient zur Erfassung eines Beschleunigungssignals des in Schwingungen versetzten Massekörpers. Eine mit dem Beschleunigungsaufnehmer gekoppelte Auswerteeinheit dient zur Bestimmung einer Eigenfrequenz der ungedämpften und der durch das pastöse Material gedämpften Vorrichtung.A Inventive device for determining mechanical Properties of a pasty material includes a stiff one Body, which vibrates by a controllable shaker can be. Connected to the main body and through this partially oscillatable is a mass body. Between the main body and the mass body is a defined gap for receiving the pasty to be tested Material formed. An accelerometer is on the mass body arranged and used to detect an acceleration signal of the vibrated mass body. One with the Accelerometer coupled evaluation unit is used for determination a natural frequency of the undamped and by the pasty material steamed device.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines pastösen Materials umfasst die Schritte: Bereitstellen eines Masse-Feder-Systems, bei dem ein gegenüber einem steifen Grundkörper in Schwingungen versetzbarer Massekörper durch einen Spalt beabstandet zu dem Grundkörper angeordnet ist. Ermitteln einer jeweiligen Eigenfrequenz des Masse-Feder-Systems bei unterschiedlichen, vorgegebenen Massen des Massekörpers. Einbringen des zu überprüfenden pastösen Materials in den Spalt zwischen den Massekörper und den Grundkörper. Ermitteln einer jeweiligen Eigenfrequenz des durch das pastöse Material gedämpfte Masse-Feder-Systems mit den unterschiedlichen, vorgegebenen Massen des Massekörpers. Ermitteln eines Materialparameters aus den jeweils ermittelten Eigenfrequenzen bei einer jeweiligen Masse.One Inventive method for determining mechanical Properties of a pasty material includes the steps: Providing a mass-spring system, in which one opposite a rigid body in vibratable mass body spaced apart by a gap arranged to the base body is. Determining a respective natural frequency of the mass-spring system at different, predetermined masses of the mass body. Introducing the pasty to be checked Material in the gap between the mass body and the Body. Determining a respective natural frequency of by the pasty material damped mass-spring system with the different, predetermined masses of the mass body. Determining a material parameter from the respectively determined natural frequencies at a respective mass.

Das der Erfindung zu Grunde liegende Prinzip besteht darin, das zu analysierende pastöse Material als Dämpfer in einem Masse-Feder-System einzusetzen. Aus der Kenntnis des Verhaltens des ungedämpften Masse-Feder-Systems im Vergleich zu dem gedämpften Masse-Feder-System können die für die mechanischen Eigenschaften relevanten Parameter, insbesondere eine Dämpfungskonstante des pastösen Materials und ein Elastizitätsmodul des pastösen Materials ermittelt werden. Die Kenntnis dieser Materialparameter ermöglicht es, das mechanische Verhalten zu verstehen, so dass die Dämpfungsfunktion gezielt übernommen werden kann.The principle underlying the invention is to analyze the pasty material as a damper in a mass-spring system use. From the knowledge of the behavior of the undamped Mass-spring system compared to the damped mass-spring system can be used for the mechanical properties relevant parameters, in particular a damping constant of pasty material and a modulus of elasticity of pasty Materials are determined. The knowledge of these material parameters makes it possible to understand the mechanical behavior so that the attenuation function is deliberately taken over can be.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen konstruktiv einfachen Aufbau auf. Hierdurch wird die Reproduzierbarkeit der durchgeführten Messungen gesichert. Darüber hinaus sind die Kosten und der Aufwand für die Bereitstellung eines Messaufbaus gering.The inventive device has a constructive simple construction. As a result, the reproducibility of secured measurements. Furthermore are the cost and effort of deployment a measurement setup low.

Gemäß einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Spalt eine Dicke von weniger als 1 mm auf. Hierdurch ist sichergestellt, dass das in den Spalt eingebrachte pastöse Material diesen vollständig ausfüllt. Hierdurch ist die Reproduzierbarkeit von Messungen verbessert.According to one Embodiment of the device according to the invention the gap has a thickness of less than 1 mm. This is ensured that the pasty introduced into the gap Material completely fills this. hereby the reproducibility of measurements is improved.

Der Massekörper kann über zumindest eine Schraubenfeder mit dem Grundkörper verbunden sein. Der Massekörper kann insbesondere über drei oder vier Schraubenfedern mit dem Grundkörper derart verbunden sein, dass das zu prüfende Material in dem Spalt von den drei oder mehr Schraubenfedern umgeben ist. Die Bereitstellung von mindestens drei Schraubenfedern weist den Vorteil auf, das eine definierte Ausrichtung von Massekörper und Grundkörper möglich ist, so dass der Spalt über die gesamte Fläche, auf welcher die Paste verteilt ist, eine gleiche Dicke aufweist.The mass body may be connected via at least one coil spring to the base body. The mass body may in particular be connected to the main body via three or four coil springs in such a way that the material to be tested in the gap is surrounded by the three or more coil springs. The provision of at least three coil springs has the advantage that a defined alignment of the mass body and the base body is possible, so that the gap over the entire surface on which the paste is distributed, has an equal thickness.

Der Massekörper kann alternativ einseitig nach Art eines Kragbalkens in einer Spannvorrichtung eingespannt sein, wobei ein über die Spannvorrichtung hinausragender Abschnitt zur Ausbildung des Spalts parallel zu dem Grundkörper angeordnet und in Schwingungen versetzbar ist. Durch diese Variante kommt die Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften des pastösen Materials mit nur wenigen Bauteilen aus.Of the Mass body may alternatively on one side in the manner of a cantilever be clamped in a jig, with an over the jig protruding portion for forming the Gaps arranged parallel to the main body and in vibrations is displaceable. By this variant, the device comes to the determination mechanical properties of the pasty material with only a few Components from.

Der in Schwingungen versetzbare Teil des Massekörpers ist gemäß einer weiteren Ausbildung in seiner Masse derart einstellbar, dass die Vorrichtung ohne das zu prüfende Material Eigenfrequenzen in vorgegebenen Frequenzschritten zwischen einem vorgegebenen unteren und einem vorgegebenen oberen Frequenzwert aufweist. So kann die Masse des Massekörpers beispielsweise derart variiert werden, dass die Eigenfrequenzen der Vorrichtung in einem Bereich von z. B. 50 Hz bis 10 kHz z. B. in 50 Hz-Schritten einstellbar sind. Der Massekörper kann aus einer Vielzahl an Einzelelementen gebildet sein zur Einstellung einer gewünschten Masse, so dass Massen zu dem Massekörper „addiert" bzw. aus diesem „herausgenommen" werden können. Hierdurch ist eine einfache Kalibration möglich.Of the vibratable part of the mass body is according to a further training in its mass so adjustable that the Device without the material to be tested Natural frequencies in predetermined frequency steps between a predetermined lower and a predetermined upper frequency value. So can the Mass of the mass body, for example, be varied in such a way that the natural frequencies of the device in a range of z. B. 50 Hz to 10 kHz z. B. in 50 Hz steps are adjustable. Of the Mass body can consist of a large number of individual elements be formed to set a desired mass, so that masses to the mass body "adds" or can be "taken out" of this a simple calibration possible.

Ist der Massekörper nach Art eines Kragbalkens einseitig in der Spannvorrichtung eingespannt, so kann der in Schwingungen versetzbare Abschnitt des Massekörpers zur Einstellung seiner Masse in seiner Länge in der Spannvorrichtung variabel einstellbar sein. Je nach Länge des Massekörpers kann die Resonanzfrequenz über die Einspannlänge des Massekörpers in einem bestimmten Frequenzbereich frei eingestellt werden. Ist eine Erweiterung des Frequenzbereichs notwendig, so kann dies durch die Verwendung eines anderen Massekörpers erreicht werden. Der andere Massekörper kann hierbei hinsichtlich seiner Geometrie und/oder seines Materials variieren. Der Massekörper ist insbesondere aus einem Metall, insbesondere Aluminium, Stahl oder Magnesium, gebildet.is the mass body in the manner of a cantilever on one side in clamped the tensioning device, so the oscillatory Section of the mass body to adjust its mass in its length in the clamping device variably adjustable be. Depending on the length of the mass body, the Resonance frequency over the clamping length of the mass body be set freely in a certain frequency range. is an extension of the frequency range necessary, this can be done by the use of another mass body can be achieved. The other mass body can in this case in terms of his Geometry and / or its material vary. The mass body is in particular of a metal, in particular aluminum, steel or magnesium.

Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der Beschleunigungsaufnehmer relativ zu dem zu prüfenden Material zentral auf dem Massekörper angeordnet ist. Neben einer hohen Genauigkeit lässt sich hierdurch auch die Reproduzierbarkeit von Messergebnissen verbessern.It is still appropriate when the accelerometer relative to the material to be tested centrally on the mass body is arranged. In addition to a high accuracy can thereby also improve the reproducibility of measurement results.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden für die Bestimmung der Eigenfrequenzen des gedämpften Masse-Feder-Systems die gleichen Massen verwendet wie für die Bestimmung der jeweiligen Eigenfrequenzen des ungedämpften Masse-Feder-Systems. Hierdurch ist die Reproduzierbarkeit gewährleistet.at the inventive method are for the determination of the natural frequencies of the damped mass-spring system the same masses used as for the determination of respective natural frequencies of the undamped mass-spring system. This ensures reproducibility.

Als Materialparameter wird für jede der vorgegebenen Massen eine Dämpfungskonstante ς nach der Formel

Figure 00050001
ermittelt, wobei fd die Eigenfrequenz des gedämpften Masse-Feder-Systems und fn die Eigenfrequenz des ungedämpften Masse-Feder-Systems ist.The material parameter for each of the given masses is an attenuation constant ς according to the formula
Figure 00050001
where f d is the natural frequency of the damped mass-spring system and f n is the natural frequency of the undamped mass-spring system.

Das Elastizitätsmodul oder E-Modul wird als weiterer Parameter nach ISO 18437-2 ermittelt.The modulus of elasticity or modulus of elasticity becomes a further parameter ISO 18437-2 determined.

Zur Durchführung der Messungen ist es ferner zweckmäßig, wenn eine definierte Menge an zu überprüfendem pastösen Material in den Spalt eingebracht wird, so dass der Spalt vollständig ausgefüllt ist. Es ist ferner zweckmäßig, wenn das zu überprüfende Material zentral auf einer vordefinierten Fläche des Grundkörpers oder des Massekörpers aufgebracht wird. Das pastöse Material kann z. B. strangförmig auf den Grundkörper aufgebracht werden und dann durch das Zusammenfügen von Grund- und Massekörper „verpresst" werden. Hierdurch ist sichergestellt, dass bei einer Vielzahl von Versuchen reproduzierbare Ergebnisse erzielbar sind.to It is also appropriate to carry out the measurements, if a defined amount of to be verified pasty material is introduced into the gap, so that the gap is completely filled. It is further appropriate, if the to be checked Material centrally on a predefined surface of the main body or the mass body is applied. The pasty one Material can z. B. strand-shaped on the body be applied and then by joining together The ground and mass bodies are "pressed" Ensures that reproducible in a variety of experiments Results are achievable.

Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:The The invention will be described in more detail below with reference to the figures. Show it:

1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen ungedämpften Masse-Feder-Systems, 1 a schematic representation of an inventive undamped mass-spring system,

2 eine schematische Darstellung eines gedämpften Masse-Feder-System, wobei der Dämpfer durch pastöses Material gebildet ist, 2 a schematic representation of a damped mass-spring system, wherein the damper is formed by pasty material,

3 eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Masse-Feder-Systems, und 3 an alternative embodiment of a mass-spring system according to the invention, and

4 ein aus einer Vibrationsanalyse hervorgehendes Diagramm, das den Frequenzverlauf einer gedämpften gegenüber einer ungedämpften erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt. 4 a resulting from a vibration analysis diagram representing the frequency response of a dampened compared to an unattenuated device according to the invention.

Die 1 und 2 zeigen eine erste Variante einer erfindungsgemäßen, als Masse-Feder-System ausgebildeten Vorrichtung. Ein steifer Grundkörper 1, z. B. aus einem Metall, ist auf einem Shaker 2 aufgebracht, der den Grundkörper 1 in Schwingungen versetzen kann. Die durch den Shaker 2 eingebrachten Schwingungen entsprechen z. B. Vibrationen, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug in der Nähe des Motors oder Getriebes auftreten. Der Grundkörper 1 weist in der Querschnittsdarstellung der 1 und 2 zwei Schraubenfedern 8 auf, welche in Ausnehmungen 14 im Wesentlichen vollständig eintauchen. Mit den, aus den Ausnehmungen 14 herausragenden, Enden der Federn 8 ist ein Massekörper 5 verbunden, der in seiner Masse einstellbar ist. Der Massekörper 5 ist mit den Federn 8 derart verbunden, dass eine von dem Shaker 2 abgewandte Oberfläche des Grundkörpers 1 in einer Dicke d zu dem Massekörper 5 zum Liegen kommt. Die Dicke d des zwischen dem Grundkörper 1 und dem Massekörper 5 gebildeten Spalts 6 beträgt bevorzugt weniger als 1 mm. Entgegen der Querschnittsdarstellung der 1 und 2 weist die Vorrichtung bevorzugt zumindest drei Federn 8 auf, um eine definierte Lage des Massekörpers 5 relativ zu dem Grundkörper 1 sicherzustellen. Insbesondere kann durch mindestens drei Verbindungspunkte zwischen Grundkörper 1 und Massekörper 5 die Dicke d des Spalts 6 über eine gesamte Fläche 3 konstant gehalten werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Fläche 3 zwischen den Federn 8 angeordnet und weist eine Breite b auf. Vorzugsweise weist die Fläche 3 eine Fläche b × b auf, wobei b ca. 50 mm beträgt. Zentral zu der Fläche 3 ist auf einer Oberseite des Massekörpers 5 ein Beschleunigungsaufnehmer 7 angeordnet, welcher die auf den Massekörper 5 wirkenden Beschleunigungen misst, die aufgrund der Anregung des Grundkörpers 1 durch den Shaker 2 auf den Massekörper 5 über die Federn 8 übertragen werden.The 1 and 2 show a first variant of an inventive device designed as a mass-spring system. A stiff body 1 , z. B. from a metal, is on a shaker 2 applied to the main body 1 can vibrate. The shaker 2 introduced vibrations correspond to z. As vibrations, such as occur in a motor vehicle near the engine or transmission, for example. The main body 1 has in the cross-sectional view of 1 and 2 two coil springs 8th on which in recesses 14 essentially completely submerge. With the, from the recesses 14 outstanding, ends of the feathers 8th is a mass body 5 connected, which is adjustable in its mass. The mass body 5 is with the springs 8th connected so that one of the shaker 2 remote surface of the body 1 in a thickness d to the mass body 5 comes to rest. The thickness d of between the main body 1 and the mass body 5 formed gap 6 is preferably less than 1 mm. Contrary to the cross-sectional representation of 1 and 2 the device preferably has at least three springs 8th on to a defined position of the mass body 5 relative to the main body 1 sure. In particular, by at least three connection points between the base body 1 and mass bodies 5 the thickness d of the gap 6 over an entire area 3 kept constant. In the present embodiment, the area 3 between the springs 8th arranged and has a width b. Preferably, the surface has 3 an area b × b, where b is about 50 mm. Central to the area 3 is on a top of the mass body 5 an accelerometer 7 arranged, which the on the mass body 5 acting accelerations, due to the excitation of the body 1 through the shaker 2 on the mass body 5 over the springs 8th be transmitted.

2 zeigt die in 1 beschriebene Vorrichtung, wobei im Bereich der Fläche 3 in den Spalt 6 ein zu untersuchendes pastöses Material 4 eingebracht ist. Das pastöse Material (auch Paste genannt) bedeckt hierbei die in ihrer Größe definierte Fläche 3 vollständig und füllt darüber hinaus den Spalt 6 vollständig aus. Dies ist notwendig für die Reproduzierbarkeit von Messungen. 2 shows the in 1 described device, wherein in the area of the surface 3 in the gap 6 a pasty material to be examined 4 is introduced. The pasty material (also called paste) covers the area defined by its size 3 completely and also fills the gap 6 completely off. This is necessary for the reproducibility of measurements.

Um die Dämpfungskonstante des zu untersuchenden pastösen Materials 4 zu bestimmen, werden nunmehr die Eigenfrequenzen einmal des ungedämpften Masse-Feder-Systems gemäß 1 und einmal die Eigenfrequenzen des gedämpften Masse-Feder-Systems gemäß 2 messtechnisch ermittelt. Die Eigenfrequenz des ungedämpften Masse-Feder-Systems bestimmt sich nach der Formel

Figure 00070001
To the attenuation constant of the pasty material to be examined 4 To determine, are now the natural frequencies once the undamped mass-spring system according to 1 and once the natural frequencies of the damped mass-spring system according to 2 metrologically determined. The natural frequency of the undamped mass-spring system is determined by the formula
Figure 00070001

Während die Masse m des ungedämpften Masse-Feder-Systems bekannt ist, ist die Federkonstante K der Federn 8 häufig nicht bekannt. Die Eigenfrequenz fn wird deshalb bevorzugt messtechnisch ermittelt. Dies erfolgt für eine Vielzahl an definierten Massen m, so dass die Eigenfrequenzen fn des Systems z. B. in einem Bereich von 50 Hz bis 10 kHz in 50 Hz-Schritten ermittelt werden.While the mass m of the undamped mass-spring system is known, the spring constant K of the springs 8th often not known. The natural frequency f n is therefore preferably determined by measurement. This is done for a variety of defined masses m, so that the natural frequencies f n of the system z. B. in a range of 50 Hz to 10 kHz in 50 Hz steps are determined.

In entsprechender Weise werden die Eigenfrequenzen des gedämpften Masse-Feder-Systems fd ermittelt. Die Bestimmung der gedämpften Eigenfrequenzen fd erfolgt hierbei mit den gleichen vorgegebenen Massen m, welche für die Bestimmungen der Eigenfrequenzen fn des ungedämpften Masse-Feder-Systems verwendet wurden. Die Einstellung der Masse kann durch Hinzufügen einzelner Massen zu dem Massekörper 5 erfolgen. Alternativ können auch Masseelemente aus dem Massekörper 5 entfernt werden. Zur Ermittlung der Dämpfungskonstante s wird zunächst nach der Formel ωd = ωn√1 – ς² (2)eine gedämpfte Kreisfrequenz ωd ermittelt, wobei die Dämpfungskonstante ωd = 2πfd und ωn = 2πfn ist. Nach Umformulierung von Gleichung (2) ergibt sich die Dämpfungskonstante des pastösen Materials zu

Figure 00080001
und schließlich zu
Figure 00080002
In a corresponding manner, the natural frequencies of the damped mass-spring system f d are determined. The determination of the damped natural frequencies f d is carried out here with the same predetermined masses m, which were used for the determinations of the natural frequencies f n of the undamped mass-spring system. The adjustment of the mass can be done by adding individual masses to the mass body 5 respectively. Alternatively, mass elements from the mass body 5 be removed. To determine the damping constant s is first according to the formula ω d = ω n √ 1 - ² (2) a damped angular frequency ω d is determined, wherein the damping constant ω d = 2πf d and ω n = 2πf n . After reformulation of equation (2), the damping constant of the pasty material results
Figure 00080001
and finally too
Figure 00080002

Aus den ermittelten Eigenfrequenzen fd in Abhängigkeit einer jeweiligen Masse kann nunmehr das E-Modul des Materials gemäß ISO 18437-2 iterativ ermittelt werden.From the determined natural frequencies f d as a function of a respective mass can now be the E-modulus of the material according to ISO 18437-2 be determined iteratively.

4 zeigt ein Diagramm, in welchem die Beschleunigung a über die Frequenz f aufgetragen ist. Die mit K1 gekennzeichnete Kurve zeigt den Frequenzverlauf des ungedämpften Masse-Feder-Systems. Hierbei ist gut zu erkennen, dass bei einer Frequenz fn(m1) ≈ 180 Hz eine erste Eigenfrequenz des ungedämpften Systems vorliegt, wobei eine Beschleunigung von knapp 2000 m/s2 erreicht wird. Die mit K2 gekennzeichnete Kurve zeigt den Frequenzverlauf des Masse-Feder-Systems mit dem pastösen Material als Dämpfer. Es zeigt sich deutlich, dass die erste Eigenfrequenz fd(m1) ≈ 360 Hz auftritt, wobei die Beschleunigung ca. 180 m/s2 beträgt. M1 repräsentiert eine bestimmte, bei der Messung verwendete Masse. Die Verschiebung der ersten Eigenfrequenz des gedämpften Systems wird hierbei durch das E-Modul des pastösen Materials bestimmt. Die Dämpfung, d. h. die Abnahme des Beschleunigungsmaximums bei der ersten Eigenfrequenz wird durch die Dämpfungskonstante ς bestimmt. 4 shows a diagram in which the acceleration a is plotted against the frequency f. The curve marked K1 shows the frequency curve of the undamped mass-spring system. It can easily be seen that at a frequency f n (m1) ≈ 180 Hz a first natural frequency of the undamped system is present, an acceleration of just under 2000 m / s 2 being achieved. The curve marked K2 shows the frequency response of the mass-spring system with the pasty material as a damper. It clearly shows that the first natural frequency f d (m 1 ) ≈ 360 Hz occurs, the acceleration being about 180 m / s 2 . M1 represents a certain mass used in the measurement. The shift of the first natural frequency of the damped system is determined by the modulus of elasticity of the pasty material. The attenuation, ie the decrease of the acceleration maximum at the first natural frequency is through determines the damping constant ς.

3 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer alternativen erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ein Grundkörper 1 ist wiederum auf einem Shaker 2 angeordnet, welcher den Grundkörper 1 in Schwingungen versetzen kann. Auf einem Auflageelement 10 liegt ein streifenförmiger Massekörper 5 auf, der parallel zu einer von dem Shaker 2 abgewandten Oberfläche des Grundkörpers 1 verläuft. Im Bereich eines weiteren Auflageelements 9 ist der Massekörper 5 zur Ausbildung eines Spalts 6 mit der Dicke d von dem Aufnahmeelement 9 beabstandet. Das Auflageelement 9 weist eine Breite b bzw. eine Fläche b × c auf, wobei c auch b entsprechen kann, auf. Die dem Massekörper 5 zugewandte Fläche des Auflageelements 9 bildet eine Fläche 3 aus, auf welche das zu untersuchende pastöse Material 4 aufgebracht wird. Der Massekörper 5 ist über ein Spannelement 11 und ein Befestigungsmittel 12 (z. B. eine Schraube) an dem Grundkörper 1 befestigt. Hierbei wird durch das Befestigungselement 12 eine Kraft auf das Spannelement 11 ausgeübt, so dass der Massekörper 5 zwischen dem Auflageelement 10 und dem Spannelement 11 kraftschlüssig gehaltert ist. 3 shows a cross-sectional view of an alternative device according to the invention. A basic body 1 is in turn on a shaker 2 arranged, which the basic body 1 can vibrate. On a support element 10 lies a strip-shaped mass body 5 on, parallel to one of the shaker 2 remote surface of the body 1 runs. In the area of another support element 9 is the mass body 5 to form a gap 6 with the thickness d of the receiving element 9 spaced. The support element 9 has a width b or an area b × c, where c can also correspond to b, on. The mass body 5 facing surface of the support element 9 forms an area 3 out, to which the pasty material to be examined 4 is applied. The mass body 5 is via a clamping element 11 and a fastener 12 (eg a screw) on the base body 1 attached. This is done by the fastener 12 a force on the clamping element 11 exercised, so that the mass body 5 between the support element 10 and the tensioning element 11 is held frictionally.

Der Massekörper 5 weist einen nach Art eines Kragbalkens ausgebildeten Abschnitt 13 der Länge l auf, welcher in Schwingungen versetzt werden kann. Der in Schwingungen versetzbare Abschnitt 13 des Massekörpers 5 ist längs des mit s gekennzeichneten Pfeils verschiebbar zur Variation der Länge l und damit zur Einstellung der Masse m. Die Resonanzfrequenz der in 3 gezeigten Vorrichtung kann damit über die Einspann länge des z. B. streifenförmig ausgebildeten Massekörpers 5 in einem gewissen Frequenzbereich eingestellt werden. Sollte eine Erweiterung dieses Frequenzbereichs notwendig sein, kann dies durch die Wahl eines anderen Massekörpers erfolgen, der ein anderes Material und/oder eine andere Geometrie aufweist.The mass body 5 has a trained in the manner of a cantilever section 13 of length l, which can be vibrated. The vibrating section 13 of the mass body 5 is displaceable along the arrow marked with s to vary the length l and thus to adjust the mass m. The resonant frequency of in 3 shown device can thus on the chuck length of z. B. strip-shaped mass body 5 be set in a certain frequency range. If an extension of this frequency range is necessary, this can be done by choosing another mass body that has a different material and / or a different geometry.

Über einen zentral zu der Fläche 3 angeordneten Beschleunigungsaufnehmer 7 auf dem Massekörper 5 wird wiederum die Beschleunigung des in Schwingungen versetzten Massekörpers 5 ermittelt. Die Vorgehensweise zur Ermittlung der Dämpfungskonstante und des E-Moduls entspricht hierbei dem vorstehend beschriebenen Vorgehen.About a central to the area 3 arranged acceleration sensor 7 on the mass body 5 in turn becomes the acceleration of the vibrated mass body 5 determined. The procedure for determining the damping constant and the modulus of elasticity corresponds to the procedure described above.

In 3 sind das Auflageelement 9 und damit die Prüffläche 3 beabstandet zu dem Auflageelement 10 angeordnet. Dies ist nicht zwingend notwendig. Vielmehr kann die Breite b des Auflageelements 9 beliebig gewählt werden, so dass gegebenenfalls die gesamte freie Strecke zwischen dem Auflageelement 10 bis zur Seitenkante des Grundkörpers 1 von dem Auflageelement 9 bedeckt ist, wodurch sich in entsprechender Weise die Fläche mit dem zu prüfenden Material über diese Breite erstrecken kann.In 3 are the support element 9 and thus the test area 3 spaced from the support element 10 arranged. This is not mandatory. Rather, the width b of the support element 9 be chosen arbitrarily, so that optionally the entire free distance between the support element 10 to the side edge of the body 1 from the support element 9 is covered, which may extend in a corresponding manner, the surface with the material to be tested over this width.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (16)

Vorrichtung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines pastösen Materials (4), mit: – einem steifen Grundkörper (1), der durch einen steuerbaren Shaker (2) in Schwingungen versetzt werden kann, – einem mit dem Grundkörper (1) verbundenen und durch diesen zumindest teilweise in Schwingung versetzbaren Massekörper (5), wobei zwischen dem Grundkörper (1) und dem Massekörper (5) ein definierter Spalt (6) zur Aufnahme des zu prüfenden pastösen Materials (4) gebildet ist, – einem Beschleunigungsaufnehmer (7), der an dem Massekörpers (5) angeordnet ist und zur Erfassung eines Beschleunigungssignals des in Schwingungen versetzten Massekörpers (5) dient, und – eine mit dem Beschleunigungsaufnehmer (7) gekoppelte Auswerteeinheit zur Bestimmung einer Eigenfrequenz der ungedämpften und der durch das pastöse Material (4) gedämpften Vorrichtung.Device for determining mechanical properties of a pasty material ( 4 ), comprising: - a rigid base body ( 1 ) controlled by a controllable shaker ( 2 ) can be vibrated, - one with the main body ( 1 ) and by this at least partially oscillatable mass body ( 5 ), between the main body ( 1 ) and the mass body ( 5 ) a defined gap ( 6 ) for receiving the pasty material to be tested ( 4 ), - an accelerometer ( 7 ) attached to the mass body ( 5 ) is arranged and for detecting an acceleration signal of the vibrated mass body ( 5 ), and - one with the accelerometer ( 7 ) coupled evaluation unit for determining a natural frequency of the undamped and the pasty material ( 4 ) steamed device. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Spalt (6) eine Dicke von weniger als 1 mm aufweist.Device according to claim 1, in which the gap ( 6 ) has a thickness of less than 1 mm. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Massekörper (5) über zumindest eine Schraubenfeder (8) mit dem Grundkörper (1) verbunden ist.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the mass body ( 5 ) via at least one coil spring ( 8th ) with the basic body ( 1 ) connected is. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der der Massekörper (5) über drei oder vier Schraubenfedern (8) mit dem Grundkörper (1) derart verbunden ist, dass das zu prüfende Material (4) in dem Spalt (6) von den drei oder mehr Schraubenfedern (8) umgeben ist.Apparatus according to claim 3, wherein the mass body ( 5 ) over three or four coil springs ( 8th ) with the basic body ( 1 ) is connected in such a way that the material to be tested ( 4 ) in the gap ( 6 ) of the three or more coil springs ( 8th ) is surrounded. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Massekörper (5) einseitig nach Art eines Kragbalkens in einer Spannvorrichtung (11, 12) eingespannt ist und ein über die Spannvorrichtung (11, 12) hinausragender Abschnitt (13) zur Aus bildung des Spaltes (6) parallel zu dem Grundkörper (1) angeordnet ist und in Schwingungen versetzbar ist.Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the mass body ( 5 ) on one side in the manner of a cantilever in a tensioning device ( 11 . 12 ) and a via the tensioning device ( 11 . 12 ) projecting section ( 13 ) for the formation of the gap ( 6 ) parallel to the main body ( 1 ) is arranged and can be set in vibration. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der in Schwingungen versetzbare Teil des Massekörpers (5) in seiner Masse (m) derart einstellbar ist, so dass die Vorrichtung ohne das zu prüfende Material (4) Eigenfrequenzen (fn) in vorgegebenen Frequenzschritten zwischen einem vorgegebenen unteren und einem vorgegebenen oberen Frequenzwert aufweist.Device according to one of the preceding claims, in which the vibratable part of the mass body ( 5 ) in its mass (m) is adjustable so that the device without the material to be tested ( 4 ) Natural frequencies (f n ) in predetermined frequency steps between a predetermined lower and a predetermined upper frequency value. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Massekörper (5) aus einer Mehrzahl an Einzelelementen gebildet ist zur Einstellung einer gewünschten Masse (m).Apparatus according to claim 6, wherein the mass body ( 5 ) is formed from a plurality of individual elements for setting a desired mass (m). Vorrichtung nach Anspruch 5 und 6, bei der der in Schwingungen versetzbare Abschnitt des Massekörpers (5) zur Einstellung seiner Masse (m) in seiner Länge (1) in der Spannvorrichtung (11, 12) variabel einstellbar ist.Apparatus according to claim 5 and 6, wherein the vibratable portion of the mass body ( 5 ) for adjusting its mass (m) in its length (1) in the tensioning device ( 11 . 12 ) is variably adjustable. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Beschleunigungsaufnehmer (7) relativ zu dem zu prüfenden Material (4) zentral auf dem Massekörper (5) angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, in which the acceleration sensor ( 7 ) relative to the material to be tested ( 4 ) centrally on the mass body ( 5 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Massekörper (5) aus einem Metall, insbesondere Aluminium, Stahl oder Magnesium, gebildet ist.Device according to one of the preceding claims, in which the mass body ( 5 ) is formed of a metal, in particular aluminum, steel or magnesium. Verfahren zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften eines pastösen Materials (4), mit den Schritten: – Bereitstellen eines Masse-Feder-Systems, bei dem ein gegenüber einem steifen Grundkörper (1) in Schwingungen versetzbarer Massekörper (5) durch einen Spalt (6) beabstandet zu dem Grundkörper (1) angeordnet ist, – Ermitteln einer jeweiligen Eigenfrequenz (fn) des Masse-Feder-Systems bei unterschiedlichen, vorgegebenen Massen (m) des Massekörpers (5), – Einbringen des zu überprüfenden pastösen Materials (4) in den Spalt (6) zwischen den Massekörper (5) und den Grundkörper (1), – Ermitteln einer jeweiligen Eigenfrequenz (fd) des durch das pastöse Material (4) gedämpfte Masse-Feder-Systems mit den unterschiedlichen, vorgegebenen Massen des Massekörpers (5), – Ermitteln zumindest eines Materialparameters aus den jeweils ermittelten Eigenfrequenzen (bei einer jeweiligen Masse (m).Method for determining mechanical properties of a pasty material ( 4 ), comprising the steps of: - providing a mass-spring system in which a body in relation to a rigid body ( 1 ) in vibratable mass body ( 5 ) through a gap ( 6 ) spaced from the body ( 1 ), determining a respective natural frequency (f n ) of the mass-spring system at different, predetermined masses (m) of the mass body ( 5 ), - introducing the pasty material to be tested ( 4 ) in the gap ( 6 ) between the mass bodies ( 5 ) and the basic body ( 1 ), - Determining a respective natural frequency (f d ) of the through the pasty material ( 4 ) damped mass-spring system with the different, predetermined masses of the mass body ( 5 ), - Determining at least one material parameter from the respectively determined natural frequencies (at a respective mass (m). Verfahren nach Anspruch 11, bei dem für die Bestimmung der Eigenfrequenzen (fd) des gedämpften Masse-Feder-Systems die gleichen Massen (m) verwendet werden wie für die Bestimmung der jeweiligen Eigenfrequenzen (fn) des ungedämpften Masse-Feder-Systems.The method of claim 11, wherein for the determination of the natural frequencies (f d ) of the damped mass-spring system, the same masses (m) are used as for the determination of the respective natural frequencies (f n ) of the undamped mass-spring system. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem als Materialparameter für jede der vorgegebenen Massen (m) eine Dämpfungskonstante (ς) nach der Formel
Figure 00130001
ermittelt wird, wobei fd die Eigenfrequenz des gedämpften Masse-Feder-Systems, und fn die Eigenfrequenz des ungedämpften Masse-Feder-Systems ist.Method according to Claim 11 or 12, in which the material parameters for each of the predetermined masses (m) are an attenuation constant (ς) according to the formula
Figure 00130001
where f d is the natural frequency of the damped mass-spring system, and f n is the natural frequency of the undamped mass-spring system. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, bei dem als Materialparameter ein E-Modul nach ISO 18437-2 ermittelt wird.The method of claim 11, 12 or 13, wherein as material parameters an E-modulus according to ISO 18437-2 is determined. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem eine definierte Menge an zu überprüfendem pastösen Material (4) in den Spalt (6) eingebracht wird, so dass der Spalt (6) vollständig ausgefüllt ist.Method according to one of claims 11 to 14, wherein a defined amount of pasty material to be tested ( 4 ) in the gap ( 6 ) is introduced, so that the gap ( 6 ) is completely filled out. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das zu prüfende Material (4) zentral auf einer vordefinierten Fläche des Grundkörpers (1) oder des Massekörpers (5) aufgebracht wird.Method according to Claim 15, in which the material to be tested ( 4 ) centrally on a predefined surface of the basic body ( 1 ) or the mass body ( 5 ) is applied.
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