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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Aufbringen von mechanischen Belastungen auf Prüfkörper während einer tomografischen Messung am Prüfkörper.
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In tomografischen Messungen wird mit einer Vielzahl von Abbildungen eines Prüfkörpers in unterschiedlichen Stellungen des Prüfkörpers eine dreidimensionale Abbildung des Prüfkörpers erzeugt. Bei einer Röntgencomputertomografie (CT) wird ein Objekt, der Prüfkörper, von verschiedenen Blickwinkeln mittels Röntgenstrahlung durchleuchtet. Die dabei entstehenden Durchleuchtungsbilder (Projektionen) werden verwendet, um mittels einer Rekonstruktion eine dreidimensionale Darstellung des Objektes zu erzeugen. Die hierbei verwendete Röntgenstrahlung kann zum Beispiel in einer Synchrotronquelle oder einer Röntgenröhre erzeugt werden.
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Computertomografen, die in der Forschung und Entwicklung eingesetzt werden, verwenden zur Erzeugung der notwendigen Durchleuchtungsbilder einen Drehteller, auf dem das zu prüfende Objekt während der Messung im Röntgenstrahl gedreht wird. Der Drehteller befindet sich zwischen Röntgenröhre und Röntgendetektor und ermöglicht die Durchleuchtung des Objektes aus unterschiedlichen Blickwinkeln.
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Es ist entscheidend, dass sich das Objekt während der Messung immer vollständig im Röntgenkegel aufhält. Dadurch wird gewährleistet, dass der Röntgendetektor die Abbildung des Objektes vollständig erfassen kann. Sobald sich ein Teilbereich des zu messenden Objektes während einer Messung außerhalb des Röntgenkegels befindet erfasst der Detektor nur einen unvollständigen Teilbereich des Objektes und verursacht dadurch eine fehlerhafte Rekonstruktion.
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Durch das Verändern des Abstandes zwischen Drehteller und Röntgenröhre kann die Auflösung der CT-Messung beeinflusst werden. Je näher sich der Drehteller an der Röntgenröhre befindet, desto größer ist die Auflösung. Daher wird der Drehteller vor einer Messung üblicherweise so positioniert, dass sich das Objekt möglichst nahe an der Röntgenröhre befindet, ohne jedoch den Röntgenkegel zu verlassen.
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Aufgrund der Notwendigkeit einer Vielzahl von Aufnahmen unter unterschiedlichem Winkel aber ansonsten gleichen Bedingungen für eine präzise und vollständige dreidimensionale Rekonstruktion der Abbildung des Prüfkörpers darf dieser im Zuge der Messung weder seine Position relativ zur Rotationsachse noch seine räumliche Ausformung ändern. Ist der Prüfkörper unter Belastung, muss diese während der gesamten Messung unveränderlich wirken.
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Zur Vermeidung von Abbildungsfehlern müssen diese Anforderungen an räumliche Unveränderlichkeit wie auch präzise Ausrichtung nach der Rotationsachse der Messung auch durch die auf einen Prüfkörper im Zuge der Messung aufgebrachten Belastungen erfüllt werden. Will man den Prüfkörper während einer Aufnahme mechanisch belasten, muss sich die Vorrichtung zum Aufbringen der Belastung in der Regel auf dem Drehteller befinden. Dies erfordert nicht nur eine äußerst genaue Positionierung des Prüfkörpers sondern auch seiner Belastungsvorrichtung.
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Zusätzlich stört eine Belastungsvorrichtung die Messung meist, da sie in der Regel mit abgebildet wird und so die Sichtbarkeit und/oder Auflösung des Prüfkörpers vermindern kann. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn die Belastungsvorrichtung erheblich größere Abmessungen als der Prüfkörper aufweist: Da sich für eine CT-Messung die Belastungsvorrichtung damit auch vollständig im Röntgenkegel befinden muss, wird die Auflösung der Messung entsprechend verringert. Bestimmte Ausführungen von Belastungsvorrichtungen können zudem eine verstärkte Röntgenabsorption aufweisen und dadurch Messfehler verursachen.
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Aus
DE 10 2007 001 928 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur in-situ-Untersuchung von mechanisch belasteten Prüfobjekten mittels Computertomografie bekannt, wobei zwischen einem feststehenden Wiederlager und einem linear dazu bewegbaren Stempel die Fixierung und die mechanische Belastung in Form einer Druckbelastung auf ein Prüfobjekt erfolgen soll.
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Aus der
DE 31 26 576 C2 ist ebenfalls eine Vorrichtung zur Ausübung einer mechanischen Belastung auf Prüfkörper bekannt, wobei U-förmige Prüfkörper in einer zylindrischen Hülle abwechselnd mit Scheiben gestapelt und so gekoppelt werden, dass durch eine zur Rotationsmittelachse der zylindrischen Hülle exzentrische, tangentiale Zugbelastung, ein Drehmoment auf einen U-Schenkel des Prüfkörpers ausgeübt werden kann. Das auf die U-Schenkel wirkende Drehmoment führt zu einer Spreizung der U-Schenkel, die dann im Belastungszustand zur Untersuchung von Versprödungs- und Ermüdungserscheinungen einer Strahlenquelle ausgesetzt werden.
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Die
DE 7332097 U beschreibt eine Druck/Biegevorrichtung zum Einsatz in Werkstoffprüfmaschinen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zur Krafteinleitung in den Prüfling einander gegenüberstehenden Stempel mit koaxial zueinander angeordneten Auflageteilen unterschiedlicher Durchmesser vorgesehen sind und dass eine nach oben abhebbare seitlich zur Aufnahme des Prüflings geschlitzte Zentrierhülse die beiden Stempel umfasst.
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Die
JP 05223756 A sowie die
JP 2001/153821 A beschreiben die Untersuchung von Probematerialien unter Belastung in einem Röntgencomputertomografiesystem.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine räumlich kompakte Belastungsvorrichtung für tomografische Messungen bereitzustellen, die eine genaue und einfache Positionierung des zu belastenden Prüfkörpers sowie ein Halten und Fixieren des Prüfkörpers relativ zur Rotationsachse zulässt. Zusätzlich soll es möglich sein, mit diesem System Ort, Art und Weise der auf den Prüfkörper aufgebrachten Belastung variabel zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und durch eine Verwendung gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen lassen sich dabei den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand entsprechender Ausführungsbeispiele beschrieben. Einzelne erfindungsgemäße Merkmale, wie sie in den Ausführungsbeispielen beschrieben werden, können dabei auch unabhängig von anderen einzelnen Merkmalen der Ausführungsbeispiele realisiert werden: Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann daher ein einzelnes in den Beispielen beschriebenes Merkmal auch unabhängig von den anderen in demselben Beispiel beschriebenen Merkmalen realisiert werden; der beanspruchte Schutzbereich ergibt sich allein anhand der anhängenden Patentansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist wie folgt: Vorrichtung zum Aufbringen mechanischer Belastungen auf einen Prüfköper (4) während dessen tomografischer Abbildung, umfassend
ein zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisches Element (1), und
eine zumindest abschnittsweise rotationssymmetrisch ausgebildete, der Aufnahme und dem Halten des Prüfkörpers während der tomografischen Abbildung dienende Kontakteinheit (2), die mehrere Kontaktelemente (2a, 2b, 2c, 2d) umfasst,
wobei diese mehreren Kontaktelemente (2a, 2b, 2c, 2d)
- • durch ihre außenumfangsseitige Passung an den Innenumfang des rotationssymmetrischen Elements (1) in letzteres formschlüssig einführbar und durch zumindest abschnittsweisen Kontakt zum rotationssymmetrische Element (1) entlang dessen Rotationssymmetrieachse (3) formschlüssig führbar sind,
- • relativ zum rotationssymmetrischen Element (1) fixierbar sind, und
- • zumindest teilweise zur Aufnahme, zur Führung, zum Halten und/oder zum Fixieren des Prüfkörpers (4) relativ zum rotationssymmetrischen Element (1) ausgebildet sind, und
- • mehrere beabstandet voneinander positionierbare Auflageelemente (2c, 2d) umfassen, die jeweils mit einer zentralen, zur Aufnahme des Prüfkörpers (4) dienenden Durchführung versehen sind und die jeweils durch ihre räumliche Gestalt als Auflagepunkt ausgebildet sind für einen Mehrpunktbiegeversuch am Prüfkörper (4).
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Eine grundlegende Idee der Erfindung ist somit, alle Elemente einer Vorrichtung zum Aufbringen von mechanischen Belastungen auf Prüfkörper so rotationssymmetrisch wie möglich auszubilden, da rotationssymmetrische Teile in tomografischen Messungen, auch bei Verlassen des Röntgenkegels oder wenn ihr Durchmesser größer als der Röntgenkegel ist, als konstanter Hintergrund erfasst, also leicht herausgerechnet werden können.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung enthält dementsprechend das zumindest abschnittsweise rotationssymmetrische Element und die Kontakteinheit, die durch zumindest abschnittsweisen Kontakt zum rotationssymmetrischen Element entlang dessen Rotationsachse führbar ist. Das rotationssymmetrische Element dient der Ausrichtung der ganzen Vorrichtung an der für die Messung maßgeblichen Rotationsachse. Ist dieses Element präzise ausgerichtet, kann die Kontakteinheit (die ein oder mehrere Kontaktelemente umfassen kann) leicht anhand ihres Kontakts mit dem rotationssymmetrischen Element relativ zu diesem ausgerichtet werden. Die Kontakteinheit ist hierzu durch ihren Kontakt mit dem rotationssymmetrischen Element entlang der Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Elements führbar und relativ zu diesem Element fixierbar.
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Überdies erlaubt die Kontakteinheit die Aufnahme und das Halten des Prüfkörpers während der tomografischen Messung. Damit wird auch der Prüfkörper relativ zur Rotationsachse des rotationssymmetrischen Elements und damit zur Rotationsachse der ganzen Messung ausgerichtet. Es reduziert sich damit das Problem der präzisen Positionierung von Belastungsvorrichtungen und Prüfkörper durch den Gebrauch der Kontakteinheit einzig auf die genaue Ausrichtung des rotationssymmetrischen Elements. Die Präzision der Ausrichtung des rotationssymmetrischen Elements, sowie die Fertigungspräzision des rotationssymmetrischen Elements und der Kontakteinheit bestimmen daraufhin die Präzision der Ausrichtung sowohl des Prüfkörpers als auch aller übrigen Einheiten und Elemente.
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Zusätzlich kann hierbei das rotationssymmetrische Element auch so positioniert werden, dass es teilweise aus dem Röntgenkegel des Tomografen herausragt: Durch seine Rotationssymmetrie werden dieses Element und alle übrigen rotationssymmetrischen Elemente der Vorrichtung nur als Hintergrund erfasst, sind also wiederum leicht herausrechenbar, da sie unter jedem Betrachtungswinkel gleich erscheinen. Wichtig ist hierfür, dass die Wanddicke der rotationssymmetrischen Elemente in Umfangsrichtung im Durchlassbereich der Röntgenstrahlung möglichst konstant ist.
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Vorteilhafterweise sind dabei sowohl die Kontakteinheit als auch das rotationssymmetrische Element zumindest abschnittsweise aus strahlungstransparentem Material ausgebildet und damit für das tomografische Verfahren durchlässig. Strahlentransparenz bedeutet dabei, dass das Material auf die verwendete Strahlung so angepasst ist, dass diese Strahlung nach ihrem Durchgang durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in ihrer Intensität um maximal 10%, bevorzugt um maximal 3%, bevorzugt um maximal 1% abgeschwächt wird. Im Fall von Röntgenstrahlung handelt es sich dabei insbesondere um Kunststoffe wie PE, PP, PC, PEEK, PMMA oder um Glas (z. B. Schott ZerodurTM), Keramik, Al2O3 oder Graphitsysteme. Hierbei sollte das Material abhängig vom Energiebereich der verwendeten Röntgenstrahlung gewählt werden und das Material möglichst homogen und ohne Einschlüsse oder Verunreinigungen vorliegen. Nutzt man eine andere tomografische Methode, für welche eine erfindungsgemäße Vorrichtung ebenfalls angepasst werden kann, wie zum Beispiel Magnetresonanz-, Neutronen-, Ultraschall- oder Mikrowellentomografie, so wird das zu verwendende Material durch eine möglichst hohe Durchlässigkeit für die in diesen Messungen verwendete Strahlung bestimmt.
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Die Erfindung kann in jedem beliebigen Tomografieverfahren verwendet werden. Erfolgt die Drehung um mehr als eine Rotationsachse, so kann die Ausführungsform der Erfindung angepasst werden, indem das rotationssymmetrische Element Symmetrie bezüglich aller Rotationsachsen, also Kugelform, aufweist und die Kontakteinheit ebenfalls möglichst kugelförmig ausgebildet wird, zum Beispiel in Form von Hohlschalenelementen.
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Im Sinne der Erfindung kann die Kontakteinheit hierbei ein einziges Element oder eine Mehrzahl von Elementen umfassen, wobei die Einheit als solche entlang der Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Elements führbar und, falls für die tomografische Messung erwünscht, fixierbar ist. Die einzelnen Elemente der Kontakteinheit können unterschiedliche Aufgaben erfüllen. So können, wenn zum Beispiel das rotationssymmetrische Element ein Hohlzylinder ist, in diesen Hohlzylinder hineinschiebbare Zylinder (Abstandselemente) formschlüssig im Inneren des rotationssymmetrischen Elements und entlang der Symmetrieachse des Hohlzylinders geführt werden und dabei als Auflagen für weitere Kontaktelemente der Kontakteinheit dienen. Diese weiteren Kontaktelemente können dann zum Beispiel der Halterung oder Belastung des Prüfkörpers dienen.
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Das rotationssymmetrische Element, das zum Beispiel als Hohlzylinder ausgebildet ist, kann die genaue Positionierung der Kontakteinheit auf verschiedene Weise ermöglichen. So gibt es die bereits erwähnte Möglichkeit von in ihrem Außendurchmesser mit dem Innendurchmesser des Hohlzylinders übereinstimmenden, führbaren Innenzylindern als Teil der Kontakteinheit, die als Auflagen für weitere Elemente der Kontakteinheit dienen. Ebenso kann es sich bei den Kontaktelementen der Kontakteinheit um Hohlzylinder handeln, die formschlüssig entlang des Außenumfangs eines rotationssymmetrischen Elements in Form eines Zylinders kleineren Durchmessers geführt werden können.
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Auch kann die Kontakteinheit zum Beispiel mit einem Aufsatz- oder Aufsteckelement für eines der Enden des rotationssymmetrischen Elements versehen sein, das dem Fixieren der Kontakteinheit relativ zum rotationssymmetrischen Element dienen kann. Für die Funktion des rotationssymmetrischen Elements, eine einfache und genaue Positionierung der Kontakteinheit zu ermöglichen, spielt es also keine Rolle, ob die Kontakteinheit an einer Außen- oder Innenseite des rotationssymmetrischen Elements geführt wird. Die Führung, Fixierung und Halterung der Kontakteinheit beziehungsweise deren Kontaktelemente am rotationssymmetrischen Element kann hierbei durch einfaches Hinein- oder Aufschieben erfolgen (wobei zum Fixieren Vorsprünge oder dergleichen am rotationssymmetrischen Element vorgesehen sein können), aber auch durch ein Gewinde gelöst werden, das sowohl präzise Führung als auch Fixierung erlaubt. Ebenso sind andere Halterungen und Befestigungen denkbar, wie zum Beispiel Steck- oder Magnetelemente.
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Nach dem der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken, dass ein rotationssymmetrisches Objekt aus einer tomografischen Messung leicht herauszurechnen ist und dadurch die Messung weniger stört als ein anders geformtes Objekt, ist es vorteilhaft, auch die Kontakteinheit so rotationssymmetrisch wie möglich auszubilden. Dies gilt insbesondere für die Abschnitte der Kontakteinheit, die in der tomografischen Messung zusammen mit dem Prüfkörper erfasst werden. Die erwünschte Funktion der Kontakteinheit kann hierbei eine Abweichung von einer vollständigen Rotationssymmetrie nötig machen.
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Für den Zweck des Belastungsauftrags auf den Prüfkörper können vorteilhafterweise das rotationssymmetrische Element und/oder die Kontakteinheit so ausgebildet sein, dass sie gegenüber der Umwelt oder dem Außenraum der Vorrichtung abschließbar ist/sind. Dies ermöglicht das Herstellen einer anderen Umgebung für den Prüfkörper zusätzlich zur mechanischen Belastung, insbesondere die Aufrechterhaltung anderer Umweltbedingungen, wie zum Beispiel durch gasdichten und/oder flüssigkeitsdichten Abschluss der Vorrichtung und darauf folgende Befüllung mit einem Gas oder einer Flüssigkeit.
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Hierbei kann beispielsweise das rotationssymmetrische Element ein an der Oberseite offener Hohlzylinder sein und die Kontakteinheit eine Halterung für den Prüfkörper sein, die zusätzlich einen aufsetzbaren Deckel umfasst. Hierdurch kann der Prüfkörper zum Beispiel flüssigem Stickstoff durch Auffüllen des Inneren des rotationssymmetrischen Elementes (also z. B. des Hohlzylinders) zusätzlich zur mechanischen Belastung ausgesetzt werden. Die Vorrichtung kann also flüssigkeitsdicht für derartige Versuche ausgebildet werden, was zum Beispiel auch Infiltrationsversuche von Prüfkörpern zulässt, wie zum Beispiel die Bestimmung der Porosität eines Prüfkörpers durch Quecksilberinfiltration. Auch kann eine rotationssymmetrische Temperaturisolierung verwendet werden, wenn der Innenraum der Vorrichtung mit dem Prüfkörper beheizt werden soll. Schließt man die Vorrichtung, das rotationssymmetrische Element und/oder die Kontakteinheit druckdicht ab, ergeben sich die Möglichkeiten einer Evakuierung oder eines Überdrucks für die Messung. Auch kann der Prüfkörper einer korrosiven Atmosphäre ausgesetzt werden um zum Beispiel beschleunigte Lebensdaueranalysen von Werkstoffen durchzuführen.
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Im Beispiel des rotationssymmetrischen Elements als Hohlzylinder kann eine Deckeleinheit, die nicht notwendigerweise Teil der Kontakteinheit ist, zur Versorgung des Innenraums der Vorrichtung oder auch der Kontakteinheit verwendet werden. Dabei kann es sich um einen Deckel mit Zuführungen für einen Wärmetauscher handeln, der zum Beispiel die Zuleitung von durch Heizgebläse erhitzter Luft oder Drucköl erlaubt.
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Im Falle einer gasdichten Vorrichtung können während der tomografischen Messung in der Vorrichtung realisierte, vom Außenraum abweichende, Umweltbedingungen am Prüfkörper zum Beispiel durch eine Zirkulation von Gasen oder eine angeschlossene Vakuumleitung aufrechterhalten werden. Auch können elektrische Zuleitungen in der Deckeleinheit verwendet werden, um beispielsweise die elektrische Versorgung einer im rotationssymmetrischen Element und/oder in der Kontakteinheit oder auch in der Deckeleinheit angebrachten Strahlungsquelle zu gewährleisten, die den Prüfkörper während der Messung ultraviolettem Licht oder anderer Strahlung aussetzt.
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Zusätzlich kann es von Vorteil sein, die Vorrichtung in kompakter Weise auszubilden um zu erlauben, dass die Vorrichtung aus dem Strahlengang der tomografischen Messung entfernt und später wieder eingebracht werden kann. Dies erlaubt, Langzeitmessungen am Prüfkörper durchzuführen, ohne dass das tomografische Messgerät währenddessen in Beschlag genommen wird. Es kann, zum Beispiel bei einer Langzeitmessung von mehreren Tagen, die Vorrichtung täglich mitsamt dem Prüfkörper vermessen und darauf wieder an anderer Stelle gelagert werden. Dafür ist die Vorrichtung vorteilhafterweise durch eine Verwendung geeigneter Materialien so ausgebildet, dass ihr Gewicht nicht zu hoch ist, also zum Beispiel zwischen 0,1 kg und 10 kg liegt. Im Falle von angebrachten Zuleitungen an der Deckeleinheit, die zur Versorgung der Vorrichtung dienen, sind diese Zuleitungen vorteilhafterweise flexibel und/oder lang genug für einen Ortswechsel der Vorrichtung ausgebildet und/oder leicht trenn- und wieder verbindbar, um so zum Beispiel nach kurzzeitiger Unterbrechung der Versorgung, wieder angeschlossen werden zu können.
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Erfindungsgemäß können die mechanischen Belastungen auf den Prüfkörper durch zusätzliche Einheiten der Vorrichtung aufgebracht werden. Bevorzugt sollten diese Einheiten als Teil der Kontakteinheit ausgebildet sein, um entsprechend zur Rotationssymmetrieachse der Vorrichtung ausgerichtet zu werden. Es kann sich dabei zum Beispiel um Einheiten umfassend Stellschrauben oder Klemmbacken handeln, um Einheiten, die eine Zug-, Druck- oder Torsionsbelastung des Prüfkörpers zulassen, wobei auch hydraulische Einrichtungen möglich sind, die über eine Deckeleinheit versorgt werden können.
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Die Kontakteinheit oder auch die Deckeleinheit kann mit einer Einheit versehen sein, die zur Messung der aufgebrachten mechanischen oder anders gearteten Belastungen dient. Es können zum Beispiel Kraftmessdosen, Piezosensoren oder ein Thermometer in die Kontakteinheit, in Kontaktelemente derselben oder in die Vorrichtung integriert werden. Dies erlaubt eine Überwachung der Belastung auf dem Prüfkörper und ermöglicht sicherzustellen, dass diese Belastung während der Messung unverändert anliegt.
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Insbesondere können so Mehrpunktbiegeversuche, auch normgerechte (beispielsweise EN ISO 178:2001 für Plastik), durch eine geeignete Ausbildung der Kontakteinheit und des rotationssymmetrischen Elements für tomografische Messungen realisiert werden. Für einen Vier-Punkt-Biegeversuch an einem länglichen Prüfkörper bedarf es beispielsweise zweier Auflagen, die Teil der Kontakteinheit sind, um eine genaue Ausrichtung des Prüfkörpers zu gewährleisten, und zweier Einheiten, die die mechanische Kraft aufbringen, vorzugsweise versehen mit Einrichtungen zum Messen der anliegenden Kraft. Es kann dann das Biegeverhalten des Prüfkörpers unter Einwirkung unterschiedlich großer Kräfte in tomografischen Messungen charakterisiert werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich besonders zum Gebrauch in tomografischen Geräten mit Drehteller, wobei das rotationssymmetrische Element relativ zum Drehteller und seiner Drehachse ausgerichtet wird. Dreht sich der Drehteller, so rotiert die Vorrichtung mit. Dies erlaubt insbesondere das Nachrüsten existierender tomografischer Geräte mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Denkbar sind jedoch auch Ausbildungen von tomografischen Geräten, die bereits ein rotierbares Element – zum Beispiel einen auf dem Drehteller befestigten Zylinder – beinhalten, das als rotationssymmetrisches Element im Sinne der Erfindung dient. Die Kontakteinheit kann kann dann wie vorbeschrieben relativ zum rotierbaren Element geführt werden und somit auch relativ zur Rotationsachse im tomografischen Gerät ausgerichtet werden. In diesem Falle kann die Kontakteinheit so ausgebildet werden, dass nicht die gesamte Vorrichtung, sondern nur die Kontakteinheit für eine Langzeitmessung aus dem tomografischen Gerät entfernbar ist.
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Mögliche Umsetzungen der Erfindung zeigen die Ausführungsbeispiele.
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Es zeigen
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung für einen Vier-Punkt-Biegeversuch.
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2: eine Explosionszeichnung des ersten Ausführungsbeispiels und seiner einzelnen Elemente.
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3: ein Ausführungsbeispiel, das nicht die Erfindung zeigt, mit einem rotationssymmetrischen Element und einem Kontaktelement.
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4: ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in Form einer Klimakammer mit Druckbehälter.
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Die Vorrichtung der 1 umfasst als rotationssymmetrisches Element einen Hohlzylinder (1) aus PMMA mit einer Wanddicke von 5 mm, Länge von 240 mm und einem Innendurchmesser von 80 mm.
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An den Enden des Hohlzylinders sind zwei Elemente (5a, 5b) mit Stellschrauben (6a, 6b) zur Belastung und Fixierung des Prüfkörpers (4) und zur Fixierung der Kontakteinheit relativ zum rotationssymmetrischen Element (1), dem Hohlzylinder, durch Aufeinandersetzen befestigt. Die Stellschrauben (6a, 6b) weisen eine definierte Gewindesteigung auf und bewirken damit, durch definiertes Einschrauben in die Elemente (5a, 5b), eine definierte mechanische Belastung des Prüfkörpers (4). Das Stellschraubenelement (5a) bildet hierbei das unterste Element, an dem der Hohlzylinder (1) befestigt wird.
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In den Hohlzylinder (1) werden daraufhin die Elemente der Kontakteinheit (2) eingeschoben. Diese umfassen zwei Abstandselemente (2a) und (2b), und zwei Auflageelemente (2c) und (2d). Die Abstandselemente (2a, 2b) sind zwei Hohlzylinder aus PMMA mit einer Wanddicke von 4 mm, einem Außendurchmesser von 80 mm und einer Länge von 30 mm (Element 2a) und 60 mm (Element 2b), deren Außenumfang dem Innenumfang des Hohlzylinders (1) entspricht. Dadurch werden diese Abstandselemente (2a, 2b) formschlüssig einschiebbar und führbar entlang der Rotationssymmetrieachse des Hohlzylinders (1).
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Nach Aufsetzen des Hohlzylinders (1) auf das Element (5a) wird also Abstandselement (2b) eingeführt. Es folgt das erste der Auflageelemente (2c, 2d), das Auflageelement (2d). Diese Auflageelemente (2c, 2d), die wiederum aus PMMA bestehen, sind außen rotationssymmetrisch ausgebildet und zwar so, dass der Außendurchmesser dem Innendurchmesser des Hohlzylinders (1) entspricht. Dies erlaubt, die Auflageelemente (2c, 2d) entlang der Rotationssymmetrieachse (3) des Hohlzylinders innerhalb desselben zu verschieben. Die Auflageelemente (2c, 2d) sind mit einer zentralen Durchführung ausgebildet, die den Prüfkörper (4) aufnimmt. Auf das Abstandselement (2b) wird also das Auflageelement (2d) in den Hohlzylinder (1) eingeschoben. Es folgt das Abstandselement (2a), und darauf das Auflageelement (2c), die in den Hohlzylinder (1) eingeschoben werden. Die Elemente (2a, 2b, 2c, 2d) bilden in diesem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung die Kontakteinheit (2). Durch die jeweilige Länge der Elemente (2a, 2b, 2c, 2d) in Richtung der Symmetrieachse (3) werden die Abstände und Positionen der Auflagepunkte des 4-Punkt-Biegeversuchs definiert eingestellt. Die Kontakteinheit (2) ist damit durch ihre außenumfangsseitige Passung an den Innenumfang des rotationssymmetrischen Elements, des Hohlzylinders (1), entlang der Rotationssymmetrieachse (3) desselben formschlüssig verschiebbar und wird durch ihre Abstandselemente (2a, 2b) bzw. durch den Kontakt der Elemente (2a bis 2c) untereinander, zum Hohlzylinder (1), zum unteren Stellschraubenelement (5a) und ggf. auch durch ein weiteres Abstandselement (hier nicht gezeigt) zwischen Element (2c) und dem oberen Stellschraubenelement (5b) fixiert.
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Nach Einbringen der Kontakteinheit (2) wird der Prüfkörper (4) durch die Durchführung der Auflageelemente (2c, 2d) hindurchgeführt und im Stellschraubenelement (5a) mit der Stellschraube (6b) fixiert. Schließlich wird das Element (5b) oben auf den Hohlzylinder (1) aufgesetzt und der Prüfkörper (4) mit der Stellschraube (6a) an seinem oberen Ende fixiert. Am unteren Ende erfolgt die Fixierung durch die Stellschraube (6b). Die mechanische Belastung auf dem Prüfkörper für einen Biegeversuch wird durch Anziehen der Stellschrauben (6a, 6b) hergestellt. Die Stellschrauben (6a, 6b) weisen eine definierte Gewindesteigung auf und bewirken damit, nach ihrem Einschrauben mit einer definierten Umdrehungszahl, eine definierte mechanische Belastung des Prüfkörpers (4). Die Auflageelemente (2c, 2d) dienen als mittlere Auflagepunkte des hier angestrebten Vier-Punkt-Biegeversuchs. Für die Durchführung eines Drei-Punkt-Biegeversuchs werden das Auflageelement (2c) und das Abstandselement (2a) aus der Vorrichtung entfernt. Der Prüfkörper, im Inneren des Hohlzylinders (1) eingespannt von den Stellschrauben (6a, 6b), kann nun mit Röntgenstrahlung durchleuchtet werden.
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Im Zuge des Biegeversuchs werden nun die Stellschrauben sukzessive angezogen und damit der Prüfkörper steigenden Belastungen ausgesetzt und jedes Mal erneut tomografisch vermessen. Dabei rotiert die Vorrichtung mitsamt dem Prüfkörper um die Rotationsachse (3). Die Vorrichtung kann als Ganzes bewegt und in den Strahlengang einer tomografischen Anordnung eingebracht werden, oder bereits auf dem Drehteller einer solchen Anordnung oder eines tomografischen Messgeräts in oben genannter Weise zusammengestellt werden. Idealerweise ist der Hohlzylinder (1) so ausgebildet, dass sich nur der Zylinder und die in ihm enthaltene Kontakteinheit (2) im Strahlengang der Röntgenstrahlung befinden. Dadurch werden die Stellschrauben (6a, 6b) und die Stellschraubenelemente (5a, 5b) nicht mit abgebildet.
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Im Ausführungsbeispiel in 1 bildet das obere Stellschraubenelement (5b) auch gleichzeitig das Deckelelement der Vorrichtung.
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Durch umlaufende Vertiefungen in den Stellschraubenelementen (5a, 5b) ist der Hohlzylinder (1) formschlüssig auf das untere Stellschraubenelement (5a) aufsetzbar und kann das obere Stellschraubenelement (5b) formschlüssig auf den Hohlzylinder (1) aufgesetzt werden. In den Stellschraubenelementen (5a, 5b) sind hier auch Einrichtungen zur Messung der anliegenden Kraft wie piezoelektrische Sensoren (nicht gezeigt) angebracht. Die Position der Stellschraubenelemente (5a, 5b) relativ zur Rotationssymmetrieachse (3) des rotationssymmetrischen Hohlzylinders (1) wird hierbei durch ihr Anbringen an den Enden des Hohlzylinders (1) festgelegt.
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Damit kann die Erfindung als modulares oder Baukastensystem zur Materialprüfung in verschiedenen Versuchen für eine Reihe von Tomografen verwendet werden, mit dem auch schon bestehende Geräte gegebenenfalls nachgerüstet werden können. Es können verschiedene Kontakteinheiten, die passend ausgebildet sind zu einem bestimmten Hohlzylinder oder einem anders ausgebildeten rotationssymmetrischen Element vorgehalten und je nach Bedarf eingesetzt werden.
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2 zeigt eine Explosionszeichnung des ersten Ausführungsbeispiels und wie die einzelnen Elemente durch Einschieben der Elemente (2a, 2b, 2c, 2d) der Kontakteinheit (2) in den Hohlzylinder (1) und Aufsetzen der Stellschraubenelemente (5a, 5b) mit eingeschraubten Stellschrauben (6a, 6b) zur vollständigen Vorrichtung des ersten Ausführungsbeispiels kombiniert werden können. Hierzu sind Gewinde in die Stellschraubenelemente (5a, 5b) eingelassen. Zusätzlich sind die Stellschrauben (6a, 6b) mit Messinstrumenten (11a, 11b) versehen, die zur Messung der durch Einstellen der Stellschrauben (6a, 6b) erreichten Kraft und Verformung am Prüfkörper (nicht gezeigt) dienen. Auch beinhalten die Elemente (6a, 6b) eine in sie integrierte Vorrichtung zur Wegmessung (nicht gezeigt), mit der die Einschraubposition der Elemente (6a, 6b) in den Stellschraubenelementen (5a, 5b) bzw. die Umdrehungszahl beim Einschrauben erfasst werden kann.
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In der 3 wird ein Ausführungsbeispiel, das nicht die Erfindung zeigt, aus möglichst wenigen Elementen gezeigt. Das rotationssymmetrische Element ist hier wieder ein Hohlzylinder (1) aus PMMA und die Kontakteinheit (2) besteht aus einem ebenfalls aus PMMA ausgeformten Element, welches den Prüfkörper hält und formschlüssig entlang der Rotationssymmetrieachse (3) des Hohlzylinders innerhalb desselben verschiebbar ist, mit einem zusätzlichen Element zum Aufbringen der mechanischen Belastung (2a), dem Belastungselement. Durch Aufsetzen des rotationssymmetrischen Elements (1) und der Kontakteinheit (2) mit deren Unterseite auf den Drehteller eines tomografischen Geräts wird die Kontakteinheit (2) relativ zum Hohlzylinder (1) fixiert, und somit auch der Prüfkörper (4). Darauf kann der Prüfkörper in einer Zahl von Rotationsschritten vermessen werden. Als mechanische Belastung kann ein Zylinderelement (2a) als Belastungelement von oben auf den Prüfkörper (4) drücken, welches formschlüssig in die Kontakteinheit (2) einschiebbar ist. Zusätzlich kann zu dieser mechanischen Belastung zum Beispiel Salzsäure in wässriger Lösung in die Kontakteinheit (2) eingefüllt werden, da diese flüssigkeitsdicht ausgebildet ist.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel bei dem die Erfindung als Klimakammer mit Druckbehälter ausgebildet ist. Das rotationssymmetrische Element ist ein Hohlzylinder (1), versehen mit einem umlaufenden Rand am oberen (1a) und unteren (1b) Ende des Hohlzylinders, an dem zwei Deckelelemente (9a, 9b) durch Gewindeschrauben (8a–8f) fixiert werden können. Die abnehmbaren Deckelelemente (9a, 9b) erlauben ein einfaches Wechseln des Prüfkörpers (4). Hierbei dienen den Umfang des Hohlzylinders (1) umlaufende Dichtungen (nicht gezeigt) sowohl am oberen als auch am unteren Ende des Hohlzylinders und an den Deckelelementen (9a, 9b) zum druckdichten Abschluss der Vorrichtung.
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Die Kontakteinheit wird in diesem Ausführungsbeispiel aus zwei auf dem unteren Deckelelement (9a) aufsitzenden und formschlüssig in den Hohlzylinder (1) einschiebbaren Abstandselementen (2a, 2b), ähnlich den in der 1 gezeigten Abstandselementen, und zwei Halteelementen (2c, 2d) gebildet. Der Prüfkörper (4) liegt auf den Halteelementen (2c, 2d) auf und wird durch die als Feingewindeschrauben ausgebildeten Stellschrauben (6a, 6b) in einem Vier-Punkt-Biegeversuch belastet, wobei die Instrumente (11a, 11b) zur Messung der mechanischen Kraft und des durch Verformung des Prüfkörpers (4) entstandenen Weges dienen.
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Für einen Drei-Punkt-Biegeversuch können auch hier wieder das Auflageelement (2c) und das Abstandselement (2a) entfernt werden. Die Vorrichtung wird mit Hohlzylinder (1) und unterem Deckelelement (9a) nach der Rotationsachse (3) ausgerichtet. Das obere Halterungselement (12) ist zwischen Hohlzylinder (1) und oberem Deckelelement (9b) angeordnet, weist denselben Innendurchmesser auf wie der Hohlzylinder, wird durch die Gewindeschrauben (8a–8d) am Hohlzylinder (1) und am oberen Deckelelement (9b) fixiert und dient zur Halterung sowohl der Stellschraube (6a) als auch des Messinstruments (11a). Entsprechend wird die untere Stellschraube (6b) samt Instrument (11b) mittels eines Gewindes im unteren Deckelelement (9a) zum Kraftaufbringen auf den Prüfkörper (4) in das untere Deckelelement (9a) eingeschraubt (unterster Auflagepunkt des 4-Punkt-Biegeversuchs).
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann insbesondere mit einem, mehreren oder allen der folgenden Merkmale ausgebildet sein:
- • Das rotationssymmetrische Element (1) und/oder die Kontakteinheit (2) können zumindest abschnittsweise aus strahlungstransparentem Material, beispielsweise aus Glas oder Kunststoff, ausgebildet sein.
- • Die mehreren Kontaktelemente können durch Kontakt untereinander und/oder zum rotationssymmetrischen Element (1) relativ zum rotationssymmetrischen Element (1) fixierbar sein.
- • Das rotationssymmetrische Element (1) und/oder die Kontakteinheit (2) kann/können gegenüber der Umwelt oder dem Außenraum der Vorrichtung abschließbar oder abgeschlossen sein, insbesondere druckdicht, flüssigkeitsdicht und/oder temperaturisoliert sein.
- • Die Vorrichtung kann mit einer Einheit zur Kraft- und/oder Belastungseinleitung (5a, 5b) auf den Prüfkörper (4), welche bevorzugt mindestens eine Stellschraube (6a, 6b) umfasst, versehen sein, wobei diese Einheit (5a, 5b) bevorzugt als Teil der Kontakteinheit (2) ausgebildet ist oder zur Realisierung der Fixierung der Kontakteinheit (2) relativ zum rotationssymmetrischen Element (1) ausgebildet ist.
- • Die Vorrichtung kann mit einer Einheit zur Messung der auf den Prüfkörper (4) aufgebrachten mechanischen Belastung, insbesondere einer Kraftmessdose, und/oder zur Messung anderer Belastungen, insbesondere einer Temperaturmesseinheit, versehen sein.
