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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Schubmoduls von textilen Halbzeugen bzw. an textilen Flächenmaterialien gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher angegebenen Art. Die Erfindung betrifft ferner eine bevorzugte Verwendung dieser Vorrichtung.
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Bei den textilen Halbzeugen handelt es sich vorzugsweise um Kohlenstofffasergelege und insbesondere um Kohlenstofffasergewebe zur Herstellung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffbauteilen. Bei den textilen Halbzeugen kann es sich aber auch um Glasfasergelege oder Glasfasergewebe zur Herstellung von glasfaserverstärkten Kunststoffbauteilen handeln.
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Ein wichtiges Kriterium für die Beurteilung der Verarbeitungseigenschaften von solchen textilen Halbzeugen ist deren Drapierbarkeit. Unter der Drapierbarkeit eines textilen Halbzeugs wird dessen Fähigkeit bzw. Eignung verstanden, sich an räumliche bzw. dreidimensionale Konturen anpassen zu können. Eine solche dreidimensionale Kontur wird z. B. bei der Herstellung eines faserverstärkten Kunststoffbauteils durch die Werkzeugform vorgegeben. Die Fähigkeit zur Formanspassung beruht vorrangig auf Scherung und Biegung innerhalb des textilen Halbzeugs, wogegen die Dehnung aufgrund der hohen Fasersteifigkeiten typischerweise zu vernachlässigen ist. Der Schermodul (nachfolgend als Schubmodul bezeichnet) eines textilen Halbzeugs ist somit, bspw. auch für die Simulation, ein wichtiger Kennwert bzw. eine wichtige Kenngröße. Der Schubmodul eines textilen Halbzeugs muss aus Versuchen ermittelt werden.
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Der Schubmodul eines textilen Halbzeugs lässt sich z. B. in einem so genannten Picture Frame Test, der auf einer Universalprüfmaschine ausgeführt wird, ermitteln. Andere Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung von textilen Halbzeugen bzw. textilen Flächenmaterialien sind aus der
DE 44 29 530 A1 und der
US 6,487,902 B1 bekannt. Die bekannten Tests und Vorrichtungen weisen jedoch diverse Nachteile auf.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der der Schubmodul von textilen Halbzeugen zuverlässig bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelost von einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Mit dem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, nämlich in Verbindung mit einer Universalprüfmaschine, wobei die Prüfkraft von der Universalprüfmaschine erzeugt und insbesondere mittels wenigstens eines Seilzugmechanismus oder dergleichen auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragen wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch in anderer Weise verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen ersten Arm und einen zweiten Arm auf, die zueinander verschwenkbar bzw. drehbar gelagert sind, wobei jeder Arm wenigstens zwei sich gegenüberliegende Klemmeinrichtungen bzw. Greifeinrichtungen aufweist, zwischen denen das zu untersuchende textile Halbzeug in einer Ebene durch Aufbringen von definierten Zugkräften aufgespannt werden kann bzw. aufspannbar ist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch mehr als zwei solcher Arme aufweisen. Ferner ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen Messsensor aufweist, der beim definierten Verschwenken des ersten Arms relativ zum zweiten Arm (während der Versuchsdurchführung) die über das aufgespannte textile Halbzeug auf den zweiten Arm ausgeübte Kraftwirkung erfasst bzw. misst, wodurch bzw. woraus der Schubmodul des textilen Halbzeugs bestimmt bzw. ermittelt werden kann. Die Ermittlung des Schubmoduls erfolgt in der Regel zerstörungsfrei.
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Ein definiertes Verschwenken des ersten Arms relativ zum zweiten Arm kann z. B. durch Aufbringen einer definierten Verschwenkkraft auf den ersten Arm bewerkstelligt werden. Die aufgebrachte Verschwenkkraft kann eine konstante oder eine sich verändernde Verschwenkkraft sein. Die zeitlichen Verläufe der aufgebrachten Verschwenkkraft und des Verschwenkwinkels zwischen dem ersten Arm und dem zweiten Arm können während der Versuchsdurchführung erfasst bzw. gemessen werden. Der momentane Schwenkwinkel zwischen den beiden Armen kann z. B. als Relativwinkel mit einem Winkelsensor (Drehwinkelmessung) oder dergleichen erfasst werden. Die während der Versuchsdurchführung lediglich über das aufgespannte textile Halbzeug auf den zweiten Arm ausgeübte Kraftwirkung (Mitnahmeeffekt) wird mittels wenigstens eines Messsensors erfasst bzw. gemessen. Bei dem Messsensor handelt es sich insbesondere um einen Kraftsensor bzw. Kraftaufnehmer. Die von dem Messsensor erfassten Messwerte können dann z. B. über der Zeit, dem Schwenkwinkel oder dem Verlauf der auf den ersten Arm aufgebrachten Verschwenkkraft abgespeichert und ausgewertet oder gegebenenfalls auch direkt ausgewertet werden, was von einem Messcomputer oder dergleichen ausgeführt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat viele Vorteile. Ein bedeutender Vorteil ist darin zu sehen, dass bei der Bestimmung des Schubmoduls Reibungseinflüsse weitgehend eliminiert sind. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass das zu untersuchende textile Halbzeug beliebige Faserorientierungen aufweisen kann. Durch die gegenüberliegende Anordnung der Klemmeinrichtungen wird ein durchgängig gerader bzw. krümmungsfreier Verlauf der Fasern bzw. der Faserverläufe erzielt, der auch während der Versuchdurchführung erhalten bleibt (kein seitlicher Versatz der an einem Arm gegenüberliegenden Klemmeinrichtungen). Ferner bleiben die auf das zu untersuchende textile Halbzeug aufgebrachten Zugkräfte während der Versuchsdurchführung im Wesentlichen unverändert erhalten, so dass die Fasern bzw. Faserverläufe zwischen den gegenüberliegenden Klemmeinrichtungen unter nahezu konstanten Zugspannungen stehen.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Arm feststehend ist und dadurch (während der Versuchsdurchführung) auf das aufgespannte textile Halbzeug eine Rückhaltekraft ausübt, wobei diese Rückhaltekraft mit dem wenigstens einen Messsensor erfasst werden kann, um somit die im textilen Halbzeug wirksamen Scherkräfte zu ermitteln und daraus den Schubmodul zu bestimmen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Arm unmittelbar über bzw. mit dem Messsensor festgehalten und somit an einem Verschwenken gehindert wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Arme gegeneinander verschwenkt bzw. verdreht werden. Das Verschwenken der Arme erfolgt in einer Ebene. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Arme und die Klemmeinrichtungen an diesen Armen derart ausgebildet sind, dass das textile Halbzeug in einer horizontalen Ausrichtung aufgespannt werden kann bzw. aufspannbar ist. Auch das Verschwenken der Arme erfolgt dann in einer horizontalen Ebene. Die bewegten Teile bzw. Komponenten sind somit keinen sich verändernden Schwerkrafteinflüssen ausgesetzt. Bei der Bestimmung des Schubmoduls werden somit Schwerkrafteinflüsse weitgehend eliminiert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Arme der erfindungsgemäßen Vorrichtung in etwa mittig und sich kreuzend bzw. gekreuzt an einer gemeinsamen Achse verschwenkbar befestigt sind bzw. an dieser Achse gelagert sind. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest die Klemmeinrichtungen am ersten Arm derart angeordnet sind, dass sich diese beim Verschwenken des ersten Arms auf einer gemeinsamen Kreisbahn um die Schwenkachse des ersten Arms herum bewegen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann wenigstens einen Kabelzug- bzw. Seilzugmechanismus oder dergleichen (bspw. einen Bowdenzugmechanismus) zum definierten Verschwenken des ersten Arms aufweisen. D. h. das Aufbringen einer definierten Verschwenkkraft auf den ersten Arm erfolgt über einen Seilzugmechanismus, der z. B. mit einem zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gehörenden motorischen Antrieb oder mit einem externen Antrieb verbunden ist. Ein externer Antrieb ist insbesondere eine Universalprüfmaschine (bspw. eine konventionelle Zug-/Druckprüfmaschine), wie nachfolgend anhand der Figuren noch näher erläutert. Der Seilzugmechanismus kann eine Übersetzung (bspw. einen Flaschenzug oder eine Seilwinde) umfassen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der erste Arm direkt mit einem zur Vorrichtung gehörenden motorischen Antrieb gekoppelt ist.
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Um eine selbsttätige Rückstellung des ersten Arms in eine Ausgangslage zu bewerkstelligen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Federeinrichtung (Rückzugsfeder) aufweisen, die den ersten Arm aus einer verschwenkten Lage in die Ausgangslage zurückbewegt. In der Ausgangslage ist der erste Arm insbesondere rechtwinklig zum zweiten Arm positioniert. Das definierte Verschwenken des ersten Arms erfolgt entgegen der wirksamen Federkraft dieser Federeinrichtung. Dies ermöglicht auch eine Wechsellastprüfung des zu untersuchenden textilen Halbzeugs.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann eine Platte (in der Art einer Tischplatte) oder einen Teller oder dergleichen aufweisen, auf der bzw. auf dem das textile Halbzeug, insbesondere beim Befestigen oder Lösen, aufgelegt bzw. abgelegt werden kann. Dies wird nachfolgend anhand der Figuren noch näher erläutert.
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Jede Klemmeinrichtung kann wenigstens zwei korrespondierende Greif- oder Klemmbacken aufweisen, zwischen denen das textile Halbzeug zerstörungsfrei eingeklemmt werden kann. Die Greifbacken können im Greifbereich mit einem Gummibelag oder dergleichen ausgestattet sein. Die Betätigung der Greifbacken kann manuell bspw. mit einem mechanischen Spannmechanismus erfolgen.
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Die an den verschwenkbaren Armen angeordneten Klemmeinrichtungen können längsbeweglich an den Armen befestigt bzw. gelagert sein (längsbeweglich bezüglich der Längserstreckung der Arme). Ferner können diese Klemmeinrichtungen bezüglich der Schwenkachse der Arme nach außen (radial außen) vorgespannt sein, wobei die Vorspannung vorzugsweise einstellbar ist. Das Vorspannen kann z. B. mit Federeinrichtungen bewerkstelligt werden, wobei die Einstellung der Vorspannung durch Verändern der Federkraft und/oder des Federwegs erfolgen kann. Das Einstellen der Vorspannung erfolgt bevorzugt manuell an jeder Klemmeinrichtung. Dieses Einstellen der Vorspannung ermöglicht ein definiertes und auch einstellbares bzw. variables Aufspannen des zu untersuchenden textilen Halbzeugs zwischen den Klemmeinrichtungen, wobei insbesondere auch ein nachteiliges Durchhängen des textilen Halbzeugs vermieden werden kann. Ferner wird auch eine exakte Positionierung des textilen Halbzeugs zwischen den Klemmeinrichtungen ermöglicht, wobei ein solches Positionieren insbesondere auch noch nach dem Aufspannen möglich sein soll, um den Messbereich präzise einstellen zu können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf einem Traggestell bzw. Rahmen und insbesondere auf einem mittels Rollen oder dergleichen verfahrbaren Traggestell angeordnet sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend in nicht einschränkender Weise anhand eines in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Schubmoduls von textilen Halbzeugen in einer perspektivischen Ansicht.
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2 zeigt, ebenfalls in einer perspektivischen Ansicht, die Vorrichtung der 1 mit montierter Platte.
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3 zeigt die Vorrichtung aus 2 auf einem fahrbaren Traggestell neben einer Universalprüfmaschine.
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1 zeigt eine insgesamt mit 100 bezeichnete erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Schubmoduls von textilen Halbzeugen. Die Vorrichtung 100 umfasst einen ersten Arm 121 und einen zweiten Arm 122, die mittig und sich kreuzend an einer gemeinsamen Achse 125 verschwenkbar und weitgehend reibungsfrei gelagert sind. Die gemeinsame vertikale Schwenkachse ist mit L bezeichnet. Der gesamte Schwenkmechanismus wird von einer Trägerplatte 110 getragen, an der die Schwenkachse 125 befestigt ist. Die Arme 121 und 122 können im Hinblick auf ihre Funktionen auch anders als dargestellt ausgebildet sein.
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An den Armen 121 und 122 sind jeweils zwei sich gegenüberliegende Greif- bzw. Klemmeinrichtungen 130a/b und 130c/d angeordnet, zwischen denen das zu untersuchende textile Halbzeug in einer horizontalen Ebene bzw. Ausrichtung durch Aufbringen von definierten Zugkräften aufgespannt werden kann. Der Aufbau und die Funktion der Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d werden nachfolgend noch näher erläutert.
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Der prinzipiell frei verschwenkbare zweite Arm 122 wird festgehalten und somit an einer möglichen Verschwenkbewegung gehindert. Dies erfolgt über einen Kraftsensor 140 mit dem zugleich die Rückhaltekraft gemessen werden kann. Der Kraftsensor 140 ist mittels des Haltewinkels 142 an der Trägerplatte 110 befestigt. Mit 141 ist ein zwischen dem zweiten Arm 122 und dem Kraftsensor 140 verklemmungsfrei angeordneter Zuganker bezeichnet, über den der Kraftfluss erfolgt. Der Kraftsensor 140 kann mittels des Haltewinkels 142 in verschiedenen Abständen zur Schwenkachse L montiert werden.
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Während der Versuchsdurchführung kann der erste Arm 121 durch Aufbringen einer auf diesen Arm 121 einwirkenden definierten Verschwenkkraft, was bei der gezeigten Vorrichtung 100 durch externes Aufbringen einer Zugkraft mittels Seilzugmechanismus oder dergleichen erfolgt, definiert verschwenkt werden und wird hierbei auch relativ zu dem zweiten feststehenden bzw. festgehaltenen Arm 122 verschwenkt. Beim Verschwenken des ersten Arms 121 relativ zum zweiten Arm 122 kann mittels des Kraftsensors 140 die über das aufgespannte textile Halbzeug auf den festgehaltenen zweiten Arm 122 ausgeübte Kraftwirkung bzw. die auf das aufgespannte textile Halbzeug ausgeübte Rückhaltekraft erfasst werden. Hiermit können die während der Versuchsdurchführung auftretenden Scherkräfte im textilen Halbzeug ermittelt und der Schubmodul des textilen Halbzeugs kann bestimmt werden.
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Die Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d sind identisch aufgebaut. Jede Klemmeinrichtung 130 weist zwei gummibelegte Greifbacken 131 und 132 auf, die über die Hebelschraube 133 verspannt werden können und hierbei zwischen sich das zu untersuchende textile Halbzeug einklemmen.
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Die Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d sind an den Armen 121 und 122 längsbeweglich (gegebenenfalls auch querbeweglich) gelagert und mittels einem Federnpaar bzw. einer Doppelfeder 134 bezüglich der Schwenkachse L mit definierter Kraft nach außen (radial außen) vorgespannt. Mit den Federn 134 können auf das an den Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d befestigte textile Halbzeug definierte und multidirektionale Zugkräfte aufgebracht werden, wodurch das zu untersuchende textile Halbzeug in einer horizontalen Ebene definiert aufgespannt wird.
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Das Befestigen bzw. Einspannen des zu untersuchenden textilen Halbzeugs an den Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d erfolgt manuell. Um das Befestigen bzw. Festklemmen zu vereinfachen kann die Kraftbeaufschlagung bzw. die Federbewegung gesperrt werden. Mit 135 ist eine Stellschraube bezeichnet, mit der die nach außen wirksame Kraft bzw. die auf das textile Halbzeug wirkende Zugkraft, bspw. durch Verschieben eines mechanischen Anschlags, präzise eingestellt werden kann. Ferner kann auch die Position des zu untersuchenden textilen Halbzeugs zwischen den Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d eingestellt werden (Positionieren des Messbereichs nach dem Einspannen). Eine Skala 136 vereinfacht die manuelle Einstellung.
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2 zeigt die Vorrichtung 100 mit einer montierten Platte 150. Die nicht drehbare Platte 150 ist am Achskörper der Achse 125 festgeschraubt und dient als Ablage für das zu untersuchende textile Halbzeug während dem Befestigen an den Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d. Während der Versuchsdurchführung hat das zu untersuchende textile Halbzeug infolge der Aufspannung keine Berührung mit der Platte 150. Die Platte 150 weist eine horizontale Ausrichtung auf. (Hinweis: Die oberen Greifbacken 131 an den Klemmeinrichtungen 130a/b/c/d sind in 2 nicht dargestellt) Bei den in den 1 und 2 gezeigten Darstellungen befindet sich der erste Arm 121 in einer Ausgangslage, in der dieser in etwa rechtwinklig zum zweiten Arm 122 positioniert ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass diese Ausgangslage durch Einstellung verändert werden kann (bspw. durch Verstellen eines Anschlags). Während der Versuchsdurchführung wird der erste Arm 121 durch Aufbringen einer definierten Verschwenkkraft entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt, wobei sich die gegenüberliegenden Klemmeinrichtungen 130a und 130b auf einer Kreisbahn bewegen, was in 2 mit dem Bogenpfeil M veranschaulicht ist. Die Rückstellung des ersten Arms 121 aus einer verschwenkten Lage in die gezeigte Ausgangslage erfolgt durch eine Rückzugsfeder, die in dem vertikal nach unten gerichteten Schutzrohr 160 angeordnet ist. Diese Rückzugsfeder wirkt über einen separaten Seilzugmechanismus auf den ersten Arm 121 ein. Das Vorsehen einer solchen Rückzugsfeder (oder einer vergleichbaren Einrichtung) ermöglicht auch eine Versuchsdurchführung mit einer wechselnden bzw. alternierenden Scherbelastung des textilen Halbzeugs.
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3 zeigt eine mobile Ausführung. Hierzu ist die Vorrichtung 100 auf einem Traggestell bzw. Tragrahmen 115 angeordnet, der mittels Rollen 116 verfahrbar ist. Die Vorrichtung 100 ist neben einer Universalprüfmaschine 200 positioniert. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 an einer bzw. in Verbindung mit einer Universalprüfmaschine 200 oder dergleichen kann in verhältnismäßig einfacher Weise die präzise Steuerung der Universalprüfmaschine für die Versuchsdurchführung genutzt werden. Auch für die Auswertung kann gegebenenfalls auf die Auswerteeinrichtungen der Universalprüfmaschine 200 zugegriffen werden.
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Mit der Universalprüfmaschine 200 wird die Prüfkraft zum definierten Verschwenken des ersten Arms 121 erzeugt, die mittels Seilzugmechanismus ausgehend vom Stößel 220 über eine Umlenkeinrichtung 240 am Tisch 210 auf den ersten Amt 121 der Vorrichtung 100 übertragen wird. Das zur Veranschaulichung dargestellte Zugseil ist mit 230 bezeichnet. Beim Anheben des Stößels 220 wird der erste Arm 121 der Vorrichtung 100 entgegen dem Uhrzeigersinn (siehe 2) und entgegen der Rückzugsfederkraft verschwenkt, wobei die wirksame Rückzugskraft auch das Zugseil 230 des Seilzugmechanismus unter Spannung hält. Beim Absenken des Stößels 220 wird der erste Arm 121 durch die Rückzugsfeder im Uhrzeigersinn zurück bewegt bzw. zurück verschwenkt. Diese Bewegungsabfolge ist nur beispielhaft und daher auch umkehrbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4429530 A1 [0004]
- US 6487902 B1 [0004]
