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Anwendungsgebiet und Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Testeinrichtung für flächige Materialien, insbesondere für textile und/oder Fasermaterialien oder Verbundwerkstoffe, sowie ein Testverfahren, welches mit dieser Testeinrichtung durchgeführt wird.
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Es ist beispielsweise aus der
DE 10 2011 119 209 A1 bekannt, ein flächiges Material in Form eines Textils oder Fasermaterials einzuspannen an gegenüberliegenden Bereichen und zu dehnen. So können beispielsweise Scherwiderstände ermittelt werden. Dabei kann zusätzlich noch eine Kraft in die gespannte Fläche des flächigen Materials hineinwirken.
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Aufgabe und Lösung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Testeinrichtung sowie ein eingangs genanntes Testverfahren zu schaffen, mit denen Probleme des Standes der Technik beseitigt werden können und es insbesondere möglich ist, flächige Materialien sehr vielfältig und dennoch genau, nachvollziehbar und auswertbar zu untersuchen bzw. zu testen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Testeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Testverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei werden manche der Merkmale nur für die Testeinrichtung, nur für das Testverfahren oder für beide zusammen erläutert. Sie sollen jedoch unabhängig davon sowohl für die Testeinrichtung als auch für das Testverfahren selbständig gelten können. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Die Testeinrichtung ist gekennzeichnet durch zwei Ringkörper übereinander bzw. mit Abstand zueinander, die in etwa parallel zueinander sind, vorzugsweise genau parallel zueinander. Aus Fertigungsgründen können diese beiden Ringkörper weitgehend identisch sein bzw. aus gleichen Grundkörpern hergestellt sein. Es gibt einen ersten bzw. oberen Ringkörper und einen zweiten bzw. unteren Ringkörper, wobei vorteilhaft die Ringkörper horizontal ausgerichtet sind. An jedem Ringkörper sind zwei Zugeinrichtungen vorgesehen, die jeweils einander in etwa gegenüber liegen, vorteilhaft genau gegenüber liegen. Jede Zugeinrichtung weist dabei zu einem freien Mittelbereich im Ringkörper hin weisende Greifmittel auf, beispielsweise für eine Klemmung des zu testenden flächigen Materials. Des Weiteren weist jede Zugeinrichtung einen Antrieb zur Bewegung dieser Greifmittel auf, mittels dem die Greifmittel zu dem freien Mittelbereich hin oder von diesem weg bewegt werden können. Die Zugeinrichtungen der beiden Ringkörper sind jeweils versetzt zueinander, also die Zugeinrichtungen des einen Ringkörpers versetzt zu den Zugeinrichtungen des anderen Ringkörpers. Vorteilhaft beträgt dieser Versatz etwa 90°, vor allem dann, wenn an jedem der Ringkörper die beiden Zugeinrichtungen genau gegenüberliegend angeordnet sind.
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Alle Zugeinrichtungen bzw. zumindest deren Greifmittel liegen in einer gemeinsamen Arbeitsebene. In dieser Arbeitsebene befindet sich auch der freie Mittelbereich, wobei vorteilhaft der freie Mittelbereich von dem Bereich innerhalb der vier Greifmittel der vier Zugeinrichtungen der beiden Ringkörper gebildet wird. Nicht nur die Greifmittel, auch die Zugeinrichtungen samt Antrieben können in einer gemeinsamen Ebene liegen. Vorteilhaft ist dies dann ebenfalls die Arbeitsebene.
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Zusätzlich ist ein Verdreh-Antrieb vorgesehen für die Testeinrichtung. Dieser Verdreh-Antrieb ist dazu ausgebildet, die beiden Ringkörper gegeneinander zu verdrehen, wobei sie dabei parallel zueinander ausgerichtet bleiben. Während die vorbeschriebenen Zugeinrichtungen dazu dienen, insbesondere jeweils die beiden Zugeinrichtungen eines Ringkörpers, das zu testende flächige Material zwischen sich zu spannen bzw. einer Zugbelastung zu unterziehen, was bei Spannen mit den Zugeinrichtungen beider Ringkörper einem flächigen Spannen entspricht, dient der Verdreh-Antrieb dazu, Scherbelastungen auf das zu testende flächige Material bei gleichzeitiger Zugbelastung zu simulieren. Vor allem diese zusätzliche Belastung als Testmöglichkeit durch Verdrehen der beiden Ringkörper gegeneinander ermöglicht neue und aussagekräftige Tests.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Deformations-Antrieb als weiterer Antrieb vorgesehen sein. Dieser kann über oder unter der Arbeitsebene bzw. dem freien Mittelbereich angeordnet sein und eine Arbeitsrichtung hin zur Arbeitsebene und/oder weg von dieser aufweisen. Der Deformations-Antrieb kann also eine zusätzliche Druck- oder Zugbelastung auf das eingespannte und möglicherweise sogar verdrehte zu testende Material ausüben. Dazu können an dem Deformations-Antrieb über einen bewegbaren Arm verschiedene Spitzen, Stempel odgl. angebracht werden für jeweils zu simulierende Belastungen für das Material. Grundsätzlich kann der Deformations-Antrieb zwar an beliebiger Stelle über oder unter den Ringkörpern angeordnet werden. Vorteilhaft wird er mittig bzw. zentrisch dazu angeordnet.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann der Deformations-Antrieb einen Kraftaufnehmer aufweisen als Druckkraftsensor oder als Zugkraftsensor. So kann die von ihm auf das flächige Material ausgeübte Kraft bzw. Belastung erfasst werden und auch genau eingestellt werden.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die beiden Ringkörper rund bzw. kreisrund oder kreisförmig ausgebildet. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung sowie bei einer vorgenannten Verdrehung einen gleichmäßigen Abstand der Zugeinrichtungen an den Ringkörpern zum Mittelbereich. Besonders vorteilhaft sind beide Ringkörper identisch ausgebildet, was Herstellung und Aufbau der Testeinrichtung erleichtert.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Arbeitsebene mittig zwischen den beiden Ringkörpern gelegen, kann also deren Mittelebene bilden. Ihr Abstand zu den beiden Ringkörpern ist gleich, beispielsweise wenige cm wie 1 cm bis 5 cm bei einem Durchmesser der Ringkörper zwischen 20 cm und 100 cm. Der Abstand der Arbeitsebene zu den beiden Ringkörpern sollte auch deswegen relativ gering sein, damit alle Zugeinrichtungen der beiden Ringkörper das zu testende flächige Material im Wesentlichen in dieser Arbeitsebene halten können.
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In Ausgestaltung der Erfindung sind die Zugeinrichtungen des oberen Ringkörpers unterhalb dieses oberen Ringkörpers bzw. an dessen Unterseite angeordnet. Ähnlich sind die Zugeinrichtungen des unteren Ringkörpers oberhalb davon bzw. an dessen Oberseite angeordnet, also alle Zugeinrichtungen zwischen den beiden Ringkörpern. Dadurch ist es, insbesondere im Zusammenhang mit dem vorbeschriebenen geringen Abstand der Arbeitsebene zu den beiden Ringkörpern, möglich, dass die Zugeinrichtungen, obwohl sie teilweise am oberen und teilweise am unteren Ringkörper angeordnet sind, in derselben Ebene arbeiten. Sie können beispielsweise relativ einfach an dem jeweiligen Ringkörper festgeschraubt sein, da sie grundsätzlich nicht besonders häufig ausgewechselt werden müssen bzw. zum Testen eigentlich gar nicht.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind die Zugeinrichtungen der Ringkörper weitgehend identisch ausgebildet bzw. völlig identisch. Dies erleichtert Herstellung und auch Wartung der Testeinrichtung. Vorteilhaft weisen die Zugeinrichtungen einen Antrieb auf, der entweder pneumatisch, hydraulisch oder bevorzugt einen Elektromotor aufweist. Über ein Getriebe, vor allem bei einem Elektromotor, kann ein Lineartrieb in der Bewegungsrichtung auf den Mittelbereich eines Ringkörpers zu oder von diesem weg bewegt werden. Dazu kann beispielsweise eine Gewindespindel vorgesehen sein. Vorteilhaft weist eine Zugeinrichtung eine Art Antriebsflansch oder Motorflansch auf, mit der sie an einem Ringkörper befestigt bzw. festgeschraubt werden kann. Vorne an einer Zugeinrichtung, also zu dem freien Mittelbereich hin, sind die Greifmittel vorgesehen. Die Greifmittel können beispielsweise Klemmbacken aufweisen, um ein zu testendes flächiges Material zu klemmen bzw. zu greifen und halten. Dazu weisen die Klemmbacken vorteilhaft eine gewisse Breite auf, beispielsweise einige Zentimeter, zum sicheren und festen Greifen des flächigen Materials. Eine Klemmebene der Greifmittel bzw. Klemmbacken liegt vorteilhaft parallel zur Arbeitsebene und fällt besonders vorteilhaft mit dieser zusammen. Alternativ kann eine Klemmebene auch um 90° dazu verdreht sein, so dass eine Klemmrichtung zweier Klemmbacken in Richtung der Arbeitsebene verläuft. Die Greifmittel bzw. Klemmbacken können über einen separaten Antrieb verfügen, beispielsweise pneumatisch betrieben werden. Alternativ können sie manuell betätigt werden.
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In Ausgestaltung der Erfindung können die Zugeinrichtungen Kraftaufnehmer aufweisen, insbesondere an den Greifmitteln. Damit kann deren eingebrachte Kraft gemessen werden sowie die Haltekraft oder Verformungskraft am zu testenden flächigen Material erfasst werden. Die Kraftaufnehmer sind vorteilhaft Druckkraftsensoren, wobei alternativ auch Zugkraftsensoren verwendet werden können.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die Kraftaufnehmer in verschiedenen Ausführungen vorhanden sein und verwendet werden. So kann eine bessere Messgenauigkeit in Anpassung an die zu testenden Materialien erreicht werden. Hier können zwei, drei oder sogar mehr Kraftklassen vorgesehen sein, beispielswiese 0 N bis 10 N für eine erste Kraftklasse, 0 N bis 100 N für eine zweite Kraftklasse und 0 N bis 400 N für eine dritte Kraftklasse. Diese Kraftaufnehmer sollten baugleich sein bezüglich des Einbaus in die Zugeinrichtungen für eine leichte Auswechselbarkeit. Hier bieten sich allgemein beispielsweise Piezo-Sensoren oder Widerstandssensoren als DMS an.
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In Ausgestaltung der Erfindung können die beiden Ringkörper zum Antrieb eine Zahnung aufweisen, mittels der ein Verdrehen leicht möglich ist. Eine Zahnung ist vorteilhaft an einer radial nach außen weisenden Seite nach Art eines Zahnkranzes vorgesehen, wobei der Verdreh-Antrieb darauf wirkt zum Verdrehen. Hierfür kann er vorteilhaft ein Ringkörper-Getriebe aufweisen, welches derart auf die Zahnung wirkt, dass sich die beiden Ringkörper gleichzeitig und in gegensätzliche Drehrichtung drehen. Die Drehung sollte auch genau gleich groß sein bzw. symmetrisch sein, was beispielsweise bei einer vorbeschriebenen mittigen Deformation eines zu testenden flächigen Materials durch den genannten Deformations-Antrieb von Vorteil ist. Dann bewegt sich dieser relativ zu dem Material eigentlich nicht bzw. die Deformations-Spitze oder der Deformations-Körper bewegt sich nicht. Alternativ kann zur Vereinfachung des Aufbaus einer der Ringkörper auch fest bzw. nicht verdrehbar gelagert sein, beispielsweise an einem Rahmen oder einer Basis der Testeinrichtung. Dann wird nur der andere Ringkörper mittels des Verdreh-Antriebs relativ dazu bewegt bzw. verdreht. Dann braucht nur an dem bewegbaren Ringkörper eine Zahnung odgl. wie vorbeschrieben vorgesehen sein. Ebenso können natürlich auch beliebige andere Drehantriebe vorgesehen sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung weist die Testeinrichtung eine Kamera auf, um das zu testende flächige Material während des Tests aufzunehmen. Damit kann ein Test gut beobachtet und dokumentiert werden für eine gleichzeitige und vor allem spätere Auswertung. Eine Kamera ist vorteilhaft im oberen Bereich der Testeinrichtung montiert, besonders vorteilhaft über der Arbeitsebene bzw. über dem freien Mittelbereich zwischen den Zugeinrichtungen. Diesen Bereich soll sie auch während eines Tests aufnehmen. Hier können besonders vorteilhaft übliche industrielle Kamerasysteme verwendet werden, wie sie für Testeinrichtungen für Materialtests verwendet werden. Die Auflösung der Kamera sollte recht hoch sein, vorteilhaft mindestens den Faktor drei höher als der Durchmesser einer Faser des zu testenden Materials. Besonders vorteilhaft ist die Auflösung um mindestens den Faktor zehn höher.
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Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in Zwischen-Überschriften und einzelne Abschnitte beschränkt die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schrägansicht von oben auf eine komplette Testeinrichtung,
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2 eine Schrägansicht auf nur einen unteren Ringkörper mit zwei gegenüberliegend angeordneten Zugeinrichtungen,
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3 eine Zugeinrichtung in Vergrößerung,
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4 zwei Ringkörper mit jeweils zwei Zugeinrichtungen, mit einem Deformations-Antrieb darunter und mit einem Verdreh-Antrieb, der seitlich an die Ringkörper angreift,
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5 eine Draufsicht auf die Anordnung entsprechend 4 ohne Deformations-Antrieb und ohne Verdreh-Antrieb und.
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6 eine Seitenansicht der Anordnung entsprechend 4 mit Arbeitsebene und Kamera darüber.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Testeinrichtung 11 in ihrer Gesamtheit dargestellt in schräger Draufsicht von oben. Die Testeinrichtung 11 weist dabei einen Rahmen 12 aus einer Vielzahl von Rahmenstangen 13 auf, an denen die funktionalen Teile wie vor allem eine nachfolgend in 4 dargestellte Testeinheit 15 befestigt sind. Der Übersichtlichkeit halber sind hier in der 1 keine weiteren Bezugszeichen zur genaueren Bezeichnung vorhanden, dies ist leicht für einen Fachmann vorstellbar. Des Weiteren ist hier weder eine über der Testeinheit 15 angeordnete Kamera dargestellt noch die elektrischen, pneumatischen und Signalleitungen zur Ansteuerung der Testeinheit 15 sowie zur Auswertung. Aber auch dies ist für einen Fachmann leicht vorstellbar bzw. es wird auf 6 verwiesen.
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In der 2 ist im Detail ein unterer Ringkörper 17 der Testeinheit 15 dargestellt. An einem radial nach außen weisenden Rand 18 ist eine hier nicht näher dargestellte Zahnung vorgesehen, vorteilhaft an einem Ring, der an dem Ringkörper 17 befestigt ist. Des Weiteren weisen dieser Ring und der untere Ringkörper 17 Gewindelöcher 19 auf, an denen zwei untere Zugeinrichtungen 21a und 21b angeschraubt sind, die sich gegenüberliegen. Diese Zugeinrichtungen 21 sind vorteilhaft genau gegenüberliegend angeordnet, dies muss aber nicht zwingend so sein. Sie weisen zwischen sich einen freien Mittelbereich 23 auf, der später noch sehr gut aus der 5 zu ersehen ist. In diesem befindet sich dann ein flächiges Material, an dem Tests durchgeführt werden.
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In der 3 ist die untere Zugeinrichtung 21a in Vergrößerung dargestellt. Sie weist einen Antrieb 25a auf, der hier ein Elektromotor mit Getriebe ist. Der Antrieb 25a ist an einem Motorflansch 26a befestigt. Dieser wiederum sitzt an einem Lineartrieb 27a mit Gewindespindel. Dieser Lineartrieb 27a ist gemäß 2 auch mit dem unteren Ringkörper 17 verschraubt.
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Vorne an dem Lineartrieb 27a ist eine Textilklemme 29 angeordnet, die Leitbleche aufweist und die für einen einstellbaren Klemmdruck ausgebildet ist. Angetrieben wird sie über einen Pneumatikanschluss 30a. Der Aufbau der Textilklemme 29a als vorbeschriebenes Greifmittel ist für den Fachmann leicht vorstellbar und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Des Weiteren ist auch nicht dargestellt an der Zugeinrichtung 21a bzw. der Textilklemme 29a ein eingangs genannter Kraftaufnehmer, der insbesondere leicht austauschbar eingebaut ist.
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Die 4 zeigt die Testeinheit 15 mit dem in 2 dargestellten unteren Ringkörper 17 samt den unteren Zugeinrichtungen 21a und 21b. Darüber und parallel angeordnet ist ein identisch ausgebildeter oberer Ringkörper 32, der allerdings spiegelsymmetrisch verdreht ist und ebenfalls an einem Außenrand eines Rings eine Zahnung 33 aufweist wie beim unteren Ringkörper 17. Der obere Ringkörper 32 weist Gewindelöcher 34 auf, an denen von unten zwei obere Zugeinrichtungen 21c und 21d befestigt bzw. festgeschraubt sind. Diese oberen Zugeinrichtungen 21c und 21d sind identisch zu den unteren aufgebaut und nur eben verdreht angeordnet. Somit liegen, wie aus 4 ersichtlich ist, die sämtlichen Zugeinrichtungen 21 in einer Arbeitsebene bzw. ein von ihnen gegriffenes und mit der Testeinrichtung 11 zu testendes flächiges Material liegt nach der Befestigung in dieser Arbeitsebene.
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Es ist zu erkennen, dass seitlich neben den beiden Ringkörpern 17 und 32 ein Verdreh-Antrieb 36 angeordnet ist, wie eingangs erläutert. Dieser weist einen Motor 37 mit Ringkörper-Getriebe 38 auf, in diesem Fall mit mehreren Kegelrädern, die mittels Zahnrädern 39 oben und unten an die Zahnungen 18 und 33 der Ringkörper 17 und 32 angreifen. Durch die Kegelräder des Ringkörper-Getriebes 38 wird die gegenläufige Bewegung der beiden Ringkörper 17 und 32 sichergestellt. Auch an dem Verdreh-Antrieb 36 ist ein Kraftaufnehmer angeordnet bzw. vorgesehen, und zwar vorteilhaft als Drehmomentsensor. Dieser Drehmomentsensor kann in dem Getriebe an geeigneter Stelle angeordnet sein. So kann ermittelt und aufgenommen werden, wieviel Kraft zum Verdrehen der Ringkörper 17 und 32 notwendig ist als Rückschluss auf das getestete Material.
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In der 4 ist auch der Deformations-Antrieb 40 zu sehen, der wiederum sehr ähnlich zu den Zugeinrichtungen 21 ausgebildet ist. Er weist einen Antrieb 41 auf mit Motorflansch 42 und mit einem Lineartrieb, der wiederum einen Deformations-Körper 44 trägt mit abgerundeter bzw. kugeliger Ausbildung. Dieser reicht von unten an die Arbeitsebene der Testeinheit 15 heran und dient zum vorbeschriebenen Eindrücken in ein eingespanntes zu testendes flächiges Material. Auch der Deformations-Antrieb 40 weist einen Kraftaufnehmer auf, um die aufgebrachte Kraft bzw. die auf das Material ausgeübte Kraft zu erfassen, vorteilhaft ist es ein integrierter Druckkraftsensor. Eine solche Deformation kann zusätzlich zu einer Verdrehung der beiden Ringkörper 17 und 32 zueinander stattfinden, und zwar entweder davor, währenddessen oder danach. Somit kann eine Vielzahl von Belastungsfällen simuliert bzw. das Material entsprechend vielfältig getestet werden.
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In der Draufsicht der 5 ohne Verdreh-Antrieb 36 ist zu erkennen, dass an der Testeinheit 15 im freien Mittelbereich 23 ein strichliert dargestelltes flächiges Material 46 eingespannt ist an den Textilklemmen 29 der Zugeinrichtungen 21. Es ist leicht vorstellbar, wie durch jeweiliges Ziehen an zwei gegenüberliegenden Zugeinrichtungen 21 oder auch nur an einer der Zugeinrichtungen 21 das Verhalten des Materials 46 getestet werden kann. Des Weiteren können die beiden Ringkörper 17 und 32 zueinander verdreht werden, so dass sich der Winkel α zwischen zwei Zugeinrichtungen, beispielweise den Zugeinrichtungen 21b und 21d, ändert und nicht mehr 90° beträgt, sondern größer wird oder kleiner wird. Bereits sehr geringe Verdrehungen, beispielsweise nur wenige Grad oder sogar weniger als ein Grad, können einiges an dem Material 46 bewirken und sehr aufschlussreich sein. Kommt dazu noch eine Deformation mittels des Deformations-Antriebs 40, beispielsweise indem der Deformations-Körper 44 von unten gegen das Material 46 gedrückt wird, ergibt sich eine sehr komplexe Belastung, die aber gleichzeitig praxisnahe ist bezüglich Bauteilen aus Faserverbund-Werkstoffen. Somit können beispielsweise auch Reibtests unter verschiedenen Raumwinkeln durchgeführt werden oder auch Tests für das E-Modul. Bei einer Deformation ist noch ein sogenannter Picture-Frame-Test möglich, ebenso Bias Extension oder Faserauszug. Die beiden letztgenannten können auch mit Faservorspannung versehen sein, ebenso ist es möglich, einen Faserauszug mit Querzug auf den Fasern zu testen. Darüber hinaus können Kleinstempelversuche unter Vorspannung, eine Verformung in Kavitäten sowie eine Verformung an spezifischen Geometriestrukturen getestet werden.
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In der Seitenansicht der 6 ist an der Testeinheit 15 zum einen zu erkennen, wie eine gestrichelt dargestellte Arbeitsebene 24 genau zwischen den beiden Ringkörpern 17 und 32 verläuft. In dieser Arbeitsebene 24 verläuft auch das flächige Material 46 gemäß 5. Der Deformations-Körper 44 des Deformations-Antriebs 40 befindet sich mit nur kleinem Abstand darunter.
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Zum anderen befindet sich eine eingangs beschriebene Kamera 48 über der Testeinheit 15 und vor allem über der Arbeitsebene 24. Sie kann allgemein mittig darüber angeordnet sein oder für einen besseren Sichtwinkel bei einer Deformation des flächigen Materials 46 von unten vorteilhaft auch außermittig versetzt angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011119209 A1 [0002]
