DE102015223337B4 - Vorrichtung und Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung und Messsystem zur Bestimmung der Belastung auf der Klebeverbindung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (110) zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung (112), umfassend einen ersten Stab (116) und einen zweiten Stab (116'), wobei der erste Stab (116) ein erstes Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der zweite Stab (116') ein zweites Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der erste thermische Ausdehnungskoeffizient und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient voneinander unterscheiden, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116'), durch einen Zwischenraum (118) voneinander getrennt, parallel zueinander angeordnet sind, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116') jeweils einander gegenüberliegende erste Enden (122, 122') und zweite Enden (124, 124') aufweisen, wobei die ersten Enden (122, 122') fest miteinander verbunden sind, wobei die zweiten Enden (124, 124') jeweils eine Aufnahme für mindestens ein Fügeteil (114, 114') aufweisen, wobei die von jedem der zweiten Enden (124, 124') aufnehmbaren Fügeteile (114, 114') mittels einer Klebeverbindung (112) miteinander verbunden sind, auf welche mittels der Vorrichtung (110) Belastungen aufbringbar sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Messsystem zur Bestimmung der Belastung auf der Klebeverbindung, welches mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet ist. Die Erfindung ist damit im Rahmen von Prüfaufgaben in industriellen Prozessen, bei welchen Klebstoffe auf Fügeteile aufgebracht werden, einsetzbar, insbesondere im Zusammenhang mit Trocknungsprozessen, etwa im Anschluss an eine kathodische Tauchlackierung.
• Stand der Technik
• Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von Verfahren, Vorrichtungen, Vorschriften und Normen bekannt, welche für eine Prüfung von Klebeverbindungen eingerichtet sind. Die Vielzahl ergibt sich insbesondere im Hinblick auf die jeweilige Anwendung und dem Wunsch, verschiedene Eigenschaften der Klebeverbindung und/oder mindestens eines in die Klebeverbindung eingebrachten Klebstoffs bestimmen zu können. Beispielsweise kann gemäß DIN EN 1465 eine Scherzugfestigkeit einer ausgesuchten Klebeverbindung mit Prüfkörpern ermittelt werden, welche derart gegeneinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen der zu Klebstoff eingebracht ist. Soll dagegen eine spezifische Adhäsion der zu untersuchenden Klebeverbindung bestimmt werden, so kann hierzu beispielsweise eine schälende Belastung geprüft werden. Belastungsarten, welche auf die Klebeverbindung einwirken können, umfassen Schub, Zug, Druck, Schälung oder eine Kombination hiervon.
• Je nach ausgewählter Belastungsart ist es zu deren Untersuchung erforderlich, einen geeigneten Prüfkörper bereitzustellen, mit welchem die Eigenschaften der zugehörigen Klebeverbindung möglichst gut zu untersuchen sind. Als Prüfkörper kommen daher einfache Bleche, Rohre oder Würfel oder, alternativ, auch komplexe, bauteilähnliche Formen, wie z. B. Mehrkammerstrangpressprofile, in Frage. Je nach bereitgestellter Art des Prüfkörpers und der ausgewählten Belastungsart kann hierfür eine besonders geeignete Vorrichtung eingesetzt werden, welche dazu eingerichtet ist, den Prüfkörper jeweils definiert zu belasten. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Universalprüfmaschine verwendet werden, in welche probenspezifische Einspannungen eingebracht sind.
• Ein vorrangig in der Kraftfahrzeugindustrie weit verbreitetes Verfahren besteht darin, Klebstoffe, welche insbesondere zur Verklebung von Bauteilen, wie z. B. Karosserieteilen, eingesetzt werden, bei erhöhten Temperaturen von bis zu 180°C in einem Trocknungsofen im Anschluss an eine kathodische Tauchlackierung auszuhärten. Eine Anwendung der erhöhten Temperatur kann jedoch eine erhebliche Belastung für die Klebeverbindung bedeuten, insbesondere da viele Eigenschaften der darin enthaltenen Klebstoffe von der Temperatur und/oder einem Vernetzungsgrad von Bestandteilen des Klebstoffs abhängen. Beispielsweise kann der Klebstoff in einem Temperaturbereich unmittelbar oberhalb der Glasübergangstemperatur T_g auch noch im ausgehärteten Zustand gummielastische Eigenschaften besitzen und folglich nicht in der Lage sein, große Kräfte auf angrenzende Köper zu übertragen. Weiterhin können insbesondere während eines Zeitraums, in welchem die Aushärtung des Klebstoffs und somit eine Vernetzung von darin enthaltenen Bestandteilen erfolgt, unterschiedliche Temperaturausdehnungskoeffizienten von Fügeteilen, zwischen denen der Klebstoff eingebracht ist, und/oder ein inhomogenes Temperaturprofil über die Fügeteile relative Bewegungen der Fügeteile zueinander auslösen. Zusätzlich kann, insbesondere durch eine schnelle Abkühlung der Bauteile, der Klebstoff in einem vollständig vernetzten Zustand derart belastet werden, dass ein Versagen der Klebeverbindung auftreten kann.
• Somit gibt es viele technische Anwendungen, in welchen es wichtig sein kann, die Eigenschaften von Klebeverbindungen auch bei erhöhten Temperaturen in einem Laborversuch prüfen zu können, beispielsweise durch thermische oder induktive Erwärmung der Prüfkörper, beispielsweise innerhalb eines Ofens, der in eine Prüfmaschine integriert ist. Eine weitere messtechnische Herausforderung stellt ein Aufbringen von Bewegungen auf den Prüfkörper während der Vernetzung oder der Abkühlung des Prüfkörpers dar.
• F. Eichleiter, Fertigungs- und prozessbedingte Eigenschaften von Klebverbindungen im Karosseriebau, Dissertation, Technische Universität Braunschweig, 2011, beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung von Klebeverbindungen bei Gleitungsbeanspruchung in Folge einer Schubbelastung auf einen Prüfkörper. Hierbei wird mittels Induktion und Druckluft ein Temperaturprofil auf den Prüfkörper aufgebracht, während gleichzeitig eine Bewegung des Prüfkörpers mittels einer Prüfmaschine erfolgt. Die hier dargestellte Vorrichtung, welche über einen vergleichsweise komplexen Aufbau verfügt, erlaubt jedoch keine zusätzliche Überlagerung einer Bewegung in Normalrichtung.
• B. Hüsgen, Beitrag zum Einfluß der Fertigung auf ausgewählte Eigenschaften von Klebverbindungen mit warmaushärtenden Klebstoffen, Dissertation, Universität Paderborn, Seite 19–39, 1993, beschreibt ebenfalls derartige Verfahren und Vorrichtungen, in denen das Temperaturprofil mittels Infrarot auf den Prüfkörper aufgebracht wird, während sich die Bewegung des Prüfkörpers aufgrund von Erwärmung und der Einspannsituation ergibt. Auch diese Vorrichtung erlaubt keine zusätzliche Überlagerung einer Bewegung in Normalrichtung.
• O. Hahn und A. Ewerszumrode, Einfluß der Abbindebedingungen auf das Eigenschaftsprofil geklebter Verbindungen aus Fügeteilen mit unterschiedlichen Ausdehungskoeffizienten, Forschungsbericht des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik, Paderborn, Seite 15–33, 1997, beschreiben ebenfalls derartige Verfahren und Vorrichtungen, in welchen das Temperaturprofil mittels Temperierelementen auf den Prüfkörper aufgebracht wird, während sich die Bewegung des Prüfkörpers aufgrund der Erwärmung und der Einspannsituation ergibt. Auch diese Vorrichtung, welche über einen komplexen Aufbau verfügt, erlaubt keine zusätzliche Überlagerung einer Bewegung in Normalrichtung.
• Vergleichbare Verfahren und Vorrichtungen werden auch in O. Hahn und C. Handing, Untersuchungen zum Einfluss einer Temperaturbelastung auf das Verhalten von Strukturklebungen, Schlussbericht AIF, Vorhaben-Nr. 12755 N, Laboratorium für Werkstoff- und Fügetechnik, Universität Paderborn, Seite 58–60, 74–77 und 103–110, 2003, beschrieben.
• Weitere Vorrichtungen und Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung sowie Messsysteme zur Bestimmung der Belastung auf der Klebeverbindung, welches mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet ist, werden in JP S61-48 754A und US 2014/0331782 A1 offenbart.
• Nachteilig an den bekannten Verfahren und Vorrichtungen ist es, dass diese in der Realität auftretende Arten der Belastung auf die Klebeverbindungen nur unzureichend abbilden können. Beispielsweise werden die Klebeverbindungen bei den oben beschriebenen Trocknungsprozessen etwa im Anschluss an die kathodische Tauchlackierung geometriebedingt in der Regel mehrachsig (multiaxial) belastet. Neben einem Auftreten von Schubbelastungen, erfahren die Klebeverbindungen zusätzlich meist auch Zug- oder Druckbelastungen. Bei einer derartigen, in der Praxis regelmäßig zu beobachtenden Überlagerung der Schubbelastung mit Belastungen aufgrund von Zug und/oder Druck kann die Klebeverbindung im Vergleich zu einer uniaxialen Belastung jedoch ein unter Umständen deutlich abweichendes Verhalten aufweisen. Darüber hinaus kann eine häufig komplex ausgestaltete Regelung der Prüfmaschinen und/oder der Erwärmungsvorrichtung sowie eine aufwändige Erfassung der Bewegung der Prüfkörper zu Fehlern bei der tatsächlichen Bestimmung der Belastung führen.
• Aufgabe der Erfindung
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, die aufgeführten Nachteile und Einschränkungen des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden. Insbesondere soll ein möglichst einfacher Versuchsaufbau bereitgestellt werden, mit welchem auch eine mit einer Zug- und/oder Druckbewegung überlagerte Schubbewegung bereitgestellt werden kann, um auf diese Weise eine die Realität besser abbildende, mehrachsige Belastung eines Prüfkörpers zu ermöglichen. Vorzugsweise soll ein in industriellen Prozessen, insbesondere in Trocknungsprozessen etwa im Anschluss an eine kathodische Tauchlackierung, eingesetztes Temperaturprofil bei einer Prüfung von Klebeverbindungen auf möglichst einfache Weise abbildbar sein, wobei sich Aufheizphase und Abkühlphase bevorzugt getrennt voneinander untersuchen lassen sollen.
• Offenbarung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung sowie durch ein Messsystem zur Bestimmung der Belastung auf der Klebeverbindung, welches mit einer derartigen Vorrichtung ausgestattet ist, mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Patentansprüchen.
• In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung. Unter dem Begriff der „Vorrichtung” wird hierbei eine mehrteilige, in Form von gegenseitig zueinander angeordneten Teilen vorliegende Einrichtung verstanden, wobei die Teile der Einrichtung derart zusammenwirken, dass jeweils eine definierte Belastung auf einen Prüfkörper aufgebracht werden kann. Die Einrichtung und die durch sie umfassten Teile werden im Folgenden näher erläutert.
• Der Begriff der „Belastung” bezieht sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf ein in festgelegter Weise erfolgendes Beaufschlagens eines Prüfkörpers mit einer mechanischen Kraft. Wie eingangs erwähnt, sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl von Belastungsarten bekannt, welche insbesondere dazu eingesetzt werden, um je nach gewünschter Anwendung unterschiedliche Eigenschaften des Prüfkörpers bestimmen zu können. Zu den Belastungsarten gehören insbesondere aus mechanischen Kräften abgeleitete Größen wie Schub, Zug, Druck, Schälung oder eine Kombination hiervon. Nicht von der vorliegenden Erfindung umfasst sollen nicht-mechanische Kräfte sein, insbesondere elektromagnetische Kräfte. Der in diesem Zusammenhang weiterhin verwendete Begriff des „Aufbringens” bezieht sich auf die Beaufschlagung des Prüfkörpers mit mindestens einer Komponente einer mechanischen Kraft aus einer festgelegten Richtung.
• Der Begriff des „Prüfkörpers” umfasst im Rahmen der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Fügeteile, welche auch als Fügepartner oder als Fügekörper bezeichnet werden können und welche an mindestens einer Stelle mittels eines Klebstoffs miteinander verbunden sind. Sind die Eigenschaften der Fügeteile zumindest teilweise bekannt, so kann aus ermittelten Messwerten auf Eigenschaften einer die Fügeteile verbindenden Klebeverbindung geschlossen werden. Die beiden Fügeteile können zum Beispiel ein Aluminium-Strangpressprofil umfassen; andere Ausgestaltungen, insbesondere hohle, teilmassive oder massive Körper, sind jedoch möglich. Darüber hinaus ist es auch denkbar, auch Bleche als Fügeteile zu verwenden. In diesem Falle könnte vorzugsweise ein entsprechend ausgestalteter Adapter eingesetzt werden, welcher die Bleche derart in Position hält, dass sie dadurch in der Vorrichtung fixiert werden können.
• Die Klebeverbindung ist bevorzugt in Form einer Klebeschicht ausgestaltet und kann mindestens einen in die Klebeverbindung eingebrachten Klebstoff umfassen, welcher vorzugsweise derart ausgewählt ist, dass er auf damit zu verklebende Oberflächen der Fügeteile eine verbindende Wirkung ausüben kann. Je nach eingesetztem Material für die Fügeteile sind in aller Regel Klebstoffe bekannt, welche diesem Zweck dienen können. Darüber hinaus können die Klebeverbindung und/oder der Klebstoff weitere Substanzen, wie z. B. Substrate oder Lösungsmittel, enthalten. Die Dicke der Klebeschicht kann in weiten Grenzen frei gewählt werden; insbesondere kann die Dicke auch durch Zugabe von inerten Granulaten, wie z. B. Glaskugeln, eingestellt werden. Die Klebeverbindung kann, je nach gewünschter Art unter Einwirkung von mechanischen Kräften in üblicher Größenordnung lösbar oder unlösbar ausgestaltet sein. Vorzugsweise können in industriellen Prozessen, wie etwa im Automobilbau, eingesetzte Klebeverbindungen derart ausgestaltet sein, dass dadurch die Fügeteile, welche Karosserieteile oder Teile hiervon darstellen können, gemäß der vorliegenden Definition unlösbar miteinander verbunden sind.
• Insbesondere zur Erzielung einer unlösbaren Verbindung kann vorzugsweise ein heißhärtender, d. h. ein thermisch aushärtbarer Klebstoff eingesetzt werden, in welchem bei Anwendung einer erhöhten Temperatur, bevorzugt eine Temperatur von 80°C bis 200°C, eine zumindest teilweise Vernetzung von Bestandteilen erfolgt, welche sich in einer Erhöhung einer Festigkeit in Bezug auf eine Stärke der Verbindung der Bestandteile des Klebstoffs untereinander und, besonders bevorzugt, auch zu den angrenzenden Oberflächen der Fügeteile äußern kann. In vielen Fällen ist es hierbei vorteilhaft, wenn der Klebstoff zur Aushärtung zunächst auf eine Temperatur oberhalb einer Glasübergangstemperatur T_g des Klebstoffs erwärmt wird, wodurch er gemäß der Definition des Begriffs der „Glasübergangstemperatur” in einen elastischen Zustand, insbesondere in einen gummielastischen Zustand übergeht, und erst hieran anschließend auf eine Temperatur unterhalb von T_g abgekühlt wird. Andere Fälle sind jedoch denkbar, etwa für den Fall, dass T_g des Klebstoffs unterhalb von 0°C liegt. Insbesondere zur Bestimmung der Eigenschaften der Klebeverbindung kann es daher vorteilhaft sein, wenn während eines Messvorgangs die Temperatur in der Klebeverbindung gemäß einem festgelegten Temperaturprofil geändert wird.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist mindestens zwei voneinander getrennte Stäbe auf, welche im Folgenden – ohne etwaige Beschränkung auf eine wie auch immer geartete Reihenfolge – als „erster Stab” und als „zweiter Stab” bezeichnet werden. Hierbei bezeichnet der Begriff des „Stabes” ein langgestrecktes Bauteil (Profil), welches über eine im Vergleich zu seinem Querschnitt einen sehr viel größeren Wert für seine Länge (Profillänge) verfügt, insbesondere mindestens das Doppelte, bevorzugt mindestens das Fünffache, besonders bevorzugt mindestens das Zehnfache. Die Querschnittsfläche kann hierbei eine beliebige Form annehmen, bevorzugt sind jedoch quadratische, rechteckige oder runde Formen. Der Stab kann hierbei massiv ausgestaltet sein oder zumindest teilweise über hohle Volumina verfügen. Die beiden, räumlich durch einen Zwischenraum voneinander getrennten Stäbe besitzen jeweils eine Längsachse, wobei die beiden Längsachsen erfindungsgemäß parallel zueinander angeordnet sind. Damit ergibt sich eine „biaxiale Anordnung” der beiden Stäbe zueinander, in welcher die Längsachsen der beiden Stäbe – innerhalb einer üblichen Fertigungstoleranz – einen Winkel von 0° oder 180° oder ein Vielfaches hiervon zueinander einnehmen.
• Weiterhin besitzt jeder der beiden Stäbe einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, welcher auch als „Wärmeausdehnungskoeffizient” bezeichnet werden kann und welcher Veränderungen von Abmessungen des Stabes bei auftretenden Änderungen der in dem jeweiligen Stab herrschenden Temperatur beschreibt. Im Falle des Stabes, der eine im Vergleich zu seinem Querschnitt sehr viel größere Länge aufweist, ist hierbei in erster Linie ein thermischer Längenausdehnungskoeffizient, welcher das Verhältnis zwischen einer Längenänderung des Stabes bei gleichzeitiger Änderung der Temperatur des Stabes wiedergibt, von Bedeutung. Erfindungsgemäß wird für die beiden Stäbe jeweils ein unterschiedliches Material eingesetzt, welches derart ausgewählt ist, dass sich die zugehörigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Stäbe voneinander unterscheiden. Hierzu umfasst der erste Stab ein erstes Material, welches über einen ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten verfügt, während der zweite Stab ein zweites Material aufweist, welches einen zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Bevorzugt weisen sowohl das erste Material als auch das zweite Material eine Substanz auf, welche über metallische und dadurch gut wärmeleitfähige Eigenschaften verfügt. Auf diese Weise kann die erhöhte Temperatur, welche, wie bereits beschrieben, zur Aushärtung des Klebstoffs verwendet werden kann, gleichzeitig, insbesondere durch einen so genannten „Bimetall-Effekt”, auch zur Anregung einer Bewegung zwischen den beiden Stäben dienen, wodurch sich, wie unten dargestellt, die Belastung auf die Klebeverbindung bestimmen lässt.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung umfasst der erste Stab zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, Aluminium, das einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von 23,8·10^–6 K^–1 besitzt, während der zweite Stab zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, Stahl, insbesondere Edelstahl, mit einem thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von ca. 11,7·10^–6 K^–1 aufweist. Weitere Materialien sind denkbar. Die hier vorgestellte Kombination aus Aluminium und Stahl als jeweilige Materialien für die beiden Stäbe ist einerseits deshalb besonders für die vorliegende Erfindung geeignet, da sich deren thermische Längenausdehnungskoeffizienten um ungefähr den Faktor 2 voneinander unterscheiden, wodurch sich bereits hierdurch höhere Messwerte und folglich eine höhere erzielbare Messgenauigkeit bei einer Ermittlung der Längenänderung des Stabes und der unten näher beschriebenen, hierdurch hervorgerufenen Bewegung der Klebeverbindung erwarten lassen. Andererseits werden, insbesondere im Falle von Kraftfahrzeugen, immer mehr Karosserieteile aus Aluminium bzw. einer Kombination aus Aluminium und Stahl eingesetzt, welche mit einer beschriebenen Klebeverbindung versehen sein können. Durch den Einsatz der vorliegenden Vorrichtung kann dadurch das Verhalten der Karosserie bei Temperaturänderungen wesentlich realistischer nachgebildet werden.
• Weiterhin verfügt jeder der beiden Stäbe über zwei Enden, welche aufgrund der biaxialen Anordnung der beiden Stäbe jeweils einander gegenüberliegen. Die beiden Enden, welche sich an oder in der Nähe einer Stelle auf dem Stab befinden, an welchem die Längsachse des Stabes aufgrund seiner endlichen Ausdehnung nicht fortgeführt werden kann, werden im Folgenden als „erstes Ende” und als „zweites Ende” bezeichnet. Gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheiden sich, wie nachfolgend beschrieben, die ersten Enden und die zweiten Enden insbesondere durch ihre Funktionalität innerhalb der Vorrichtung voneinander.
• Erfindungsgemäß sind die beiden Stäbe an den ersten Enden fest miteinander verbunden, vorzugsweise mittels einer an den ersten Enden angebrachten Axialfixierung.
• In einer ersten Ausgestaltung kann hierzu vorzugsweise mindestens ein Paar, beispielsweise ein, zwei, drei, vier, fünf, sechs oder mehr Paare, von jeweils einander gegenüberliegenden Fixierbohrungen derart an denselben Stellen der beiden Stäbe eingebracht sein, dass die beiden Stäbe mittels eines in mindestens eine der jeweiligen Fixierbohrungen eingebrachten Fixierbolzens miteinander verbunden sind. Aufgrund der bereits beschriebenen, unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien in den beiden Stäben ist es daher vorteilhaft, die mindestens eine Fixierbohrung und den mindestens einen hierin eingebrachten Fixierbolzen an dem ersten Ende und/oder in der Nähe hiervon vorzusehen, um an dieser Stelle die beiden Stäbe gegeneinander zu fixieren und um auf diese Weise eine freie Länge der beiden Stäbe festzulegen.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann, bevorzugt auf den Stirnflächen der ersten Enden, eine lösbare Axialfixierung angebracht sein. Die lösbare Axialfixierung kann hierbei vorzugsweise in Form eines Gehäuses vorliegen, welches mittels einer Befestigungseinrichtung, wie z. B. Muttern, lösbar an die Stirnflächen der ersten Enden angebracht ist. In dieser Ausgestaltung können die beiden Stäbe weiterhin jeweils eine erste Axialbohrung aufweisen, welche, parallel zur Längsachse der beiden biaxialen Stäbe angeordnet, nach dem jeweiligen ersten Ende hin offen sein kann. Die ersten Axialbohrungen können somit zur Aufnahme einer ersten Axialverschraubung dienen, welche zur Fixierung der lösbaren Axialfixierung in den jeweiligen Stäben eingerichtet sein kann.
• In einer besonderen Ausführung kann zusätzlich zu der Axialfixierung mindestens ein Versteifungsteil vorgesehen sein, welches vorzugsweise zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende der beiden Stäbe in den Zwischenraum zwischen beiden biaxial zueinander angeordneten Stäben eingebracht ist. Das mindestens eine Versteifungsteil kann insbesondere dazu eingesetzt werden, insbesondere um eine Durchbiegung der Stäbe und/oder eine radiale und/oder axiale Verschiebung der Stäbe zueinander möglichst weitgehend zu vermeiden.
• In einer weiteren Ausgestaltung kann die Vorrichtung weiterhin über eine Lagerung verfügen, welche eine Platte und eine Anzahl von Befestigungseinrichtungen aufweisen kann. Die Lagerung kann hierbei insbesondere dazu eingerichtet sein, um die übrigen Bestandteile der Vorrichtung aufnehmen zu können. Hierzu können die Befestigungseinrichtungen, welche insbesondere in Form von Muttern vorliegen, mit den Stäben verbunden sein. Darüber hinaus kann das oben beschriebene Gehäuse der lösbaren Axialfixierung zusätzlich mit der Lagerung verbunden sein; andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
• Unabhängig von der Art der tatsächlichen Ausgestaltung lassen sich durch die Verbindung die beiden Stäbe in Bezug auf ihre relative Lage parallel zueinander fixieren, ohne dass hierdurch eine wesentliche Verspannung in die Anordnung der beiden Stäbe eingebracht wird. Auf diese Weise können die Stäbe derart fixiert werden, dass sie sich bei einer Temperaturänderung lediglich parallel zu ihrer jeweiligen Längsachse ausdehnen können, während sie in die übrigen Richtungen fixiert bleiben. Zusätzlich kann durch die Verbindung sichergestellt werden, dass sich die Temperatur in den beiden Stäben höchstens unwesentlich voneinander unterscheidet.
• Weiterhin verfügen die zweiten Enden der beiden Stäbe erfindungsgemäß jeweils über eine Aufnahme für mindestens ein Fügeteil. Die Aufnahme kann hierbei derart ausgestaltet sein, dass die Fügeteile vorzugsweise auf mechanische Weise fest, aber lösbar mit der vorliegenden Vorrichtung verbindbar sind, insbesondere durch Festschrauben oder Anklammern der Fügeteile an die Stäbe. In einer bevorzugten Ausgestaltung können hierzu die beiden Stäbe jeweils an ihrem zweiten Ende eine zweite Axialbohrung aufweisen, welche vorzugsweise parallel zur Längsachse der beiden biaxialen Stäbe angeordnet sein kann. Die zweiten Axialbohrungen können zur Aufnahme einer zweiten Axialverschraubung dienen, die insbesondere zur weiteren Fixierung der Fügeteile in den jeweiligen Stäben eingerichtet sein kann. In einer alternativen Ausgestaltung können die zweiten Axialbohrungen zur Aufnahme einer zweiten, insbesondere zur Fixierung der Keile in den jeweiligen Stäben eingerichteten Axialverschraubung dienen, wobei die Fügeteile in dieser Ausgestaltung vorzugsweise mit den Keilen verbunden werden können.
• Wie bereits oben dargestellt, umfasst der Prüfkörper im Rahmen der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Fügeteile, welche an mindestens einer Stelle mittels mindestens einer Klebeverbindung miteinander verbunden sind, wobei jedes der Fügeteile von jedem zweiten Ende aufnehmbar ist. Diese Art der Anbringung der Fügeteile an die beiden Stäbe ermöglicht es zusammen mit der biaxialen Anordnung der beiden Stäbe, dass die Vorrichtung festgelegte Belastungen auf die Klebeverbindung aufbringen kann. Die hier beschriebene Art einer Anbringung der Fügeteile kann insbesondere dazu eingesetzt werden, um eine getrennte Bestimmung der Belastung auf den Prüfkörper während einer Aufheizphase und einer Abkühlphase zu ermöglichen, beispielsweise über einen Trocknungszyklus bei der kathodischen Tauchlackierung.
• In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist an jedem zweiten Ende der beiden Stäbe jeweils ein Keil angebracht. Unter dem Begriff des „Keils” wird hierbei ein fünf Seitenflächen aufweisender Körper verstanden, in welchem zwei der Seitenflächen unter einem spitzen Winkel, einem so genannten „Keilwinkel” zusammenlaufen, wobei die übrigen Seitenflächen bevorzugt senkrecht zu einer der beiden erstgenannten Seitenflächen stehen. In dieser Ausgestaltung ermöglicht es der Keil, dass eine Richtung der Belastung auf die Verklebung auf einen von Null verschiedenen Winkel in Bezug auf die Längsachse der beiden biaxial angeordneten Stäbe, welcher auch als „Einspannwinkel” bezeichnet werden kann, einstellbar ist. Eine derartige Variation des Einspannwinkels kann vorzugsweise dazu eingesetzt werden, um auf einfache Weise eine Kombination von Schub-Bewegung und Zug-Bewegung auf den Prüfkörper und somit auf die Verklebung zu ermöglichen.
• In dieser Ausgestaltung kann, insbesondere um eine Anpassung der Profillänge eines der beiden Stäbe im Hinblick auf eine möglichst gegenüberliegende Anordnung der beiden Fügeteile zu ermöglichen, zwischen dem Keil und dem zweiten Ende des einen der beiden Stäbe zusätzlich ein Distanzstück eingefügt sein. Auf diese Weise kann sehr einfach eine Variation der Profillängen der biaxialen Stäbe erzielt werden, wodurch eine Anpassung der absoluten Belastungshöhe auf den Prüfkörper und damit auf die Verklebung ermöglicht werden kann.
• Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die Vorrichtung und die hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen wird auf die Figuren und die jeweils zugehörige Beschreibung verwiesen.
• Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Messsystem zur Bestimmung der Belastung auf einer Klebeverbindung. Unter dem Begriff des „Messsystems” wird hierbei eine mehrteilige, in Form von gegenseitig zueinander angeordneten Teilen vorliegende Anordnung verstanden, wobei die Teile der Anordnung derart zusammenwirken, dass jeweils eine auf einen Prüfkörper aufgebrachte Belastung bestimmt werden kann. Hierzu verfügt das Messsystem zunächst über eine oben und unten beschriebene Vorrichtung zum Aufbringen der Belastung auf den Prüfkörper und damit auf die Klebeverbindung. Weiterhin weist das Messsystem eine Messeinrichtung auf, mit der eine Bestimmung der Belastung auf den Prüfkörper ermöglicht wird.
• Vorzugsweise ist hierzu eine optische Messeinrichtung vorgesehen, welche derart ausgestaltet ist, dass hierdurch eine Bewegung zumindest eines Teils der Fügeteile beobachtbar ist. Der Begriff der „optische Messeinrichtung” bezeichnet hierbei eine Messeinrichtung, mittels welcher auf optischem Wege eine Erfassung einer Positionsänderung möglich ist. Hierzu können einerseits optische Abstandsmesssysteme gehören, welche etwa auf Grundlage einer Laufzeitmessung eines reflektierten optischen Signals unter Berücksichtigung der bekannten Geschwindigkeit des Lichts eine Distanz zu bestimmen vermögen. Andererseits kann die optische Messeinrichtung auch zu einer Aufnahme von Bildern mindestens eines Teils der Fügeteile eingerichtet sein, wobei die aufgenommenen Bilder mittels bildgebender Verfahren, beispielsweise durch Einsatz eines Grauwertkorrelationsverfahrens, miteinander verglichen werden können; der Einsatz weiterer Verfahren ist denkbar. Darüber hinaus kann ein Einsatz anderer Arten von Messeinrichtungen möglich sein; etwa von Messeinrichtungen, welche auf der Grundlage von Ultraschall arbeiten.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Messsystem weiterhin über einen Ofen verfügen, welcher insbesondere zur Einstellung und Regelung mindestens eines Wertes für einer die Temperatur eingerichtet ist. Der Ofen kann hierbei vorzugsweise derart ausgestaltet sein, dass er die Vorrichtung zum Aufbringen der Belastung auf den Prüfkörper und den hieran angebrachten Prüfkörper, welcher die mindestens zwei Fügeteile und die zwischen die beiden Fügeteile eingebrachte Klebeverbindung umfasst, möglichst vollständig umfassen kann, um auf diese Weise sicherzustellen, dass in den genannten Teilen möglichst überall dieselbe Temperatur herrscht. Zusätzlich kann der Ofen auch dazu eingerichtet sein, um über die Länge der biaxial angeordneten Stäbe und/oder über die Klebeverbindung einen Temperaturgradienten bereitzustellen.
• Insbesondere um einem, mittels der optischen Messeinrichtung erzeugten Lichtstrahl Zugang zu mindestens einem Teil der Oberfläche der Fügeteile zu gewähren, kann der Ofen vorzugsweise mindestens ein Fenster aufweisen. Das Fenster, das zumindest für eine Wellenlänge des eingesetzten Lichtstrahls möglichst weitgehend durchlässig ist, kann hierbei vorzugsweise derart angebracht sein, dass dadurch zumindest ein Teil jedes der Fügeteile von einer Stelle außerhalb des Ofens, an welcher der Lichtstrahl ausgesandt und/oder reflektiert wird, sichtbar ist.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann das Messsystem weiterhin über eine Steuereinrichtung verfügen, welche insbesondere zur Steuerung der optischen Messeinrichtung eingerichtet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung auch zur Festlegung und/oder Regelung der Temperatur des Ofens, etwa zur Führung der Temperatur gemäß einem festgelegten Temperaturprofil während eines Messvorgangs, dienen. Auf diese Weise kann zum Beispiel das Temperaturprofil einer Aufheizphase und/oder einer Abkühlphase festgelegt werden. Die Steuereinrichtung kann als selbstständige Einrichtung ausgestaltet sein und/oder Bestandteil der optischen Messeinrichtung und/oder des Ofens sein.
• Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Messsystem wird auf die obige Beschreibung der Vorrichtung sowie auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
• In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung. Wie bereits beschrieben, wird dieses Verfahren dazu eingesetzt, um die Belastung einer Klebeverbindung, welche mindestens zwei Fügeteile innerhalb eines Prüfkörpers miteinander auf klebende Weise verbindet, zu ermitteln. Erfindungsgemäß wird hierzu eine oben und unten beschriebene Vorrichtung zum Aufbringen der Belastung auf den Prüfkörper eingesetzt, mittels welcher die Belastung auf die durch die Klebeverbindung miteinander verbundenen Fügeteile aufgebracht wird. Durch das Aufbringen der Belastung auf den Prüfkörper wird hierbei eine Bewegung der Fügeteile hervorgerufen.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung kann hierbei während des Aufbringens der Belastung die Temperatur der Fügeteile verändert werden, etwa durch Beaufschlagen der Vorrichtung und/oder des Prüfkörpers mit einem Temperaturprofil.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann hierbei die Bewegung der Fügeteile mittels einer Messeinrichtung, vorzugsweise mittels einer optischen Messeinrichtung, beobachtet werden. Andere Arten von Messeinrichtungen sind jedoch denkbar.
• Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine elektronisch steuerbare Einrichtung, insbesondere ein Computer, vorgesehen sein, welcher einen Programmcode, der zur Durchführung des Verfahrens eingerichtet ist, aufweist. Die steuerbare Einrichtung kann hierbei als Bestandteil der oben beschriebenen Steuereinrichtung für das Messsystem ausgestaltet sein.
• Für weitere Einzelheiten in Bezug auf das Verfahren wird ebenfalls auf die übrige Beschreibung und die Ausführungsbeispiele verwiesen.
• Vorteile der Erfindung
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, unter Ausnutzung des Effekts der thermischen Ausdehnung eine definierte multiaxiale Belastung auf eine Klebeschicht auch während der Vernetzung eines hierin enthaltenen Klebstoffs aufzubringen. Zwei biaxial angeordnete Stäbe, vorzugsweise ein Aluminiumstab und ein Stahlstab, welche an ihrem jeweiligen einen Ende miteinander verbunden sind und parallel zueinander verlaufen, dehnen sich bei Temperaturerhöhung unterschiedlich stark aus, so dass durch die Ausdehnung an dem jeweiligen anderen Ende zwei fixierte und miteinander verklebte Fügeteile, welche den Probekörper ausbilden, gegeneinander verschoben werden. Die Temperatur, welche zur Aushärtung des Klebstoffs eingebracht wird, sorgt gleichzeitig für eine Bewegung der Fügeteile, ähnlich wie in einem realen Prozess. Eine zusätzliche Verwendung von unterschiedlichen Keilen ermöglicht eine definierte Einstellung des Belastungswinkels. Eine gute Sichtbarkeit des Probekörpers ermöglicht eine optische Erfassung der Bewegungen während des Vernetzungsprozesses mit hoher Qualität.
• Der Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung, des Messsystems und der zugehörigen Verfahren im Vergleich zu den bekannten Prüfmethoden liegt in der einfachen Handhabung der multiaxialen Belastungsvorrichtung und einer Vielzahl von Variationsmöglichkelten bei der Prüfung. Insbesondere lassen sich folgende Parameter variieren:
• – Höhe der Belastung auf den Prüfkörper, insbesondere durch Wahl des Materials und/oder der Profillange der Stäbe;
• – Belastungswinkel, insbesondere durch Wahl des Keilwinkels;
• – Material und Oberfläche der Fügeteile, z. B. entfettet oder sandgestrahlt;
• – Material des Klebstoffs; und/oder
• – Dicke der Klebeschicht.
• Im Vergleich zu den bekannten Prüfmethoden kann darüber hinaus auch der bis heute nur unzureichend erforschte Einfluss des Druckes während der Vernetzung des Klebstoffs ermittelt werden. Zusätzlich kann auch eine mulitiaxiale Belastung auf bereits ausgehärtete Proben aufgebracht werden, z. B. um einen Fahrzeugbetrieb zu simulieren. Ein zusätzlicher Vorteil des vorliegenden Messsystems besteht darin, dass die Restfestigkeit nach einer Bewegung während einer Vernetzung des Klebstoffs in der Klebeschicht durch eine Prüfung der Probe auf Kopfzug objektiv gemessen werden kann. Auf diese Weise lässt sich der Einfluss der Bewegung auf die der Festigkeit der Klebeverbindung quantifizieren.
• Kurze Beschreibung der Figuren
• Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung ohne Beschränkung der Allgemeinheit näher erläutert. Hierbei zeigen:
• 1A und 1B ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbringen einer Belastung auf zwischen zwei Fügeteile verbindende Klebeverbindung in gekippter perspektivischer Darstellung (1A) sowie im Querschnitt (1B);
• 2 ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung in Draufsicht;
• 3 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Messsystem zur Bestimmung der Belastung auf der Klebeverbindung in schematischer Darstellung; und
• 4A und 4B Messergebnisse für einen zeitlichen Verlauf von Relativbewegungen zweier Punkte auf den Fügeteilen.
• Ausführungsformen der Erfindung
• 1 zeigt schematisch ein erstes bevorzugtes Beispiel einer Ausführung für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 110 in gekippter perspektivischer Darstellung (1A) sowie im Querschnitt (1B), welche zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung 112, die zwischen zwei Fügeteile 114, 114' eingebracht ist, eingerichtet ist. Hierbei bilden die beiden Fügeteile 114, 114' und die dazwischen eingebrachte Klebeverbindung 112 zusammen einen Prüfkörper aus für eine nachfolgend beschriebene Prüfaufgabe aus. Die beiden Fügeteile 114, 114' umfassen im vorliegenden Beispiel ein Aluminium-Strangpressprofil in Form eines Vierkantprofils mit einer Wandstärke von 1 mm bis 10 mm; andere Ausgestaltungen, insbesondere teilmassive oder massive Körper, sind jedoch denkbar.
• Die Vorrichtung 110 umfasst erfindungsgemäß sowohl einen ersten Stab 116 als auch einen zweiten Stab 116', wobei in einer der hier vorgestellten Ausführung der erste Stab 116 Edelstahl und der zweite Stab 116' Aluminium aufweist. Da der thermische Längenausdehnungskoeffizient von Aluminium mit 23,8·10^–6 K^–1 den thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von Edelstahl mit ca. 11,7·10^–6 K^–1 um etwa einen Faktor 2 übertrifft, dehnt sich in dieser Ausführung der zweite Stab 116' bei gleicher Temperaturerhöhung um ungefähr die doppelte Länge aus. Eine derartige Beobachtung wird üblicherweise als „Bimetall-Effekt” bezeichnet. Hierdurch lassen sich höhere Messwerte und folglich eine höhere erzielbare Messgenauigkeit bei einer Ermittlung der Längenänderung der Stäbe 116, 116' und einer hierdurch hervorgerufenen Bewegung der Klebeverbindung 112 zwischen den beiden Fügeteilen 114, 114' erwarten, welche jeweils fest mit einem der Stäbe 116, 116' verbunden sind. Da insbesondere im Falle von Kraftfahrzeugen immer mehr Karosserieteile eingesetzt werden, welche aus Aluminium bestehen oder eine miteinander verklebte Stahl-/Aluminium-Kombination aufweisen, ermöglicht die vorliegende Ausführung ein wesentlich realistischeres Abbild der auf die Klebeverbindung 112 wirkenden Belastungen.
• Erfindungsgemäß sind der erste Stab 116 und der zweite Stab 116', durch einen Zwischenraum 118 voneinander getrennt, parallel zueinander angeordnet, was sich in einer parallelen Lage der jeweiligen Längsachsen 120, 120' äußert. Jeder Stab 116, 116' verfügt jeweils über ein erstes Ende 122, 122' und zweites Ende 124, 124', wobei die ersten Enden 122, 122' und die zweiten Enden 124, 124' der beiden Stäbe 116, 116' jeweils einander gegenüberliegen. Hierbei sind das erste Ende 122 des ersten Stabes 116 und das erste Ende 122' des zweiten Stabes 116' fest miteinander verbunden.
• In der vorliegenden Ausführung sind, wie aus 1 hervorgeht, in Nähe der ersten Enden 122, 122' der beiden Stäbe 116, 116' jeweils drei einander gegenüberliegende Fixierbohrungen 126, 126' sowohl in den ersten Stab 116 als auch in den zweiten Stab 116' eingebracht. Die Fixierung der beiden Stäbe 116, 116' zueinander erfolgt hier mittels eines in die Fixierbohrungen 126, 126' eingebrachten, metallischen und daher gut wärmeleitfähigen Fixierbolzens 128, durch dessen Lage eine freie Länge der beiden Stäbe 116, 116' festgelegt werden kann. Auf diese Weise lassen sich einerseits die beiden Stäbe 116, 116' miteinander verbinden und in Bezug auf ihre relative Lage zueinander fixieren, ohne dass eine wesentliche Verspannung in die Anordnung der beiden Stäbe 116, 116' auftritt. Andererseits stellt der Einsatz des metallischen Fixierbolzens 118 sicher, dass in den beiden Stäben 116, 116' im Wesentlichen dieselbe Temperatur herrscht. Die Anzahl der Fixierbohrungen 126, 126' und der Fixierbolzen 128 ist in weiten Grenzen frei wählbar.
• Wie weiterhin in 1 dargestellt, befinden sich in der vorliegenden Ausführung zwei Versteifungsteile 130, 130' jeweils zwischen dem ersten Ende 122, 122' und dem zweiten Ende 124, 124' in den Zwischenraum 118 zwischen den beiden Stäben 116, 116'. Hierdurch lassen sich insbesondere eine Durchbiegung der Stäbe 116, 116' und/oder eine radiale und/oder axiale Verschiebung der Stäbe 116, 116' zueinander möglichst weitgehend vermeiden.
• Erfindungsgemäß verfügen die zweiten Enden 124, 124' der beiden Stäbe 116, 116' jeweils über eine Aufnahme für eines der mindestens zwei Fügeteile 114, 114'. Hierzu können, wie insbesondere aus der 1B hervorgeht, die beiden Stäbe 116, 116' jeweils an ihrem zweiten Ende 124, 124' parallel zu den Längsachsen 120, 120' der beiden Stäbe 116, 116' jeweils eine zweite Axialbohrung 132, 132' aufweisen, welche jeweils zur Aufnahme einer zweiten Axialverschraubung 134, 134' insbesondere zur Fixierung des jeweiligen Fügeteils 114, 114' gegenüber dem zugehörigen Stab 116, 116' eingerichtet ist. Weiterhin ist in der vorliegenden Ausführung vorgesehen, dass an dem zweiten Ende 124, 124' der Stäbe 116, 116' eine Abstützung angebracht ist, auf welche sich das erste Fügeteil 114 derart stützen kann, dass eine Verdrehung des Fügeteils 114 und damit des Prüfkörpers weitegehend ausgeschlossen werden kann.
• In der Ausführung gemäß 1 ist direkt an die zweiten Enden 124, 124' der beiden Stäbe 116, 116' angrenzend jeweils ein Keil 136, 136' angebracht, welcher jeweils derart ausgestaltet ist, dass dadurch ein Einspannwinkel α in Bezug auf die zueinander parallelen Längsachsen 120, 120' der beiden Stäbe 116, 116' und damit eine Richtung der von den beiden Stäben 116, 116' erzeugten Belastung auf die Verklebung 112 einstellbar ist. Der Einspannwinkel α kann insbesondere dahingehend variiert werden, um auf diese Weise eine Kombination einer Schub-Bewegung mit einer Zug-Bewegung auf den Prüfkörper und somit auf die Verklebung 112 bereitzustellen. Um das jeweilige Fügeteil 114, 114' trotz eines von Null verschiedenen Einspannwinkels α dennoch mittels der zweiten Axialverschraubung 134, 134' möglichst gut an den beiden Stäben 116, 116' fixieren zu können, kann, wie in 1 dargestellt, jeweils ein Ausgleichswinkelstück 138, 138' vorgesehen sein.
• Darüber hinaus weist die vorliegende Ausführung ein zwischen den Keil 136' und das zweite Ende 124' des zweiten Stabes 16' eingefügtes Distanzstück 140 auf, wodurch sich sehr einfach eine Variation der Profillängen der beiden Stäbe 116, 116' erzielen lässt. Auf diese Weise kann eine Anpassung einer absoluten Belastungshöhe auf den Prüfkörper und damit auf die Verklebung 112 möglich werden.
• 2 zeigt schematisch ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung 110 in Draufsicht, welche ebenfalls zum Aufbringen der Belastung auf die Klebeverbindung 112, die zwischen die beiden Fügeteile 114, 114' eingebracht ist, eingerichtet ist. Die Vorrichtung 110 gemäß 2 unterscheidet sich in den folgenden Punkten von der Vorrichtung 110 gemäß 1.
• In einem ersten Unterschied zu der Vorrichtung 110 gemäß 1 sind hier das erste Ende 122 des ersten Stabes 116 und das erste Ende 122' des zweiten Stabes 116' mittels einer lösbaren Axialfixierung 142 fest miteinander verbunden. Die lösbare Axialfixierung 142 verfügt über eine Gehäuse 144, in welches zwei erste Axialverschraubungen 146, 146' derart eingebacht sind, dass diese in jeweils eine zu dem ersten Ende 122, 122' der beiden Stäbe 116, 116' offenen Axialbohrung (nicht dargestellt) eingefügt werden können und so zur Fixierung der lösbaren Axialfixierung 142 dienen.
• In einem weiteren Unterschied zu der Vorrichtung 110 gemäß 1 sind hier die zweiten Axialbohrungen 132, 132' jeweils zur Aufnahme der hier nur zur Fixierung des jeweiligen Keils 136, 136' gegenüber dem zugehörigen Stab 116, 116' dienenden zweiten Axialverschraubungen 134, 134' eingerichtet. Wie aus 2 weiterhin hervorgeht, sind die beiden Fügeteile 114, 114' in dieser Ausgestaltung daher lediglich mit dem jeweils zugehörigen Keil 136, 136' verbunden.
• In einem weiteren Unterschied zeigt 2 eine Lagerung 148, welche in dieser Darstellung über eine Platte und über drei Befestigungseinrichtungen 150 in Form von Muttern verfügt. Die Lagerung 148 und die zugehörigen Befestigungseinrichtungen 150 dienen dazu, um eine Bewegung der Stäbe 116, 116' senkrecht zu ihren Längsachsen 120, 120' zu verhindern. Im vorliegenden Beispiel ist die Lagerung 148 zudem zusätzlich mit dem Gehäuse 144 der lösbaren Axialfixierung 142 verbunden. Auf diese Weise lassen sich die Stäbe 116, 116' derart fixieren, dass sie sich bei einer Temperaturänderung lediglich parallel zu ihrer jeweiligen Längsachse 120, 120' ausdehnen können, während sie in die übrigen Richtungen fixiert bleiben.
• Für weitere Einzelheiten zur 2 wird auf die Beschreibung zur 1 verwiesen. In diesem Zusammenhang wird ausdrücklich betont, dass auch Vorrichtungen möglich sind, welche über geeignete ausgewählte Kombinationen aus den in den 1 und 2 dargestellten Merkmalen verfügen können.
• 3 zeigt schematisch ein bevorzugtes Beispiel einer Ausführung für ein erfindungsgemäßes Messsystem 152 zur Bestimmung der Belastung auf der Klebeverbindung 112 in perspektivischer Darstellung. Das in 3 dargestellte Messsystem 152 umfasst hierbei mindestens ein Exemplar der Vorrichtung 110 zum Aufbringen der Belastung auf die Klebeverbindung 112 gemäß 2. Alternativ könnte auch ein Exemplar der Vorrichtung 110 gemäß 1 oder eine Vorrichtung 110, die eine geeignete ausgewählte Kombination aus den in den 1 und 2 dargestellten Merkmalen aufweisen kann, eingesetzt werden. Weiterhin verfügt das hier vorgestellte Messsystem 152 über eine optische Messeinrichtung 154, mittels welcher eine Bewegung zumindest eines Teils der beiden Fügeteile 114, 114' beobachtbar ist.
• Die optische Messeinrichtung 154 erlaubt auf optischem Wege eine Erfassung einer Positionsänderung zumindest des beobachtbaren Teils der beiden Fügeteile 114, 114', etwa auf Grundlage einer Laufzeitmessung eines reflektierten optischen Lichtstrahls 156. Erfolgt z. B. eine Bewegung zumindest eines der beiden Fügeteile 114, 114' durch den oben beschriebenen Bimetall-Effekt der von der Vorrichtung 110 umfassten Stäbe 116, 116', so kann sich bei feststehender Lichtquelle 158 der Abstand 160, 160' zwischen der Lichtquelle 158 und zumindest einer Oberfläche 162, 162' des Fügeteils 114, 114' ändern, woraus auf eine erfolgte Bewegung des Fügeteils 114, 114' zurückgeschlossenen werden kann. Hierzu kann die optische Messeinrichtung 144 beispielsweise über einen beweglichen semitransparenten Strahlteiler 164 verfügen, welcher den jeweils reflektierten Lichtstrahl 156 auf einen geeigneten optischen Sensor 166 führen kann. Durch einen Vergleich zwischen den relativen Bewegungen der beiden Fügeteile 114, 114' zueinander lässt sich so auf eine Bewegung der zwischen den beiden Fügeteilen 114, 114' angeordneten Klebeverbindung 112 schließen.
• Alternativ kann die optische Messeinrichtung zu einer Aufnahme von Bildern etwa eines Bereichs auf der Oberfläche 162, 162' der Fügeteile 114, 114' eingerichtet sein. In dieser Ausführung lassen sich die aufgenommenen Bilder der ausgewählten Bereiche auf den Oberflächen 162, 162' der Fügeteile 114, 114' mittels eines oder mehrerer bildgebender Verfahren, etwa mittels eines Grauwertkorrelationsverfahrens, miteinander vergleichen.
• Das in 3 dargestellte Messsystem 152 verfügt weiterhin über einen Ofen 168, der zur Einstellung und/oder einer Regelung mindestens eines Wertes für einer die Temperatur eingerichtet ist. Der Ofen 168 ist in dieser Ausführung derart ausgestaltet, dass er sowohl die Vorrichtung 110 zum Aufbringen der Belastung auf die Klebeverbindung 112 als auch die an die Vorrichtung 110 angebrachten beiden Fügeteile 114, 114', zwischen denen sich die Klebeverbindung 112 befindet, vollständig umfasst. Auf diese Weise ist hier sichergestellt, dass sowohl in der Vorrichtung 110 als auch in den Fügeteilen 114, 114' und der Klebeverbindung 112 möglichst die gewünschten Temperaturbedingungen, etwa dieselbe Temperatur oder ein voreingestellter Temperaturgradient, herrschen.
• Insbesondere um dem in der optischen Messeinrichtung 154 erzeugten Lichtstrahl 156 Zugang zu den Oberflächen 162, 162' der beiden Fügeteile 114, 114' zu gewähren, weist der Ofen 168 ein Fenster 170 auf, welches zumindest für eine Wellenlänge des Lichtstrahls 156 möglichst weitgehend transparent ist.
• Das Messsystem 152 gemäß 3 verfügt weiterhin über eine als selbstständige Einrichtung ausgestaltete Steuereinrichtung 172, welche in dieser Ausführung zur Steuerung sowohl der optischen Messeinrichtung 154 als auch des Ofens 168 eingerichtet ist. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, sind Verbindungen 174, 174' zwischen der Steuereinrichtung 172, der optischen Messeinrichtung 154 und dem Ofen 168 vorgesehen. Somit kann die Steuereinrichtung 172 sowohl zur Ermittlung der Bewegung der Fügeteile 114, 114' als auch zur Festlegung und/oder Regelung der Temperatur in dem Ofen 168, etwa zur Führung der Temperatur gemäß einem festgelegten Temperaturprofil während eines Messvorgangs, beispielsweise einer Aufheizphase und/oder einer Abkühlphase, dienen.
• Für weitere Einzelheiten in Bezug auf die in 3 dargestellten Merkmale wird auf die Beschreibung zu den 1 und 2 verwiesen.
• 4 zeigt Messergebnisse für einen zeitlichen Verlauf von Relativbewegungen zweier Punkte auf den Fügeteilen 114, 114', welche mit dem Messsystem 152 gemäß 3 aufgenommen wurden, in Schub und Zugrichtung, wobei während des zeitlichen Verlauf eine Temperaturerhöhung erfolgte, welche etwa bei der Zeit von ca. 30 Minuten beendet wurde. Hierbei ist in den 4A und 4B jeweils eine Verschiebung v in mm gegenüber der Zeit t in Minuten dargestellt, wobei die oberen Kurven jeweils den zeitlichen Verlauf der Verschiebung in x-Richtung 176, 176' und die unteren Kurven jeweils den zeitlichen Verlauf der Verschiebung in y-Richtung 178, 178' darstellen. In der Darstellung in 4A wurde der oben beschriebene Einspannwinkel auf α = 0° festgelegt, während in der Darstellung in 4B der Einspannwinkel einen Wert von α = 20° annimmt. Weitere, hier nicht dargestellte, Versuche wurden mit Einspannwinkeln von α = 10° und α = 30° durchgeführt.
• 4A zeigt den zeitlichen Verlauf der Relativbewegungen ohne eine Zugüberlagerung, d. h. eine reine Schubbewegung bei dem Einspannwinkel von α = 0°. Die Kurve, welche die Verschiebung in x-Richtung 176 auf die Verklebung 112 darstellt, steigt mit der Zeit und somit während der Temperaturerhöhung an, während die Kurve, welche den zeitlichen Verlauf der Verschiebung in y-Richtung 178 und somit die Bewegung der Verklebung 112 in Zugrichtung, d. h. normal zur Klebefläche, darstellt, im Wesentlichen unverändert bleibt, da bei dem Einspannwinkel von α = 0° keine Zugbewegung auftritt.
• In 4B ist die Vorrichtung jeweils mit einem Keil 136, 136' bestückt, welcher einen Einspannwinkel von α = 20° bewirkt. Hierbei ergibt sich eine Überlagerung der aus 4A bekannten Schubbewegung mit einer Zugbewegung. Die Kurve, welche die Verschiebung in x-Richtung 176' auf die Verklebung 112 darstellt, zeigt gegenüber 4A eine geringere Höhe, da aufgrund der unveränderten Länge der Stäbe 116, 116' die absolute Bewegung identisch bleibt. Allerdings wurde durch die winklige Einspannung ein Teil der axialen Bewegung der Stäbe 116, 116' in eine Zugbewegung umgewandelt, so dass die Kurve, welche den zeitlichen Verlauf der Verschiebung in y-Richtung 178' und somit die Bewegung der Verklebung 112 in Zugrichtung, d. h. normal zur Klebefläche, darstellt, einen leichten Anstieg aufweist. Für eine freie Länge der Stäbe 116, 116' von 170 mm, eine Dicke der in Form einer dünnen Klebeschicht vorliegenden Klebeverbindung 112 von 0,3 mm und dem Einspannwinkel von α = 20° lassen sich gemäß den Werten aus 4B eine Zugbelastung von ca. 33% und eine Schubbelastung von ca. 93% ermitteln.
• Bezugszeichenliste

110

Vorrichtung

112

Klebeverbindung

114, 114'

Fügeteil

116, 116'

Stab

118

Zwischenraum

120, 120'

Längsachse des Stabes

122, 122'

erstes Ende

124, 124'

zweites Ende

126, 126'

Fixierbohrungen

128

Fixierbolzen

130, 130'

Versteifungsteil

132, 132'

zweite Axialbohrung

134, 134'

zweite Axialverschraubung

136, 136'

Keil

138, 138'

Ausgleichswinkelstück

140

Distanzstück

142

lösbare Axialfixierung

144

Gehäuse

146, 146'

erste Axialverschraubung

148

Lagerung

150

Befestigungseinrichtung

152

Messsystem

154

optische Messeinrichtung

156

Lichtstrahl

158

Lichtquelle

160, 160'

Abstand

162, 162'

Oberfläche des Fügeteils

164

beweglicher semitransparenter Strahlteiler

166

optischer Sensor

168

Ofen

170

Fenster

172

Steuereinrichtung

174, 174'

Verbindungen

176, 176'

Verschiebung in x-Richtung

178, 178'

Verschiebung in y-Richtung

Claims (12)

1. Vorrichtung (110) zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung (112), umfassend einen ersten Stab (116) und einen zweiten Stab (116'), wobei der erste Stab (116) ein erstes Material mit einem ersten thermischen Ausdehnungskoeffizienten und der zweite Stab (116') ein zweites Material mit einem zweiten thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei sich der erste thermische Ausdehnungskoeffizient und der zweite thermische Ausdehnungskoeffizient voneinander unterscheiden, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116'), durch einen Zwischenraum (118) voneinander getrennt, parallel zueinander angeordnet sind, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116') jeweils einander gegenüberliegende erste Enden (122, 122') und zweite Enden (124, 124') aufweisen, wobei die ersten Enden (122, 122') fest miteinander verbunden sind, wobei die zweiten Enden (124, 124') jeweils eine Aufnahme für mindestens ein Fügeteil (114, 114') aufweisen, wobei die von jedem der zweiten Enden (124, 124') aufnehmbaren Fügeteile (114, 114') mittels einer Klebeverbindung (112) miteinander verbunden sind, auf welche mittels der Vorrichtung (110) Belastungen aufbringbar sind.
2. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei jeweils gegenüberliegende Fixierbohrungen (126, 126') in den ersten Stab (116) und in den zweiten Stab (116') eingebracht sind, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116') mittels mindestens eines in die Fixierbohrungen (126, 126') eingebrachten Fixierbolzens (128) miteinander verbunden sind.
3. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116') mittels einer an den ersten Enden (122, 122') angebrachten lösbaren Axialfixierung (142) miteinander verbunden sind.
4. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116') an ihren ersten Enden (122, 122') parallel zu der Längsachse (120, 120') des ersten Stabes (116) und des dazu parallelen zweiten Stabes (116') jeweils über eine erste Axialbohrung verfügen, welche zur Aufnahme einer ersten Axialverschraubung (146, 146') zur Fixierung der lösbaren Axialfixierung (142) an dem ersten Stab (116) und an dem zweiten Stab (116') eingerichtet ist.
5. Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an den zweiten Enden (124, 124') jeweils ein Keil (136, 136') angebracht ist, wobei der Keil (136, 136') jeweils derart ausgestaltet ist, dass dadurch die Belastung auf die Klebeverbindung (112) auf einen von Null verschiedenen Winkel in Bezug auf eine Längsachse (120, 120') des ersten Stabes (116) und des hierzu parallelen zweiten Stabes (116') einstellbar ist.
6. Vorrichtung (110) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei der erste Stab (116) und der zweite Stab (116') an ihren zweiten Enden (124, 124') parallel zu der Längsachse (120, 120') des ersten Stabes (116) und des dazu parallelen zweiten Stabes (116') jeweils über eine zweite Axialbohrung (132, 132') verfügen, welche zur Aufnahme einer zweiten Axialverschraubung (134, 134') zur Fixierung des jeweiligen Fügeteils (114, 114') und/oder der jeweiligen Keile (136, 136') eingerichtet ist.
7. Messsystem (152) zur Bestimmung einer Belastung auf einer Klebeverbindung (112), welches mit einer Vorrichtung (110) zum Aufbringen von Belastungen auf die Klebeverbindung (112) nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgestattet ist.
8. Messsystem (152) nach dem vorangehenden Anspruch, wobei weiterhin eine optische Messeinrichtung (154) vorgesehen ist, mittels welcher eine Bewegung zumindest eines Teils der Fügeteile (114, 114') beobachtbar ist.
9. Messsystem (152) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei weiterhin ein Ofen (168) zur Einstellung und/oder Regelung einer Temperatur vorgesehen ist, wobei der Ofen (168) mindestens ein Fenster (170) aufweist, welches derart angebracht ist, dass dadurch zumindest ein Teil jedes der Fügeteile (114, 114') von einer Stelle außerhalb des Ofens (168) sichtbar ist.
10. Verfahren zum Aufbringen einer Belastung auf eine Klebeverbindung (112), wobei die Klebeverbindung (112) mindestens zwei Fügeteile (114, 114') miteinander verbindet, wobei mittels einer Vorrichtung (110) nach einem der vorangehenden Ansprüche betreffend die Vorrichtung (110) jeweils mindestens eine Belastung auf die Klebeverbindung (112) aufgebracht wird, wobei das Aufbringen der Belastung eine Bewegung der Fügeteile (114, 114') zueinander bewirkt.
11. Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, wobei während des Aufbringens der Belastung die Temperatur der Fügeteile (114, 114') verändert wird.
12. Verfahren nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die Bewegung der Fügeteile (114, 114') mittels einer optischen Messeinrichtung (154) beobachtet wird.

Images