DE102016107552A1

DE102016107552A1 - Druckprüfungsvorrichtung für eine Werkstoff-Probe und Druckprüfungsverfahren

Info

Publication number: DE102016107552A1
Application number: DE102016107552.3A
Authority: DE
Inventors: Harald Kraft; Martin Holzapfel
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-04-22
Filing date: 2016-04-22
Publication date: 2017-10-26
Anticipated expiration: 2036-04-23
Also published as: DE102016107552B4

Abstract

Es wird eine Druckprüfungsvorrichtung für eine Werkstoff-Probe (22) vorgeschlagen, welche – einen Probenhalter (14) zur Fixierung mindestens einer Werkstoff-Probe (22) umfasst, wobei der Probenhalter (14) mindestens eine Aufnahmekammer (20) aufweist und eine Stützstruktur (75) aufweist, welche in einem Aufnahmeraum (30) der mindestens einen Aufnahmekammer (20) angeordnet ist, und welche mindestens im Betrieb der Druckprüfungsvorrichtung sich an einer Wandung (24) der Aufnahmekammer (20) abstützt, und – einen Hammerstempel (36) umfasst, über welchen eine Druckkraft auf die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) in einer relativen Schlagrichtung (48) ausübbar ist, wobei eine relative Maximalgeschwindigkeit beim Auftreffen des Hammerstempels (48) auf die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) mindestens 2 m/s beträgt, und wobei die Stützstruktur (75) in der Schlagrichtung (48) eine geringere Steifigkeit als quer zu der Schlagrichtung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckprüfungsvorrichtung für eine Werkstoff-Probe.
Die Erfindung betrifft ferner ein Druckprüfungsverfahren an einer Werkstoff-Probe.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Druckprüfungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der sich auf einfache Weise umfangreiche Druckprüfungsmöglichkeiten an einer Werkstoff-Probe durchführen lassen.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Druckprüfungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Probenhalter zur Fixierung mindestens einer Werkstoff-Probe vorgesehen ist, wobei der Probenhalter mindestens eine Aufnahmekammer aufweist und eine Stützstruktur aufweist, welche in einem Aufnahmeraum der mindestens einen Aufnahmekammer angeordnet ist, und welche mindestens im Betrieb der Druckprüfungsvorrichtung sich an einer Wandung der Aufnahmekammer abstützt, und ein Hammerstempel vorgesehen ist, über welchen eine Druckkraft auf die mindestens eine Werkstoff-Probe in einer relativen Schlagrichtung ausübbar ist, wobei eine relative Maximalgeschwindigkeit beim Auftreffen des Hammerstempels auf die mindestens eine Werkstoff-Probe mindestens 2 m/s beträgt, und wobei die Stützstruktur in der Schlagrichtung eine geringere Steifigkeit als quer zu der Schlagrichtung aufweist.
An der erfindungsgemäßen Druckprüfungsvorrichtung lässt sich eine Werkstoff-Probe auf einfache Weise fixieren. Es ergibt sich eine einfache Montage.
Es lassen sich relativ große Stauchwege an der Werkstoff-Probe realisieren, so dass insbesondere auch schlagdynamische bzw. kurzzeit-dynamische Messungen durchführbar sind.
Aufgrund der geringen Steifigkeit in Schlagrichtung hat die Stützstruktur keinen oder nur einen minimalen Einfluss auf die Messung.
Die bewegten Massen lassen sich relativ gering halten.
Grundsätzlich lässt sich über die erfindungsgemäße Druckprüfungsvorrichtung auch eine (quasi-)statische Messung durchführen, bei der eine Geschwindigkeit, mit der der Hammerstempel auf die mindestens eine Werkstoff-Probe auftrifft und eine Druckkraft ausübt, nahezu Null und insbesondere kleiner als 5 mm/min ist.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass dynamische und insbesondere schlagdynamische Messungen insbesondere im Zusammenhang mit Bruchkraftmessungen durchgeführt werden, bei denen der Hammerstempel gewissermaßen auf die Werkstoff-Probe aufschlägt, das heißt mit einer endlichen Geschwindigkeit auftrifft, wobei insbesondere eine Maximalgeschwindigkeit von mindestens 2 m/s erreichbar ist.
Es lassen sich auch grundsätzlich Ermüdungsuntersuchungen durchführen.
Durch die erfindungsgemäße Druckprüfungsvorrichtung lassen sich Werkstoff-Proben unterschiedlicher Probengeometrien und insbesondere unterschiedlicher Dicken untersuchen, da eine gewisse Skalierbarkeit vorliegt.
Es ist grundsätzlich möglich, dass der Probenhalter mit der mindestens einen Werkstoff-Probe festgehalten wird und der Hammerstempel aktiv auf die Werkstoff-Probe zubewegt wird. Ferner ist es grundsätzlich möglich, dass der Hammerstempel festgehalten wird und die Werkstoff-Probe auf den Hammerstempel zubewegt wird und gewissermaßen auf diesen aufgeschlagen wird. Es ist ferner möglich, dass sowohl der Hammerstempel als auch die Werkstoff-Probe bewegt werden.
Ferner kann die Schlagrichtung parallel zur Schwerkraftrichtung ausgerichtet sein oder in einem beliebigen Winkel zu der Schwerkraftrichtung liegen.
Es ist insbesondere vorgesehen, dass der E-Modul der Stützstruktur quer zu der Schlagrichtung mindestens fünfzigfach und insbesondere mindestens hundertfach und insbesondere mindestens fünfhundertfach größer ist als der E-Modul in der Schlagrichtung. Dadurch hat die Stützstruktur eine erheblich höhere Steifigkeit quer zu der Schlagrichtung (insbesondere senkrecht zu der Schlagrichtung) als in der Schlagrichtung. Dies ermöglicht eine Abstützung der Werkstoff-Probe bei der Beaufschlagung durch den Hammerstempel, wobei ein großer Stauchweg in der Schlagrichtung möglich ist. Die Stützstruktur hat dadurch eben eine vorteilhafte Abstützungsfunktion unter minimaler Beeinflussung der Probenverformung.
Bei einem Ausführungsbeispiel umgibt die Stützstruktur die mindestens eine Werkstoff-Probe. Dadurch wird eine optimierte Abstützung erreicht.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Stützstruktur eine Röhrchenstruktur, welche eine Mehrzahl von parallel ausgerichteten Röhrchen aufweist, wobei eine Röhrchenausrichtung quer und insbesondere senkrecht zu der Schlagrichtung ist. Insbesondere sind die Röhrchen in einem Stapelverbund angeordnet, wobei eine Mehrzahl von Röhrchen sowohl in einer Stapelzeile als auch in einer Stapelspalte vorhanden ist. Es lässt sich so auf einfache Weise eine erheblich höhere Steifigkeit quer zu der Schlagrichtung als in der Schlagrichtung erreichen. Die parallel ausgerichteten Röhrchen sind dabei in dem Stapelverbund miteinander verbunden, das heißt benachbarte Röhrchen sind miteinander verbunden. Eine entsprechende Stützstruktur weist eine geringe Querkontraktion auf, welche insbesondere nahe bei Null liegt. Dadurch wird bei Druckkraftausübung eine "Stör-Kraftbelastung" der Werkstoff-Probe durch die Stützstruktur beispielsweise durch Einklemmen weitgehend vermieden.
Insbesondere ist die Stützstruktur eine Wabenstruktur, welche eine Mehrzahl von parallel ausgerichteten Waben aufweist, wobei eine Wabenausrichtung quer und insbesondere senkrecht zu der Schlagrichtung ist. Eine solche Wabenstruktur weist die gleichen Vorteile wie die oben beschriebene Röhrchenstruktur auf. Insbesondere bilden die Röhrchen Waben, welche beispielsweise einen hexagonalen oder einen kreisförmigen Querschnitt haben können.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist die mindestens eine Werkstoff-Probe einen ersten Bereich, einen zweiten Bereich und einen zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich sitzenden dritten Bereich auf, wobei der dritte Bereich eine kleinere Breite hat als der erste Bereich und der zweite Bereich. Der dritte Bereich ist ein Einschnürungsbereich. An dem dritten Bereich kann beispielsweise eine Verformung der Werkstoff-Proben über einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen ermittelt werden. Über den ersten Bereich und den zweiten Bereich lässt sich die Werkstoff-Probe an der Stützstruktur in der Aufnahmekammer abstützen.
Es ist dann günstig, wenn ein Freiraum an dem dritten Bereich vorgesehen ist, welcher zwischen einer Außenseite des dritten Bereichs und einer Einhüllendenfläche für den ersten Bereich und den zweiten Bereich gebildet ist, stützstrukturfrei ist. Dadurch kann eine Verformung an diesem Einschnürungsbereich (dritten Bereich) erfolgen, wobei diese durch die Stützstruktur nicht oder nur minimal beeinflusst wird. Ferner lässt sich in dem Freibereich eine Dehnungsmesseinrichtung mit insbesondere einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen anordnen, um eben die Verformung zu ermitteln.
Aus den genannten Gründen ist es günstig, wenn an dem dritten Bereich eine Dehnungsmesseinrichtung insbesondere mit einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen angeordnet ist.
Es ist vorgesehen, dass die Wandung der Aufnahmekammer diese quer zu der Schlagrichtung begrenzt, wobei die Aufnahmekammer zum Hammerstempel hin zur Einwirkbarkeit des Hammerstempels offen ist. Es lässt sich dadurch die Werkstoff-Probe in der Aufnahmekammer abgestützt über die Stützstruktur positionieren und insbesondere stirnseitig lässt sich über den Hammerstempel auf die Werkstoff-Probe einwirken. Insbesondere kann über den Hammerstempel dann stirnseitig auf die Werkstoff-Probe geschlagen werden.
Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Wandung der Aufnahmekammer mindestens ein feststellbar bewegliches und/oder austauschbares Wandelement umfasst und/oder dass die Wandung der Aufnahmekammer mindestens eine Knickstütze umfasst. Wenn ein bewegliches beziehungsweise austauschbares Wandelement vorgesehen ist, dann lässt sich auf einfache Weise der Probenhalter an die speziell zu verwendende Werkstoff-Probe anpassen. Es können auf einfache Weise unterschiedliche Größen von Werkstoff-Proben untersucht werden. Durch die Ausbildung mindestens einem Teil der Wandung als Knickstütze lässt in Zusammenwirken mit der Stützstruktur sich auf vorteilhafte Weise die Werkstoff-Probe bei dem Messverfahren an dem Probenhalter fixieren.
Günstig ist es, wenn ein Antrieb zum Antreiben einer Bewegung des Hammerstempels und zum Aufbringen einer Druckkraft auf die mindestens eine Werkstoff-Probe vorgesehen ist, wobei insbesondere eine Geschwindigkeit des Hammerstempels beim Auftreffen auf die mindestens eine Werkstoff-Probe einstellbar ist. Es lässt sich an einer Werkstoff-Probe beziehungsweise an baugleichen Werkstoff-Proben eine Untersuchung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchführen.
Günstig ist es, wenn für eine dynamische Messung die maximale Geschwindigkeit des Hammerstempels beim Auftreffen auf die Werkstoff-Probe mindestens 4 m/s, insbesondere mindestens 5 m/s, insbesondere mindestens 8 m/s, insbesondere mindestens 12 m/s und insbesondere mindestens 15 m/s beträgt. Es ist beispielsweise auch möglich, dass diese Geschwindigkeit bei 30 m/s oder sogar noch höher liegt. Es ergibt sich dadurch eine hohe Variationsbreite bezüglich Bruchkräften, die auf die Werkstoff-Probe ausbringbar sind.
Günstig ist es, wenn ein Auftreffbereich des Hammerstempels auf die mindestens eine Werkstoff-Probe gehärtet ist und insbesondere eine gehärtete Druckplatte und vorzugsweise ein Kammerboden eine gehärtete Druckplatte aufweist, auf welcher die Werkstoff-Probe aufgestützt ist, umfasst. Dadurch ergibt sich ein wartungsarmer Betrieb der Druckprüfungsvorrichtung.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn an und insbesondere in dem Hammerstempel mindestens ein Kraftsensor angeordnet ist. Der Kraftsensor, welcher insbesondere einen oder mehrere Dehnungsmessstreifen umfasst, ermittelt die Gegenkraft, die die Werkstoff-Probe auf den Hammerstempel ausübt. Der Kraftsensor misst den Kraftverlauf.
Erfindungsgemäß wird ein Druckprüfungsverfahren an einer Werkstoff-Probe bereitgestellt, bei dem die Werkstoff-Probe mittels einer Stützstruktur an einem Probenhalter gehalten wird und über einen Hammerstempel auf die Werkstoff-Probe eine Druckkraft ausgeübt wird, wobei der Hammerstempel mit einer endlichen Geschwindigkeit auf die Werkstoff-Probe auftrifft und eine Maximalgeschwindigkeit für die endliche Geschwindigkeit mindestens 2 m/s beträgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Druckprüfungsvorrichtung erläuterten Vorteile auf.
Insbesondere wird das Druckprüfungsverfahren an der Werkstoff-Probe so durchgeführt, dass ein Materialbruch an der Werkstoff-Probe erfolgt. Es lässt sich die Dehnratenabhängigkeit eines Werkstoffs unter Druckbelastung bis zur Bruchgrenze bestimmen und der E-Modul-Verlauf in Abhängigkeit von der Dehnrate bestimmen. Die Druckkraft an der Bruchgrenze ist die Bruchkraft.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Druckprüfungsverfahrens wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Druckprüfungsvorrichtung erläutert.
Günstig ist es dabei, wenn eine Kraftbelastung an dem Hammerstempel gemessen wird. Diese Kraftbelastung entspricht einer Gegenkraft, mit welcher die Werkstoff-Probe auf den Hammerstempel wirkt. Dadurch lässt sich beispielsweise die Bruchkraft an der Werkstoff-Probe ermitteln.
Ferner ist es günstig, wenn eine Dehnung (Verformung) an der Werkstoff-Probe gemessen wird. Es lässt sich dadurch beispielsweise der Spannungs-Dehnungs-Verlauf ermitteln. Bei der Wahl unterschiedlicher Auftreffgeschwindigkeiten des Hammerstempels lässt sich die Dehnratenabhängigkeit ermitteln.
Günstig ist es, wenn die Stützstruktur eine um mindestens einen Faktor 50 größere Steifigkeit quer zu einer Schlagrichtung des Hammerstempels aufweist als in der Schlagrichtung. Dadurch beeinflusst die Stützstruktur minimal den Prüfungsvorgang, wobei insbesondere bei einem Schlagvorgang des Hammerstempels auf die Werkstoff-Probe eine sichere Abstützung erreicht wird.
Das erfindungsgemäße Druckprüfungsverfahren lässt sich an der erfindungsgemäßen Druckprüfungsvorrichtung durchführen beziehungsweise die erfindungsgemäße Druckprüfungsvorrichtung lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Druckprüfungsverfahren betreiben.
Insbesondere wird die erfindungsgemäße Druckprüfungsvorrichtung beziehungsweise das erfindungsgemäße Druckprüfungsverfahren zur Untersuchung von Faserwerkstoffen oder Faserverbundwerkstoffen mit insbesondere unidirektionaler Faserorientierung verwendet. Vorzugsweise ist dabei eine Schlagrichtung des Hammerstempels mindestens näherungsweise parallel zu der unidirektionalen Faserorientierung. Dadurch kann der Einfluss der Faserstruktur auf die mechanischen Druckeigenschaften der Werkstoff-Probe untersucht werden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Druckprüfungsvorrichtung;
2 eine Teilansicht der Druckprüfungsvorrichtung gemäß 1 in der Richtung A;
3 eine Teilansicht der Druckprüfungsvorrichtung gemäß 1 in der Richtung B;
4 eine Seitenansicht einer Werkstoff-Probe;
5 eine Ansicht der Werkstoff-Probe gemäß 4 in der Richtung C;
6 eine Teildarstellung einer Stützstruktur; und
7 eine Ansicht der Stützstruktur in der Richtung D gemäß 6, wobei eine Position der Werkstoff-Probe gemäß 5 angedeutet ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druckprüfungsvorrichtung, welche in 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine Maschinenbasis 12, über welche die Druckprüfungsvorrichtung 10 auf einer Unterlage aufgestellt ist.
An der Maschinenbasis 12 ist ein Probenhalter 14 direkt oder indirekt über eine Haltestruktur gehalten.
Der Probenhalter 14 umfasst einen Haltekörper 16. In dem Haltekörper 16 ist eine Ausnehmung 18 gebildet.
In der Ausnehmung 18 ist eine Aufnahmekammer 20 für eine Werkstoffprobe 22 angeordnet. Die Aufnahmekammer 20 umfasst eine Kammerwandung 24.
Die Aufnahmekammer 20 umfasst ferner einen Kammerboden 26. Der Kammerboden 26 ist durch eine eigene Wandung gebildet oder ist durch den Haltekörper 16 gebildet.
Es ist eine Fixierungseinrichtung 28 vorgesehen, durch welche die Kammerwandung 24 mit dem Haltekörper 16 fixierbar ist. Gegebenenfalls ist der Kammerboden 26 ebenfalls an dem Haltekörper 16 fixierbar.
Die Fixierungseinrichtung 28 ist bei einem Ausführungsbeispiel so ausgebildet, dass die Aufnahmekammer 20 mit ihrer Kammerwandung 24 (und gegebenenfalls dem Kammerboden 26) austauschbar ist. Dadurch können beispielsweise Aufnahmekammern 20 unterschiedlicher Größe und insbesondere unterschiedlicher Breite beziehungsweise unterschiedlichen Durchmessers an dem Probenhalter 14 eingesetzt werden.
Es ist grundsätzlich auch möglich, dass mindestens ein Teilbereich der Kammerwandung 24 feststellbar beweglich ist, so dass die Größe der Aufnahmekammer 20 einstellbar ist.
Die Kammerwandung 24 und der Kammerboden 26 begrenzen einen Aufnahmeraum 30 der Aufnahmekammer 20. Dieser Aufnahmeraum 30 weist eine Erstreckungsachse 32 auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Erstreckungsachse 32 auch eine Symmetrieachse und insbesondere Rotationssymmetrieachse für den Aufnahmeraum 30.
Der Kammerboden 26 begrenzt den Aufnahmeraum 30 zu einer Seite hin längs der Erstreckungsachse 32; die Erstreckungsachse 32 bildet insbesondere eine Normalenachse für den Kammerboden 26.
Zu einer gegenüberliegenden Seite hin ist längs der Erstreckungsachse 32 der Aufnahmeraum 30 über eine Öffnung 34 offen. Über die Öffnung 34 kann ein Hammerstempel 36 auf die in dem Aufnahmeraum 30 positionierte Werkstoff-Probe 22 wirken und dabei entsprechende Druckkräfte ausüben.
An dem Probenhalter 14 ist eine insbesondere gehärtete und austauschbare Druckplatte 38 angeordnet. Die Druckplatte 38 sitzt an dem Kammerboden 26 insbesondere auf der Erstreckungsachse 32. Die Druckplatte 38 dient als Stützunterlage für die Werkstoff-Probe 22. Diese ist auf der Druckplatte 38 nach unten abgestützt.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die Kammerwandung 24 eine oder mehrere Knickstützen 40, welche insbesondere feststellbar beweglich sind. Sie bilden dann bewegliche Elemente der Kammerwandung.
Bei einer Druckausübung durch den Hammerstempel 36 auf die Werkstoff-Probe 22, welche auf der Druckplatte 38 aufgestützt ist, sollen die Knickstütze oder Knickstützen 40 in Zusammenwirken mit einer unten beschriebenen Stützstruktur 75 ein Ausknicken verhindern.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Probenhalter 14 gegenüberliegend positionierte Knickstützen 40a, 40b auf.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Aufnahmekammer 20 ein Deckel 39 mit einer Durchtauchöffnung 41 für den Hammerstempel 36 angeordnet.
An der Maschinenbasis 12 ist eine Stützeinrichtung 42 angeordnet, welche beispielsweise portalartig ausgebildet ist. An der Stützeinrichtung 42 ist der Hammerstempel 36 beweglich fixiert.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist an der Stützeinrichtung 42 eine bewegliche Brücke 44 angeordnet, an welcher der Hammerstempel 36 fixiert ist.
Die Brücke 44 ist in einer Richtung 46 beweglich, welche im Wesentlichen parallel zu der Erstreckungsachse 32 ist.
Die Richtung 46 auf den Probenhalter 14 zu ist eine Schlagrichtung 48 des Hammerstempels 36.
Der Hammerstempel 36 ist bei einem Ausführungsbeispiel bezogen auf die Schwerkraftrichtung g, wenn die Maschinenbasis 12 auf einem Boden aufsteht, oberhalb der Maschinenbasis 12 beabstandet zu dieser positioniert. Er ist oberhalb des Probenhalters 14 positioniert.
Zum Antreiben einer Bewegung der Brücke 44 mit dem Hammerstempel 36 auf eine Werkstoff-Probe 22 zu, um auf diese eine entsprechende Druckkraft auszuüben, ist ein Antrieb vorgesehen, welcher in 1 mit dem Bezugszeichen 50 angedeutet ist.
Der Antrieb 50 kann beispielsweise ein Fluidantrieb wie ein hydraulischer Antrieb sein oder ein elektromotorischer Antrieb oder dergleichen.
Der Antrieb 50 ist so ausgebildet, dass dynamische Messungen an der Werkstoff-Probe 22 durchführbar sind. Der Hammerstempel 36 lässt sich so auf die Werkstoff-Probe 22 zubewegen, dass beim Auftreffen des Hammerstempels 36 auf die Werkstoff-Probe 22 der Hammerstempel 36 eine endliche Geschwindigkeit aufweist. Eine Maximalgeschwindigkeit dieser endlichen Geschwindigkeit ist insbesondere größer oder gleich 2 m/s und insbesondere größer oder gleich 4 m/s und insbesondere größer oder gleich 6 m/s und insbesondere größer oder gleich 8 m/s und insbesondere größer oder gleich 10 m/s und insbesondere größer oder gleich 12 m/s und insbesondere größer oder gleich 14 m/s und insbesondere größer oder gleich 16 m/s und insbesondere größer oder gleich 18 m/s und insbesondere größer oder gleich 20 m/s. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Maximalgeschwindigkeit mindestens 25 m/s beträgt und insbesondere mindestens 30 m/s beträgt.
Insbesondere ist einstellbar, mit welcher Geschwindigkeit (bis zur Maximalgeschwindigkeit) der Hammerstempel 36 in der Schlagrichtung 48 auf die Werkstoff-Probe 22 auftrifft.
Es können dabei insbesondere Geschwindigkeiten zwischen nahezu Null (quasi-statische Messung) und der Maximalgeschwindigkeit stufenlos oder abgestuft eingestellt werden. Es ergeben sich große Variationen bezüglich der Untersuchungsmöglichkeiten.
Der Hammerstempel 36 weist bei einem Ausführungsbeispiel eine Halteplatte 52 auf, über welche er an der Brücke 44 fixiert ist.
An der Halteplatte 52 ist ein Stiftelement 54 insbesondere aus einem metallischen Material angeordnet. Das Stiftelement 54 weist einen Auftreffbereich 56 auf, welcher an einem dem Probenhalter 14 zugewandten Ende des Stiftelements 54 angeordnet ist. Mit diesem Auftreffbereich 56 trifft der Hammerstempel 36 auf die zu untersuchende Werkstoff-Probe 22 auf.
Das Stiftelement 54 und der Auftreffbereich 56 sind beispielsweise zylindrisch oder quaderförmig ausgebildet. In der Regel wird die geometrische Gestalt des Stiftelements 54 an die Probengeometrie angepasst.
In dem Auftreffbereich 56 ist das Stiftelement 54 gehärtet.
Beispielsweise ist der Auftreffbereich 56 durch eine gehärtete Druckplatte und insbesondere austauschbare gebildet, welche entsprechend an dem Stiftelement 54 angeordnet ist.
An dem Hammerstempel 36 und insbesondere an und vorzugsweise in dem Stiftelement 54 ist (mindestens) ein Kraftsensor 58 angeordnet.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Stiftelement 54 eine Sacklochausnehmung 60 auf, deren unteres Ende 62 beabstandet zu dem Auftreffbereich 56 ist. In dieser Sacklochausnehmung 60 ist der (mindestens ein) Kraftsensor 58 angeordnet.
Der Kraftsensor 58 ist beispielsweise als DMS-Sensor (Dehnungs-Messstreifen-Sensor) ausgebildet.
Wenn der Hammerstempel 36 eine Druckkraft auf eine zu untersuchende Werkstoff-Probe 22 ausübt, dann erfährt entsprechend das Stiftelement 54 des Hammerstempels 36 eine Gegenkraft. Dies führt zu einer Verformung.
Der Hammerstempel 36 ist an dem Stiftelement 54 so dimensioniert und aus einem solchen Material hergestellt, dass bei den auftretenden Kräften das Material des Stiftelements 54 im elastischen Bereich liegt. Eine entsprechende durch den mindestens einen Kraftsensor 58 ermittelte (elastische) Verformung ist dann direkt proportional zu den herrschenden Kräften.
Über den Kraftsensor 56 lässt sich eine Druckkraft an der Werkstoff-Probe 22 ermitteln.
Die zu untersuchende Werkstoff-Probe 22 ist zur Untersuchung in eine bestimmte Form gebracht (4 und 5). Sie weist einen ersten Bereich 64 und einen zu dem ersten Bereich beabstandeten zweiten Bereich 66 auf. Zwischen dem ersten Bereich 64 und dem zweiten Bereich 66 liegt ein dritter Bereich 68. Der dritte Bereich 68 ist bezüglich einer Einhüllendenfläche des ersten Bereichs 64 und des zweiten Bereichs 66 zurückgesetzt. Zwischen einer Außenseite des dritten Bereichs 68 und der Einhüllendenfläche des ersten Bereichs 64 und des zweiten Bereichs 66 ist ein Freiraum 70 ausgebildet, welcher beispielsweise (hohl-)quaderförmig ist. Der dritte Bereich 68 bildet eine Einschnürung.
Insbesondere ist ein solcher Freiraum 70 beidseitig an der Probe angeordnet.
Die Werkstoff-Probe 22 hat über den ersten Bereich 64, den zweiten Bereich 66 und den dritten Bereich 68 die Form eines um 90° gedrehten H.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Werkstoff-Probe 22 einen Materialstreifen 72, welcher insbesondere durchgehend ist. Der erste Bereich 64 und der zweite Bereich 66 sind durch beidseitiges Aufbringen wie Aufkleben von Materiallagen 74 hergestellt.
Der dritte Bereich 68 ist bei einer anderen Ausführungsform an einem Materialstreifen durch Abtragung hergestellt.
Die Werkstoff-Probe 22 ist über eine Stützstruktur 75 (6, 7) in dem Aufnahmeraum 30 der Aufnahmekammer 20 gehalten. Die Stützstruktur 75 stützt sich dabei an der Kammerwandung 24 und insbesondere den Knickstützen 40a, 40b ab.
In dem Freiraum 70 ist an dem dritten Bereich 68 der Werkstoff-Probe 22 ein Dehnungsmessstreifen 76 angeordnet (4). Ein solcher Dehnungsmessstreifen kann einseitig oder beidseitig an dem dritten Bereich 68 der Werkstoff-Probe 22 angeordnet sein.
Die Werkstoff-Probe 22 ist auf der Druckplatte 38 über den zweiten Bereich 66 abgestützt. Bei einem Messvorgang wirkt der Auftreffbereich 56 des Hammerstempels 36 direkt auf den ersten Bereich 64 der Werkstoff-Probe 22.
Die Stützstruktur 75 positioniert die Werkstoff-Probe 22 in dem Aufnahmeraum 30 beabstandet zu der Kammerwandung 24.
Die Stützstruktur 75 ist bezüglich der Materialwahl insbesondere an den Mess-Temperaturbereich angepasst. Sie kann beispielsweise aus einem Polymermaterial oder metallischen Werkstoff hergestellt sein.
Die Stützstruktur 75 ist so ausgebildet, dass ihre Steifigkeit in einer Querrichtung 78 zu der Schlagrichtung 48 erheblich größer ist als in der Schlagrichtung 48. Insbesondere ist die Steifigkeit in einer Richtung senkrecht zur Schlagrichtung 48 erheblich größer als in der Schlagrichtung 48.
Insbesondere ist der E-Modul der Stützstruktur 75 in der Querrichtung 78 mindestens fünfzigfach und vorzugsweise mindestens einhundertfach und vorzugsweise mindestens fünfhundertfach und beispielsweise mindestens tausendfach größer als der E-Modul der Stützstruktur 75 in der Schlagrichtung 48.
Die Stützstruktur 75 ist so ausgebildet, dass ihre Querkontraktion in der Richtung quer zur Schlagrichtung sehr gering und insbesondere nahe bei Null liegt.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Stützstruktur 75 als Röhrchenstruktur 80 ausgebildet. Diese Röhrchenstruktur 80 umfasst eine Mehrzahl von Röhrchen 82, welche parallel zueinander angeordnet sind mit einer Röhrchenausrichtung in einer Richtung 84, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Schlagrichtung 48 ist.
Die Röhrchenstruktur 80 ist ein Röhrchenstapel von übereinander und nebeneinander angeordneten Röhrchen 82.
Die Röhrchenstruktur 80 führt erst bei vollständigem Zusammendrücken in der Schlagrichtung 48 zu einer relevanten Querkontraktion. Dadurch ist die Stützfunktion der Stützstruktur 75 sichergestellt und der Einfluss der Stützstruktur auf die Messung aufgrund fehlender Klemmwirkung minimiert.
Die Röhrchenstruktur 80 ist insbesondere eine Wabenstruktur, wobei die Waben in einer Draufsicht in der Richtung 84 der Röhrchenausrichtung (vgl. 7) beispielsweise sechseckförmig sein können oder auch einen runden Querschnitt haben können.
Eine solche Röhrchenstruktur weist eine entsprechend relativ geringe Steifigkeit parallel zur Schlagrichtung 48 auf und eine entsprechend erheblich höhere Steifigkeit in der Querrichtung 78 insbesondere senkrecht zu der Schlagrichtung 48 auf.
Insbesondere weist die Röhrchenstruktur 80 einen Röhrchenstapel von Röhrchen 82 auf, bei dem die Anzahl der Röhrchen 82 in der Schlagrichtung 48 mindestens 5 und vorzugsweise mindestens 10 und vorzugsweise mindestens 15 und vorzugsweise mindestens 20 beträgt.
In der Querrichtung hierzu beträgt die Anzahl der Röhrchen 82, welche dann zeilenweise angeordnet sind, mindestens fünf und vorzugsweise mindestens zehn.
Die Stützstruktur 75 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass sie in ihrer Höhe längs der Schlagrichtung 48 mindestens der Höhe der Werkstoff-Probe 22 entspricht. Aufgrund der geringen Steifigkeit in Schlagrichtung 48 kann die Stützstruktur 75 über die Werkstoff-Probe überstehen. Dadurch ergibt sich eine einfache Probenhaltung.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Stützstruktur 75 so ausgebildet, dass sie die Werkstoff-Probe 22 vollständig umgibt, das heißt dass die Werkstoff-Probe 22 gewissermaßen in einer zentralen Ausnehmung der Stützstruktur 75 angeordnet ist.
Es ist vorgesehen, dass die Stützstruktur 75 an dem ersten Bereich 64 und dem zweiten Bereich 66 der Werkstoff-Probe 22 anliegt, jedoch nicht an dem dritten Bereich 68 anliegt. Insbesondere ragt die Stützstruktur 75 nicht in den jeweiligen Freiraum 70 an dem dritten Bereich 68 hinein.
Dadurch ist sichergestellt, dass die Stützstruktur 75 bei einem Messvorgang ihre Stützfunktion für die Werkstoff-Probe 22 hat, jedoch die Verformung der Werkstoff-Probe 22 an dem dritten Bereich 68, nicht oder nur minimal beeinflusst.
Mit der Druckprüfungsvorrichtung 10 können auf vorteilhafte Weise Werkstoff-Proben 22 aus einem Faserwerkstoff und insbesondere Faserverbundwerkstoff untersucht werden. Auf vorteilhafte Weise können Werkstoff-Proben mit unidirektionaler Faserorientierung untersucht werden. (In 5 durch das Bezugszeichen 86 angedeutet).
Bei der Untersuchung einer Werkstoff-Probe 22 mit unidirektionaler Faserorientierung 86 ist die Werkstoff-Probe 22 insbesondere so an dem Probenhalter 14 gehalten, dass die unidirektionale Faserorientierung 86 mindestens näherungsweise parallel zu der Schlagrichtung 48 ist.
Das erfindungsgemäße Druckprüfungsverfahren, welches an der Druckprüfungsvorrichtung 10 durchführbar ist, funktioniert wie folgt:
Es wird eine Werkstoff-Probe 22 mit dem ersten Bereich 64, dem zweiten Bereich 66 und dem dritten Bereich 68 hergestellt. Diese wird über die Stützstruktur 75 in dem Aufnahmeraum 30 der Aufnahmekammer 20 positioniert.
Bei einem Untersuchungsvorgang wird die Werkstoff-Probe 22 über den Hammerstempel 36 druckbeaufschlagt, das heißt der Hammerstempel 36 übt eine Druckkraft auf die Werkstoff-Probe 22 in der Schlagrichtung 48 aus.
Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass mit der Druckprüfungsvorrichtung 10 (quasi-)statische Messungen durchführbar sind. Bei einer solchen (quasi-)statischen Messung wird der Hammerstempel 36 mit der Geschwindigkeit nahezu Null in der Schlagrichtung 48 gegen die Werkstoffprobe 22 in der Schlagrichtung 48 gedrückt.
Durch die erfindungsgemäße Druckprüfungsvorrichtung 10 sind auch schlagdynamische Messungen möglich, bei denen der Hammerstempel 36 mit einer endlichen (von Null verschiedenen) Geschwindigkeit auf die Werkstoff-Probe 22 an dem ersten Bereich 64 aufschlägt. Es erfolgt dann eine Abbremsung an der Werkstoff-Probe 22 unter insbesondere Stauchung; der gestauchte Bereich bildet einen "Bremsweg".
Insbesondere beträgt eine maximale Geschwindigkeit beim Auftreffen des Hammerstempels 36 auf die Werkstoff-Probe 22 mindestens 2 m/s.
Die maximale Geschwindigkeit kann auch größer sein und kann beispielsweise in der Größenordnung von 10 m/s oder 20 m/s oder auch 30 m/s liegen oder sogar noch höher sein.
Insbesondere wird eine Werkstoff-Probe beziehungsweise es werden baugleiche Werkstoff-Proben mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten untersucht.
Durch den mindestens einen Kraftsensor 58 in dem Hammerstempel 36 lässt sich eine Bruchrate für die Werkstoff-Probe 22 als Gegenkraft ermitteln.
Durch eine Dehnungsmesseinrichtung mit dem mindestens einen Dehnungsmessstreifen 76 lassen sich Dehnungsmessungen an dem dritten Bereich 68 der Werkstoff-Probe 22 durchführen.
Durch die Stützstruktur 42 hindurch lässt sich auch eine optische Beobachtung der Werkstoff-Probe 22 durchführen.
Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und durch das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich eine dynamische "Tastung" einer Werkstoff-Probe 22 durchführen. Der Hammerstempel 36 kann bei einer dynamischen Messung auf eine Probe schlagen. Es lässt sich dadurch eine relativ hohe Kraft stirnseitig an der Werkstoff-Probe 22, das heißt in dem ersten Bereich 64 einleiten. Es ergibt sich eine Stauchbarkeit über eine relativ große Strecke, welche beispielsweise circa 50 mm betragen kann. Es ist dadurch eine relativ große Abbremsstrecke vorhanden, welche gerade eine dynamische Messung erlaubt.
Der dritte Bereich 68 ist ein Einschnürbereich der Werkstoff-Probe 22. An ihm lassen sich entsprechende Dehnungsmessungen durchführen, wobei die Stützstruktur 75 die Werkstoff-Probe 22 in dem Aufnahmeraum 30 hält und der Einfluss der Stützstruktur 75 auf die Messung minimiert ist.
Der eigentliche Untersuchungsbereich, der dritte Bereich 68 als Einschnürungsbereich, ist dabei vorzugsweise nicht direkt abgestützt, das heißt die Stützstruktur 75 kontaktiert diesen dritten Bereich 68 nicht direkt.
Bei der erfindungsgemäßen Druckprüfungsvorrichtung 10 ergibt sich bei dem Prüfungsvorgang eine gute Sichtbarkeit der Werkstoff-Probe 22, so dass beispielsweise das Verhalten der Werkstoff-Probe 22 durch (Hochgeschwindigkeits-)Kameras aufnehmbar ist.
Die Druckprüfungsvorrichtung 10 weist eine gewisse Skalierbarkeit auf, so dass sich Werkstoff-Proben 22 in einem großen Dickenbereich und Breitenbereich untersuchen lassen. In 4 ist eine Dicke d der Werkstoff-Probe 22 und in 5 eine Breite b dieser Probe 22 eingezeichnet. Die Längenrichtung der Werkstoff-Probe 22 ist eine Richtung senkrecht zur Breitenrichtung und Dickenrichtung.
Es lassen sich so für Werkstoff-Proben und insbesondere auch für Faserverbundwerkstoff-Proben mit unidirektionaler Faserorientierung beispielsweise der Zusammenhang zwischen Bruchkraft (gemessen über den Kraftsensor 58) und der Dehnrate (gemessen über den mindestens einen Dehnungsmessstreifen 76) ermitteln.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lassen sich große Stauchwege erreichen. Beispielsweise lassen sich Proben mit einer Probenhöhe von circa 75 mm untersuchen. Die bewegte Masse ist dabei relativ gering und eine Werkstoff-Probe 22 lässt sich auf einfache Weise an der Druckprüfungsvorrichtung 10 montieren.
Die Probenstützung selber hat keinen oder einen minimalen Einfluss auf die Messung.
Bezugszeichenliste

10: Druckprüfungsvorrichtung
12: Maschinenbasis
14: Probenhalter
16: Haltekörper
18: Ausnehmung
20: Aufnahmekammer
22: Werkstoff-Probe
24: Kammerwandung
26: Kammerboden
28: Fixierungseinrichtung
30: Aufnahmeraum
32: Erstreckungsachse
34: Öffnung
36: Hammerstempel
38: Druckplatte
39: Deckel
40a: Knickstützen
40b: Knickstützen
41: Durchtauchöffnung
42: Stützeinrichtung
44: Brücke
46: Richtung
48: Schlagrichtung
50: Antrieb
52: Halteplatte
54: Stiftelement
56: Auftreffbereich
58: Kraftsensor
60: Sacklochausnehmung
62: Unteres Ende
64: Erster Bereich
66: Zweiter Bereich
68: Dritter Bereich
70: Freiraum
72: Materialstreifen
74: Materiallage
75: Stützstruktur
76: Dehnungsmessstreifen
78: Querrichtung
80: Röhrchenstruktur
82: Röhrchen
84: Richtung der Röhrchenausrichtung
86: Unidirektionale Faserorientierung

Claims

Druckprüfungsvorrichtung für eine Werkstoff-Probe (22), umfassend – einen Probenhalter (14) zur Fixierung mindestens einer Werkstoff-Probe (22), wobei der Probenhalter (14) mindestens eine Aufnahmekammer (20) aufweist und eine Stützstruktur (75) aufweist, welche in einem Aufnahmeraum (30) der mindestens einen Aufnahmekammer (20) angeordnet ist, und welche mindestens im Betrieb der Druckprüfungsvorrichtung sich an einer Wandung (24) der Aufnahmekammer (20) abstützt, und – einen Hammerstempel (36), über welchen eine Druckkraft auf die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) in einer relativen Schlagrichtung (48) ausübbar ist, wobei eine relative Maximalgeschwindigkeit beim Auftreffen des Hammerstempels (48) auf die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) mindestens 2 m/s beträgt, und wobei die Stützstruktur (75) in der Schlagrichtung (48) eine geringere Steifigkeit als quer zu der Schlagrichtung aufweist.
Druckprüfungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der E-Modul der Stützstruktur (75) quer zu der Schlagrichtung (48) mindestens fünfzigfach und insbesondere mindestens hundertfach und insbesondere mindestens fünfhundertfach größer ist als der E-Modul in der Schlagrichtung (48).
Druckprüfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (75) die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) umgibt.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (75) eine Röhrchenstruktur (80) ist, welche eine Mehrzahl von parallel ausgerichteten Röhrchen (82) aufweist, wobei eine Richtung einer Röhrchenausrichtung (84) quer und insbesondere senkrecht zu der Schlagrichtung (48) ist.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (75) eine Wabenstruktur ist, welche eine Mehrzahl von parallel ausgerichteten Waben aufweist, wobei eine Wabenausrichtung quer und insbesondere senkrecht zu der Schlagrichtung (48) ist.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) einen ersten Bereich (64), einen zweiten Bereich (66) und einen zwischen dem ersten Bereich (64) und dem zweiten Bereich (66) sitzenden dritten Bereich (68) aufweist, wobei der dritte Bereich (68) eine kleinere Breite aufweist als der erste Bereich (64) und der zweite Bereich (66).
Druckprüfungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freiraum (70) an dem dritten Bereich (68), welcher zwischen einer Außenseite des dritten Bereichs (68) und einer Einhüllendenfläche für den ersten Bereich (64) und den zweiten Bereich (66) gebildet ist, stützstrukturfrei ist.
Druckprüfungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem dritten Bereich (68) eine Dehnungsmesseinrichtung (76) angeordnet ist.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (24) der Aufnahmekammer (20) diese quer zu der Schlagrichtung (48) begrenzt, wobei die Aufnahmekammer (20) zum Hammerstempel (36) hin zur Einwirkbarkeit des Hammerstempels (36) offen ist.
Druckprüfungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung (24) der Aufnahmekammer (20) mindestens ein feststellbar bewegliches und/oder austauschbares Wandelement umfasst und/oder dass die Wandung (24) der Aufnahmekammer (20) mindestens eine Knickstütze (40) umfasst.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Antrieb (50) zum Antreiben einer Bewegung des Hammerstempels (36) und zum Aufbringen einer Druckkraft auf die mindestens eine Werkstoff-Probe (22), wobei insbesondere eine Geschwindigkeit des Hammerstempels (36) beim Auftreffen auf die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) einstellbar ist.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Maximalgeschwindigkeit des Hammerstempels (36) beim Auftreffen auf die Werkstoff-Probe (22) mindestens 4 m/s und insbesondere mindestens 5 m/s und insbesondere mindestens 8 m/s und insbesondere mindestens 12 m/s und insbesondere mindestens 15 m/s beträgt.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auftreffbereich (56) des Hammerstempels (36) auf die mindestens eine Werkstoff-Probe (22) gehärtet ist und insbesondere eine gehärtete Druckplatte umfasst und insbesondere ein Kammerboden eine gehärtete Druckplatte (38) umfasst.
Druckprüfungsvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an und insbesondere in dem Hammerstempel (36) mindestens ein Kraftsensor (58) angeordnet ist.
Druckprüfungsverfahren an einer Werkstoff-Probe (22), bei dem die Werkstoff-Probe (22) mittels einer Stützstruktur (75) an einem Probenhalter (14) gehalten wird und über einen Hammerstempel (36) auf die Werkstoff-Probe (22) eine Druckkraft ausgeübt wird, wobei der Hammerstempel (36) mit einer endlichen Geschwindigkeit auf die Werkstoff-Probe (22) auftrifft und eine Maximalgeschwindigkeit für die endliche Geschwindigkeit mindestens 2 m/s beträgt.
Druckprüfungsverfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kraftbelastung an dem Hammerstempel (36) gemessen wird.
Druckprüfungsverfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dehnung an der Werkstoff-Probe (22) gemessen wird.
Druckprüfungsverfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (75) eine um mindestens einen Faktor 50 größere Steifigkeit quer zu einer Schlagrichtung des Hammerstempels (36) aufweist als in der Schlagrichtung (48).
Verwendung der Druckprüfungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 oder des Druckprüfungsverfahrens gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18 zur Untersuchung von Faserwerkstoffen oder Faserverbundwerkstoffen mit insbesondere unidirektionaler Faserorientierung (86), wobei vorzugsweise eine Schlagrichtung des Hammerstempels (36) parallel zu der unidirektionalen Faserorientierung (86) ist.