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Die Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur Durchführung biaxialer und kreuzförmiger Zugversuche, wobei eine Kraft auf eine Materialprobe über mindestens zwei Nadelarme mit Nadeln geleitet wird, die in einem Gehäuse gelagert sind.
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Biaxiale Zugversuche zur Überprüfung von Materialproben sind für die technische Überwachung und zur Verifizierung von Dehnungs- und Zugeigenschaften aus dem Stand der Technik bekannt. So ist bekannt, dass auf Materialproben eine Krafteinleitung über 2 bis 4 Haken und Seilzügen pro Seite der Probe erfolgt oder über 5 biegeweiche Haken mit extrem langen Zinken durchgeführt wird. Als ein weiteres Beispiel dafür gelten Druckversuche auf Beton unter Einsatz besenartiger Krafteinleitungen.
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Das Problem bei den Materialprüfungen nach dem Stand der Technik ist die auftretende Inhomogenität bei der Überprüfung des Dehnungsvorgangs bei der Materialprüfung. So wird für die Homogenisierung sehr viel Probenmaterial von speziell geformten Kreuzzugproben benötigt, was bei biologischem Gewebe oftmals aufgrund der benötigten Menge ein Problem darstellt. Weiterhin ist die Vorbereitung des Probenmaterials für die Materialmessung teuer und bei biologischem Gewebe oftmals aufgrund dessen mechanischer Eigenschaften technisch schwer machbar. Ferner ist die Lasteinleitung über viele Haken an Seilen sehr arbeitsintensiv und mit der Gefahr der Beschädigung des Gewebes bereits vor Testbeginn verbunden
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Aufgabe der Erfindung ist daher ein System und ein Verfahren zur Materialüberprüfung bereitzustellen, bei dem die Materialproben nicht vorgeschädigt werden und eine rückwirkungsfreie Krafteinleitung ermöglicht wird, indem die Probenhalterungen für eine ungehinderte Querkontraktion oder bei Querzug seitlich ausweichen können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 2 und 7 erfüllt.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Materialprüfung dar, bei dem die die Inhomogenität der Spannungs- und Dehnungszustände infolge einer Dehnungsbehinderung bei der Krafteinleitung vermieden werden soll. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass zur Probenaufnahme Nadeln an Nadelarmen angeordnet werden, die um eine Achse drehbar gelagert sind. Dadurch soll erfindungsgemäß ein seitliches Ausweichen der Nadeln bei der Probenaufnahme ermöglicht und eine ungehinderte Querkontraktion gewährleistet werden, wobei mehrere Nadeln und/oder Nadelarme für eine gleichmäßige Krafteinleitung zur Prüfung einer Materialprobe eingesetzt werden können.
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Die besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems beinhaltet, dass in einem Gehäuse durch die versetzte Anordnung der Lager für die Nadelarme und/oder Nadeln zur Probenbefestigung, die Drehachsen der Nadeln nahe beieinander liegen, wobei nahe bedeutet, dass der Abstand zwischen den einzelnen Nadelarmen und/oder Nadeln in einen Bereich liegt, der die Hälfte des radialen Durchmessers der Nadelarme umfassen kann. Dies hat den Vorteil, dass die Nadelarme im Gehäuse kompakt angeordnet werden können und die Probengröße verkleinert werden kann, insbesondere wenn nur kleine biologische Proben vorliegen. Die um bis zu 180° zueinander gedrehten Nadelarmbefestigungen bzw. Lager ermöglichen eine gleichmäßige Kraftverteilung auf der Materialprobe, wobei die gedrehte Anordnung der Nadelarme alternierend sein kann aber nicht muss. So ist es auch möglich eine Anordnung zu wählen, bei der die Lager einer unregelmäßigen zu einander versetzen Anordnung folgen, wobei die Art der Abfolge den Materialproben spezifischen Anforderungen entspricht.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands bestehen die Lager für die Nadelarme und/oder Nadeln aus Schneiden- oder Wälzlagern, die in entsprechenden Bohrungen angeordnet sind. Auch Gleitlager sind möglich. Die Ausrichtung und definierte Positionierung der Nadelarme in Schneidenlagern wird durch Magnete gewährleistet, die auf der rückwärtigen Seite des Gehäuses auf der den Nadelarmen und/oder Nadeln abgewandten Seite angeordnet und in entsprechenden Taschen eingefasst sind. Die drehbare Bewegung der Nadeln ermöglicht eine Zug- oder Kraftbelastung mit definierter Belastungsrichtung der Probe ohne Behinderung von Querkontraktionen durch die Probenbefestigung.
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Das für die Nadeln und Probenbefestigungen verwendete Material, hängt dabei von den verwendbaren Nadelarten ab. So ist es möglich Nadeln aus einem metallischen Vollmaterial zu verwenden, wobei zur Herstellung solcher Nadeln ein Metalldraht in entsprechend in Form gebogen und an einer Seite angeschliffen wird, um eine Spitze mit geringem Kegelwinkel zu generieren. Alternativ ist es jedoch auch möglich, Nadeln oder Nadelarme aus Metall oder Kunststoff herzustellen, in den eine Spitze getrieben und festgeklebt oder festgepresst wird, die aus Kunststoff oder Metall besteht. Verwendbare Metalle umfassen beispielhaft aber nicht abschließend Eisen, Titan, Kupfer, Zink und Legierungen davon und Kunststoffe wie Polycarbonat, Polyamide, Polytetrafluorethen, Polyacrylnitril sowie faserverstärkte Kunststoffe wie GFK oder CVK.
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Die Einspannung der Nadeln innerhalb der Probenhalterung und der Nadelarme innerhalb des Gehäuses erfolgt durch Bohrungen, wobei die Nadeln durch Stifte gehalten werden, wodurch eine Bewegung in Zugrichtung verhindert wird. Um dies zu unterstützen, werden die Nadeln weiterhin durch eine Verschraubung des Gehäuses in eine Vertiefung geführt und durch ein Konterstück an dem Gehäuse gehalten. Die Nadelarme werden durch ein passendes Halterungsstück formschlüssig mit dem Lagergehäuse, Schneidenlager, Wälzlager, Gleitlager und/oder Nadeln verbunden.
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In einer besonderen Ausführungsform sind die Nadelarme mit entsprechenden Anbringungsmöglichkeiten für Dehnungsmessstreifen ausgestaltet. Als Anbringungsmöglichkeit für die Dehnungsmessstreifen sind dabei Abflachungen insbesondere in Form von Vertiefungen in den Nadelarmen vorgesehen. Vertiefungen bedeutet erfindungsgemäß, dass in einem Teilbereich der Nadelarme ein Materialabtrag erfolgt ist, welcher die Vertiefung radial begrenzt. Die Vermessung des Probematerials erfolgt erfindungsgemäß dergestalt, dass mit Hilfe einer Messbrückenschaltung sowohl Temperaturänderungen als auch Biegungen, die durch Krafteinleitungen entstehen, kompensiert werden. Dafür müssen die Dehnungsmesstreifen auf den ihnen jeweils gegenüberliegenden Seiten der Nadelarme angebracht werden, so dass sie bei Biegung auf der Zug- und Druckseite messen. Je nach Prüfbedingung und Anforderungen sind die Positionierung und die Anzahl der Dehnungsmessstreifen frei wählbar.
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Die Lagerung der Nadelarme kann in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung so erfolgen, dass die Nadelarme nur an einer Seite in die Lager eingefasst werden.
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Dadurch reduziert sich der Platz für eine Anbringung im Gehäuse, was zu einer Vereinfachung des Systems- und eines Probenaufbaus führt. Auch können die einzelnen Abstände der Nadelarme im Gehäuse noch weiter reduziert werden, was bei kleineren Materialproben eine höhere Anzahl von Nadelarmen und/oder Nadeln für die Probeneinspannung ermöglicht. Um eine Behinderung der Querkontraktion bei einachsiger Krafteinleitung durch die Nadelarme zu vermeiden, sind die Einfassungen an den Nadeln verjüngt. Alternativ aber auch ergänzend können die Nadelarme alternierend in zwei Ebenen angeordnet werden, so dass eine geringere Kollision durch überlappende Bewegung bewirkt wird. Beides ermöglicht eine größere Querkontraktion der Probe an den Nadeln- und/oder Nadelarmen.
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Materialproben können erfindungsgemäß bei den durchzuführenden Zugversuchen unterschiedlich an den Nadeln bzw. Nadelarmen befestigt werden, wie zum Beispiel:
- (a) Verschiedene Klebstoffe
- (b) Mechanische Befestigung (z.B. Nadeln oder Klemmen)
- (c) Anfrieren
- (d) Anbrennen
- (e) Über die Oberfläche (z.B. Klettverschluss bei Textilien)
- (t) Biologisch (z.B. Fibronektin)
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Beim erfindungsgemäß Verfahren zur Durchführung von Materialproben werden die Messwerte über entsprechende Hardware erfasst, wobei eine dazu gehörige Software eine Messdatenauswertung ermöglicht, die sich aus einer optischen Dehnungsmessung und dazu synchron aufgezeichneten Kraftmessungen einzelner Sensoren zusammengesetzt. Mit der angeschlossenen Hardware lassen sich verschiedenen Arten der Dehnungs- und Verformungsmessung wie kraftgesteuert (typisch für Kriechversuch) oder weggesteuert (typisch für Relaxationsversuch) durchführen und auswerten. Die Ausrichtung des zu testenden Probenstücks erfolgt entsprechend in Richtung der zu belastenden Nadeln. Bei den Befestigungen und Ausrichtungen können ein Zug- und zum anderen ein Scherversuch durchgeführt werden.
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Die Befestigungen der Materialproben und die Nadeln für die Probenbefestigungen lassen sich je nach Anforderung an die Messungen aus den Werkstoffen Metall, Kunststoff, Keramik sowie Legierungen und Faserbundstoffen derselben für eine Linearführung anpassen. Unter Linearführung ist dabei erfindungsgemäß die vektorielle Ausrichtung der Materialprobe, der Nadeln und/oder Nadelarme mit Hilfe von Führungselementen zu verstehen.
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Der zu verwendende Werkstoff ist in erster Linie abhängig von dem zu testenden Material und der durchzuführenden Prüfvorschrift. Dabei kann auf Grund des gesamten Aufbaus des Messsystems jede mögliche Auswirkung (UV-Strahlung, Feuchte, pH-Wertänderungen, biochemische oder enzymatische Einflüsse, Temperatur warm/kalt) auf die zu testende Probe schon während der Messung untersucht werden. So kann eine Messung dabei durch eine Einsatzwanne ermöglicht werden, in der sich die Probe während der Prüfung befindet. Durch diese Möglichkeit lässt sich damit eine große Vielfalt von verschiedenen Probematerialien wie zum Beispiel:
- (a) weiches Gewebe
- (b) biologisches Gewebe
- (c) Textilien
- (d) Polymere
- (e) Elastomere
- (f) Artifizielles Gewebe
- (g) Verbundenes Gewebe (z.B. mit Fibronektin)
auf folgende mechanische Stoffeigenschaften hin untersuchen und testen:
- (a) Verformbarkeit
- (b) Dehnbarkeit
- (c) Viskoelastizität
- (d) Festigkeit (Zug und Druck)
- (e) Zähigkeit
- (f) Elastizität
- (g) Steifigkeit
- (h) Duktilität
- (i) Scherverhalten
- (j) Plastizität
- (k) Bruch/Reißen
- (l) Anisotropie
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Mit dem erfindungsgemäßen System zur Materialprüfung lassen sich unter anderem folgende Messungen durchführen:
- 1. Uniaxialer Zugversuch mit nur einer sich bewegenden Linearführung.
- 2. Uniaxialer Zugversuch mit zwei sich gegenüberliegenden bewegenden Linearführungen, so dass die Probe immer im Bildzentrum der optischen Dehnungsmessung bleibt.
- 3. Biaxialer Zugversuch mit nur einer sich bewegenden Linearführung, wobei die senkrecht zur Bewegung stehenden Linearführungen nur der Probenfixierung dienen.
- 4. Biaxialer Zugversuch mit zwei sich bewegenden Linearführungen, wobei nur in eine Richtung gezogen wird, und die senkrecht zur Bewegungsrichtung stehenden Linearführungen wie in Punkt 3 nur der Probenfixierung dienen.
- 5. Biaxialer Zugversuch mit zwei sich bewegenden Linearführungen. Im Gegensatz zu 4. wird hierbei in beiden Richtungen jeweils ein Ende fixiert, und das andere Ende durch die Lineareinheit bewegt.
- 6. Biaxialer Zugversuch mit bis zu vier sich bewegenden Linearführungen, bei dem die Probe gleichmäßig in alle Richtungen gezogen und dadurch verformt wird.
- 7. Alle Versuche aus 1-6, mit dem Unterschied, dass es sich nun nicht um eine weggesteuerte Messung, sondern um eine kraftgesteuerte Messung handelt. Dabei wird nun eine bestimmt Kraft vorgegeben, die im Laufe der Messung angefahren und dann beibehalten wird.
- 8. Alle Versuche aus 1-6, mit dem Unterschied, dass es sich in der einen Zugrichtung um eine weggesteuerte Messung und in der dazu senkrechten Richtung um eine kraftgesteuerte Messung handelt.
- 9. Alle Versuche aus 1-8, mit dem Unterschied, dass zyklische oder beliebige Lastgeschichten (z.B. sinus-, dreiecks-, trapezförmig) gefahren werden können.
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Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems erzeugen die Prüfungen, die in den Punkten 1 und 2 aufgeführt und beschrieben sind, einen einachsigen Spannungszustand, in dem die Querkontraktion nicht behindert ist. Dagegen erzeugen die Prüfungen, die in den Punkten 3 und 4 aufgeführt und beschrieben sind, einen einachsigen Dehnungszustand, bei dem am starren Rand keine tangentialen Kräfte entstehen. Das System erzeugt dabei die mechanischen Bedingungen einer reibungsfreien starren Wand.
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Die möglichen Prüfungen, die in den Punkten 1 bis 9 aufgeführt und beschrieben sind, lassen sich auch für andere Probenausrichtungen durchführen, d.h. es handelt sich dann um einen Scherversuch für anisotrope Werkstoffe. Durch die Konstruktion der Nadeleinfassung kann das System schnell an unterschiedliche Materialprobengrößen angepasst werden, wodurch mit den verschiedensten Materialproben eine ein- oder zweiachsige Prüfung durchgeführt werden kann.
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Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Systems lassen sich die einzelnen Haltekräfte der Nadeln an der Probe direkt messen. Die Messung der Kraft erfolgt somit nicht mehr nur gemittelt am Gehäuse. Der Vorteil ist dadurch, dass genauere Untersuchungen über inhomogenes oder ein anisotropes Verhalten der untersuchten Probe durchgeführt werden können.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren nochmals eingehend beschrieben:
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1 zeigt eine Aufsicht auf die in Lagern (5) angeordneten Nadelarme (1) und Nadeln (2) und deren Ausrichtung für eine Materialprobenbefestigung. Dabei sind die Lager (5) vorliegend als Kugellager oder als Schneidenlager ausgestaltet, wobei die Nadeln (2) mit den Nadelarmen (1) fest verbunden und die Nadelarme (1) in ihrer Höhe in den Befestigungen im Gehäuse (3) versetzt angeordnet sein können. Die Drehachsen der Nadelarme (1) und Nadeln (2) liegen daher nahe beieinander, was zu einer Platzersparnis an den Befestigungen führt. Die jeweils um 180° alternierend zueinander gedrehten Lager (5) sorgen für eine gleichmäßige Kraftverteilung an der Materialprobe.
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2a bis 2c zeigt die prinzipielle Funktion der Schneidenlager mit einer Detailansicht des vorderen Teils des Gehäuses (3), den Nadelarmen (1) und den Nadeln (2), die in Bohrungen eingelagert sind. Die Ausrichtung und Positionierung der Nadeln (2) wird durch Magnete (nicht abgebildet) gewährleistet, die auf der rückwärtigen Seite des Gehäuses (3) in Taschen eingefasst sind. Die dadurch in allen Fällen entstehende freie Drehbarkeit (siehe 2c, Drehachse der Schneidenlager (8) und freie Lagerung der Nadeln (2) ermöglicht eine reine Zugbelastung mit definierter Belastungsrichtung einer Materialprobe ohne Behinderung von Querkontraktionen.
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3 zeigt beispielhaft die Ausrichtung einer zu testenden Materialprobe (6) in Richtung der zu belastenden Nadeln (2). Die Befestigungen und Ausrichtungen ermöglichen die Durchführung von Zug- und/oder Scherversuchen. Die Befestigungen der Materialproben (6) und der Nadeln (2) für die Probenbefestigungen (7) lassen sich je nach Anforderung an die Messungen aus den Werkstoffen Metall, Kunststoff, Keramik sowie Legieren und Faserbundstoffen derselben für eine Linearführung anpassen.
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4 zeigt die Anordnung der Lager (5) der Nadelarme (1) in einem Gehäuse (3). Man erkennt, dass die Lager in dem Gehäuse (3) alternierend um 180° gedreht zueinander angeordnet sind, wobei aus der gedreht, alternierenden und in ihrer Höhe versetzten Anordnung der Lager (5) eine Platzersparnis im Gehäuse (3) gegenüber einer gleichgerichteten Anordnung der Lager (5) resultiert.
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5 zeigt die Aufsicht auf ein Gehäuse (3) mit Inbusschrauben in welches Nadelarme (1) in Lager (5) aufgenommen sind. Die Lager (5) der Nadelarme (1) sind alternierend um 180° versetzt zu einander angeordnet. An den distalen Enden der Nadelarme (1) befinden sich Nadeln (2), die ebenfalls in Lager (5) aufgenommenen sind, die sich aber vom Typ der Lager (5) der Nadelarme (1) unterscheiden können. Man erkennt ferner, dass die Nadeln (2) in der Auslenkungsrichtung (4) bewegbar sind.
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6 zeigt die Nadelarme (1) und die Nadeln (2) in einer seitlichen Ansicht. Die Nadelarme (1) können sich in der Auslenkungsrichtung (4) um die Lager (5) bewegen. Die Nadelarme (1) sind vorliegend aus einem Draht gedreht und weisen eine zylinderförmige Gestalt auf, während die Nadeln (2) einen konischen Verlauf haben.
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7 zeigt die Nadelarme (1) und die Nadeln (2) in einer vertikalen Schnittzeichnung. Gegenüber der 6 unterscheidet sich diese besondere Ausgestaltung des Erfindungsgegenstands dadurch, dass die Nadelarme (1) keine bogenförmige Krümmung im Bereich der Aufnahme der Nadeln (2) aufweisen. Ferner sind die Nadeln (2) in die Nadelarme (1) gepresst, die aus einem länglichen, gestanzten Grundkörper bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nadelarme
- 2
- Nadeln
- 3
- Gehäuse
- 4
- Auslenkungsrichtungen
- 5
- Lager
- 6
- Materialprobe
- 7
- Befestigung
- 8
- Drehachse der Schneidenlager
