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Die Erfindung betrifft eine Probengeometrie für eine Materialprüfung sowie Verfahren zur mechanischen Werkstoffprüfung und/oder Auswertung.
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Verfahren zur Materialprüfung, insbesondere Zugversuche, sind hinlänglich bekannt. Hierbei werden aus einem zu prüfenden Material Proben geformt und in Einspanneinheiten befestigt und mittels einer insbesondere linearen Auseinanderfahrbewegung gedehnt, wobei die aufgebrachte Kraft mittels Kraftmesseinheiten kontinuierlich ermittelt wird. Die Einspanneinheiten können abhängig vom Verformungsverhalten des zu prüfenden Materials unter Last mittels einer vorzugsweise präzise gesteuerten Verfahrbewegung eine seitliche Ausgleichsbewegung vollziehen und so das Verwinden oder Verbiegen des zu prüfenden Materials über eine möglichst große Laststrecke oder Testdauer vermeiden.
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Mit anderen Worten ist es aus dem Stand der Technik bekannt, dass sich bei der Durchführung von Versuchen zur Materialprüfung, wie beispielsweise Zug-, Druck-, Schub- oder Biaxial-Versuchen, die Einspanneinheiten einer Prüfmaschine typischerweise nicht starr auf den vorgesehenen Bahnen und/oder Trajektorien entlang der entsprechend ausgewählten Achse bewegen. Sie weisen oftmals ein gewisses Spiel in ihren Rotationsfreiheitsgraden auf. Zudem sind unerwünschte Translationsbewegungen möglich. Daraus folgt, dass auch der zu untersuchenden Deformation des zu prüfenden Materials eine Translation und Rotation überlagert ist. Bei einer 3D-Messung des Verschiebungsfeldes mittels digitaler Bildkorrelation ist dies zudem problematisch, da die Messdaten um diese Überlagerung korrigiert werden müssen. Insbesondere eine Erfassung der Deformation in Tiefenrichtung ist ohne eine entsprechende Korrektur nicht möglich.
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Als mögliche Problemlösung ist es dabei aus dem Stand der Technik bekannt, den zu untersuchenden Bereich des zu prüfenden Materials durch geeignete Ansteuerung einer Trag- und Positioniereinheit einer Vorrichtung zur Materialprüfung im gewünschten Fokus zu halten. Hierbei kann eine Kamera vorgesehen sein, welche die Lage und Lageveränderung des zu prüfenden Materials erfasst und diese Daten zur Steuerung, insbesondere der Trag- und Positioniereinheit, verwendet.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2018 001 683 A1 ist eine In-situ-Testeinheit sowie ein Testverfahren zur biaxialen, statischen und/oder dynamischen Testung von Material, insbesondere zum Einbau und/oder zum funktionalen Zusammenwirken mit einer berührungslosen Erfassungsvorrichtung sowie eine digitale Auswert- und Steuereinheit, zu entnehmen. Die In-situ-Testeinheit umfasst dabei eine Tragstruktur, welche mechanisch mit einer Trag- und Positioniereinheit der Erfassungsvorrichtung verbindbar ist, vier auf der Tragstruktur in einer Ebene und im Winkel zueinander angeordnete Halt- und Antriebseinheiten, umfassend jeweils mindestens einen elektrischen Antriebsmotor, eine Kraftmesseinheit, ein motorseitiges Vorschub- und Verbindungselement zur Kraftmesseinheit, eine Einspanneinheit für ein zu testendes Substrat, wobei eine Kraftmesseinheit und die Einspanneinheit verbindbar und gemeinsam durch mindestens einen Antriebsmotor linear verfahrbar sind, sodass mittels des ersten Paares von zwei sich gegenübersehenden Halte- und Antriebseinheiten eine Linearbewegung und eine Kraftrichtung in einer ersten Zugachse und das andere Paar von zwei sich gegenübersehenden HAE einer zweiten Zugachse, die senkrecht zur ersten Zugachse ausgerichtet ist, wobei die Einspanneinheit ein Basiselement und ein Wechselelement aufweist, wobei an dem Wechselelement eine ein- oder mehrteilige Klammereinrichtung zum Fixieren eines Substrats vorgesehen ist, und wobei das Wechselelement lösbar in dem Basiselement befestigt ist.
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Es verbleibt jedoch das Problem, dass mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren beziehungsweise der Vorrichtung eine Messung nicht gänzlich unbeeinflusst von der Werkzeugbewegung beziehungsweise den Eigenbewegungen der Einspanneinheiten erzielt werden kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Probengeometrie für eine Materialprüfung sowie ein Verfahren zur mechanischen Werkstoffprüfung und/oder Auswertung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten bevorzugten Ausführungsbeispiele und Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem eine Probengeometrie für eine Materialprüfung geschaffen wird, aufweisend mindestens einen Krafteinleitungsbereich, mindestens einen Beanspruchungsbereich sowie mindestens einen Referenzflächenbereich, wobei der Krafteinleitungsbereich in den Beanspruchungsbereich übergeht, wobei der Referenzflächenbereich aus dem Krafteinleitungsbereich heraus ausgebildet ist, in der Art, dass der Referenzflächenbereich im Bereich des Beanspruchungsbereichs angeordnet ist oder sich dorthin erstreckt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Krafteinleitungsbereich mittels eines Kraftübertragungsbereichs in den Beanspruchungsbereich übergeht. Mit anderen Worten ist bevorzugt vorgesehen, dass der Krafteinleitungsbereich in den Beanspruchungsbereich mittels eines dazwischenliegenden Kraftübertragungsbereichs, insbesondere ineinander, übergeht.
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Mit anderen Worten ist insbesondere vorgesehen, dass der Referenzflächenbereich seitlich von und beabstandet zu dem Beanspruchungsbereich angeordnet ist, wodurch eine mechanische Entkopplung erreicht wird. Hierdurch wird es insbesondere ermöglicht, insbesondere eine Tiefendeformation eines zu prüfenden Materials während der Materialprüfung mit einem einzigen, insbesondere einzelnen, 3D-Messsystem korrekt zu erfassen und daraus eine Dehnung in diese Raumrichtung zu bestimmen.
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Durch die Erfassung des vollständigen, dreidimensionalen Verformungszustands lassen sich Materialien zudem präziser digitalisieren, wodurch sich eine Prognosegüte von Simulationen erhöhen lässt. Dies ist insbesondere in Bezug auf die Digitalisierung der Entwicklungsprozesse wie auch der Produktion von Vorteil. Insbesondere ist es hierdurch möglich Entwicklungszyklen zu verkürzen.
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Ferner ist es von Vorteil - durch die Verwendung lediglich eines einzelnen 3D-Messsystems - die zu verarbeitenden Rohdaten zu verringern, wodurch eine Auswertung der Materialprüfung schneller und insbesondere effizienter gestaltet werden kann. Zudem können durch die Vermeidung eines zweiten 3D-Messsystems hohe Anschaffungskosten vermieden werden, wodurch entsprechend auch Prüfkosten reduziert werden können.
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Durch den Verzicht auf ein weiteres 3D-Messsystem kann insbesondere auch ein Speicherverbrauch für die Rohdaten der Materialprüfung verringert werden. Darüber hinaus kann durch die Verwendung lediglich eines 3D-Messsystems auf eine hochkomplexe Synchronisation von Signalen der beiden 3D-Messsysteme verzichtet werden.
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Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass sich der Referenzflächenbereich ausschließlich aus dem Krafteinleitungsbereich heraus erstreckt, wodurch der Referenzflächenbereich nicht durch die Materialprüfung beeinflusst beziehungsweise der Referenzflächenbereich nicht durch einen durch die Materialprüfung ausgeübten Spannungszustand, welcher durch eine angewendete Kraft bewirkt wird, verformt wird. Mit anderen Worten ist eine Positionsänderung der Referenzflächenbereiche ausschließlich auf eine Bewegung der Einspanneinheiten - manchmal auch als Einspannbacken bezeichnet - zurückzuführen. Insofern ist es möglich mit einem einzigen 3D-Messsystem sowohl die Referenzflächenbereiche wie auch den Probenbereich, insbesondere den Beanspruchungsbereich, zu erfassen, da sich der Referenzflächenbereich in den Bereich des Beanspruchungsbereichs erstreckt. Im Vergleich der beiden Bereiche können im Anschluss die erhaltenen Messdaten um unerwünschte Bewegungs- und Deformationsanteile korrigiert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Referenzflächenbereich aus dem Krafteinleitungsbereich, vorzugsweise seitlich, abragt. Unter dem Begriff „abragt“ soll insbesondere in Zusammenhang mit der Erfindung verstanden werden, dass der Referenzflächenbereich aus dem Krafteinleitungsbereich in Richtung einer Kraft, welche für die Materialprüfung, insbesondere für den Spannungszustand, auf die Werkstoffprobe ausgeübt wird, ausgerichtet ist. Durch den Begriff „abragt“ soll somit in Zusammenhang mit der Erfindung insbesondere die mechanische Entkopplung vom Beanspruchungsbereich hervorgehoben werden. Insofern ist es insbesondere möglich, die entsprechenden Relativbewegungen des Referenzflächenbereichs besonders präzise mit einem einzigen 3D-Messsystem zu erfassen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Referenzflächenbereich als freies Ende ausgebildet ist, insbesondere in Form einer Lasche oder laschenförmig. Hierdurch wird es insbesondere ermöglicht, dass auf besonders einfache und präzise Art und Weise eine Relativbewegung des Referenzflächenbereichs erfasst wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der mindestens eine Referenzflächenbereich einstückig aus dem Krafteinleitungsbereich heraus ausgebildet ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass hierdurch eine Verfälschung von Messergebnissen vermieden werden kann, da kein anderes als das zu prüfende Material zur Bildung des Referenzflächenbereichs verwendet wird.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem ein Verfahren zur mechanischen Werkstoffprüfung und/oder Auswertung geschaffen wird, wobei ein 3D-Messystem sowie mindestens zwei Einspanneinheiten verwendet werden, und wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a) Einspannen einer Werkstoffprobe zwischen die mindestens zwei Einspanneinheiten, und wobei die Werkstoffprobe eine Probengeometrie gemäß der Erfindung oder einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele aufweist,
- b) Verformen des Beanspruchungsbereichs der Werkstoffprobe durch Anwenden, insbesondere Aufprägen oder Aufbringen, eines Spannungszustands auf die Werkstoffprobe, wobei der Spannungszustand mittels Anwenden einer Kraft auf die Werkstoffprobe, insbesondere auf den Krafteinleitungsbereich der Werkstoffprobe, bewirkt wird,
- c) Erfassen von einer Verformung des Beanspruchungsbereichs mittels des 3D-Messsystems während des gemäß Verfahrensschritt b) angewendeten Spannungszustands, wobei simultan mit dem 3D-Messsystem eine Bewegung, insbesondere translatorische und/oder rotatorische, des mindestens einen Referenzflächenbereichs der Werkstoffprobe erfasst wird,
- d) Korrigieren der gemäß Verfahrensschritt c) erfassten Messdaten der Verformung des Beanspruchungsbereichs der Werkstoffprobe, in Abhängigkeit der gemäß Verfahrensschritt c) erfassten Messdaten der Bewegung des mindestens einen Referenzflächenbereichs der Werkstoffprobe,
- e) Auswerten der gemäß Verfahrensschritt d) korrigierten Messdaten der Verformung des Beanspruchungsbereichs der Werkstoffprobe,
- f) Erhalt eines Ergebnisses für die mechanische Werkstoffprüfung der Werkstoffprobe.
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Durch das Verfahren ist es insbesondere auf einfache Art und Weise möglich, Messdaten einer mechanischen Werkstoffprüfung um Relativbewegungen der für die Messung verwendeten Einspanneinheiten zu korrigieren.
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In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung sollen die Begriffe „Verformung“ und „Deformation“ beziehungsweise die Begriffe „verformen“ und „deformieren“ jeweils synonym verstanden werden.
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Im Verfahrensschritt b) wird vorzugsweise eine Verformung der Werkstoffprobe, insbesondere des Beanspruchungsbereichs der Werkstoffprobe, durch den angewendeten Spannungszustand bewirkt, wobei eine Kraftantwort der Werkstoffprobe, insbesondere mittels Kraftmesseinheiten, vermessen wird. Die Verformung wird vorzugsweise durch eine entsprechend gesteuerte Relativverschiebung der Einspanneinheiten erzielt.
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Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass der Spannungszustand ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Zugspannungszustand, Druckspannungszustand, Schubspannungszustand und mehraxialer Spannungszustand. Manchmal werden in Zusammenhang mit den genannten Spannungszuständen die entsprechenden Versuche auch als Zugversuch, Druckversuch, Schubversuch oder mehraxialer Versuch beziehungsweise im Versuch die Spannung als Zug-, Druck-, Schub- und mehraxiale Spannung bezeichnet.
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In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter einer „Kraft“ vorzugsweise nicht nur eine Kraft sondern auch mehrere Kräfte verstanden werden. Hierbei sei insbesondere angesprochen, dass für einen mehraxialen Spannungszustand mehrere Kräfte in unterschiedliche Richtungen wirken und insbesondere die Kräfte in unterschiedliche Richtungen jeweils einen unterschiedlichen Betrag, vorzugsweise in der Einheit Newton, aufweisen.
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In Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung soll unter dem Begriff „mehraxial“ insbesondere „biaxial“ oder „triaxial“ verstanden werden.
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In Zusammenhang mit dem Verfahren zur mechanischen Werkstoffprüfung und/oder Auswertung werden insbesondere die Vorteile erzielt, welche schon in Zusammenhang mit der Probengeometrie für eine Materialprüfung erläutert wurden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Erfassung von Messdaten gemäß Verfahrensschritt c) oder dass zur Erfassung eines durch den angewendeten Spannungszustand gemäß Verfahrensschritt b) resultierenden Verschiebungsfeldes, eine digitale Bildkorrelation (engl. digital image correlation, kurz DIC) angewendet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mechanische Werkstoffprüfung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Zugversuchsprüfung, Druckversuchsprüfung, Schubversuchsprüfung und mehraxialer Versuchsprüfung, wobei entsprechend der Auswahl der Werkstoffprüfung in Verfahrensschritt b) bei der Zugversuchsprüfung eine Zugspannung, bei der Druckversuchsprüfung eine Druckspannung, bei der Schubversuchsprüfung eine Schubspannung und bei der mehraxialen Versuchsprüfung ein mehraxialer Spannungszustand angewendet wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise für eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren zur Materialprüfung Relativbewegungen von Einspanneinheiten, welche zur Materialprüfung verwendet werden, ausgeglichen werden können. Mit anderen Worten ist bevorzugt vorgesehen, dass das hier beschriebene Verfahren auf mechanische Werkstoffprüfungen mit beliebigen Spannungszuständen (z.B. Zug, Druck, Schub oder mehraxial) angewendet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das verwendete 3D-Messystem ein optisches System, insbesondere ein 3D-Messystem mit einer Kamera, ist.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Probengeometrie für eine Materialprüfung,
- 2 in einer schematischen Darstellung einen Ablaufplan einer Ausführungsform des Verfahrens zur mechanischen Werkstoffprüfung.
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Der 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Probengeometrie 1 für eine Materialprüfung zu entnehmen, aufweisend mindestens einen Krafteinleitungsbereich 3, mindestens einen Beanspruchungsbereich 7 sowie mindestens einen Referenzflächenbereich 9, wobei der Krafteinleitungsbereich 3 in den Beanspruchungsbereich 7 übergeht, wobei der Referenzflächenbereich 9 aus dem Krafteinleitungsbereich 3 heraus ausgebildet ist, in der Art, dass der Referenzflächenbereich 9 im Bereich des Beanspruchungsbereichs 7 angeordnet ist oder sich dorthin erstreckt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Krafteinleitungsbereich 3 mittels eines Kraftübertragungsbereichs 5 in den Beanspruchungsbereich 7 übergeht. Mit anderen Worten ist bevorzugt vorgesehen, dass der Krafteinleitungsbereich 3 in den Beanspruchungsbereich 7 mittels eines dazwischenliegenden Kraftübertragungsbereichs 5 übergeht.
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Ferner ist der 1 zu entnehmen, dass der mindestens eine Referenzflächenbereich 9 aus dem Krafteinleitungsbereich 3, vorzugsweise seitlich, abragt, insbesondere in X- und Y-Richtung (vergleiche das Koordinatenkreuz in 1).
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass der mindestens eine Referenzflächenbereich 9 als freies Ende 11 ausgebildet ist, insbesondere in der Form einer Lasche 13 oder laschenförmig.
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Ferner ist der 1 zu entnehmen, dass der mindestens eine Referenzflächenbereich 9 einstückig aus dem Krafteinleitungsbereich 3 heraus ausgebildet ist.
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Der 2 ist in einer schematischen Darstellung ein Ablaufplan einer Ausführungsform des Verfahrens zur mechanischen Werkstoffprüfung zu entnehmen, wobei ein 3D-Messsystem 15 (vergleiche insbesondere 1) sowie mindestens zwei Einspanneinheiten 17 (vergleiche insbesondere 1) verwendet werden, und wobei die folgenden Verfahrensschritte ausgeführt werden:
- a) Einspannen einer Werkstoffprobe 19 (vergleiche 1) zwischen die mindestens zwei Einspanneinheiten 17 (vergleiche 1), und wobei die Werkstoffprobe 19 eine Probengeometrie 1 gemäß der Erfindung oder einem der zuvor genannten Ausführungsbeispiele aufweist,
- b) Verformen des Beanspruchungsbereichs 7 der Werkstoffprobe 19 durch Anwenden, insbesondere Aufprägen oder Aufbringen, eines Spannungszustands auf die Werkstoffprobe 19 in einer Werkstoffprüfung, wobei der Spannungszustand mittels Anwenden einer Kraft auf die Werkstoffprobe 19, insbesondere auf den Krafteinleitungsbereich 3 der Werkstoffprobe 19, bewirkt wird,
- c) Erfassen von einer Verformung des Beanspruchungsbereichs 7 mittels des 3D-Messsystems 15 während des gemäß Verfahrensschritt b) angewendeten Spannungszustands, wobei simultan mit dem 3D-Messsystem 15 eine Bewegung, insbesondere translatorische und/oder rotatorische, des mindestens einen Referenzflächenbereichs 9 der Werkstoffprobe 19 erfasst wird,
- d) Korrigieren der gemäß Verfahrensschritt c) erfassten Messdaten der Verformung des Beanspruchungsbereichs 7 der Werkstoffprobe 19, in Abhängigkeit der gemäß Verfahrensschritt c) erfassten Messdaten der Bewegung des mindestens einen Referenzflächenbereichs 9 der Werkstoffprobe 19,
- e) Auswerten der gemäß Verfahrensschritt d) korrigierten Messdaten der Verformung des Beanspruchungsbereichs 7 der Werkstoffprobe 19,
- f) Erhalt eines Ergebnisses für die mechanische Werkstoffprüfung der Werkstoffprobe 19.
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Darüber hinaus ist bevorzugt vorgesehen, dass zur Erfassung von Messdaten gemäß Verfahrensschritt c) oder dass zur Erfassung eines durch den angewendeten Spannungszustand gemäß Verfahrensschritt b) resultierenden Verschiebungsfeldes, eine digitale Bildkorrelation angewendet wird.
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Im Übrigen ist bevorzugt vorgesehen, dass die mechanische Werkstoffprüfung ausgewählt ist aus einer Gruppe bestehend aus Zugversuchsprüfung, Druckversuchsprüfung, Schubversuchsprüfung und mehraxialer Versuchsprüfung, wobei entsprechend der Auswahl der Werkstoffprüfung in Verfahrensschritt b) bei der Zugversuchsprüfung eine Zugspannung, bei der Druckversuchsprüfung eine Druckspannung, bei der Schubversuchsprüfung eine Schubspannung und bei der mehraxialen Versuchsprüfung ein mehraxialer Spannungszustand angewendet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018001683 A1 [0005]
