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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Testvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Testverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
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Im Stand der Technik sind so genannte in-situ Mess- und Testverfahren bei statischen oder quasi-statischen Zug- und Druckverhältnissen für Rasterelektronenmikroskope (REM) bekannt. Es besteht ein steigender Bedarf diese Mess- und Testverfahren auf schnelle Wechselbelastung von Proben auszuweiten und auf diese Weise Ermüdungserscheinungen beschreiben und quantifizieren zu können. Die für SEM oder REMs entwickelten Testvorrichtungen sind üblicherweise Spindelmaschinen, wie beispielsweise in der
FR 3 039 274 A1 oder
EP 3 379 237 A1 beschrieben. Diese sind nicht in der Lage schnelle Wechselbelastungen in eine unter Vorspannung belastete Probe einzubringen. Weiterhin besteht die Herausforderung, dass die Testvorrichtung und das Testverfahren unter Vakuum erfolgen muss und somit sehr kompakt aufgebaut sein muss, um in der Untersuchungskammer eines REM oder SEM unterzukommen. Insbesondere beseht ein Bedarf, hinreichend große dynamische Wechselbelastung und Vorspannungskräfte bei in-situ Untersuchungen zu ermöglichen.
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Aus der
CN 2 02 305 330 U ist eine sehr kleine und nur für geringe Kräfte geeignete in-situ Testvorrichtung für REM oder SEM bekannt, bei der ein kleiner, als Piezoaktor ausgebildeter Schwingungsantrieb auf dem Kopf der Testvorrichtung angeordnet wurde. Nachteilig ist, dass die bisherigen Lösungen den stark steigenden Bedarfen hin zu größeren Vorspannkräften und schnellen Wechselbelastungen nicht gerecht werden. Weitere Testvorrichtungen zur Materialuntersuchung mittels einer Wechselbelastung sind aus
CN 2 10 604 226 U und
DE 10 2018 001 683 A1 bekannt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Testvorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, so dass in-situ Testverfahren, insbesondere für REM oder SEM, unter größeren (Vorspann-)Kräfte und schnellen Wechselbelastungen durchgeführt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Testvorrichtung nach den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Testverfahren nach den Merkmalen des Anspruches 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den jeweiligen, zugehörigen Unteransprüchen angegeben.
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Danach wird die Aufgabe gelöst durch eine Testvorrichtung zur Materialuntersuchung mittels einer Wechselbelastung, insbesondere in-situ für ein Elektronenstrahl- oder Rasterelektronenmikroskop, die die folgenden Elemente umfasst:
- - einen mindestens zweiteiligen Probenhalter zum sicheren Halten eines Probenmaterials unter Krafteinwirkung entlang einer ersten Kraftachse,
- - mindestens eine Kraftmesseinheit, die mit einem Teil des Probenhalters sensorisch verbunden ist, wobei mindestens ein Teil des Probenhalters relativ zum anderen Teil des Probenhalters mittels eines motorisch angetriebenen, zwei Antriebsenden aufweisendes Führungsjoch verfahrbar ist. Das Verfahren des Führungsjochs dient zur Einbringung und Erzeugung der Vorspannkraft in Richtung der ersten Kraftachse. Hierzu ist das Führungsjoch an den beiden Antriebsenden mit je einer Antriebswelle gekoppelt, die synchron antreibbar sind beziehungsweise das gesamte Führungsjoch verfahren. An dem Führungsjoch und mit diesem verfahrbar ist einen Schwingungsantrieb aufnehmende Halte- und Trageinheit angeordnet Diese Trageinheit umfasst Befestigungselemente für mindestens einen Schwingungsantrieb und/oder bildet ein Aufnahmeelement, in den der mindestens eine Schwingungsantrieb mindestens teilweise eingefügt werden kann.
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Die beiden das Führungsjoch antreibenden Antriebswellen sind parallel ausgerichtet und können über einen gemeinsamen Motor oder über zwei synchron arbeitende Motoren angetrieben werden.
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Der Schwingungsantrieb ist derart ausgebildet, dass die Schwingungsamplitude eine Kraftrichtung und -achse aufweist, die parallel zur ersten Kraftachse ausgerichtet ist, und wobei ein mehrteiliges Kopplungselement vorgesehen versehen ist, welches den Schwingungsantrieb mit dem mindestens einen verfahrbaren Teil des Probenhalters zum Eintrag von Schwingungen in lösbarer Art und Weise verbindet, so dass Wechselschwingungen in ein in der ersten Kraftachse vorgespanntes Probenmaterial eingebracht werden können. Dieses Kopplungselement weist einen ersten in der ersten Kraftachse verlaufenden ersten Kraftschenkel auf und einen zweiten, in der zweiten Kraftachse (B) verlaufenden zweiten Kraftschenkel und ein die beiden Kraftschenkel starr verbindendes Querverbindungselement, wobei am vorderen Ende des ersten Kraftschenkels, der mindestens eine verfahrbare Teil des Probenhalters befestigt ist, insbesondere lösbar befestigt ist. Hierbei meint das vordere Ende dasjenige Ende, welches an der vom Querverbindungselement abgewandten Seite des Führungsjochs angeordnet ist. Bei einer alternativen Ausführungsform sind beiden Teile des Probenhalter motorisch angetrieben und bewegen sich synchron zu einer zentralen Achse oder Ebene.
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Bei einer verbesserten Ausführungsform sind beide Teile des Probenhalters relativ zueinander verfahrbar, insbesondere ist mindestens eines der Teile mittels eines motorisch angetriebenen Führungsjochs verfahrbar. Hierbei sind idealerweise die beiden Führungsjoche oder das Führungsjoch und der verfahrbare zweite Teil des Probenhalters mit mindestens je zwei Antriebswellen gekoppelt und synchron antreibbar. Mindestens einer der beiden verfahrbaren Teile des Probenhalters kann auch als Führungsjoch ausgebildet sein. An dem zweiten verfahrbaren Teil des Probenhalters oder dem zugehörigen Führungsjoch kann ein Führungselement für den Schwingungsantrieb befestigt oder hiermit verbunden sein, an oder in welchem ein Abschnitt des Schwingungsantriebes gleitend oder verschiebbar aufgenommen und geführt ist. Für die verfahrbaren Teile des Probenhalters ist vorteilhafterweise mindestens ein schienen- oder schalbenschwanzartiges Führungselement vorgesehen, auf oder an dem mindestens ein verfahrbare Teil des Probenhalters verschieblich gehalten und/oder geführt wird.
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Eine verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass der erste Kraftschenkel am ersten Ende mindestens ein vom verfahrbaren Teil des Probenhalters lösbares Verbindungselement aufweist oder als ein solches ausgebildet ist und am zweiten Ende ein Befestigungselement für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselements umfasst oder als ein solches ausgebildet ist. Die Befestigungselemente sind insbesondere Gewinde oder Gewindeabschnitte mit gleichen oder unterschiedlichen Durchmessern und/oder Gewindesteigungen. Idealerweise sind die Befestigungselemente der beiden Seiten mit gegebenenfalls einem dazwischen liegenden Verbindungselement aus einem Werkstoff monolithisch als ein einziges Element ausgebildet.
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Bei einer weiter verbesserten Ausführungsform umfassen beide Kraftschenkel am jeweils hinteren, zweiten Ende ein Befestigungselement für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselementes. Die Befestigungselemente sind hierbei insbesondere Gewinde oder Gewindeabschnitte, auf denen mittels Mutterschrauben das Querverbindungselement kraftschlüssig gehalten und verspannt werden kann. Idealerweise bilden analog zum ersten Kraftschenkel die Befestigungselemente der beiden Enden ein einziges, monolithisches Befestigungselement.
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Bei einer alternativen Ausführungsform weist der erste Kraftschenkel mindestens ein zentrales Befestigungsmittel auf, an oder in welchem an der ersten Seite das lösbare Verbindungselement zum verfahrbaren Teil des Probenhalters angebracht und/oder ausgebildet ist und weiterhin an der anderen Seite das Befestigungselement für das Querverbindungselement befestigt und/oder ausgebildet ist. Das Befestigungsmittel kann hierfür als Adapter ausgebildet sein und ein oder zwei Innengewinde aufweisen, in welche die Verbindungselemente einschraubbar und verspannbar sind. Alternativ kann der Adapter selbst als Spanneinheit ausgebildet sein, welche die Verbindungselemente jeweils einseitig aufnimmt und diese lagesicher verspannt und fixiert hält.
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Wie vorstehend schon erwähnt, können die lösbaren Verbindungselemente ein Gewinde oder Gewindestange sein, welche mittels einer Kontermutter an dem Befestigungsmittel und/oder mittels einer Kontermutter mit dem am anderen Ende angebrachten Element verspannt werden kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform ist das Befestigungselement des ersten Kraftschenkels ein Gewinde oder eine Gewindestange, und wobei das Querverbindungselement beidseitig mittels Mutterschrauben verschraubt ist.
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Mit Blick auf den zweiten Kraftschenkel besteht eine vorteilhafte Ausführungsform darin, dass dieser ein Befestigungsmittel umfasst, das mit seinem ersten Ende mit der Antriebsseite des Schwingungsantriebes lösbar verbunden ist, und wobei das Befestigungsmittel am zweiten Ende das Befestigungselement für die kraftschlüssige Befestigung des Querverbindungselementes umfasst. Hierbei kann das Befestigungsmittel analog zum ersten Kraftschenkel aufgebaut sein, wobei die jeweiligen Verbindungselemente an den ersten Seiten bezüglich des jeweiligen, zu verbindenden Anschlusselements angepasst sind.
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Eine verbesserte Ausführungsform sieht vor, dass das Querverbindungselement auf der Seite eines der beiden Kraftschenkel einen rechtwinklig zum Hauptabschnitt orientierten Halte- und Führungsabschnitt aufweist, der eine durchgehende Bohrung aufweist und welches das Befestigungsmittel des zugehörigen Kraftschenkels mindestens in einer Teillänge aufnimmt. Hierbei besteht eine Verbesserung darin, dass in der Bohrung mindestens auf einer Teillänge ein Innengewinde angeordnet ist, in welches ein Gegengewinde des Befestigungsmittels eingeschraubt werden kann, und wobei mittels mindestens einer Konter- oder Mutterschraube das Befestigungsmittel gegen den Halte- und Führungsabschnitt verspannt werden kann. Der große Vorteil besteht darin, dass auf der Seite des Halte- und Führungsabschnitts die Torsionskraft vorteilhaft auf eine größere Länge des Befestigungsmittel oder -element verteil wird, insbesondere wenn der Halte- und Führungsabschnitt ein Innengewinde aufweist, in welches das Befestigungsmittel oder -element eingeschraubt und verspannt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die erste Kraftachse (A) im Schnitt einer ersten vertikalen Ebene (V1) und einer ersten horizontalen Ebene (H1) liegt und die zweite Kraftachse (B) im Schnitt einer zweiten vertikalen Ebene (V2) und einer zweiten horizontalen Ebene (H2) liegt, wobei die erste und zweite horizontale Ebene (H1, 2) parallel zueinander ausgerichtet sind und die erste und zweite vertikale Ebene (V1, 2) parallel zueinander ausgerichtet sind, wobei die beiden vertikalen Ebenen nicht identisch sind, also voneinander beabstandet sind. Dies ermöglich eine besonders flache Bauweise, bei vorteilhafter Zugänglichkeit zum Probenhalter bzw. dem Probenmaterial. Idealerweise schneidet die zweite vertikale Ebene nicht den Motor, mittels welchem das Führungsjoch angetrieben wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die zweite horizontale Ebene der zweiten Kraftachse, die von dem Schwingungsantrieb definiert wird, 5 bis 20 mm von der ersten horizontalen Ebene beabstandet.
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Ein verbesserte Ausführungsform besteht darin, dass an dem Führungsjoch oder diesem gegenüber ein Abstandssensor angeordnet, insbesondere ein berührungslos arbeitender Lasersensor. Idealerweise hat ein Lasersensor einen Messbereich von 0,5 bis 2mm und eine Auflösung von mindestens 50 nm idealerweise von mindestens 2nm.
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Eine weiter verbesserte Aufführungsform sieht vor, dass an dem Querverbindungselement und/oder diesem gegenüber ein Sicherheitsschalter vorgesehen, der mindestens bei Kontakt oder schon bei Annährung unter einen Grenzwert, ein Warn- oder Steuersignal an eine Steuereinheit sendet und/oder den das Führungsjoch antreibenden Motor verlangsamt und/oder abschaltet.
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Von der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb einer Testvorrichtung umfasst, insbesondere ein in-situ Testverfahren für ein REM oder SEM, das die folgenden Schritte umfasst:
- - Vorbereitungsschritt, in dem mindestens eine zweiendige Befestigung eines Probenmaterials in einem mindestens einseitig verfahrbaren Probenhalter erfolgt,
- - erster Kraftschritt, in dem mindestens zeitweise eine langsame Fahrt des mindestens einen verfahrbaren Teils des Probenhalters in eine erste Richtung entlang einer ersten Kraftachse (A) erfolgt, wobei das Probenmaterial mit einer ersten Druck- oder Zugkraft beaufschlagt wird,
- - zweiter Kraftschritt, in dem mindestens zeitweise eine Einbringung von Schwingungen über einen Schwingungsantrieb in Richtung einer zweiten Kraftachse (B) erfolgt, welche in Richtung der ersten Kraftachse (A) umgeleitet wird,
- - Auswertung von Messdaten mittels mindestens einer Erfassungs- und Auswerteeinheit, insbesondere von Kraft- und/oder Positions-/Amplitudenmesswerten. Hierbei wird die Testvorrichtung in einer der vorstehend genannten Ausführungsvarianten genutzt. Die vorgenannten Messdaten können zusätzlich insbesondere mit Bild- oder Strahlendaten eines Erfassungsmittels, wie einer Kamera oder eines Mikroskops erfasst und aufgewertet werden.
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Bei einer Verfahrensvariante werden der zweite Kraftschritt und der erste Kraftschritt mindestens zeitweise parallel ausgeführt, so dass der das Führungsjoch antreibende Motor eingeschaltet ist und dieses parallel zur ersten Kraftachse verfährt, während der Schwingungsantrieb parallel in das Probenmaterial eine wechselnde Last einbringt.
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Bei einem vorteilhaften Verfahren wird in dem ersten Kraftschritt entweder - eine Zugkraft von bis 5 kN, idealerweise von 3 kN oder eine Druckkraft von bis zu 2kN, idealerweise bis zu 1 kN in das Probenmaterial eingebracht. Vorteilhafterweise wird dann im zweiten Kraftschritt auf das Probenmaterial eine hochfrequente Schwingung bzw. Wechselbelastung veranlasst, die im Bereich bis 100 Hz liegt, idealerweise im Bereich von 10 Hz bis 50 Hz.
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Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass das Probenmaterialien/-köper mit sehr unterschiedlicher Länge untersucht werden können, weil der Schwingungsantrieb starr am Trägerjoch befestigt und mit diesem verfahren wird. Die freie Längsabmessung liegt dabei im Bereich von 0 bis 80mm, idealerweise im Bereich von 0 bis 60mm. Unter Längsabmessung ist diejenige Länge und Materialbereiche des Probenmaterials zu verstehen, die von dem Probenhalter und/oder dortigen Einspannvorrichtungen nicht klemmend überdeckt sind und somit ihn ihrer Verformung unter Krafteinfluss frei sind.
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Vorteilhafterweise wird die jeweilige Einspannungsvorrichtung für das Probenmaterial in Abhängigkeit von dem Probenmaterial ausgetauscht und angepasst wird.
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Schließlich besteht eine Verbesserung darin, dass eine mechanische Verstärkung des Schwingungsantriebes vorgesehen wird, indem beispielsweise entlang des Querverbindungselements ein Gelenk oder Gelenkabschnitt vorgesehen wird und dieses Gelenk oder dieser Gelenkabschnitt mit dem Führungsjoch über einen Gelenksteg starr verbunden wird.
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Es zeigen:
- 1 eine Draufsicht auf die Testvorrichtung von oben,
- 2 eine Draufsicht des freigestellten Kopplungselementes,
- 3 eine Seitenansicht der Testvorrichtung nach 1 und 2,
- 4 die Seitenansicht der Testvorrichtung analog 3 mit,
- 5a)-d) Varianten möglicher Kraftschenkel,
- 6 eine weitere Ausführungsform des Kopplungselements,
- 7 eine Ausführung mit einer Piezoverstärkung und
- 8 eine alternative Ausführungsform einer Piezoverstärkung.
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1 zeigt die Testvorrichtung 1, die im Zentrum einen Probenhalter 2 aufweist, in dem beispielsweise ein metallisches Probenmaterial 3 eingelegt und in nicht näher dargestellter weise klemmend gehalten wird. Der linke Teil 2.1 des Probenhalters 2 ist mit dem Führungsjoch 5 verfahrbar, wir später im Detail ausgeführt. Der rechte Teil 2.2 des Probenhalters 2 ist über die Kraftmesseinheit 4 an dem feststehenden Anschlusselement 16 lösbar angebracht. Das Führungsjoch 5 weist zwei Antriebsenden 5.1, 5.2 auf, die jeweils mit einer Antriebswelle 6.1, 6.2 gekoppelt sind und hierdurch bei der synchronen Rotation der beiden parallelen Antriebswellen 6.1, 6.2 durch den Motor 9 entlang der ersten Kraftachse A verfahrbar sind, wobei der Motor 9 beispielsweise ein DC-Motor ist. An dem Führungsjoch 5 ist ein langgestreckter Schwingungsantrieb 7 angeordnet, vorliegend ein Piezoantrieb, der mit in einer Halte- und Trageinheit 8 aufgenommen ist. In dem gezeigten Beispiel ist diese Halte- und Trageinheit 8 ein zylindrisches Bauteil, welches den Schwingungsantrieb 7 vollständig umschließt. Die Halte- und Trageinheit 8 ist mit dem Führungsjoch 5 starr verbunden, insbesondere verschraubt. Der Antrieb des Führungsjochs 5 über die beiden parallelen Wellen 6.1, 6.2 erfolgt in bekannter Weise über eine Querwelle 10, die über den Motor 9 und eine erste Getriebeeinheit 11 in Rotation versetzt wird und nachfolgend über jeweils eine eigene Getriebeeinheit 12 die zugehörige Antriebswelle 6.1, 6.2 in Rotation versetzt.
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Zur Übertragung eine hinreichend großen Auslenkung bzw. Schwingungsamplitude des Schwingungsantriebes 7 in das Probenmaterial 3, der als Piezo-Aktor bzw. als ein Paket aus Piezo-Aktoren ausgebildet ist, ist ein Kopplungselement 20 vorgesehen, dass die Kraftfluss zweifach um 90° umleitet. Das Kopplungselement 20 hat zwei parallele Kraftschenkel 21, 22 die jeweils in einer der beiden Kraftachsen A, B liegen und ein Querverbindungselement 23. Das Querverbindungselement 23 an jeweils den einem Befestigungselement 25, 26 eines Kraftschenkels 21, 22 verschraubt und weist eine Art U-Form auf. Im Detail ist das Kopplungselement 20 insbesondere in 2 nachfolgend beschrieben. Auf dem Führungsjoch 5 ist eine Halte- und Arretierungseinheit 14 für den Lasersensor 13 vorgesehen, der auf die gegenüberliegende, vertikale Wand des feststehenden Anschlusselements 16 gerichtet ist. Der vorliegende Lasersensor 13 hat einen Messbereich von einem Millimeter und eine Auflösung von bis zu einem Nanometer. Alternativ könnte der Lasersensor 13 und das Halte- und Arretierungselement 14 auch auf dem Anschlusselement 16 angeordnet sein und auf eine Frontfläche des Führungsjochs ausgerichtet sein. Das Anschlusselement 16 weist einen in der Kraftachse B angeordneten Gleitabschnitt 8.2 auf, in dem der Schwingungsantrieb 7 und/oder ein Teil der Halte- und Trageinheit 8 verschiebbar aufgenommen ist. Dieser Gleitabschnitt 8.2 ist insbesondere lösbar mit dem Anschlusselement 16 starr verbunden.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Paar von Antriebswellen 6.1, 6.2 vorgesehen, die den Antrieb auch des zweiten, ebenfalls verfahrbaren Teils 2.2 des Probenhalters 2 ermöglichen, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Kraftmesseinheit 4 auf bzw. an dem zweiten Teil 2.2 des Probenhalters 2 angeordnet ist (nicht dargestellt). Das Führungsjoch 5 und die Halte- und Trageinheit 8 sind über einen oder mehrere Verbindungsstege 8.1 miteinander verbunden, insbesondere bilden das Führungsjoch 5 und die Halte- und Trageinheit 8 ein einziges Bauteil.
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Alle steuer- und Messtechnisch relevanten Elemente sind mit mindestens einer Erfassungs- und Auswerteeinheit 50 verbunden, was mit strichpunktierten Linien angedeutet wurde.
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Bei dem vorgesehenen Piezoantrieb, als Schwingungsantrieb 7, ist die Größe der möglichen Amplitude abhängig von der Größe des bzw. der in Reihe geschalteten Piezokristalle/-aktoren, so dass bedarfsabhängig größere Piezoantriebe vorgesehen werden können, wie mit der geschweiften Klammer 7.3 angedeutet wurde. Damit ist diese besonders vorteilhafte Anordnung des Schwingungsmotors 7 und der zugehörigen Halte- und Trageinheit 8 gut zu erkennen.
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Die gezeigte Testvorrichtung 1 hat Außenmaße von 226 mm Länge, 165 mm Breite und einer Höhe von 79 mm.
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Bei der beispielhaft beschriebenen Testvorrichtung beträgt der statische Kraftbereich in Richtung der Kraftachse A bis 3 kN in Zugrichtung und unter Druck 0 bis 500N. Unter dieser Vorspannung ist eine dynamische Wechsellast von bis zu einem (1) kN möglich. Die Amplitude, also der dynamische Dehnungsbereich beträgt 0 bis 100 µm bei einer Frequenz von bis zu 50 Hz.
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Hierbei besteht eine bekannte Abhängigkeit der Amplitude (=Dehnungsbereich), die bei steigender Vorspannkraft und Frequenz sinkt.
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Wird das Führungsjoch 5 nach dem Einspannen einer Materialprobe in der Abbildung nach links verfahren (Vorspannen):
- - wird eine Zugkraft entlang der Kraftachse A im Probenmaterial 3 und dem ersten Kraftschenkel 21 aufgebaut, wobei über das Querverbindungselement 23 eine zweifache Umlenkung um 90° in den zweiten Kraftschenkel 22 in Richtung der zweiten Kraftachse B zum Antriebsende 7.1 des Schwingungsantriebs 7 erfolgt.
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Die von Schwingungsantrieb 7 ausgehenden Schwingungsamplituden (Kraftwechsel) verlaufen analog in umgekehrter Richtung.
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Wie in 2 dargestellt, weist der erste Kraftschenkel 21 am ersten Ende 21.1 ein erstes Verbindungselement 24 auf, das als Gewindestange ausgebildet ist und in eine nicht näher dargestellte Gewindehülse des verfahrbaren Teils 2.1 des Probenhalters 2 eingeschraubt ist. An dem Mittelabschnitt 27 weist einen Halteabschnitt 27.1 auf, an dem ein Werkzeug von außen zur Lagesicherung angreifen kann, beispielweise eine Sechskantgeometrie. An dem Mittelabschnitt 27 ist weiterhin am zweiten Ende ein Befestigungselement 25 ebenfalls in Form einer Gewindestange ausgebildet. Das erste und zweite Ende 21.1, 21.2 sowie der Mittelabschnitt 27 mit dem Halteabschnitt 27.1 sind ein einziges Materialstück, das beispielsweise aus einem Vollmaterial hergestellt wurde.
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Der zweite Kraftschenkel 22 ist in dem gezeigten Beispiel als eine doppelseitige Gewindestange ausgebildet, mit unterschiedlichen Durchmessern an den beiden Enden 22.1, 22.2. Das dem Schwingungsantrieb 7 zugewandte erste Ende 22.1 oder Verbindungselement 31 ist als Gewindestange ausgebildet und ist in die Antriebsseite 7.1 des Schwingungsantrieb 7 eingeschraubt. Eine Mutterschraube 32 dient zum Kontern und Verspannen.
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Auf die beiden zweiten Enden 21.2, 22.2 der Kraftschenkel 21, 22, in der Abbildung links dargestellt, die als Befestigungselemente 25, 26 in Form einer Gewindestange ausgebildet sind, ist das Querverbindungselement 23 aufgesteckt, das jeweils beidseitig mit einer Mutterschraube 29, 30; 33, 34 verspannt und fixiert ist. Zur Aufbringung großer Kräfte und großer Schwingungsamplituden, ist das Führungsjoch 5 mit seitlichen Versteifungsabschnitten 18 auf der Seite des Halte- und Arretierungselements 8 verstärkt. Über das hintere Ende 7.2 wird der Schwingungsmotor 7 in nicht dargestellter weise strom- und datenleitend versorgt. An dem Querverbindungselement 23 ist auf der dem Führungsjoch 5 zugewandten Seite ein Sicherheitsschalter 15 angeordnet, der dazu dient, bei zu großer Annäherung und/oder Kontakt mit Bauteilen den Motor 9 unmittelbar abzustellen. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn kein Probenmaterial eingelegt ist und somit eine Kollision bei der schließenden Fahrt erfolgen könnte.
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Die in der 3 in einer Seitenansicht dargestellte Testvorrichtung 1 ist in einem Untersuchungsraum eines Rasterelektronenmikroskops 100 eingebraucht, was mit einer gestrichelten Linie andeutet ist. Die gesamte Testvorrichtung 1 kann, wie dargestellt, auf einem Trägerelement 101 platziert und befestigt sein, das auch als Führungs- und Trägerschlitten ausgebildet sein kann. In der 3 ist sehr gut zu erkennen, dass trotz eines sehr großen und damit leistungsstarken Schwingungsantrieb 7, ist nur eine sehr geringe bauliche Vergrößerung der Testvorrichtung 1 erforderlich, verglichen mit einer Vorrichtung ohne Schwingungsantrieb 7. Der für die Vorspannung erforderliche Motor 9 und der Schwingungsmotor 7 stehen sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel diagonal gegenüber und die parallelen Kraftachsen A, B, wobei die Kraftachse A der Schnittlinie der vertikalen Ebene V1 mit der horizontalen Ebene H1 entspricht und die Kraftachse B der Schnittlinie der vertikalen Ebene V2 und der horizontalen Ebene H2 entspricht.
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Der Abstand der beiden vertikalen Ebenen V1, V1 beträgt vorliegend 58,5 mm und der Abstand der horizontalen Ebenen H1, H2 10 mm. Wie in 4 gut zu erkennen, kann die Testvorrichtung 1 sehr leicht an unterschiedliche Einbaulagen und Geometrien angepasst werden. Die Lage der Kraftachse B kann entlang dem strichpunktierten Kreis angeordnet werden, ohne dass eine grundsätzlich neue Konstruktion erforderlich ist, lediglich die Verbindung zwischen dem Führungsjoch und dem den Schwingungsantrieb 7 aufnehmenden Halte- und Trageinheit 8 muss angepasst werden. Den als schraffierte Fläche dargestellten Zugangsbereich 35 wird man im Normalfall nicht überdecken, damit ein schnelles Wechseln von Probenmaterial 3 möglich ist.
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In den 5 a) bis d) sind unterschiedliche Ausführungsformen des Kraftschenkels 21 dargestellt. Die unter a) dargestellte Variante entspricht der auf 1, indem die beiden Gewindestangen 24, 25 und der Mittelabschnitt 27 mit dem Halteabschnitt 27.1 ein monolithisches Element bilden. Zur Fixierung des nicht dargestellten Querverbindungselement 27 sind die beiden Mutterschrauben 29, 30 vorgesehen. In der Ausführungsform nach b), ist der Mittelabschnitt 27 ohne gesonderten Halteabschnitt ausgebildet, sondern weist für den Eingriff eines Montagewerkzeuges drei Bohrungen 17 auf, die in unterschiedlichen Umfangswinkeln beispielsweise als Durchgangsbohrungen den Mittelabschnitt 27 durchbrechen. In dem Beispiel c) ist zusätzlich zu der Ausführung nach Abbildung a) ein Anlageflansch 27.2 vorgesehen, so dass nur eine Mutterschraube für die Befestigung eines Querverbindungselementes 27 erforderlich ist.
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Schließlich zeigt 5d) eine Ausführungsform des Kraftschenkels 21, bei dem der Mittelabschnitt 27 als Adapter ausgebildet ist, der mindestens einseitig ein Innengewinde 27.3 aufweist, in welches eine Gewindestange 24 eingeschraubt und mittels Mutterschraube 28 verspannt werden kann. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn an den Kopfenden der Befestigungselemente 25, 26 Aufnahmen für ein Werkzeug vorgesehen sind, wie beispielsweise eine Sechskantaussparung. Die Ausführungen nach den 5c) und 5d) sind insbesondere für Messverfahren geeignet, bei denen keine sehr hohen Kräfte oder Schwingungsamplituden übertragen werden sollen. Die beiden Kraftschenkel 21, 22 können grundsätzlich analog ausgeformt sein, bei angepassten Dimensionen der jeweiligen Verbindungs- und Befestigungselemente.
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Insgesamt ist es vorteilhaft, eine möglichst geringe Anzahl an Bauteilen im Kraftübertragungsweg vorzusehen, um eine verlustfreie Übertragung der Schwingungen sicher zu stellen. Die Ausführungsform nach 6 zeigt eine solche Variante, bei der die Anzahl der Komponenten weiter verringert wurde, wobei im Kraftschenkel 21 insbesondere die Ausführungen nach 5a) oder 5c) vorgesehen werden können. Das Querverbindungselement 23 weist auf der Seite des Kraftschenkels 22 einen rechtwinklig zum Hauptabschnitt orientierten Halte- und Führungsabschnitt 23.1 auf, der eine durchgehende Bohrung und mindestens auf einer Teillänge der Bohrung ein Innengewinde aufweist. In diese Innengewinde des Halte- und Führungsabschnitts 23.1 ist das Befestigungselement 25 eingeschraubt, das mit der Mutterschraube 28 verspannt wird. Aufgrund der guten Führung des Befestigungsmittels 25, werden Schwingungsverluste im Übertragungsweg weiter verringert.
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Am Befestigungsmittel 25 ist auf der Kopfseite ein Erfassungsabschnitt für eine Sechskantwerkzeug vorgesehen.
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Insgesamt kann es vorteilhaft sein, im Bereich des Querverbindungselements 23 oder diese selbst mit einem Gelenk und/oder Gelenkabschnitt 36 auszustatten, wie in den 7 und 8 dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel der 7 ist das Querverbindungselement 23 auf der Höhe der Achse C in seinem Durchmesser verkleinert und dadurch verschwächt, so dass ein Gelenk oder Gelenkabschnitt 36 ausgebildet ist. Parallel oder synchron zu der Achse C ist ein Gelenksteg 37 ausgebildet, der das Gelenk oder den Gelenkabschnitt 37 mit dem Führungsjoch 5 starr verbindet- Der Gelenksteg 36 kann in nicht näher dargestellten weise mindestens einseitig am Querverbindungselement 23 und/oder am Führungsjoch 5 lösbar verspannt befestigt sein, mit einem der beiden Elemente verschweißt oder einstückig aus diesen gebildet sein. Die Verschwächung zur Ausbildung des Gelenks- oder Gelenkabschnitts 36 kann eine beliebige Geometrie aufweisen, insbesondere als Kurve oder Radios verlaufen und insbesondere symmetrisch ausgebildet sein.
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Durch das Gelenk oder den Gelenkabschnitt 36 bilden sich in Ausrichtung der Achse D, die parallel zur Ausrichtung des Querverbindungselements 23 verläuft, die beiden Hebelarme L1, L2 aus, mit denen die Bewegung des Schwingungsantriebes 7 verstärkt in die Kraftachse A und damit in eine Probenmaterial einleitbar ist.
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In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform ist die Lage der Achse C näher und parallel zur Kraftachse A.
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In dem Beispiel nach 8 ist das Querverbindungselement 23 zweigeteilt, in ein erstes Teilelement 23.2 und ein zweites Teilelement 23.3 wobei das Gelenk oder der Gelenkabschnitt 36 mit dem Gelenksteg 37 als ein aus einem weicheren Material ausgebildetes, monolithischen Kopplungselement 38 geformt ist, welches in beiden Teilelementen 23.2, 23.3 des Querverbindungselementes 23 und auf dem oder an dem Führungsjoch 5 in nicht näher dargestellter Art und Weise kraftschlüssig gehalten und verspannt ist. Das Material des Kopplungselements 38 kann beispielsweise Kupfer, Messing, Bronze oder ein geeignetes sonstiges Material sein, insbesondere ein eisenhaltiges Material sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Testvorrichtung
- 2
- Probenhalter
- 2.1
- Probenhalter, Teil erstes
- 2.2
- Probenhalter, Teil zweites
- 3
- Probenmaterial
- 4
- Kraftmesseinheit
- 5
- Führungsjoch
- 5.1
- Antriebsende
- 5.2
- Antriebsende
- 6
- Antriebswelle (auch 6.1, 6.2)
- 7
- Schwingungsantrieb
- 7.1
- Antriebsseite
- 7.2
- Antriebsende
- 7.3
- Länge
- 8
- Halte- und Trageinheit
- 8.1
- Verbindungssteg
- 8.2
- Gleitabschnitt
- 9
- Motor
- 10
- Querwelle
- 11
- Getriebeeinheit zur Welle 10
- 12
- Getriebeeinheit zu Wellen 6.1, 6.2
- 13
- Abstandssensor
- 14
- Halte- und Arretiereinheit
- 15
- Sicherheitsschalter
- 16
- Anschlusselement
- 17
- Bohrung
- 18
- Versteifungsabschnitt (am Joch, Dreiecke)
- 20
- Kopplungselement
- 21
- Kraftschenkel, erster
- 21.1
- Ende, erstes
- 21.2
- Ende, zweites
- 22
- Kraftschenkel, zweiter
- 22.1
- Ende, erstes
- 22.2
- Ende, zweites
- 23
- Querverbindungselement
- 23.1
- Halte- und Führungsabschnitt
- 23.2
- Teilelement
- 23.2
- Teilelement
- 24
- Verbindungselement
- 25
- Befestigungselement
- 26
- Befestigungselement
- 27
- Mittelabschnitt, auch Adapter
- 27.1
- Halteabschnitt
- 27.2
- Anlageflansch
- 27.2
- Innengewinde
- 28
- Kontermutter)
- 29
- Mutterschraube
- 30
- Mutterschraube (ggf. Anschlag, monolithisch)
- 31
- Verbindungselement
- 32
- Mutterschraube (kleine, vorne)
- 33
- Mutterschraube, analog 29
- 34
- Mutterschraube (ggf. Anschlag, monolithisch) analog 30
- 35
- Zugangsbereich
- 36
- Gelenk/-abschnitt
- 37
- Gelenksteg
- 38
- Kopplungselement
- 50
- Erfassungs- und Auswerteeinheit
- 100
- Rasterelektronenmikroskop
- 101
- Trägerelement
- A, B
- Kraftachsen
- C, D
- Achse
- L1, L2
- Hebelarm
