DE102022115925A1

DE102022115925A1 - Modulare Materialprüfungsvorrichtung zur Materialprüfung einer Probe

Info

Publication number: DE102022115925A1
Application number: DE102022115925.6A
Authority: DE
Inventors: Martin Schwab; Reinhard Hafellner; Stefan Riemelmoser; Bernhard Jilka; Harald Schmid
Original assignee: 4a Eng GmbH; 4A ENGINEERING GmbH
Current assignee: 4a Eng GmbH; 4A ENGINEERING GmbH
Priority date: 2022-06-27
Filing date: 2022-06-27
Publication date: 2023-12-28
Also published as: WO2024003082A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100) zur Materialprüfung einer Probe (102). Die Vorrichtung (100) umfasst einen Probenhalter (101) zum Halten einer zu prüfenden Probe (102), eine Stabanordnung (110) zum Bewegen in Richtung des Probenhalters (101) zur Übertragung einer mechanischen Belastung auf die Probe (102), einen Aktuator (120) zum Bewegen der Stabanordnung (110) und/oder des Probenhalters (101) in Bezug zueinander entlang einer horizontalen Aufprallrichtung (103), und eine Tragebasis, auf der der Probenhalter (101), die Stabanordnung (110) und der Aktuator (120) angebracht sind, wobei die Probenhalteranordnung lösbar mit einem Halteraufnahmeabschnitt (131) der Tragebasis verbunden ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Materialprüfung der Probe, insbesondere einer Batterie, und ein Verfahren zur Materialprüfung der Probe.
Technischer Hintergrund
Bei der Materialprüfung ist es notwendig, Materialproben verschiedenen Arten von Belastungen auszusetzen. Zum Beispiel wird die Materialprobe über einen bestimmten Zeitraum einer Zug- oder Druckbelastung ausgesetzt. Eine Prüfmaschine kann zum Beispiel für eine Zugprüfung ausgelegt sein, bei der die Materialprobe mit einer bestimmten Zugkraft gedehnt wird. Darüber hinaus können mit anderen Prüfmaschinen Aufprall- und Biegeversuche durchgeführt werden, bei denen ein Aufprallelement zu Prüfzwecken gegen die Probe gepresst wird. Darüber hinaus sind die Prüfmaschinen in der Regel für verschiedene Arten an Belastungsgeschwindigkeiten ausgelegt, zum Beispiel können Universalprüfmaschinen nur für quasistatische Prüfungen (niedrige Geschwindigkeiten) verwendet werden, während servohydraulische Maschinen in der Regel für zyklische Ermüdungsprüfungen und Spezialmaschinen (spezielle servohydraulische oder geteilte Hopkinson-Stangen) für Hochgeschwindigkeitsbelastungen eingesetzt werden.
Die Kräfte können statisch oder dynamisch aufgebracht werden. Da während der Prüfung besonders hohe Kräfte wirken, sind die Anforderungen an die Prüfmaschinen sehr hoch, vor allem im Hinblick auf die Lebensdauer und die Schwingungssicherheit. Aus diesem Grund werden Prüfmaschinen in der Regel nur für einen Belastungsfall ausgelegt, um eine ausreichende Prüfleistung für diesen einen Belastungsfall zu gewährleisten.
Zusätzlich muss die Fixierung und Ausrichtung der zu prüfenden Probe sehr genau und robust sein, so dass die zeitliche Veränderung zwischen der Prüfung zweier Proben eine lange Rüstzeit der Prüfanordnung erfordert.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher kann es notwendig sein, eine Vorrichtung für die Materialprüfung einer Mehrzahl von Proben auf effiziente Weise bereitzustellen.
Diesem Bedürfnis kann durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Materialprüfung einer Probe entsprochen werden, wie sie in den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche beschrieben sind.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zur Materialprüfung einer Probe beschrieben. Die Vorrichtung umfasst einen Probenhalter zum Halten einer zu prüfenden Probe, eine Stabanordnung (Stangenanordnung) zum Bewegen in Richtung des Probenhalters zur Übertragung einer mechanischen Belastung auf die Probe, einen Aktuator zum Bewegen der Stabanordnung und/oder des Probenhalters in Bezug zueinander entlang einer horizontalen Aufprallrichtung, und eine Tragebasis, auf der der Probenhalter, die Stabanordnung und der Aktuator angebracht (montiert) sind, wobei der Probenhalter lösbar mit einem Halteraufnahmeabschnitt der Tragebasis verbunden (gekoppelt) ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Materialprüfung einer Probe mit einer oben beschriebenen Vorrichtung vorgestellt. Gemäß dem Verfahren wird der Probenhalter lösbar mit dem Halteraufnahmeabschnitt der Tragebasis verbunden, und die Stabanordnung und/oder die Probenhalteranordnung wird relativ zueinander bewegt, um eine mechanische Belastung auf die Probe zur Materialprüfung der Probe zu übertragen.
Bei der mit der oben beschriebenen Vorrichtung zu prüfenden Probe kann es sich um ein Materialteil handeln, zum Beispiel ein Metall- oder Kunststoffelement, das eine plattenartige Form oder die Form eines festen Körpers haben kann. Außerdem kann es sich bei der zu prüfenden Probe um ein Teilprodukt handeln, wie zum Beispiel ein halbfertiges oder fertiges Gerät. Bei der zu prüfenden Probe kann es sich zum Beispiel um eine Batteriezelle, eine Anordnung mehrerer Zellen, ein Batteriemodul oder einen Batteriepack handeln. Mit der Vorrichtung können mechanische Materialeigenschaften geprüft werden, wie zum Beispiel Zugprüfungen und Aufprallprüfungen, aber auch Batteriedurchstichprüfungen sind möglich. So kann der Probenhalter die Vorrichtung beispielsweise so halten, dass die Stabanordnung geeignet ist, eine mechanische Belastung auf beispielsweise das Gehäuse der Vorrichtung zu übertragen, um eine entsprechende Materialprüfung des Gehäuses vorzunehmen.
Die Probenhalteranordnung umfasst beispielsweise einen Probenhalter, der dazu ausgestaltet ist, die Probe spezifisch in einer lösbaren Weise zu halten. Beispielsweise kann der Probenhalter Klemmelemente zum Einspannen der zu prüfenden Probe aufweisen. Ferner kann der Probenhalter einen Magneten, insbesondere einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten, aufweisen, um die Probe, insbesondere eine metallische Probe, lösbar an der Haltevorrichtung zu fixieren. Weiterhin kann der Probenhalter eine Kammer aufweisen, in der die Probe angeordnet ist und in die die Stabanordnung beweglich eintreten kann. Durch eine Öffnung der Kammer gelangt ein Aufprallelement der Stabanordnung auf die am Probenhalter befestigte Probe.
Die Stabanordnung umfasst einen Aufprallabschnitt, der dazu ausgestaltet ist, gegen die zu prüfende Probe gepresst zu werden. Dabei ist die Stabanordnung zur Bewegung in Richtung des Probenhalters konfiguriert. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Stabanordnung zum Übertragen einer Zugkraft auf die Probe konfiguriert. Die Stabanordnung wird durch den Aktuator angetrieben und kann mit einer einstellbaren Geschwindigkeit und einer einstellbaren Aufprallkraft oder Zugkraft auf die Probe bewegt werden. Die Stabanordnung kann ein Aufprallelement und ein kraftübertragendes Element, insbesondere einen kraftübertragenden Stab, umfassen, die mit dem Aktuator gekoppelt sind. Das Aufprallelement ist insbesondere härter als die zu prüfende Probe. Ferner kann das Aufprallelement eine konische Form oder eine Pyramide mit einer Aufprallspitze aufweisen. Das Aufprallelement kann auch eine Halbkugelform mit einem runden und kugelförmigen Aufprallabschnitt aufweisen. Das Aufprallelement kann auch eine Aufprallkante mit einer Längserstreckung oder zum Beispiel einen Aufpralldorn zum Aufbringen einer punktuellen Kraft aufweisen. Die Press-/Stabanordnung ist somit so konfiguriert, dass sie eine mechanische Belastung auf die Probe überträgt. Je nach tatsächlichem Probenhalter können unterschiedliche mechanische Belastungen übertragen werden, wie zum Beispiel Druck-, Zug-, Scher- und/oder Biegebelastungen. Zum Beispiel kann die Stabanordnung die Probe beispielsweise mit hoher Frequenz belasten, um zyklische oder Ermüdungsprüfungen durchzuführen, oder (mit der gleichen Anordnung) kann die Stabanordnung die Probe statisch belasten. Außerdem kann die Stabanordnung die Probe mit hohen Geschwindigkeiten belasten, um Prüfungen mit hoher Dehnungsrate durchzuführen. Durch die vom Aktuator gesteuerte Stabanordnung kann eine Kraft während einer statischen Prüfung inkonstant erzeugt werden. Bei einer statischen Prüfung wird zum Beispiel eine sehr langsame Bewegung der Stabanordnung mit kontinuierlich ansteigender Kraft bis zu einem bestimmten Wert oder bis zum Bruch der Probe durchgeführt. Es ist aber auch ein sogenannter Kriechversuch möglich, bei dem die Kraft über einen längeren Zeitraum konstant gehalten wird. Bei einer dynamischen Prüfung kann eine schnellere Bewegung der Stabanordnung mit zum Beispiel einer Vorbeschleunigungsphase vorgesehen sein, so dass die Probe oder die Lasteinführungsvorrichtung des Probenhalters mit einer bestimmten Geschwindigkeit und/oder Aufprallenergie getroffen wird. Alle diese Prüffälle können mit der beschriebenen Vorrichtung zur Materialprüfung durchgeführt werden.
Zum Beispiel wird bei einer oben beschriebenen statischen Kriechprüfung eine konstante Kraft über einen längeren Zeitraum erzeugt. Die Kraft kann aber auch nicht zwingend konstant sein. Bei einer statischen Prüfung kann eine sehr langsame Bewegung der Stabanordnung mit kontinuierlich ansteigender Kraft bis zu einem bestimmten Wert oder bis zum Bruch der Probe vorgesehen werden. Bei einer dynamischen Prüfung erfolgt eine schnellere Bewegung der Stabanordnung mit einer Vorbeschleunigungsphase, so dass die Probe oder die Lasteinführungsvorrichtung des Probenhalters mit einer bestimmten Geschwindigkeit und/oder Aufprallenergie getroffen wird.
Die Tragebasis ist zum Tragen der Probenhalteranordnung, der Stabanordnung und des Aktuators ausgestaltet. An der Tragebasis werden die Probenhalteranordnung, die Stabanordnung und der Aktuator (direkt oder indirekt über koppelnde Tragelemente) angebracht. Die Tragebasis wird zum Beispiel durch ein Gerüst aus Stahlstäben, die auf dem Boden angeordnet werden können, robust gebildet. Die Tragebasis überträgt entsprechende Gewichtskräfte und dynamische Kräfte auf den Boden.
Bei dem Aktuator kann es sich beispielsweise um einen Elektro- oder Servomotor handeln, der die Stabanordnungen und/oder die Probenhalteranordnung mit einer gewünschten Geschwindigkeit entlang der Aufprallrichtung und mit einer gewünschten Aufprallkraft antreibt. Insbesondere kann eine konstante Geschwindigkeit oder eine inkonstante Geschwindigkeit, d.h. eine Beschleunigung oder Verzögerung, im Bereich von 0 m/s bis 12 m/s eingestellt werden. Der Elektromotor ist so konfiguriert, dass er die Stabanordnung relativ zur Probenhalteranordnung entlang einer longitudinalen Aufprallrichtung mit einer Geschwindigkeit von mindestens 4 m/s, insbesondere 10 m/s, weiter insbesondere 12 m/s, bewegt. Eine Geschwindigkeit von 4 m/s bedeutet, dass zwischen der Stabanordnung und der Probenhalteranordnung eine beliebige Geschwindigkeit zwischen 0 m/s bis 4 m/s zur Übertragung einer mechanischen Belastung auf die Probe eingestellt werden kann. In einer beispielhaften Ausführungsform kann eine konstante Geschwindigkeit oder eine inkonstante Geschwindigkeit, d.h. eine Beschleunigung oder Verzögerung, im Bereich von 0 m/s bis 6 m/s oder im Bereich von 0 m/s bis 4 m/s eingestellt werden. Beispielsweise kann die Stabanordnung eine Kraft von 25kN aufbringen, wenn sie mit 3,6 m/s gegen die Probe gefahren wird. Der Elektromotor ist so konfiguriert, dass er die (zum Beispiel konstante oder inkonstante (d.h. Beschleunigung oder Verzögerung)) Geschwindigkeit zwischen der Stabanordnung und der Probenhalteranordnung zur Übertragung einer mechanischen Belastung auf die Probe auf eine beliebige Geschwindigkeit zwischen 0 m/s und 12 m/s einstellen kann. Die Stabanordnung und/oder die Probenhalteranordnung bedeutet, dass die Stabanordnung zur Probenhalteranordnung angetrieben werden kann, dass die Probenhalteranordnung zur Stabanordnung angetrieben werden kann oder beides, dass die Stabanordnung und die Probenhalteranordnung beide angetrieben und somit relativ zueinander bewegt werden können. Insbesondere kann eine konstante Geschwindigkeit oder eine inkonstante Geschwindigkeit, d.h. eine Beschleunigung oder Verzögerung, im Bereich von 0 m/s bis 12 m/s eingestellt werden. Mit anderen Worten, während eines Prüfzeitintervalls kann die Geschwindigkeit über die Zeit variiert werden.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Aktuator auch mit pneumatischen oder hydraulischen Antriebsmitteln arbeiten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Aktuator ein Linearmotor sein. Der Aktuator ist insbesondere so konfiguriert, dass er eine Aufprallenergie gegen die Probe von mehr als 100 J (Joule), insbesondere mehr als 200 J und weiter insbesondere mehr als 500 J, bereitstellt.
Die Probenhalteranordnung, die zum Beispiel den Probenhalter und die Aufnahmeplatte umfasst, ist somit durch die Herangehensweise der vorliegenden Erfindung lösbar mit dem Halteraufnahmeabschnitt der Tragebasis verbunden. Somit ist es möglich, eine oder eine Mehrzahl von Probenhalteranordnungen mit der zu prüfenden Probe vor dem Anbringen der Probenhalteranordnung an der Vorrichtung vorzumontieren. Die Durchführung der Prüfungen mit der Vorrichtung und die Montage der Probe auf dem Probenhalter der Probenhalteranordnung können somit parallel ablaufen, so dass ein effizienterer Prüfablauf möglich ist. Darüber hinaus kann, wie in dem nachstehenden Ausführungsbeispiel beschrieben, der Austausch einer Probenhalteranordnung gegen den Halteraufnahmeabschnitt von der Handhabungsvorrichtung, zum Beispiel einem Roboterarm, selbsttätig und automatisch vorgenommen werden. Dadurch kann ein effizienteres automatisches Prüfverfahren für Materialprüfungen bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform sind der Aktuator und die Stabanordnung für die Durchführung einer statischen Prüfung konfiguriert, bei der eine konstante Presskraft auf die zu prüfende Probe ausgeübt wird, und/oder für die Durchführung einer dynamischen Prüfung, bei der die Aufprallkraft in einer vordefinierten Zeitspanne variiert wird. Bei einer statischen Prüfung kann keine Bewegung oder eine sehr langsame Bewegung der Stabanordnung mit kontinuierlich ansteigender Kraft bis zu einem bestimmten Wert oder bis zum Bruch der Probe bereitgestellt werden. Bei einer dynamischen Prüfung erfolgt eine schnellere Bewegung der Stabanordnung mit einer Vorbeschleunigungsphase, so dass die Probe oder die Lasteinführungsvorrichtung des Probenhalters mit einer bestimmten Geschwindigkeit und/oder Aufprallenergie getroffen wird. Dementsprechend können auch Prüfzyklen zwischen statischer und dynamischer Belastung der Probe durch die Stabanordnung bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist die Aufprallrichtung parallel zu einer horizontalen Richtung, wenn die Vorrichtung auf einem Boden angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Aufprallrichtung und damit die Bewegungsrichtung der Stabanordnung ist senkrecht zur Richtung der Schwerkraft. Durch eine solche horizontale Ausrichtung der Stabanordnung wird nur eine geringe Wirkung oder Störung durch die Schwerkraft entlang der Aufprallrichtung verursacht, so dass die gleiche ungestörte Bewegung oder Beschleunigung in beide Richtungen möglich ist. Dieser Ansatz steht im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Herangehensweisen, bei denen die Aufprallrichtung vertikal ist, um das Gewicht der Aufprallwerkzeuge zur Erzeugung einer höheren Aufprallkraft zu nutzen.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst der Aufnahmeabschnitt eine Halteraufnahmeplatte, an die der Probenhalter lösbar gekoppelt ist. Die Aufnahmeplatte kann zum Beispiel starr an der Tragebasis befestigt sein. Die Aufnahmeplatte kann zum Beispiel lösbare Befestigungsmittel, wie zum Beispiel Schraubverbindungen, aufweisen, um den Probenhalter lösbar an der Aufnahmeplatte zu befestigen. Die Halteraufnahmeplatte kann auch starr an der Probenhalteranordnung befestigt sein, so dass die Aufnahmeplatte und die Probenhalteranordnung eine modulare Einheit bilden, die leicht ausgetauscht werden kann.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Halteraufnahmeplatte mindestens eine Aufnahmerinne, wobei der Probenhalter mindestens einen Aufnahmevorsprung (Aufnahmeüberstand) umfasst. Der Aufnahmevorsprung ist so konfiguriert, dass er innerhalb der Aufnahmerinne verschiebbar ist, um den Probenhalter lösbar mit dem Halteraufnahmeabschnitt zu verbinden. Die Aufnahmerinne kann in einer beispielhaften Ausführungsform insbesondere senkrecht zur Aufprallrichtung ausgebildet sein.
Der Halteraufnahmeabschnitt kann zum Beispiel eine Mehrzahl von Aufnahmerinnen umfassen, die sich in der horizontalen Ebene und senkrecht zur Aufprallrichtung erstrecken. Der Probenhalter kann entsprechende Aufnahmevorsprünge aufweisen, die in den Rinnen entlang einer Richtung senkrecht zur Aufprallrichtung geschoben werden können. Die Aufnahmevorsprünge können zum Beispiel vorstehende Kanten oder Rippen bilden, die sich entlang einer geraden Längsrichtung erstrecken. Die Aufnahmevorsprünge können in einer beispielhaften Ausführungsform auch vorstehende Zapfen oder Stifte bilden, die in die Aufnahmerinne eingesetzt werden können.
Die Aufnahmerinne kann in einer beispielhaften Ausführungsform insbesondere senkrecht zur Aufprallrichtung ausgebildet sein. Dadurch werden die durch das Aufprallen der Stabanordnung auf die zu prüfende Probe induzierten Kräfte senkrecht zur Gleitrichtung des Aufnahmevorsprungs innerhalb der Rinnen gerichtet, so dass die Kraft direkt vom Probenhalter in den Aufnahmeabschnitt übertragen werden kann. Somit wird eine robuste und einfache lösbare Befestigung des Probenhalters am Aufnahmeabschnitt der Tragebasis bereitgestellt.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst der Aufnahmeabschnitt eine Kopplungsplatte, die zum lösbaren Koppeln (Verbinden) der Aufnahmeplatte konfiguriert ist. Somit bildet die Aufnahmeplatte zusammen mit der Probenhalteranordnung, zum Beispiel dem Probenhalter der Probenhalteranordnung, eine modulare Einheit, die leicht austauschbar ist und vor der Montage an der Kopplungsplatte vormontiert werden kann. Die Kopplungsplatte kann starr an der Tragebasis befestigt sein. Außerdem bilden die Aufnahmeplatte und die Kopplungsplatte einen Flächenkontakt anstelle eines Punktkontakts, so dass eine verbesserte und stabile Ausrichtung und Fixierung zwischen der Kopplungsplatte und der Aufnahmeplatte gegeben ist. Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform kann eine Mehrzahl von Probenhalteranordnungen, die jeweils auf einer entsprechenden Aufnahmeplatte (starr oder lösbar) angebracht sind, mit einer entsprechenden Probe außerhalb der Vorrichtung vormontiert werden. Wie weiter unten beschrieben, kann die Aufnahmeplatte zusammen mit der Probenhalteranordnung mit Hilfe eines Manipulators (zum Beispiel ein Roboterarm oder ein Förderband) automatisch zu der Vorrichtung hin oder von ihr weg transportiert werden. Somit kann ein automatisiertes Verfahren zur Prüfung einer Mehrzahl von Proben unter zum Beispiel unterschiedlichen Prüfbedingungen bereitgestellt werden.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform bildet die Aufnahmeplatte die Aufnahmevorsprünge und der Probenhalter kann die Aufnahmerinnen bilden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Aufnahmeplatte mindestens eine Kopplungsrinne und die Kopplungsplatte einen Kopplungsüberstand (Kopplungsvorsprung) auf, wobei der Kopplungsüberstand und die Kopplungsrinne so ausgebildet sind, dass der Kopplungsüberstand in der Kopplungsrinne verschiebbar ist.
Die Kopplungsüberstände können zum Beispiel vorspringende Kanten oder Rippen bilden, die sich entlang einer geraden Längsrichtung erstrecken. Die Kopplungsüberstände können in einer beispielhaften Ausführungsform auch vorstehende Zapfen oder Stifte bilden, die in die Kopplungsrinne eingesetzt werden können.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform verläuft die Kopplungsrinne senkrecht zur Aufprallrichtung. Dadurch werden die durch das Aufprallen der Stabanordnung auf die zu prüfende Probe induzierten Kräfte senkrecht zur Gleitrichtung des Kopplungsüberstandes in die Rinnen gerichtet, so dass die Kraft direkt vom Probenhalter in die Aufnahmeplatte und weiter in die Kopplungsplatte übertragen werden kann. Damit ist eine robuste und einfache lösbare Befestigung der Aufnahmeplatte an der Kopplungsplatte gegeben.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform bildet die Aufnahmeplatte den Kopplungsüberstände und die Kopplungsplatte die Kopplungsrinnen bilden.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform weist die Kopplungsrinne verjüngte Seitenwände auf, insbesondere mit trapezförmigem Querschnitt. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform ist der Kopplungsüberstand eine Längsrippe mit verjüngten Seitenwänden, insbesondere mit trapezförmigem Querschnitt. Durch die sich verjüngenden Seitenwände der Kopplungsrinne und/oder des Kopplungsüberstandes wird somit ein Selbstausrichtungseffekt erzeugt, wenn die Aufnahmeplatte, insbesondere in vertikaler Richtung, auf die Kopplungsplatte zu bewegt wird. Durch die verjüngten Seitenwände ist die Öffnung der Kopplungsrinne größer als die Breite der Kopplungsrinne am Rillenboden der Kopplungsrinne. Ebenso ist das freie Ende und der obere Abschnitt des verjüngten Kopplungsüberstandes weniger breit als der untere Abschnitt des Kopplungsüberstandes an der Stelle, an der der Kopplungsüberstand an der Kopplungsplatte befestigt ist. Der Winkel der sich verjüngenden Seitenwand der Kopplungsrinne und des Kopplungsüberstandes sind ähnlich, um eine korrekte Ausrichtung zu gewährleisten. Daher bilden die Wände der Kopplungsrinne und des Kopplungsüberstandes einen vollflächigen Kontakt anstelle eines Punktkontaktes.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst der Aufnahmeabschnitt eine Klemmanordnung, die zum selektiven Halten und Bewegen der Aufnahmeplatte an der Kopplungsplatte entlang einer Klemmrichtung konfiguriert ist, so dass die Aufnahmeplatte an der Kopplungsplatte (fest)klemmbar ist. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Klemmrichtung insbesondere eine vertikale Klemmrichtung. Die Klemmrichtung ist die Richtung, entlang der die Aufnahmeplatte zur Klemmplatte bewegbar ist. Die jeweilige Klemmkraft entlang der Klemmrichtung drückt also die Aufnahmeplatte auf die Klemmplatte und klemmt diese somit fest. Insbesondere wird beim Anpressen der Aufnahmeplatte an die Klemmplatte eine Fixierung entlang der Klemmrichtung erreicht. Zusätzlich wird durch die oben beschriebenen Klemmvorsprünge und Klemmrinnen (Klemmrillen) eine entsprechende Fixierung senkrecht zur Klemmrichtung, insbesondere entlang der Aufprallrichtung, bereitgestellt. Wenn die Aufnahmeplatte mit der Klemmplatte verklemmt ist, ist eine Relativbewegung zwischen den jeweiligen Platten aufgrund der Klemmkraft nicht möglich. Beim Lösen der Klemmverbindung zwischen der Aufnahmeplatte und der Kopplungsplatte ist jedoch ein Lösen der Aufnahmeplatte gegenüber der Klemmplatte, insbesondere senkrecht zur Klemmrichtung und zur Aufprallrichtung, möglich. Beispielsweise kann die Aufnahmeplatte entlang des Klemmvorsprungs gleiten, wenn keine Klemmkraft erzeugt wird. Der Klemmvorsprung und die jeweilige Klemmrinne der Kopplungsplatte und der Aufnahmeplatte dienen somit der Anpassung und Ausrichtung der Aufnahmeplatte in Bezug auf die Stabanordnung bzw. die Aufprallrichtung, während die Klemmanordnung, die die Aufnahmeplatte in Richtung der Kopplungsplatte drückt und einklemmt, dazu dient, die Aufnahmeplatte starr an der Kopplungsplatte zu fixieren.
Damit ist ein effizientes Verfahren zum Ausrichten und Fixieren der Aufnahmeplatte gegenüber der Stabanordnung gegeben, da im ersten Schritt die Aufnahmeplatte durch das Anbringen der Klemmrinne/des Klemmvorsprungs selbsttätig gegenüber der Kopplungsplatte ausgerichtet und fixiert wird und im zweiten Schritt eine starre Fixierung durch die Klemmanordnung gegeben ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Klemmanordnung mindestens einen Klemmstab (Klemmstange), der zum Ziehen der Aufnahmeplatte an die Kopplungsplatte entlang der Klemmrichtung konfiguriert ist. Der Klemmstab bildet einen Zugstab, der die Aufnahmeplatte an die Klemmplatte pressen kann. Insbesondere kann eine Mehrzahl von Klemmstäben bereitgestellt sein. Die Klemmstäbe können starr oder lösbar an der Aufnahmeplatte befestigt sein. Alternativ dazu können die Klemmstäbe auch starr oder lösbar an der Kopplungsplatte befestigt sein. In einem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Klemmstäbe lösbar an der Aufnahmeplatte befestigt und können die Klemmplatte passieren.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der Klemmstab mit der Aufnahmeplatte und der Kopplungsplatte so gekoppelt, dass der Klemmstab in Klemmrichtung an der Aufnahmeplatte befestigt und gegenüber der Kopplungsplatte verschiebbar ist. Die Klemmstäbe sind also lösbar an der Aufnahmeplatte befestigt und können die Klemmplatte durch entsprechende Löcher in der Klemmplatte passieren.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Klemmanordnung ein Antriebssystem zum Bewegen des Klemmstabs entlang der Klemmrichtung. Das Antriebssystem wird zum Bewegen des Klemmstabes entlang der Klemmrichtung durch eine Antriebskraft erzeugt, die beispielsweise durch einen entsprechenden Motor, wie den unten beschriebenen Spindelmotor, erzeugt wird. Alternativ können die Klemmstäbe als Gewindestangen ausgebildet sein, die durch die Kopplungsplatte geführt und mit einer entsprechenden Feststellschraube fixiert werden können. Durch Eindrehen der Feststellschraube kann die jeweilige Klemmkraft erzeugt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst das Antriebssystem eine Antriebsplatte, an der der Klemmstab zumindest entlang der Klemmrichtung unbeweglich befestigt ist, wobei die Antriebsplatte in Bezug auf die Klemmplatte beweglich ist. Durch Bewegen der Antriebsplatte in einer Längsrichtung entlang der Klemmrichtung werden daher auch die an der Antriebsplatte befestigten Klemmstäbe bewegt. Beispielsweise kann eine Mehrzahl von Klemmstäben an der Antriebsplatte befestigt werden, so dass nur die eine Antriebsplatte bewegt wird, aber eine Mehrzahl von Klemmstäben bewegt wird. Es ist also nicht notwendig, jeden Klemmstab einzeln mit einem entsprechenden Aktuator zu koppeln.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform ist eine Spindel an der Kopplungsplatte befestigt, wobei die Antriebsplatte entlang der Spindel gekoppelt beweglich ist. Das Antriebssystem umfasst einen Spindelantrieb, der an der Antriebsplatte angebracht ist, um eine Antriebskraft entlang der Spindel zu erzeugen. Der Spindelantrieb umfasst beispielsweise eine drehbare Gewindemutter, die durch eine Antriebskraft in Drehung versetzt wird. Der Spindelantrieb dreht die Gewindemutter, so dass eine Bewegung entlang der Spindel, die mit der Gewindemutter gekoppelt ist, erzeugt wird. Die Spindel kann ferner durch ein Durchgangsloch der Antriebsplatte geführt werden, so dass keine Kopplung zwischen der Antriebsplatte und der Spindel die Relativbewegung der Antriebsplatte in Richtung der Kopplungsrichtung stören würde. Die Klemmkraft wird also von den Klemmstäben über die Antriebsplatte auf die Kopplungsplatte geleitet. Auf der Antriebsplatte sind alle Einrichtungen angeordnet, die für eine Bewegung und die Steuerung der Klemmung der Aufnahmeplatte zur Kopplungsplatte erforderlich sind. Es ist mehr Spielraum für die Bereitstellung der Kopplungsanordnung für die Aufnahmeplatte gegeben, da die Kopplungsplatte zum Beispiel frei von jeglichen Aktuatoren ist.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist die Aufnahmeplatte eine Klemmrinne zur Aufnahme des Klemmstabes auf, derart, dass der Klemmstab entlang der Klemmrinne verschiebbar ist und mit der Aufnahmeplatte entlang der Klemmrichtung beweglich fixiert ist. Die Klemmrinne umfasst insbesondere eine seitliche Öffnung entlang einer Seitenkante der Aufnahmeplatte. Des Weiteren ist die Klemmrinne so geformt, dass eine Hinterschneidung (im Querschnitt) gebildet wird, wie zum Beispiel eine C-Form oder eine T-Form. Die Klemmrinne weist also einen T-förmigen Querschnitt auf und der Klemmstab umfasst ein T-förmiges Stabende, das zum Einpassen in die T-förmige Klemmrinne konfiguriert ist.
Das Stabende des Klemmstabes weist eine entsprechende Form auf, die in die Klemmrinne passt. So kann der Klemmstab von der Seitenkante in die Klemmrinne gleiten, insbesondere entlang einer horizontalen Richtung, die senkrecht zur Aufprallrichtung verläuft. Wenn die Klemmkraft auf den Klemmstab aufgebracht wird, entsteht ein Formschluss zwischen dem Klemmstab und der Klemmrinne mit einer Hinterschneidung, so dass die Aufnahmeplatte über den Klemmstab in Richtung der Klemmplatte gedrückt und gezogen werden kann.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Tragebasis insbesondere eine Tragplatte, insbesondere eine Aluminiumplatte, an der zumindest die Klemmanordnung, insbesondere die Kopplungsplatte, angebracht ist. Die Tragplatte bildet eine einzige und robuste Basis für die Stabanordnung, den Aktuator und die Probenhalteranordnung.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Tragebasis mindestens eine vertikale Scherplatte, die sich zwischen dem Boden auf der einen Seite und der Probenhalteranordnung, der Stabanordnung und dem Aktuator auf der anderen Seite erstreckt, wobei die Scherplatte insbesondere ein vertikal ausgerichtetes Blech, insbesondere ein Metallblech ist. Bei der Scherplatte handelt es sich insbesondere um ein vertikal ausgerichtetes Blech, insbesondere um ein Metallblech. Durch das Bereitstellen der vertikalen Scherplatte werden Kräfte (insbesondere Scherkräfte), die sich entlang der vertikalen Richtung und auch entlang der Aufprallrichtung erstrecken, durch die vertikale Scherplatte absorbiert und gedämpft. Insbesondere reicht zur Dämpfung der jeweiligen Kräfte eine entsprechende blechartige Platte aus, so dass auch eine leichtgewichtige Lösung zur Dämpfung der vertikalen Kräfte bereitgestellt wird. Die Scherplatte ist so konfiguriert, dass sie entlang der Aufprallrichtung Eigenfrequenzen von mehr als 300 Hz aufweist. Die Eigenfrequenzen können durch eine entsprechende Dicke der Scherplatte und durch die Verwendung eines geeigneten Materials, wie zum Beispiel Metall, eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Anordnung ferner eine Handhabungsvorrichtung, wobei die Handhabungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Aufnahmeplatte zu handhaben, insbesondere um die Aufnahmeplatte zur Kopplungsplatte hin oder von dieser weg zu bewegen. Bei der Handhabungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um einen Roboterarm handeln, der dazu ausgebildet ist, die Aufnahmeplatte zu greifen und die Aufnahmeplatte entlang der horizontalen und auch vertikalen Richtung zur Kopplungsplatte hin oder von dieser weg zu bewegen. Darüber hinaus kann die Handhabungsvorrichtung eine Fördervorrichtung, zum Beispiel ein Förderband, umfassen, die die Aufnahmeplatte entlang einer Gleitrichtung bis zur Kopplungsplatte bewegt. Insbesondere ist eine Gleitrichtung und damit die Förderrichtung entlang des Kopplungsüberstandes bzw. der Kopplungsrinne definiert. Die Gleitrichtung kann eine horizontale Richtung sein, die senkrecht zur Aufprallrichtung verläuft. Daher kann die Aufnahmeplatte von einer lateralen Seite aus über die Kopplungsplatte geschoben werden, um die Materialprüfung durchzuführen, und nachdem die Materialprüfung abgeschlossen ist, kann sich die Aufnahmeplatte entlang der Gleitrichtung zur Kopplungsplatte hin und/oder von ihr weg bewegen. Dadurch wird eine effiziente Beladung der Vorrichtung für die Materialprüfung bereitgestellt.
Durch die oben beschriebene Kopplungsanordnung wird ein Gleitmechanismus zur manuellen oder automatischen Befestigung einer Probenhalteranordnung zusammen mit der Aufnahmeplatte bereitgestellt. Der oben beschriebene Klemmmechanismus bietet sowohl einen Mechanismus zur horizontalen Fixierung als auch zur vertikalen Klemmfixierung. Somit kann durch den oben beschriebenen Klemmmechanismus eine robuste Verbindung der hohen Steifigkeit der jeweiligen Tragstrukturen, zum Beispiel von mehr als 600 kN/mm, in der Bewegung während der Prüfung bereitgestellt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Steuereinheit zur Steuerung der Handhabungsvorrichtung und des Aktuators zur Bestückung (Ausstattung) des Halteraufnahmeabschnitts mit der Probenhalteranordnung und zur Durchführung einer Materialprüfung. Die Steuereinheit kann mit der Stabanordnung, dem Aktuator und der Probenhalteranordnung zur Übertragung von Steuersignalen gekoppelt sein, um die Vorrichtung so zu steuern, dass eine selbsttätige Aktivierung der Vorrichtung bzw. eine Materialprüfung bereitgestellt werden kann. Zusätzlich ist die Steuereinheit mit der Handhabungsvorrichtung und dem Antriebssystem gekoppelt, um die Aufnahmeplatte, auf der die mit der zu prüfenden Probe bestückte Probenhalteranordnung vormontiert ist, automatisch zu klemmen und zu lösen. Durch das erfindungsgemäße Klemmsystem zwischen der Aufnahmeplatte und der Kopplungsplatte kann somit eine automatische und selbsttätige Be- und Entladung der Vorrichtung für die Materialprüfung bereitgestellt werden.
Darüber hinaus kann die Steuereinheit Daten über die Probe, wie zum Beispiel Konstruktions- und Materialparameter der Probe, sowie vordefinierte Prüfverfahren, wie zum Beispiel Informationen über die Presskraft, die Frequenz der Stabanordnung während einer dynamischen Prüfung, zur Durchführung einer entsprechenden Materialprüfung enthalten. Somit kann durch die Steuereinheit eine automatische Be- und Entladung der Vorrichtung sowie ein automatischer Betrieb der Materialprüfung bereitgestellt werden.
Somit kann die Materialprüfung der Probe unter vorgegebenen klimatischen Bedingungen durchgeführt werden. So kann die Materialprüfung beispielsweise in kalter Umgebung, zum Beispiel bei Temperaturen unter -40 °C, oder in heißer Umgebung, zum Beispiel bei mehr als 200 °C, durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Stabanordnung ferner einen Kraftsensor zur Messung der Aufprallkraft zwischen der Stabanordnung und der zu prüfenden Probe, wobei der Kraftsensor insbesondere zwischen einem Aufprallelement und einem kraftübertragenden Element der Stabanordnung angeordnet ist.
Der Kraftsensor kann zwischen dem Aufprallelement und dem kraftübertragenden Element angeordnet sein. Wenn der Kraftsensor also nahe am Aufprallelement angeordnet ist, ist eine direkte Messung und auch eine gute Erreichbarkeit des Kraftsensors möglich. Insbesondere, wenn der Kraftsensor nahe am Aufprallelement an einer Stirnseite angebracht ist, wird keine Zeitverzögerung der Kraftsignale bei dynamischen Messungen erzeugt, so dass eine sehr genaue Kraftmessung möglich ist. Es wird also ein direktes Signal anstelle eines verzögerten Signals zum Beispiel von der Motorsteuerung eines Aktuators verwendet. Der Kraftsensor kann lösbar am Aufprallelement und/oder am kraftübertragenden Element angebracht sein. Dadurch kann für unterschiedliche Belastungsfälle ein anderer Kraftsensortyp verwendet oder ein defekter Kraftsensor ausgetauscht werden. Bei dem Kraftsensor kann es sich um einen piezoelektrischen Sensor handeln. Ein piezoelektrischer Sensor ist ein Sensor, der den piezoelektrischen Effekt nutzt, um Änderungen von Druck, Beschleunigung, Temperatur, Dehnung oder Kraft zu messen, indem er sie in eine elektrische Ladung umwandelt. Für eine Kraftmessung kann der piezoelektrische Sensor eine dünne Membran und eine massive Basis umfassen, die sicherstellen, dass ein aufgebrachter Druck die Elemente gezielt in eine Richtung belastet und somit entsprechende elektrische Signale erzeugt, die die aufgebrachten Kräfte anzeigen. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Dehnungsmessstreifen-Sensor, d.h. ein DMS-Sensor, als Kraftsensor für eine Messung der Dehnung der Stabanordnung verwendet werden.
Gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform umfasst die Anordnung ferner eine optische Messvorrichtung, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitskamera, zur optischen (Ver-)Messung der zu prüfenden Probe, und/oder einen Verschiebungssensor zur Messung einer Verschiebung eines Teils der Probe unter Prüfbedingungen, insbesondere unter einer Behandlung der Probe mit der Stabanordnung. Somit können mit der Hochgeschwindigkeitskamera auch Verformungen der zu prüfenden Probe verfügbar gemacht werden.
Die oben beschriebene Steuervorrichtung kann mit den jeweiligen Sensoren gekoppelt werden und die jeweiligen Sensordaten können an eine Datenerfassungseinheit, wie zum Beispiel eine zentrale Servereinheit, zur Verarbeitung der Sensordaten gesendet werden. So kann während einer Prüfung der Probe eine genaue Visualisierung des Verhaltens der Probe unter Prüfbedingungen gegeben werden. Die Sensordaten können zum Beispiel auch für Simulationswerkzeuge und andere Konstruktionsverfahren verwendet werden. Durch die Verarbeitung der Sensordaten kann auch ein Notstopp automatisch eingeleitet werden.
Es ist zu beachten, dass Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf unterschiedliche Gegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ansprüche des Typs Vorrichtung beschrieben worden, während andere Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ansprüche des Typs Verfahren beschrieben worden sind. Der Fachmann wird jedoch aus der obigen und der folgenden Beschreibung entnehmen, dass, sofern nicht anders mitgeteilt, neben jeder Kombination von Merkmalen, die zu einer Art von Gegenstand gehören, auch jede Kombination zwischen Merkmalen, die sich auf verschiedene Gegenstände beziehen, insbesondere zwischen Merkmalen der Ansprüche vom Typ Vorrichtung und Merkmalen der Ansprüche vom Typ Verfahren, als mit dieser Anmeldung offenbart gilt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die oben definierten Aspekte und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung sind aus den nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispielen ersichtlich und werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele erläutert. Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele näher beschrieben, auf die die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zur Materialprüfung einer Probe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Klemmanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer Klemmanordnung, wie in 2 gezeigt.
4 zeigt eine schematische Ansicht einer entsprechenden Stabanordnung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine Anordnung insbesondere mit ihrer Tragebasis gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 und 7 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung mit einer Stabanordnung zum Aufbringen einer Zugkraft auf die Probe.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Die Abbildungen in den Zeichnungen sind schematisch. Es wird darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Abbildungen ähnliche oder identische Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Anordnung 100 zur Materialprüfung einer Probe 102 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Probenhalteranordnung mit einem Probenhalter 101 zum Halten einer zu prüfenden Probe 102, eine Stabanordnung 110 zum Bewegen in Richtung des Probenhalters 101 zum Übertragen einer mechanischen Belastung auf die Probe 102, einen Aktuator 120 zum Bewegen der Stabanordnung 110 relativ zum Probenhalter 101 entlang einer horizontalen Aufprallrichtung 103 und eine Tragebasis, auf der der Probenhalter 101, die Stabanordnung 110 und der Aktuator 120 montiert sind, wobei der Probenhalter lösbar mit einem Halteraufnahmeabschnitt 131 der Tragebasis gekoppelt ist.
Der Probenhalter 101 der Probenhalteranordnung ist dazu ausgelegt, die Probe 102 gezielt lösbar an einem Halteraufnahmeabschnitt 131 einer Tragebasis 130 zu halten. Beispielsweise kann der Probenhalter 101 Klemmelemente zum (Ein-)Klemmen der zu prüfenden Probe 102 aufweisen. Durch die Bereitstellung einer lösbaren Probenhalteranordnung kann der jeweilige Probenhalter 101 mit der zu prüfenden Probe 101 vormontiert werden, bevor der Halter 101 an dem Halteraufnahmeabschnitt 131 befestigt wird.
Die Prüfvorrichtung 100 umfasst ferner eine Tragplatte 134 der Tragebasis 130, auf der der Probenhalter 101, die Stabanordnung 110 und der elektromechanische Aktuator 120 (direkt oder indirekt über koppelnde Stützelemente) angebracht sind. Die Tragebasis 130 überträgt entsprechende Gewichtskräfte und dynamische Kräfte auf den Boden.
Der Halteraufnahmeabschnitt 131 umfasst mindestens eine Aufnahmeplatte 132 mit Aufnahmerinnen 133, wobei der Probenhalter 101 mindestens einen Aufnahmestift als Aufnahmevorsprung 405 aufweist (siehe 4). Die Aufnahmeplatte 132 kann zum Beispiel starr an der Tragebasis 130 befestigt sein. Der Aufnahmestift ist in die Aufnahmerinne 133 verschiebbar, um den Probenhalter 101 lösbar mit der Halteraufnahmeplatte 132 zu koppeln. Die Aufnahmerinne 133 ist insbesondere senkrecht zur Aufprallrichtung 103 ausgebildet. Die Halteraufnahmeplatte 132 kann beispielsweise eine Mehrzahl von Aufnahmerinnen 133 aufweisen, die sich in der horizontalen Ebene und senkrecht zur Aufprallrichtung 103 erstrecken. Die jeweiligen Aufnahmestifte des Probenhalters 101 gleiten in den Aufnahmerinnen 133 entlang einer Richtung senkrecht zur Aufprallrichtung 103. Die durch das Aufprallen der Stabanordnung 110 auf die zu prüfende Probe 102 induzierten Kräfte sind somit senkrecht zur Gleitrichtung der Aufnahmestifte in den Aufnahmerinnen 133 gerichtet, so dass die Kraft direkt vom Probenhalter 101 auf die Aufnahmeplatte 132 übertragen werden kann.
Die Stabanordnung 110 umfasst ein Aufprallelement 111 mit einem Aufprallabschnitt, der dazu ausgelegt ist, gegen die zu prüfende Probe 102 gedrückt zu werden. Dabei ist die Stabanordnung 110 zur Bewegung in Richtung des Probenhalters 101 konfiguriert. Die Stabanordnung 110 wird durch den elektromechanischen Aktuator 120 angetrieben und kann mit einstellbarer Geschwindigkeit und einstellbarer Aufprallkraft zu der Probe 102 bewegt werden.
Der Aktuator 120 kann beispielsweise ein Elektro- oder Servomotor sein, der die Stabanordnung 110 mit einer gewünschten Geschwindigkeit entlang der Aufprallrichtung 103 und mit einer gewünschten Aufprallkraft antreibt. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Aktuator 120 ein Linearmotor. Der elektromechanische Aktuator 120 ist insbesondere konfiguriert, um eine Aufprallenergie gegen die Probe 102 von mehr als 100 J bereitzustellen.
Der Aktuator 120 ist konfiguriert, um die Stabanordnung 110 und/oder die Probenhalteranordnung mit einer konstanten oder inkonstanten Geschwindigkeit, d.h. einer Beschleunigung oder Verzögerung, im Bereich von 0 m/s bis 12 m/s zueinander zu verstellen. Daher kann eine Mehrzahl von Belastungsfällen angewendet werden. Beispielsweise kann die Stabanordnung 110 mit einer hohen Frequenz auf die Probe 102 aufprallen, oder die Stabanordnung 110 kann eine mechanische Belastung (Spannung, Zugkraft oder Presskraft) statisch auf die Probe 102 übertragen. Somit kann mit der genannten Vorrichtung 100 eine Mehrzahl verschiedener Belastungsfälle zur Materialprüfung in ein und derselben Vorrichtung aufgebracht werden.
Die Vorrichtung 100 ist so konfiguriert, dass die Aufprallrichtung 103 parallel zu einer horizontalen Richtung h ist, wenn die Vorrichtung 100 auf einem Boden angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Aufprallrichtung 103 und damit die Bewegungsrichtung der Stabanordnung 110 ist senkrecht zur Richtung der Schwerkraft (entlang der vertikalen Richtung v). Durch eine solche horizontale Ausrichtung der Stabanordnung 110 wird nur eine geringe Auswirkung oder Störung durch die Schwerkraft entlang der Aufprallrichtung 103 verursacht, so dass die gleiche ungestörte Bewegung oder Beschleunigung in beide Richtungen möglich ist. Somit kann eine statische Prüfung zur Beaufschlagung der zu prüfenden Probe 102 mit einer konstanten Presskraft und/oder eine dynamische Prüfung zur Variation der Aufprallkraft in einer vordefinierten Zeitspanne bereitgestellt werden. Der elektromechanische Aktuator 120 und die Stabanordnung 110 sind so konfiguriert, dass die Stabanordnung 110 mit einer Presskraft von mehr als 5 kN auf die Probe 103 gepresst wird.
Darüber hinaus ist der Aktuator 120 konfiguriert, um die Stabanordnung 110 entlang der Aufprallrichtung 103 zum Probenhalter 101 hin und von ihm weg zu bewegen. Somit ist es nicht nur möglich, eine Presskraft gegen die Probe 102 in Richtung auf die Probe 102 auszuüben, sondern auch eine Zugkraft in Richtung von der Probe 102 weg. Somit können mit der erfindungsgemäßen Anordnung auch Zugversuche und auch eine Vielzahl von Belastungszuständen zwischen Druck-/Hängeversuchen und Zugversuchen durchgeführt werden. Zur Durchführung der Zugversuche kann die Stabanordnung 110 starr an der Probe befestigt werden.
Die Stabanordnung 110 umfasst das Aufprallelement 111 und einen kraftübertragenden Stab 112, der mit dem Aktuator 120 gekoppelt ist. Das Aufprallelement 111 ist insbesondere härter als die zu prüfende Probe 102. Ferner kann das Aufprallelement 111 in der dargestellten beispielhaften Ausführungsform eine Aufprallkante mit einer Längserstreckung aufweisen.
Der kraftübertragende Stab 112 stellt die Verbindung zwischen dem Aufprallelement 111 und dem Aktuator 120 her. Der kraftübertragende Stab 112 kann mit dem beweglichen Teil, zum Beispiel einem Schlitten 121 des elektromechanischen Aktuators 120, gekoppelt sein. Der Schlitten 121 hat ein Gewicht von mehr als 100 kg. Somit ist eine hohe Aufprallenergie aufgrund der hohen Masse von mehr als 100 kg gegeben.
Das Aufprallelement 111 ist lösbar mit dem kraftübertragenden Stab 112 verbunden. Somit können Aufprallelemente 111 unterschiedlicher Bauart und Form ausgetauscht werden, um die Probe 102 zum Beispiel mit unterschiedlichen Belastungsfällen zu prüfen. Außerdem ist bei Beschädigung eines Aufprallelements 111 ein entsprechender Wechsel der Aufprallelemente 111 möglich.
Die Stabanordnung 110 umfasst ferner einen Kraftsensor 113 zur Messung der Aufprallkraft zwischen dem Aufprallelement 111 und der zu prüfenden Probe 102. Der Kraftsensor 113 ist zwischen dem Aufprallelement 111 und dem kraftübertragenden Stab 112 angeordnet. Wenn der Kraftsensor 113 somit in der Nähe des Aufprallelements 111 angeordnet ist, ist eine direkte Messung und auch eine gute Erreichbarkeit des Kraftsensors 113 möglich. Insbesondere dann, wenn der Kraftsensor 113 in der Nähe des Aufprallelements 111 an einer Stirnseite angebracht ist, wird keine Zeitverzögerung der Kraftsignale bei dynamischen Messungen erzeugt, so dass eine sehr genaue Kraftmessung möglich ist.
Der Kraftsensor 113 ist lösbar an dem Aufprallelement 111 und/oder dem kraftübertragenden Stab 112 angebracht. Bei dem Kraftsensor 113 kann es sich um einen piezoelektrischen Sensor handeln.
In der beispielhaften Ausführungsform ist der Aktuator 120 ein Linearmotor mit einem beweglichen Schlitten 121, an den die Stabanordnung 110 gekoppelt ist, und einem Stator 122, der sich entlang der Aufprallrichtung 103 erstreckt. Der Schlitten 121 ist entlang der Aufprallrichtung 103 relativ zum Stator 122 durch elektromechanische Antriebskräfte antreibbar, die zwischen dem Stator 122 und dem Schlitten 121 erzeugt werden können. Der Linearmotor erzeugt eine lineare Antriebskraft entlang seiner Länge und somit entlang der Aufprallrichtung 103. Eine typische Funktionsweise ist die eines Aktuators vom Lorentz-Typ, bei dem die aufgebrachte Kraft linear proportional zum Strom und dem Magnetfeld ist. Durch den Linearmotor können die Aufprallkraft und die Geschwindigkeit der Stabanordnung 110 genau eingestellt werden.
Der kraftübertragende Stab 112 ist mit dem beweglichen Schlitten 121 gekoppelt, wobei der kraftübertragende Stab 112 insbesondere eine Länge entlang der Aufprallrichtung 103 aufweist, die größer ist als ein Verfahrweg des Schlittens 121 entlang der Aufprallrichtung 103. Somit kann der maximale Verfahrweg des Schlittens 121 zum Bewegen der Stabanordnung 110 genutzt werden, da das an dem kraftübertragenden Stab 112 angeordnete Aufprallelement 111 aufgrund der Länge des kraftübertragenden Stabes 112 nicht mit Strukturelementen des Linearmotors in Konflikt steht.
In der Ausführungsform ist der Stator 122 aus einem rechteckigen Statortisch 123 und einem weiteren Statortisch 124 gemacht. Die Statortische 123, 124 weisen eine Länge entlang der Aufprallrichtung 103 und eine Breite orthogonal zur Aufprallrichtung 103 auf, wobei die Länge größer ist als die Breite der Statortische 123, 124.
Der Schlitten 121 ist zwischen dem Statortisch 123 und dem weiteren Statortisch 124 verschiebbar angeordnet. Durch zwei Statortische 123, 124, die den Schlitten 121 zwischen sich einschließen, kann ein stärkeres Magnetfeld zum Antrieb des Schlittens 121 erzeugt werden.
Der Probenhalter 101 ist somit lösbar mit dem Halteraufnahmeabschnitt 131 der Tragebasis 130 verbunden. Somit ist es möglich, einen oder eine Mehrzahl von Probenhaltern 101 mit der zu prüfenden Probe 102 vorzumontieren, bevor der Probenhalter 101 an der Vorrichtung befestigt wird.
2 und 3 zeigen beispielhafte Ausführungsformen einer Klemmanordnung 210 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Aufnahmeabschnitt 131 umfasst eine Kopplungsplatte 201, die zum lösbaren Koppeln der Aufnahmeplatte 132 konfiguriert ist. Daher kann die Aufnahmeplatte 132 zusammen mit der Probenhalteranordnung vormontiert werden, bevor sie an der Kopplungsplatte angebracht wird. 201 Die Kopplungsplatte 201 kann starr an der Tragplatte 134 befestigt werden. Außerdem bilden die Aufnahmeplatte 132 und die Kopplungsplatte 201 einen Oberflächenkontakt.
Die Aufnahmeplatte 132 umfasst mindestens eine Kopplungsrinne 202 und die Kopplungsplatte 201 umfasst einen Kopplungsüberstand 203, wobei der Kopplungsüberstand 203 und die Kopplungsrinne 202 so ausgebildet sind, dass der Kopplungsüberstand 203 in der Kopplungsrinne 202 verschiebbar ist.
Die Kopplungsüberstände 203 bilden vorstehende Kanten oder Rippen, die sich entlang einer geraden Längsrichtung erstrecken. Die Kopplungsrinnen 202 verlaufen senkrecht zur Aufprallrichtung 103. Somit werden die durch das Aufprallen der Stabanordnung 120 auf die zu prüfende Probe 102 induzierten Kräfte senkrecht zur Gleitrichtung des Kopplungsüberstands 203 in den Rinnen 202 geleitet, so dass die Kraft direkt vom Probenhalter 101 in die Aufnahmeplatte 132 und weiter in die Kopplungsplatte 201 übertragen werden kann.
Die Kopplungsrinnen 202 weisen verjüngte Seitenwände, insbesondere mit trapezförmigem Querschnitt, auf. Auch die Kopplungsüberstände 203 bilden Längsrippen mit verjüngten Seitenwänden 204, insbesondere mit trapezförmigem Querschnitt. Durch die sich verjüngenden Seitenwände 204 der Kopplungsrinne 202 und/oder des Kopplungsüberstandes 203 wird somit ein Selbstausrichtungseffekt erzeugt, wenn die Aufnahmeplatte 132 in Richtung der Kopplungsplatte 201 bewegt wird, insbesondere entlang einer vertikalen Richtung v. Wenn somit die Aufnahmeplatte 132 entlang der Kopplungsrichtung 205 nach unten gezogen wird, wird eine horizontale und vertikale Bewegung aufgrund der Verriegelung der abgewinkelten Flächen der Trapezblöcke verhindert.
Insbesondere handelt es sich bei der Tragplatte 134 um eine Aluminiumplatte, an der zumindest die Klemmanordnung 210, insbesondere die Kopplungsplatte 201, befestigt ist. In einer beispielhaften Ausführungsform können die Tragplatte 134 und die Kopplungsplatte 134 integral und monolithisch aus einem Stück geformt sein.
Der Aufnahmeabschnitt 131 umfasst ferner eine Klemmanordnung 210 zum Bewegen der Aufnahmeplatte 132 zur Kopplungsplatte 201 entlang einer Klemmrichtung 205, so dass die Aufnahmeplatte 132 an der Kopplungsplatte 201 (fest)klemmbar ist. Bei der Klemmrichtung 205 handelt es sich um eine vertikale Klemmrichtung. Die Klemmrichtung 205 ist die Richtung, entlang der die Aufnahmeplatte 132 zur Klemmplatte 201 bewegt werden kann. Eine entsprechende Klemmkraft wirkt entlang der Klemmrichtung 205 und klemmt somit die Aufnahmeplatte 132 an der Klemmplatte 201, so dass eine Fixierung entlang der Klemmrichtung gegeben ist. Zusätzlich ist durch die oben beschriebenen konischen Klemmvorsprünge 203 und Klemmrinnen 202 eine jeweilige Fixierung senkrecht zur Klemmrichtung 205, insbesondere entlang der Aufprallrichtung 103, gegeben. Wenn die Aufnahmeplatte 132 mit der Klemmplatte 201 verklemmt ist, ist eine Relativbewegung zwischen den jeweiligen Platten 132, 201 aufgrund der Klemmkraft nicht möglich. Beim Lösen der Klemmverbindung zwischen der Aufnahmeplatte 132 und der Kopplungsplatte 201 ist jedoch eine Bewegung der Aufnahmeplatte 132 in Bezug auf die Klemmplatte 201 insbesondere senkrecht zur Klemmrichtung 205 und zur Aufprallrichtung 103 möglich. So kann die Aufnahmeplatte 132 beispielsweise entlang des Klemmvorsprungs 203 gleiten, wenn keine Klemmkraft erzeugt wird. Der Klemmvorsprung 203 und die jeweilige Klemmrinne 202 der Klemmplatte 201 und der Aufnahmeplatte 132 dienen somit der Anpassung und Ausrichtung der Aufnahmeplatte 132 in Bezug auf die Stabanordnung 120 bzw. die Aufprallrichtung 103, während die Klemmanordnung 210, die die Aufnahmeplatte 132 in Richtung der Klemmplatte 201 drückt und einklemmt, dazu dient, die Aufnahmeplatte 132 starr an der Kopplungsplatte 132 zu fixieren.
Zur Bereitstellung der Klemmkraft entlang der vertikalen Richtung v umfasst die Klemmanordnung 210 Klemmstäbe 211, die so konfiguriert sind, dass sie die Aufnahmeplatte 132 entlang der Klemmrichtung 205 zur Kopplungsplatte 201 ziehen. Die Klemmstäbe 211 sind lösbar an der Aufnahmeplatte 132 befestigt. Die Klemmstäbe 211 passieren die Klemmplatte 201 durch entsprechende Löcher in der Klemmplatte 201. Die Klemmstäbe 211 sind mit der Aufnahmeplatte 132 und der Kopplungsplatte 201 so gekoppelt, dass der Klemmstab 211 entlang der Klemmrichtung 205 an der Aufnahmeplatte 132 befestigt und gegenüber der Kopplungsplatte 201 verschiebbar ist.
Die Klemmanordnung 210 umfasst ferner ein Antriebssystem 220 zum Bewegen des Klemmstabs 211 entlang der Klemmrichtung 205. Das Antriebssystem 220 umfasst eine Antriebsplatte 221, an der der Klemmstab 211 zumindest entlang der Klemmrichtung 205 unbeweglich befestigt ist, wobei die Antriebsplatte 221 in Bezug auf die Klemmplatte 201 beweglich ist. Durch Bewegen der Antriebsplatte 221 in einer Längsrichtung entlang der Klemmrichtung 205 werden daher auch die an der Antriebsplatte 221 befestigten Klemmstäbe 211 bewegt.
Weiterhin ist eine Spindel 222 an der Kopplungsplatte 201 befestigt, wobei die Antriebsplatte 221 entlang der Spindel 222 beweglich gekoppelt ist. Das Antriebssystem 220 umfasst einen Spindelantrieb 223, der an der Antriebsplatte 221 angebracht ist, um eine Antriebskraft entlang der Spindel 222 zu erzeugen. Der Spindelantrieb 223 umfasst beispielsweise eine drehbare Gewindemutter, die durch eine Antriebskraft in Drehung versetzt wird. Der Spindelantrieb 223 dreht die Gewindemutter, so dass eine Bewegung entlang der Spindel 222, die mit der Gewindemutter gekoppelt ist, erzeugt wird. Die Spindel 222 wird ferner durch ein Durchgangsloch der Antriebsplatte 221 geführt, so dass eine Relativbewegung entlang der Kopplungsrichtung 205 zwischen der Antriebsplatte 221 und der Spindel 222 möglich ist, so dass eine Bewegung der Antriebsplatte 221 in Richtung der Kopplungsrichtung 205 möglich ist. Somit wird die Klemmkraft von den Klemmstäben 211 über die Antriebsplatte 221 auf die Kopplungsplatte 201 geleitet.
Ferner weist die Aufnahmeplatte 132 eine Klemmrinne 206 zur Aufnahme des Klemmstabes 211 auf, so dass der Klemmstab 211 entlang der Klemmrinne 206 verschiebbar und mit der Aufnahmeplatte 132 entlang der Klemmrichtung 205 beweglich befestigt ist. Die Klemmrinne 202 umfasst insbesondere eine seitliche Öffnung entlang einer Seitenkante der Aufnahmeplatte 132. Ferner ist die Klemmrinne 206 so ausgebildet, dass eine Hinterschneidung (im Querschnitt) gebildet wird, wie zum Beispiel eine dargestellte T-Form. Somit weist die Klemmrinne 206 einen T-förmigen Querschnitt auf und der Klemmstab 211 umfasst ein T-förmiges Stabende 212, das zum Einpassen in die T-förmige Klemmrinne 206 konfiguriert ist. Das Stabende 212 kann ein einzelnes Stabende oder ein plattenförmiges Stabende bilden, an dem eine Mehrzahl von Klemmstäben 211 befestigt ist. Die Stabenden 212 bilden eine Platte, die sich in horizontaler Richtung h erstreckt und in die entsprechend geformte Klemmrinne 206 eingesetzt werden kann. Dadurch kann eine gleichmäßigere Klemmkraft in Klemmrichtung 205 aufgebracht werden. Der Klemmstab 211 kann also von der Seitenkante in die Klemmrinne 206 gleiten, insbesondere entlang einer horizontalen Richtung h, die senkrecht zur Aufprallrichtung 103 liegt. Wenn die Klemmkraft auf den Klemmstab 211 aufgebracht wird, entsteht ein Formschluss zwischen dem Klemmstab 211 und der Klemmrinne 206 mit einer Hinterschneidung, so dass die Aufnahmeplatte 132 durch den Klemmstab 211 an die Klemmplatte 201 in Klemmrichtung 205 gedrückt und gezogen wird.
Es kann eine Handhabungsvorrichtung bereitgestellt sein, um die Aufnahmeplatte 132 zu handhaben, insbesondere um die Aufnahmeplatte 132 zu der Kopplungsplatte 201 hin oder von dieser weg zu bewegen, insbesondere entlang einer horizontalen Richtung h. Eine Gleitrichtung und damit die Förderrichtung ist insbesondere entlang des Kopplungsüberstands 203 bzw. der Kopplungsrinne 206 definiert. Die Gleitrichtung kann eine horizontale Richtung h sein, die senkrecht zur Aufprallrichtung 103 verläuft. Daher kann die Aufnahmeplatte 132 von einer lateralen Seite aus über die Kopplungsplatte 201 geschoben werden, um die Materialprüfung durchzuführen, und nachdem die Materialprüfung abgeschlossen ist, kann sich die Aufnahmeplatte 132 entlang der Gleitrichtung von der Kopplungsplatte 201 weg bewegen.
4 zeigt eine Ausführungsform einer Probenhalteranordnung mit einem Probenhalter 101. Die Aufnahmeplatte 132 und der Probenhalter 101 können eine modulare, austauschbare Einheit bilden. Die Einheit kann mit der Probe 102 bestückt bzw. ausgestattet sein, neben der Vorrichtung 100 und von dieser beabstandet. Beispielsweise kann die Aufnahmeplatte 132 an dem Probenhalter 101 befestigt werden. Darüber hinaus kann die Aufnahmeplatte 132 die Aufnahmerinnen 133 und der Probenhalter 101 die Aufnahmevorsprünge 405 aufweisen, um den Probenhalter 101 lösbar an der Aufnahmeplatte 132 zu befestigen.
Die zu prüfende Probe 101 wird auf einem Halterelement 402 des Probenhalters, wie zum Beispiel einer Klemmeinheit, angeordnet. Außerdem ist die Stabanordnung 110 entlang der Aufprallrichtung 103 beweglich.
Die Anordnung 100 kann auch eine optische Messvorrichtung, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitskamera, zur optischen Messung der zu prüfenden Probe 102 und/oder einen Verschiebungssensor zur Messung einer Verschiebung eines Teils der Probe 102 unter Prüfbedingungen, insbesondere unter einer Behandlung der Probe 102 mit dem Aufprallelement 111, umfassen.
Die Steuervorrichtung 408 ist mit den jeweiligen Sensoren gekoppelt, und die jeweiligen Sensordaten können an eine Datenerfassungseinheit, wie zum Beispiel eine zentrale Servereinheit, zur Verarbeitung der Sensordaten gesendet werden.
Ferner kann eine Handhabungsvorrichtung bereitgestellt sein, um den Probenhalter 101 zu handhaben, insbesondere um den Probenhalter 101 zusammen mit der Aufnahmeplatte 132 auf die Kopplungsplatte 201 zu oder von dieser weg zu bewegen, insbesondere entlang einer horizontalen Richtung h. Beispielsweise kann der Probenhalter 101 zusammen mit der Aufnahmeplatte 132 auf einem Wagen oder Förderer der Handhabungsvorrichtung positioniert werden, wobei sich eine Handhabungsplattform des Wagens auf derselben vertikalen Höhe wie die Kopplungsplatte 201 befindet, so dass der Probenhalter 101 zusammen mit der Aufnahmeplatte 132 auf die Kopplungsplatte 201 geschoben werden kann, wobei der Kopplungsüberstand 203 entlang der Kopplungsrinne 202 gleitet. Die Kopplungsplatte 201 kann einen Anschlag bzw. Stopper aufweisen, der die Gleitbewegung beendet und damit eine vordefinierte Position definiert.
Die Steuereinheit 408 ist ferner konfiguriert zur Steuerung der Handhabungsvorrichtung und des Aktuators 120 zur Bestückung des Halteraufnahmeabschnitts 131 mit dem Probenhalter 102 mit dem Probenhalter 101 und zur Durchführung einer Materialprüfung. Die Steuereinheit 408 kann mit der Stabanordnung 110, dem Aktuator 120 und dem Probenhalter 101 zur Übertragung von Steuersignalen gekoppelt sein, um die Vorrichtung 100 so zu steuern, dass eine selbsttätige Aktivierung der Vorrichtung 100 bzw. eine Materialprüfung bereitgestellt werden kann. Zusätzlich ist die Steuereinheit 408 mit der Handhabungsvorrichtung und dem Antriebssystem 220 gekoppelt, um die Aufnahmeplatte 132 automatisch zu klemmen und zu lösen.
Darüber hinaus kann die Steuereinheit 408 Probendaten enthalten, die zum Beispiel Konstruktions- und Materialparameter der Probe 102 sowie vordefinierte Prüfverfahren umfassen, wie zum Beispiel Informationen über die Presskraft, die Frequenz der Stabanordnung 110 während einer dynamischen Prüfung, um eine entsprechende Materialprüfung durchzuführen. Somit kann durch die Steuereinheit 408 ein automatisches Be- und Entladen der Vorrichtung 200 sowie ein automatischer Betrieb der Materialprüfungsvorrichtung bereitgestellt werden.
5 zeigt eine Anordnung insbesondere mit ihrer Tragebasis 130 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Tragebasis 130 ist so konfiguriert, dass sie eine Steifigkeit von mehr als 600 kN/mm bereitstellt. Dadurch können hohe Gewichtskräfte und auch dynamische Kräfte auf den Boden übertragen werden, ohne dass es zu Vibrationen kommt, die den Prüfvorgang negativ beeinflussen könnten. Die Tragebasis 130 wird zum Beispiel durch ein Gerüst 502 aus Stahlstäben, die auf dem Boden angeordnet werden können, robust gebildet. Die Steifigkeit kann durch das oben beschriebene robuste Gerüst 502 aus Stahlstäben und zusätzlich durch eine vertikale Scherplatte 501 bereitgestellt werden.
Die vertikale Scherplatte 501 erstreckt sich zwischen dem Boden auf der einen Seite und dem Probenhalter 101, der Stabanordnung 110 und dem elektromechanischen Aktuator 130 auf der anderen Seite (und beispielsweise zwischen der Tragplatte 134 und dem Boden). Bei der Scherplatte 501 handelt es sich insbesondere um ein vertikal ausgerichtetes Blech, insbesondere um ein Metallblech. Durch das Bereitstellen der vertikalen Scherplatte 501 werden Kräfte (insbesondere Scherkräfte), die sich entlang der vertikalen Richtung v und auch entlang der Aufprallrichtung 103 erstrecken, von der vertikalen Scherplatte 501 absorbiert und gedämpft. Die Scherplatte 501 ist so konfiguriert, dass sie Eigenfrequenzen entlang der Aufprallrichtung 103 von mehr als 300 Hz aufweist.
Die Tragplatte 134 bildet eine robuste und steife Aufnahmefläche und kann auf dem starren Rahmen 501 aus Stahlträgern der Tragebasis 130 angeordnet werden. Durch Anordnen der Tragplatte 134 in einer horizontalen Ebene werden Kräfte, die entlang der horizontalen Richtung h wirken, effizient gedämpft und absorbiert.
Die Anordnung 100 umfasst ferner ein Gehäuse 503 zur Aufnahme des Aktuators 120 und zumindest eines Teils der Stabanordnung 110.
6 und 7 zeigen eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 100 mit einer Stabanordnung 110 zum Aufbringen einer Zugkraft FT auf die Probe 102. Der Probenhalter 101 ist an der Aufnahmeplatte 132 befestigt. Weiterhin umfasst der Probenhalter 101 ein Klemmelement 602, beispielsweise Klemmbacken, zum unbeweglichen (Ein-)Klemmen der Probe 101 in Bezug auf die Tragebasis 130. Beabstandet zu dem Klemmelement 602 ist an dem beweglichen kraftübertragenden Stab 112 ein Greifelement 601 bereitgestellt. Das Greifelement 601 ist beispielsweise am freien Ende des kraftübertragenden Stabes 112 angebracht. Insbesondere weist der kraftübertragende Stab 112 einen geteilten Abschnitt auf und bildet einen gabelartigen Endabschnitt. Der gabelartige Endabschnitt 603 führt an der Probe 102 vorbei. Am Ende des gabelartigen Endabschnitts 603 ist das Greifelement 601 angeordnet. Das Greifelement 601 klemmt die Probe 102 beabstandet zum Klemmabschnitt des Klemmelements 602. Das Greifelement 601 kann die Probe 102 beispielsweise durch Klemmen oder durch eine formschlüssige Fixierung fixieren. Wenn also der kraftübertragende Stab 112 aus dem Gehäuse 503 und damit entlang einer jeweiligen horizontalen Bewegungsrichtung herausbewegt wird, wird das Greifelement 601 von dem Klemmelement 602 wegbewegt, so dass eine Zugkraft FT auf die zu prüfende Probe 102 übertragen wird.
Es ist zu beachten, dass der Begriff „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht ausschließt und „ein“ oder „eine“ eine Mehrzahl nicht ausschließt. Auch können Elemente, die in Verbindung mit verschiedenen Ausführungsformen beschrieben werden, kombiniert werden. Es sollte auch beachtet werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als Einschränkung des Umfangs der Ansprüche ausgelegt werden sollten.
Liste der Bezugszeichen:

100: Vorrichtung
101: Probenhalter
102: Probe
103: Aufprallrichtung
110: Stabanordnung
111: Aufprallelement
112: kraftübertragender Stab
113: Kraftsensor
120: Aktuator
121: Schlitten
122: Stator
123: Statortisch
124: weiterer Statortisch
130: Tragebasis
131: Halteraufnahmeabschnitt
132: Aufnahmeplatte
133: Aufnahmerinne
134: Tragplatte
201: Kopplungsplatte
202: Kopplungsrinne
203: Kopplungsüberstand
204: verjüngte Wand
205: Klemmrichtung
206: Klemmrinne
210: Klemmanordnung
211: Klemmstab
212: Stabende
220: Antriebssystem
221: Antriebsplatte
222: Spindel
223: Spindelantrieb
402: Halterelement
408: Steuervorrichtung
501: Scherplatte
502: Tragegerüst
503: Gehäuse
601: Greifelement
602: Klemmelement
603: Endabschnitt
v: vertikale Richtung
h: horizontale Richtung
FT: Zugkraft

Claims

Vorrichtung (100) zur Materialprüfung einer Probe (102), wobei die Vorrichtung (100) Folgendes umfasst: eine Probenhalteranordnung, die einen Probenhalter (101) zum Halten einer zu prüfenden Probe (102) umfasst, eine Stabanordnung (110) zum Bewegen in Richtung des Probenhalters (101) zur Übertragung einer mechanischen Belastung auf die Probe (102), einen Aktuator (120) zum Bewegen der Stabanordnung (110) und/oder des Probenhalters (101) in Bezug zueinander entlang einer horizontalen Aufprallrichtung (103), und eine Tragebasis, auf der die Probenhalteranordnung, die Stabanordnung (110) und der Aktuator (120) angebracht sind, wobei die Probenhalteranordnung lösbar mit einem Halteraufnahmeabschnitt (131) der Tragebasis verbunden ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei der Aktuator (120) und die Stabanordnung (110) konfiguriert sind zur Durchführung einer statischen Prüfung zum Aufbringen einer Presskraft auf die zu prüfende Probe (102) und/oder zur Durchführung einer dynamischen Prüfung zum Variieren der Aufprallkraft in einer vorgegebenen Zeitspanne.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Aufnahmeabschnitt (131) eine Halteraufnahmeplatte (132) umfasst, auf der die Probenhalteranordnung lösbar verbunden ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3, wobei die Halteraufnahmeplatte (132) mindestens eine Aufnahmerinne (133) aufweist, wobei die Probenhalteranordnung mindestens einen Aufnahmevorsprung (405) aufweist, wobei der Aufnahmevorsprung (405) so konfiguriert ist, dass er innerhalb der Aufnahmerinne (133) verschiebbar ist, um die Probenhalteranordnung lösbar mit dem Halteraufnahmeabschnitt (131) zu verbinden, wobei die Aufnahmerinne (133) insbesondere senkrecht zur Aufprallrichtung (103) ausgebildet ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Aufnahmeabschnitt (131) eine Kopplungsplatte (201) umfasst, die zum lösbaren Verbinden der Aufnahmeplatte (132) konfiguriert ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 5, wobei die Aufnahmeplatte (132) mindestens eine Kopplungsrinne (202) umfasst und die Kopplungsplatte (201) einen Kopplungsüberstand (203) umfasst, wobei der Kopplungsüberstand (203) und die Kopplungsrinne (202) so ausgebildet sind, dass der Kopplungsüberstand (203) in der Kopplungsrinne (202) verschiebbar ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei sich die Kopplungsrinne (202) senkrecht zur Aufprallrichtung erstreckt.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Kopplungsrinne (202) verjüngte Seitenwände, insbesondere mit trapezförmigem Querschnitt, aufweist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Kopplungsüberstand (203) eine Längsrippe mit verjüngten Seitenwänden (204), insbesondere mit trapezförmigem Querschnitt, ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Aufnahmeabschnitt (131) eine Klemmanordnung (210) zum Bewegen der Aufnahmeplatte (132) zu der Kopplungsplatte (201) entlang einer Klemmrichtung (205) umfasst, so dass die Aufnahmeplatte (132) an der Kopplungsplatte (201) klemmbar ist, wobei die Klemmrichtung (205) insbesondere eine vertikale Klemmrichtung (205) ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 10, wobei die Klemmanordnung (210) mindestens einen Klemmstab (211) umfasst, der zum Ziehen der Aufnahmeplatte (132) zur Kopplungsplatte (201) entlang der Klemmrichtung (205) konfiguriert ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11, wobei der Klemmstab (211) mit der Aufnahmeplatte (132) und mit der Kopplungsplatte (201) derart gekoppelt ist, dass der Klemmstab entlang der Klemmrichtung (205) an der Aufnahmeplatte (132) befestigt und in Bezug auf die Kopplungsplatte (201) verschiebbar ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Klemmanordnung (210) ein Antriebssystem (220) zum Bewegen des Klemmstabs (211) entlang der Klemmrichtung (205) umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei das Antriebssystem (220) eine Antriebsplatte (221) umfasst, an der der Klemmstab (211) zumindest entlang der Klemmrichtung (205) unbeweglich befestigt ist, wobei die Antriebsplatte (221) in Bezug auf die Klemmplatte beweglich ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 14, wobei eine Spindel (222) an der Kopplungsplatte (201) befestigt ist, wobei die Antriebsplatte (221) entlang der Spindel (222) beweglich gekoppelt ist, wobei das Antriebssystem (220) einen Spindelantrieb (222) umfasst, der an der Antriebsplatte (221) angebracht ist, um eine Antriebskraft entlang der Spindel (222) zu erzeugen.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, wobei die Aufnahmeplatte (132) eine Klemmrinne (206) zur Aufnahme des Klemmstabes (211) aufweist, derart, dass der Klemmstab (211) entlang der Klemmrinne (206) verschiebbar ist und mit der Aufnahmeplatte (132) entlang der Klemmrichtung (205) beweglich befestigt ist.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 16, wobei die Klemmrinne (206) einen T-förmigen Querschnitt aufweist und der Klemmstab (211) ein T-förmiges Stabende (212) aufweist, das zum Einpassen in die T-förmige Klemmrinne (206) konfiguriert ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 17, wobei die Tragebasis (130) insbesondere eine Tragplatte (134), insbesondere eine Aluminiumplatte, umfasst, an der zumindest die Klemmanordnung (210), insbesondere die Kopplungsplatte (201), befestigt ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Tragebasis (130) mindestens eine vertikale Scherplatte (501) umfasst, die sich zwischen dem Boden auf der einen Seite und der Probenhalteranordnung, der Stabanordnung (110) und dem Aktuator (120) auf der anderen Seite erstreckt, wobei die Scherplatte (501) insbesondere ein vertikal ausgerichtetes Blech, insbesondere ein Metallblech, ist.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 19, ferner umfassend eine Handhabungsvorrichtung, wobei die Handhabungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Aufnahmeplatte (132) zu handhaben, insbesondere um die Aufnahmeplatte (132) zur Kopplungsplatte (201) hin oder von ihr weg zu bewegen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 20, ferner umfassend eine Steuereinheit zur Steuerung der Handhabungsvorrichtung und des Aktuators zur Bestückung des Halteraufnahmeabschnitts (131) mit dem Probenhalter und zur Durchführung einer Materialprüfung.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Stabanordnung (110) ferner einen Kraftsensor (113) zum Messen der Aufprallkraft zwischen der Stabanordnung (110) und der zu prüfenden Probe (102) umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, ferner umfassend eine optische Messvorrichtung, insbesondere eine Hochgeschwindigkeitskamera, zur optischen Messung der zu prüfenden Probe (102), und/oder einen Verschiebungssensor zum Messen einer Verschiebung eines Teils der Probe (102) unter Prüfbedingungen, insbesondere unter einer Behandlung der Probe (102) mit der Stabanordnung (110).
Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei die zu prüfende Probe (102) ein Batteriegerät ist.
Verfahren zur Materialprüfung einer Probe (102) mit einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Verbinden der Probenhalteranordnung lösbar mit dem Halteraufnahmeabschnitt (131) der Tragebasis, Bewegen der Stabanordnung (110) und/oder der Probenhalteranordnung in Bezug zueinander, um eine mechanische Belastung auf die Probe (102) zur Materialprüfung der Probe zu übertragen.