-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist eine Vorrichtung zur Prüfung
mechanischer Eigenschaften wie Anrißkraft, Weiterreißkraft,
Elastizitätsgrenze
oder Zugfestigkeit flächenhafter
Materialien wie beispielsweise Papier, Pappe, Vlies, Folien oder Textilien.
-
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen
zur Ermittlung bestimmter Festigkeitskenngrößen von Papier bekannt. Allen
bekannten Lösungen liegt
ein Pendelschlagprinzip zugrunde. Hierbei wird ein Pendelhammer
definierter Masse aus einer definierten Höhe auf eine eingespannte Papierbahn
fallengelassen. Aus der zum Durchschlagen der Papierbahn benötigten Energie,
die sich aus der anfänglichen
Auslenkung des Pendels ergibt, werden Rückschlüsse auf die Festigkeit der
Bahn gezogen. Die Lastaufbringung erfolgt in jedem Fall senkrecht zur
Materialebene, d. h. in der Dickenrichtung.
-
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, daß sich Anriß- und Weiterreißkräfte aufgrund
der transienten Lastaufbringung nicht kontinuierlich ermitteln lassen.
Außerdem
können
die Reißgeschwindigkeit
bzw. -kraft nicht beeinflußt
werden. Eine Ermittlung des Kraftverlaufes mit seinen Schwankungen über den
Rißweg
ist nicht durchführbar,
wodurch die Bewertung von längeren
Einzelrissen unmöglich ist.
Automatisierte Prüfabläufe sind
nicht möglich, wodurch
die Meßgenauigkeit
sehr gering ist.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und eine
Vorrichtung zu schaffen, die eine Ermittlung mechanischer Eigenschaften
wie Anrißkraft,
Weiterreißkraft,
Elastizitätsgrenze
oder Zugfestigkeit flächenhafter
Materialien wie beispielsweise Papier, Pappe, Vlies, Folien oder
Textilien mit oder ohne Anfangsanriß sowie deren Erfassung und
Auswertung ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch
eine Vorrichtung zur Prüfung
flächenhafter
Materialien, die ein Grundgestell, zwei am Grundgestell in einer
Ebene liegend angeordnete Spannelemente, eine Antriebseinheit und
eine Meßanordnung
zur Kraftmessung mit mindestens einer Datenschnittstelle enthält. Die
Ebene, in der die Spannelemente angeordnet sind, ist gleichzeitig
die Ebene, in der sich während
der Prüfung
die flächenhafte
Probe befindet (Prüfebene).
Vorteilhaft sind die Spannelemente in einer Vertikalebene, d. h. übereinander,
angeordnet. Eine Anordnung in einer anderen Raumebene, beispielsweise
einer Horizontalebene, ist jedoch ebenso möglich.
-
Das erste Spannelement ist momentenfrei, beispielsweise
durch eine Aufhängung
an Drahtseilen oder Gestänge
mit kardanischen Gelenken, am Grundgestell angebracht. Wesentlich
ist, daß translatorische
Freiheitsgrade des ersten Spannelements in der Prüfebene verhindert
sind.
-
Das zweite Spannelement hat demgegenüber einen
rotatorischen und einen translatorischen Freiheitsgrad in der Prüfebene.
Es steht mit der Antriebseinheit in Wirkverbindung und ist durch
diese relativ zum ersten Spannelement in der Prüfebene schwenkbar und verschiebbar.
-
Die zu untersuchende Probe wird spannungsfrei
von den beiden Spannelementen aufgenommen und eingespannt. Anschließend wird
die Probe durch alleinige Drehung eines Spannelements oder gegensinnige
Drehung beider Spannelemente in der Prüfebene auf der einen Seite
gestaucht, während
die andere Seite glatt und spannungsfrei bleibt. Die eigentliche
Prüfung
erfolgt durch eine Relativverschiebung der beiden Spannelemente
zueinander. Durch diese Relativverschiebung, die durch eine Absolutverschiebung
nur eines oder beider Spannelemente erzeugt werden kann, wird an
der glatten Seite der Probe eine Zugbeanspruchung erzeugt, während die
andere Seite der Probe zunächst
noch spannungsfrei bleibt. Die Belastung findet also in der Prüfebene,
d. h. senkrecht zur Dickenrichtung des Materials, statt. Der Maximalwert
der Beanspruchung tritt aufgrund des von den Spannelementen eingeschlossenen
Winkels an einer definierten Stelle, nämlich zunächst in der zugbelasteten Randfaser
und – nach Bildung
eines Anrisses – im
Kerbgrund auf.
-
Wird vor Prüfbeginn keine Drehung eines oder
beider Spannelemente durchgeführt,
bleiben also die Spannelemente während
der Prüfung
parallel zueinander, so kann die Vorrichtung auch zu herkömmlichen
Zugversuchen verwendet werden, bei denen der gesamte Probenquerschnitt
beansprucht wird.
-
Die Meßanordnung ist an einem der
Spannelemente oder dessen Aufhängung
angebracht. Bei Anordnung der Spannelemente in einer Vertikalebene
ist die Meßanordnung
vorteilhaft an der momentenfreien Aufhängung des oberen Spannelements angebracht.
Die Meßanordnung
kann beispielsweise aus Kraft- oder Dehnungsaufnehmern bestehen.
Entscheidend ist die Möglichkeit,
mit der Meßanordnung die
durch die Relativverschiebung zwischen den Spannelementen entstehende
Kraft zu ermitteln. Die von der Meßanordnung ermittelten Meßwerte sind über eine
Datenschnittstelle abfragbar.
-
Die Lastaufbringung erfolgt in der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Ebene des zu prüfenden
flächenhaften
Materials, d. h. in der Prüfebene,
durch Relativverschiebung der beiden Elemente zueinander, bei vertikaler
Anordnung vorteilhaft durch Verschiebung des unteren Spannelements
gegenüber
dem oberen Spannelement.
-
Die Anordnung der Spannelemente in
einer Vertikalebene ermöglicht
eine hohe Meßgenauigkeit, da
Massenkräfte
von Baugruppen der Vorrichtung auch in dieser Ebene wirken. Sie
können
durch Kalibrierung der Meßanordnung
im lastfreien Zustand kompensiert werden und haben damit keinen
verfälschenden
Einfluß auf
das Meßergebnis.
Bei Anordnung der Spannelemente in einer horizontalen Ebene ist
die Kompensation der (dann senkrecht zur Prüfebene wirkenden) Massenkräfte mit
höherem Aufwand
verbunden.
-
Die Lastaufbringung erfolgt durch
Verschiebung eines oder beider Spannelemente durch eine Antriebseinheit.
Die Antriebseinheit kann beispielsweise ein Servomoter oder ein
Hydraulik- oder Pneumatikzylinder sein. Die Lastaufbringung kann
weg- oder kraftgesteuert erfolgen, wobei bei Wegsteuerung der Weg
bzw. die Geschwindigkeit der Relativverschiebung der Spannelemente
oder des Rißfortschritts
gesteuert werden kann. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung erfolgt die Lastaufbringung geregelt.
-
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, daß die
zu untersuchenden Materialeigenschaften kontinuierlich ermittelt
werden können,
wodurch die Struktur des Materials beurteilt werden kann. Die Reißgeschwindigkeit
bzw. -kraft kann gewählt
werden. Dadurch kann der Kraftverlauf mit seinen Schwankungen über den
Rißweg
ermittelt werden, wodurch die Bewertung von längeren Einzelrissen möglich ist.
Automatisierte Prüfabläufe sind durch
die Verwendung einer Datenverarbeitungseinheit zur Meßwerterfassung
und -auswertung sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Probeneinzugs, des
Spannmechanismus' sowie
der Antriebseinheiten möglich,
wodurch eine sehr hohe Meßgenauigkeit
erzielt wird.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand
einer Zeichnung und eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
-
Dabei zeigt 1 eine bevorzugte Ausführung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In dieser Ausführung
sind die beiden Spannelemente (1, 4) in einer
Vertikalebene angeordnet.
-
Die Vorrichtung enthält ein nicht
dargestelltes Grundgestell, ein daran angeordnetes oberes Spannelement
(1) und eine an der Aufhängung des oberen Spannelements
(1) angeordnete Meßanordnung,
bestehend aus zwei Kraftaufnehmern (2). Weiterhin enthält die Vorrichtung
eine Schneideinrichtung (3) und ein unteres Spannelement
(4), die auf einer gemeinsamen Grundplatte (5)
angebracht sind sowie eine mit der Grundplatte (5) in Wirkverbindung stehende
erste Antriebseinheit (6), die als Lineareinheit ausgeführt ist
und die aus einem Spindeltrieb (7) und einem den Spindeltrieb
(7) antreibenden Schrittmotor (8) mit Getriebe
(9) besteht. Der Schrittmotor (8) ist steuerbar
und ermöglicht
außerdem
eine hochgenaue Messung des Verschiebungsweges ohne zusätzlichen
Wegaufnehmer.
-
Die Wirkverbindung zwischen der Lineareinheit
(6) und den auf einer gemeinsamen Grindplatte (5)
angeordneten Baugruppen Schneideinrichtung (3) und unteres
Spannelement (4) wird durch ein spielfreies Gelenk (10)
hergestellt, das gleichzeitig die Schwenkbarkeit des unteren Spannelements
(4) in der Vertikalebene ermöglicht. Zum Schwenken der Grundplatte
(5) und damit des unteren Spannelements (4) und
der Schneideinrichtung (3) enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung
außerdem
eine zweite Antriebseinheit (11), die als Pneumatikzylinder ausgeführt ist.
Die zweite Antriebseinheit (11) schwenkt die Grundplatte
(5) und mit ihr das untere Spannelement (4) und
die Schneideinrichtung (3) um das spielfreie Gelenk (10).
-
Das obere Spannelement (1)
ist mittels zweier Drahtseile (12) momentenfrei mit Halterungen
(13) am Grundgestell befestigt, so daß es frei hängt. An den Enden der Drahtseile
(12) ist je ein Kraftaufnehmer (2) angebracht,
der seinerseits am oberen Spannelement (1) angebracht ist.
Die nicht dargestellten Anschlüsse
der Kraftaufnehmer (2) sind die Datenschnittstelle der
Meßanordnung. Über sie
werden die Meßwerte
an eine in 1 nicht dargestellte
Datenverarbeitungseinheit, beispielsweise einen Personal Computer
(PC) weitergeleitet. Die Datenverarbeitungseinheit kann neben der
Meßwerterfassung
und -auswertung auch Steuer- und Regelungsaufgaben, beispielsweise
den Einzug und die Einspannung der Probe oder/und die Steuerung
bzw. Regelung der Antriebseinheit oder Antriebseinheiten (6, 11) übernehmen.
-
In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinheit Bestandteil der
Vorrichtung, beispielsweise in Form eines Embedded PC, wodurch die
Vorrichtung preiswert, kompakt und vollständig automatisierbar ist. Zweckmäßig enthält die Vorrichtung
außerdem
ein Ausgabegerät, z.
B. einen Drucker zum Ausdruck von Meßschrieben oder -protokollen.
In der automatisierten Ausführung ist
eine Ein-Knopf-Bedienung
der Vorrichtung möglich.
-
Die Länge der Drahtseile (12)
ist unterschiedlich, so daß das
obere Spannelement (1) mit der Horizontalen einen Winkel
von beispielsweise ca. 5° einschließt.
-
Das untere Spannelement (4)
ist auf der Grundplatte (5) angebracht. Die Grundplatte
(5) ist durch das spielfreie Gelenk (10) mit dem
beweglichen Teil der ersten Antriebseinheit (6) vertikal
verschiebbar verbunden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist
die erste Antriebseinheit (6) ein regelbarer Schrittmotor.
Darüberhinaus
ist das untere Spannelement (4) in der Vertikalebene drehbar
gelagert. Das spielfreie Gelenk (10) ist dabei der Drehpol.
Es ist oberhalb des unteren Spannelements (4) in der Nähe des einen
Endes des unteren Spannelements (4) angeordnet und verbindet
die Grundplatte (5) und den beweglichen Teil der Lineareinheit
(6) miteinander.
-
Die Grundplatte (5) steht
mit einer am beweglichen Teil der Lineareinheit (6) angebrachten zweiten
Antriebseinheit (11) so in Wirkverbindung, daß die Grundplatte
(5) und mit ihr das untere Spannelement (4) in
einem Bereich von beispielsweise ca. ±5° zur Horizontalen rotierbar
ist. Im Ausführungsbeispiel
ist die zweite Antriebseinheit (11) ein Pneumatikzylinder.
Der feststehende Teil der Lineareinheit (6) ist mit dem
nicht dargestellten Grundgestell verbunden.
-
Im Ausführungsbeispiel verfügen beide Spannelemente
(1, 4) über
einen pneumatischen Einzug für
die (teil)automatische Zufuhr der Werkstoffprobe sowie einen pneumatischen
Spannmechanismus. Die Probe des flächenhaften Materials kann an
der einen Seite beider Spannelemente in die Spannschlitze der Spannelemente
eingeführt
werden. Durch den pneumatischen Einzug wird die Probe vollständig in
die Spannschlitze beider Spannelemente (1, 4)
eingezogen. Anschließend
wird die Probe über
den pneumatischen Spannmechanismus in beiden Spannelementen (1, 4)
festgeklemmt.
-
Zu Beginn ist das untere Spannelement
(4) ebenso wie das obere Spannelement (1) um beispielsweise
ca. 5° zur
Horizontalen geneigt, so daß die
Spannelemente (1, 4) in der Vertikalebene parallel
zueinander verlaufen. Nach dem Einlegen und Einspannen der Probe
wird das untere Spannelement (4) durch die zweite Antriebseinheit
(11) um beispielsweise ca. 10° rotiert, so daß beide
Spannelemente (1, 4) einen Winkel von 10° einschließen und das
untere Spannelement (4) mit der Horizontalen einen Winkel
von –5° einschließt. Durch
die Wahl der Anordnung des Drehpols der Rotation an dem einen Ende
des unteren Spannelements (4) ist die Probe auf dieser
Seite glatt aber spannungsfrei, während sie auf der anderen Seite
aufgrund der durch die Rotation verursachten Verringerung des Abstands
beider Spannelemente (1, 4) gestaucht und dadurch
gewölbt
ist.
-
Alternativ können die Spannelemente (1, 4) auch
so angebracht sein, daß sie
in der Ausgangslage beide horizontal verlaufen und – durch
eine gemeinsame oder je eine Antriebseinheit (11) – gegensinnig
um beispielsweise ca. +5° bzw. –5° rotierbar sind.
Diese Variante hat den Vorteil, daß die bei nicht rotierbarer
Anbringung des oberen Spannelements (1) auftretenden Verzerrungen
der Probe aufgrund der bei Rotation des unteren Spannelements (4)
unvermeidlichen horizontalen Verschiebung desselben (die umso größer ist,
je weiter ein Punkt der Spannlinie vom Drehpol entfernt ist) vollständig kompensiert werden.
-
Nach dem Einspannen der Probe und
der Rotation mindestens eines der beiden Spannelemente (1, 4)
wird die Prüflast
aufgebracht. Dazu wird die erste Antriebseinheit (6) in
Betrieb gesetzt. Das untere Spannelement (4) wird dadurch
senkrecht parallelverschoben und die glatte Seite der Probe einer
Zugbeanspruchung ausgesetzt.
-
Wenn die Zugfestigkeit der Probe
erreicht ist, bildet sich ein Anriß. Dieser Anriß läßt sich
meßtechnisch
auf verschiedenen Wegen erfassen.
-
Wird das untere Spannelement (4)
mit konstanter Geschwindigkeit (d. h. weggesteuert oder -geregelt)
bewegt, so wird die von der Meßanordnung
erfaßte
Kraft kontinuierlich ansteigen, bis die Zugfestigkeit des flächenhaften
Materials erreicht ist. Wenn sich schließlich ein Anriß bildet,
so kann dies an einem Abfall der Kraft im Zeitschrieb erkannt werden.
Die höchste
Kraft vor diesem Abfall ist folglich die Anrißkraft.
-
Wenn der Weg des unteren Spannelements (4)
mit einem Schrittmotor (8) oder Wegaufnehmer erfaßt wird,
so läßt sich
der Anrißbeginn
ebenfalls im Kraft-Weg-Schrieb
erkennen.
-
Bei weiterer Verschiebung des unteren Spannelements
(4) durch die erste Antriebseinheit (6) ist die
Weiterreißkraft
erfaßbar
und auswertbar.
-
Ein kraftgesteuerter bzw. -geregelter
Antrieb des unteren Spannelements (4) ist bei dieser Art
der Prüfung
nicht zweckmäßig; er
kann es jedoch sein, wenn anrißgeschädigte Proben
zu untersuchen sind. Hierbei werden Proben verwendet, bei denen
an der Zugseite vor Beginn der Prüfung eine definierte Kerbe
oder ein definierter Anriß eingebracht
wurde.
-
Zur Untersuchung der Weiterreißkraft anrißbehafteter
Proben ist es wünschenswert,
daß die
Geometrie (Rißlänge bzw.
Kerbtiefe, Beschaffenheit des Kerbgrunds) und der Ort des Anrisses
bzw. der Kerbe für
alle Proben gleich sind. Daher verfügt die erfindungsgemäße Vorrichtung
im Ausführungsbeispiel weiterhin über eine
Schneideinrichtung (3). Diese Schneideinrichtung (3)
ist Bestandteil der Vorrichtung und mit dem Grundgestell an verschiedenen
Orten fest verbindbar.
-
Die Schneideinrichtung (3)
verfügt über ein Messer,
das schwenkbar so gelagert ist, daß damit die Probe im Innern
oder am Rand, parallel oder senkrecht zum Rand eingeschnitten werden
kann. Dadurch kann bei einer Reihe von Proben ein Anriß bzw. eine
Kerbe erzeugt werden, die sich bei jeder Probe an der gleichen Stelle
befindet und die immer die gleiche Geometrie hat. Durch die variable
Anordnung der Schneideinrichtung (3) am Grundgestell der erfindungsgemäßen Vorrichtung
kann der Ort der Kerbe variiert werden.
-
- 1
- erstes,
z. B. oberes Spannelement
- 2
- Kraftaufnehmer
- 3
- Schneideinrichtung
- 4
- zweites,
z. B. unteres Spannelement
- 5
- Grundplatte
- 6
- erste
Antriebseinheit (z. B. Lineareinheit)
- 7
- Spindeltrieb
- 8
- Schrittmotor
- 9
- Getriebe
- 10
- spielfreies
Gelenk
- 11
- zweite
Antriebseinheit (z. B. Pneumatikzylinder)
- 12
- Drahtseil
- 13
- Halterung