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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Prüfung des
ungehinderten Entspannungsverhaltens eines gestauchten viskoelastischen Schaumstoffs,
wobei ein Prüfling
mittels einer leichten, starr ausgelegten Druckplatte gegen eine
feste Unterlage auf ein vorgegebenes Maß gestaucht und nach einer
Haltezeit im gestauchten Zustand schlagartig freigegeben wird, so
dass sich der Prüfling
in seine ursprüngliche
Form entspannen kann.
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Die
Messvorrichtung dient dazu, den zeitlichen Ablauf des ungehinderten
Entspannungsvorgangs vom gestauchten Zustand hin zum entspannten
Zustand, in Abhängigkeit
von der Stauchung und der Haltezeit zu ermitteln. Der Entspannungsvorgang besteht
aus der Überlagerung
einer elastischen Rückfederung
und eines viskosen Fließvorgangs.
Da der viskose Fließvorgang
stark von der Vorgeschichte des Materials abhängt, ist die Kenntnis, wann
das viskoelastische Material nach einer vorgegebenen Stauchung und
Haltezeit seine ursprüngliche
Form wieder einnimmt, für
den Hersteller von viskoelastischen Materialien von besonderem Interesse.
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Neben
der Ermittlung des zeitlichen Ablaufs des Entspannungsvorgangs,
bietet die Anordnung auch die Möglichkeit
den zeitlichen Verlauf der Rückstellkraft
des Prüflings
auf die Druckplatte im gestauchten Zustand, das heißt während der
Haltezeit, in Abhängigkeit
von der Stauchung, zu ermitteln. Die Rückstellkraft eines viskoelastischen
Schaumstoffs ist bei konstanter Stauchung nicht gleichbleibend, sondern
nimmt aufgrund der viskosen Komponente des Materials mit der Zeit
ab und strebt einem endlichen Grenzwert entgegen. Insbesondere bei
weichem viskoelastischem Schaumstoff, welcher zum Beispiel zu medizinischen
Bettmatratzen verarbeitet wird, ist die Kenntnis des zeitlichen
Ablaufs der Rückstellkraft
und ihr Grenzwert von Bedeutung, da man bei diesen Matratzen bestrebt
ist eine gleichmäßige Krafteinwirkung
der Matratze auf den Körper
des Patienten zu erzielen, so dass keine lokalen Druckspitzen auftreten.
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Das
Druck- und Verformungsverhalten von viskoelastischem Schaumstoff
wird häufig
mit Testverfahren ermittelt, welche für die Prüfung von weich-elastischem
Schaumstoff entwickelt wurden.
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So
beschreibt EN ISO 1856 ein Verfahren zur Bestimmung des Druckverformrestes
von weich-elastischen Schaumstoffen. Hierbei wird ein Prüfling bekannter
Abmessung mit einer Prüfvorrichtung,
welche aus zwei ebenen Platten besteht, auf 50% oder 75% seiner
ursprünglichen
Dicke gestaucht und unter diesen Bedingungen gehalten. Anschließend wird
der Prüfling
der Vorrichtung entnommen. Nach einer Entspannungsdauer von 30 Minuten
wird erneut die Dicke des Prüflings
ermittelt und aus dieser sowie der Anfangsdicke der Druckverformungsrest
berechnet. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass nicht der zeitliche
Ablauf des Entspannungsvorgangs nach der Stauchung ermittelt wird, sondern
lediglich ein Messpunkt. Insbesondere der Beginn des Entspannungsvorgangs,
das heißt
der zeitliche Bereich mit der größten Dynamik,
wird nicht erfasst. Weiterhin nachteilig ist, dass die Rückstellkraft
im gestauchten Zustand nicht ermittelt wird.
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EN
ISO 10066 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung des Kriechens
bei Druckbeanspruchung für
weich-elastische polymere Schaumstoffe. Hierbei wird ein Prüfling mit
einem Prüfgerät, welches aus
zwei flachen Platten besteht, mit einer konstanten Druckkraft zusammengepresst.
Nach 15 min und nach 72 h wird die Stauchung des Prüflings gemessen
und ihre Änderung
bestimmt. Nachteilig an diesem Verfahren ist, wie schon beim vorhergehenden Verfahren,
dass nicht der zeitliche Ablauf des Entspannungsvorgangs nach dem
Entfernen des Prüflings
aus der Prüfvorrichtung
ermittelt wird. Zudem ist insbesondere bei viskoelastischen Schaumstoffen weniger
der zeitliche Ablauf der Stauchung bei konstanter Druckkraft, sondern
vielmehr der zeitliche Verlauf der Rückstellkraft bei konstanter
Stauchung von Interesse, um zum Beispiel die Kraft, welche ein mit
viskoelastischem Schaumstoff verkeilter Gegenstand nach Ablauf einer
gewissen Zeit erfährt,
zu bestimmen. Dieser zeitliche Verlauf der Rückstellkraft lässt sich
jedoch nicht mit der in diesem Verfahren eingesetzten Vorrichtung
ermitteln.
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DIN
53577 beschreibt ein Verfahren zur Bestimmung der Federkennlinie
eines weichelastischen Schaumstoffs bei der Stauchung. Hierzu wird
ein Prüfling
durch zwei ebene Platten mit einer konstanten Verformungsgeschwindigkeit
von 50 mm/min bis auf eine gewünschte
Stauchung zusammengepresst. Anschließend wird der Prüfling wieder
mit der gleichen Geschwindigkeit entlastet, wobei zeitgleich die Kraft
bestimmt wird, welche notwendig ist, um die jeweilige Stauchung
hervorzurufen. Hieraus wird die Federkennlinie des Prüflings ermittelt.
Sie gibt innerhalb eines bestimmten Verformungsbereiches die Dickenänderung
in Abhängigkeit
von der Kraft wieder. Da viskoelastische Schaumstoffe im Allgemeinen
bei der Verformung mehr Arbeit aufnehmen, als sie bei der Entlastung
abgeben, zeigt die Federkennlinie bei ihnen in der Regel ein Hystereseverhalten.
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Die
drei beschriebenen Verfahren und die zugehörigen Testvorrichtungen haben
im Bezug auf viskoelastische Schäume
weiterhin den Nachteil, dass mit ihnen nicht der zeitliche Ablauf
des ungehinderten Entspannungsvorgangs erfasst wird. Zwar wäre es möglich mit
der zugehörigen
Vorrichtung einen Regelkreis aufzubauen, bei dem die beiden ebenen
Platten mit dem eingeschlossenen, zusammengepressten Prüfling so
schnell auseinander bewegt werden, dass der Prüfling stets in Kontakt mit
den Platten bleibt, jedoch von diesen keine Rückstellkraft erfährt. Hierdurch
könnte
der zeitliche Ablauf des ungehinderten Entspannungsvorgangs erfasst
werden. Solch ein Regelkreis könnte
jedoch nur mit sehr hohem mechanischem und regelungstechnischem
Aufwand realisiert werden, da die Entspannungsvorgänge besonders
zu Beginn der Formänderung
in der Regel sehr schnell ablaufen.
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EP 0459896 A1 beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei dem ein Prüfling eines
viskoelastischen Elastomers oder Gemisches mit Hilfe eines geführten Druckstempels
zunächst
komprimiert, im komprimierten Zustand gehalten und anschließend wieder
entspannt wird, wobei der geführte Druckstempel
beim Entspannen auf dem Prüfling aufliegt.
Zur Erfassung der Rückstellkraft
des Prüflings
im gestauchten Zustand, ist unterhalb des Prüflings ein Druckaufnehmer angeordnet.
Zur Erfassung der Höhenzunahme
des Prüflings
beim Entspannen, ist der Druckstempel mit einem linearen Wegaufnehmer
versehen. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, dass der Entspannungsprozess
zum einen durch das Eigengewicht des Druckstempels und insbesondere auch
durch die Reibungskräfte
an der Führung
und des linearen Wegaufnehmers beeinflusst wird. Dies ist insbesondere
im Bezug auf viskoelastische Schäume
nachteilig, da diese, aufgrund ihrer geringen Dichte nur über geringe
Rückstellkräfte beim Entspannungsprozess
verfügen,
so dass dieser durch die Vorrichtung verfälscht werden kann. Darüberhinaus
bleibt am Ende des Entspannungsvorgangs, aufgrund des Eigengewichts
des Druckstempels und der Reibungskräfte, ein Verformungsrest übrig, so
dass mit diesem Verfahren keine Aussage über die endgültige Dauer
des unbelasteten Entspannungsprozesses eines Prüflings getroffen werden kann.
Weiterhin nachteilig an dem Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung
im Bezug auf viskoelastische Schaumstoffe ist, dass aufgrund der
Führung
des Druckstempels mögliche
Inhomogenitäten im
Prüfling,
beispielsweise durch Bereiche mit unterschiedlicher Dichte, Zellstruktur
oder Feuchtigkeitsgehalt nicht sichtbar werden, da der Druckstempel durch
die Führung
stets horizontal auf dem höchsten Punkt
des Prüflings
aufliegt. Falls der Druckstempel ungeführt auf dem Schaumstoff aufliegen
würde, könnte er
sich bei Inhomogenitäten
im Schaumstoff schräg
stellen und somit die Inhomogenitäten im Prüfling offenbaren.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
den zeitlichen Ablauf des ungehinderten Entspannungsvorgangs, das heißt den zeitlichen
Ablauf der Formveränderung
eines Prüflings
aus viskoelastischem Material vom gestauchten Zustand hin zum entspannten
Zustand, in Abhängigkeit
von der Stauchung und der Haltezeit zu ermitteln. Des Weiteren ist
der zeitliche Verlauf der Rückstellkraft
des gestauchten Prüflings
auf die Vorrichtung während
der Haltezeit zu erfassen. Zudem soll das Verfahren reproduzierbar
und die Vorrichtung mechanisch einfach aufgebaut sein. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass der Prüfling
mit einer leichten, starr ausgelegten Druckplatte, welche auf dem
Prüfling
aufliegt, gegen eine feste Unterlage auf ein vorgegebenes Maß gestaucht wird.
Die Kraft, welche zum Stauchen des Prüflings nötig ist, wird entweder von
Hand mit Körperkraft oder
durch eine Pressvorrichtung aufgebracht. Beim Erreichen der zuvor
eingestellten Stauchung wird die Druckplatte durch schaltbare Halteglieder
festgehalten. Als Halteglieder eignen sich, insbesondere aufgrund
der leichten Ansteuerbarkeit, Elektromagnete. Diese setzen die Druckplatte
beim Berühren
fest und halten sie während
einer frei wählbaren
Haltezeit. Falls die Druckplatte aus nicht magnetisierbarem Material
besteht, werden auf ihr Plättchen
aus magnetisierbarem Material befestigt. Als Alternative zu den Elektromagneten
sind auch pneumatische Halteglieder geeignet. So kann die Druckplatte
etwa durch Saugnäpfe über einen
Unterdruck festgehalten werden. Auch rein mechanische Haltevorrichtungen, zum
Beispiel durch Halteklammern sind möglich. Um den Haltezeitbeginn
messtechnisch exakt zu erfassen, bietet es sich an, mindestens zwei
Halteglieder elektrisch zu kontaktieren und in einen Stromkreis
zu schalten. Der Stromkreis wird durch die elektrisch leitfähig ausgelegte
Druckplatte beim Erreichen der zuvor gewählten Stauchung geschlossen,
wodurch der Beginn der Haltezeit signalisiert wird. Alternativ hierzu
kann auch ein Endschalter in die Haltevorrichtung integriert werden,
der beim Beginn des Festhaltens, das heißt beim Festhaltezeitpunkt,
durch die Druckplatte betätigt
wird. Während
der Haltezeit wird die Rückstellkraft
des gestauchten Prüflings
auf die Druckplatte durch einen Kraftaufnehmer erfasst. In einer
ersten Ausführung
ist an dem Kraftaufnehmer der Träger
der Haltevorrichtung befestigt. Im festgehaltenen Zustand wird die
Rückstellkraft
des gestauchten Prüflings über die
Druckplatte, die Halteglieder und den Träger auf den Kraftaufnehmer übertragen.
Aus dem zeitlichen Verlauf der Rückstellkraft lassen
sich bei viskoelastischen Schäumen
relevante Kenngrößen wie
Anfangskraft, Endkraft und Halbwertszeit ermitteln. In einer zweiten
Ausführung
wird die Rückstellkraft
des gestauchten Prüflings
an seiner Standfläche
gemessen. Hierzu wird der Prüfling auf
einem tellerförmigen
Messglied positioniert, das an einen Kraftaufnehmer angeschlossen
ist und die Bodenfläche
der Vorrichtung bildet. Von den gemessenen Kräften muss die Gewichtskraft
des Prüflings abgezogen
werden. Nach Ablauf der Haltezeit lösen die Halteglieder schlagartig,
so dass sich der Prüfling quasi
ungehindert, nur noch durch die sehr leichte, vorzugsweise aus Kohlefaser
ausgebildete Druckplatte bedeckt, entspannen und seine ursprüngliche Form
wieder einnehmen kann. Das Lösen
der Halteglieder erfolgt synchron und ohne Rückwirkung auf die Entspannung
des Prüflings.
Die Entspannung des Prüflings
wird mit Hilfe von berührungslosen
Abstandssensoren bestimmt, welche in ausreichender Höhe über dem
Prüfling
positioniert sind und den Abstand zur aufliegenden Druckplatte messen.
Die Dicke des Prüflings
wird aus dem zuvor erfassten Abstand zur Standfläche des Prüflings und dem Abstand zur
aufliegenden Druckplatte berechnet. Als Abstandssensoren eignen
sich insbesondere berührungslose
Ultraschall- oder optische Abstandssensoren. Alternativ hierzu kann
die Dicke bzw. das Volumen des Prüflings auch mit bildgebenden
Verfahren bestimmt werden, welche von der Seite das Profil des Prüflings auswerten.
Besonders vorteilhaft beim Einsatz von berührungslosen Abstandssensoren
ist es, wenn man den Abstandssensor und die Haltevorrichtung starr
miteinander koppelt und an einem Ausleger, welcher an einer Stativstange
höhenverstellbar befestigt
ist, montiert. Die Grundplatte beziehungsweise ein auf dieser platziertes
Messglied bilden in diesem Fall die Standfläche des Prüflings. Der Vorteil dieser
Anordnung besteht darin, dass durch die Bestimmung des Abstandes
vom Sensor zur Grundplatte die Dicke im gestauchten Zustand sowie
aus dem Abstand zur Druckplatte die Stauchung ermittelt und durch
Veränderung
der Höhe
des Auslegers beeinflusst werden kann. Hierdurch ist es sehr leicht
möglich
die Vorrichtung auf unterschiedliche Stauchungen des Prüflings zu
justieren, um so den Prüfling umfassend
zu untersuchen.
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Weiter
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele;
hierbei zeigen
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1 Erfindungsgemäße Vorrichtung
mit integrierter Kraftmessung;
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2 Haltevorrichtung
aus 1 mit integrierter Kraftmessung in Seitenansicht;
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3 Haltevorrichtung
aus 1 mit integrierter Kraftmessung in Draufsicht;
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4 Haltevorrichtung
aus 1 mit integrierter Kraftmessung in Vorderansicht;
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5 Stromkreis
zur Erkennung des gestauchten Zustands;
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6 Messkurven,
die den zeitlichen Verlauf der Rückstellkraft
und der Probendikke im gestauchten Zustand sowie den zeitlichen
Verlauf der Probendicke beim Entspannungsvorgang wiedergeben;
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7 Erfindungsgemäße Vorrichtung
mit externer Kraftmessung;
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8 Haltevorrichtung
aus 7 mit externer Kraftmessung in Seitenansicht.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
mit Prüfling
in Seitenansicht dargestellt. Die Vorrichtung besteht aus einem
Stativ, welches sich aus einer Grundplatte (1), einer Stativstange
(2) und einem höhenverstellbaren
Ausleger (3) zusammensetzt. Am Ausleger sind ein Ultraschallabstandssensor
(4) zur Bestimmung des Abstands der Druckplatte (12)
sowie vier Abstandsbolzen (5) montiert, die eine Haltevorrichtung
mit integrierter Kraftmessung tragen.
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2 zeigt
die Haltevorrichtung mit integrierter Kraftmessung aus 1 in
Seitenansicht. Sie besteht aus einem Bock (6), der an den
Abstandsbolzen (5) aus 1 montiert
ist und als Träger
eines Kraftaufnehmers (7) dient. Der Kraftaufnehmer (7),
welcher aus einem Biegenbalken besteht, erfasst die Rückstellkräfte des
Prüflings
(8) im gestauchten Zustand. Am vorderen Ende des Kraftaufnehmers
(7) ist die Haltevorrichtung befestigt. Sie besteht aus
einem gabelförmigen
Träger
(9), an dessen Enden jeweils Isolierplatten (10)
montiert sind, auf denen Elektromagnete (11) befestigt
sind. Als Druckplatte (12) wird eine dünne, elektrisch leitfähige Kohlefaserplatte
verwendet, die neben ihrem geringen Gewicht auch eine große Steifigkeit
aufweist. An den Enden der Kohlefaserplatte sind magnetisierbare
Ronden (13) befestigt, die auf die Elektromagnete (11)
ausgerichtet sind. Der Prüfling
wird mit Hilfe der Druckplatte (12) so weit gestaucht,
bis die magnetisierbaren Ronden (13) der Druckplatte (12)
auf den Elektromagneten (11) aufsitzen und von diesen gehalten
werden. Die Kraft, welche zum Stauchen des Prüflings (8) nötig ist,
wird entweder von Hand mit Körperkraft
oder durch eine Pressvorrichtung aufgebracht. Während der folgenden Haltezeit
wird die Rückstellkraft,
welche durch den gestauchten Prüfling
(8) auf die Druckplatte (12) ausgeübt wird,
durch den Kraftaufnehmer (7) erfasst. Nach Ablauf der Haltezeit
werden die beiden Elektromagnete (11) gleichzeitig abgeschaltet,
wodurch sich der Prüfling,
nur noch durch die leichte Druckplatte (12) bedeckt, wieder
entspannen kann. Der Entspannungsvorgang wird von oben mit Hilfe
des Ultraschallabstandssensors (4) erfasst und anschließend zusammen
mit der Rückstellkraft
ausgewertet.
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3 zeigt
die Haltevorrichtung mit integrierter Kraftmessung aus 1 in
Draufsicht. Der gabelförmige
Träger
(9) ist über
den Kraftaufnehmer (7) am Bock (6) befestigt.
Der Kraftaufnehmer (7) wird in dieser Ansicht zum größten Teil
durch den Bock (6) verdeckt. An den beiden Enden des gabelförmigen Trägers (9)
sind die beiden Elektromagnete (11) aus 2 angeordnet,
die als Halteglieder für die
Druckplatte (12) dienen. Der Prüfling (8) wird für den Test
zwischen dem gabelförmigen
Träger
(9) platziert. Die Druckplatte (12) ist so ausgelegt,
dass sie den Prüfling
(8) vollständig
bedeckt. An ihren Enden sind magnetisierbare Ronden (13)
so angebracht, dass sie im gestauchten Zustand des Prüflings auf
den beiden Elektromagneten (11) aus 2 aufliegen.
Als Werkstoff für
die Druckplatte (12) wird zweckmäßig Kohlefaser verwendet, die
geringes Gewicht bei maximaler Steifigkeit aufweist. Ein weiterer Vorteil
des Werkstoffs Kohlefaser ist, dass er elektrisch leitfähig ist.
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4 zeigt
die über
den Kraftaufnehmer (7) am Bock (6) befestigten
Haltevorrichtung in Vorderansicht. Die elektrisch leitfähigen Oberflächen der beiden
Elektromagnete (11) sind elektrisch kontaktiert. Sie sind
Bestandteil eines Stromkreises (14), der durch die elektrisch
leitfähig
ausgelegte Druckplatte (12) im gestauchten Zustand des
Prüflings
geschlossen wird.
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5 zeigt
den Stromkreis zur Erkennung des gestauchten Zustands des Prüflings.
Der elektrische Stromkreis (14) wird durch die an der Oberfläche elektrisch
kontaktierten Elektromagnete (11) gebildet. Im gestauchten
Zustand des Prüflings
wird der Stromkreis durch die elektrisch leitfähige Druckplatte (12)
geschlossen, wodurch die Haltephase signalisiert wird.
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6 zeigt
das Diagramm einer, mit der beschriebenen Messanordnung durchgeführten Messung.
Der erste Zeitabschnitt zeigt den Prüfling im gestauchten Zustand.
Man sieht deutlich die Abnahme der Rückstellkraft bedingt durch
die viskoelastischen Eigenschaften des Prüflings. Die Dicke des gestauchten
Prüflings
bleibt während
der Haltephase konstant, da die Druckplatte (12) mit Hilfe
der Elektromagnete (11) festgehalten wird. Der zweite Zeitabschnitt
beginnt mit dem Ausschalten der Elektromagnete (11) und
der damit verbundenen schlagartigen Freigabe der Druckplatte (12).
Er zeigt die Entspannung des Prüflings
(8), in der sich seine Dicke durch die Überlagerung von viskosen und
elastischen Eigenschaften, in Form eines Kriechvorgangs wieder ihrem
ursprüngliche
Wert annähert.
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7 und 8 stellen
eine alternative Ausführung
der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
in Seitenansicht dar. Bei dieser Ausführung wird die Haltevorrichtung
nicht über
einen Kraftaufnehmer (7) und einen Bock (6) wie
in 1 mit den Abstandsbolzen (5) verbunden,
sondern direkt mittels eines speziell ausgebildeten Trägers (15).
Auf der Grundplatte (1) ist unterhalb der Haltevorrichtung
eine Kraftmessvorrichtung platziert, auf welcher der Prüfling (8)
für den
Stauchungs- und Entspannungsvorgang positioniert wird. Die Kraftmessvorrichtung
besteht aus einem tellerförmigen
Messglied (16), das die Standfläche des Prüflings bildet. Es ist mit einem
als Biegebalken ausgebildeten Kraftaufnehmer (17) verbunden,
welcher auf einem Bock (18) montiert ist.
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Der
Vorteil dieser Ausführungsform,
im Vergleich zur Ausführungsform
gemäß 1 liegt
darin, dass bereits beim Stauchen des Prüflings (8), das heißt bereits
bevor die Druckplatte (12) die Elektromagnete (11)
erreicht hat, die Rückstellkraft
des Prüflings
(8) auf die Druckplatte (12) erfasst werden kann.
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Zusammenfassend
liegt der Vorteil der vorliegenden Erfindung darin, dass durch die
Anordnung der Haltevorrichtung, des berührungslosen Abstandssensors,
der Kraftmessvorrichtung und insbesondere durch die Verwendung einer
leichten, nicht geführten,
leitfähigen
Druckplatte eine einfache und reproduzierbare Bestimmung der viskoelastischen Eigenschaften
des Prüflings
möglich
ist. Die Handhabung der Apparatur ist einfach und die Herstellungskosten
sind gering, da keine aufwendige Regelung und Mechanik benötigt wird.
