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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung
der Dicke von dünnen Klebstoffschichten
und Dichtungen. Die Klebstoffschicht oder die Dichtung befinden
sich zwischen den beiden Fügepartnern
eines zweiteiligen Prüfkörpers.
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Für ein zuverlässiges numerisches
Erfassen der Materialparameter von Klebstoffen und Dichtungen ist
die Kenntnis der mechanischen Werte und der Schichtdicke der Klebstoffe
und Dichtungen wesentlich. Dies gilt insbesondere bei der Simulation
des Verhaltens von Klebstoffen und mit Flüssigdichtungen versehenen Verbindungsstellen
bei der Finite-Elemente(FE)-Methode.
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Allgemein
bekannt ist eine Vorrichtung, bei der eine Prüfdichtung zwischen zwei ringförmigen Modellflanschen
eingelegt wird, die Modellflansche dann mittels einer zentralen
Schraube gegeneinander gespannt werden und dabei der Abstand der
Modellflansche mittels eines Wegaufnehmer-Systems aufgezeichnet
wird, das mit Wibelstrom-Wegaufnehmern arbeitet. Solche Systeme
können
auch mit Dehnungsmessstreifen als Wegaufnehmern arbeiten. Mit diesen
bekannten Vorrichtungen gelingt es jedoch nicht, die Fügeflächen der
Modellflansche exakt parallel auszurichten und die eingesetzten
Wegaufnehmer-Systeme sind nicht genau genug. Auch sind sie nicht
für Messungen über mehrere
Wochen geeignet, da bei Temperaturschwankungen der Nullpunkt driftet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, mit denen die Schichtdicke eines flüssigen Klebstoffes oder einer
Flüssigdichtung
zwischen zwei zusammengefügten
Bauteilen bei einem vorgegebenen Druck gemessen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach
Anspruch 3 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist eine Grundplatte und eine bewegliche Platte auf, die mittels
Linearführungen
relativ zueinander bewegbar sind. Die Linearführungen sind normal zu den
beiden Platten ausgerichtet, so dass die Parallelität beider Platten
bei ihrer Relativbewegung aufrecht erhalten wird. An jeder der Platten
sind Mittel vorgesehen, um einen Fügepartner des zweiteiligen
Prüfkörpers daran
zu befestigen. Die beiden Fügepartner
haben einander zugewandte Fügeflächen und
mittels mindestens eines Wegaufnehmers wird der Abstand der Fügeflächen erfasst.
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Der
Wegaufnehmer ist vorzugsweise ein inkrementaler Wegaufnehmer, wie
er im Handel von der Firma Heidenhain erhältlich ist. Diese Wegaufnehmer
haben eine ausreichende Messgenauigkeit von 0,2 μm und zeigen bei länger andauernden
Messungen kein Nullpunktdriften. Je nach den Genauigkeitsanforderungen
und den Messbedingungen können
jedoch Dehnungsmessstreifen als Wegaufnehmer oder Wirbelstrom-Wegaufnehmer
eingesetzt werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
werden die beiden Fügepartner
zunächst
mit einer vorgegebenen Kraft gegeneinander gedrückt, so dass die Fügeflächen unmittelbar
aufeinander liegen. Die vorgegebene Kraft ist dabei diejenige Kraft,
die zur Erzielung des Druckes notwendig ist, bei dem die Schichtdicke
des Klebstoffes bzw. der Dichtung ermittelt werden soll. Die Wegaufnehmer
werden in diesem Zustand genullt.
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Danach
werden die beiden Fügepartner
wieder getrennt, es wird der Klebstoff oder das Dichtungsmaterial
aufgetragen. Zum Auftragen des Dichtungsmaterials braucht der untere
Fügepartner
des Prüfkörpers nicht
ausgebaut zu werden. Der Klebstoff oder das Dichtungsmaterial werden
mittels einer computergesteuerten Auftragungseinrichtung oder mittels
einer Schablone von Hand aufgetragen und überschüssiges Material wird mittels
einer Rakel abgestrichen. Schließlich werden beide Fügepartner mittels
des Druckrahmens der erfindungsgemäßen Vorrichtung zusammengedrückt und
mit dem vorgegebenen Druck beaufschlagt. Mittels der Wegaufnehmer
wird hierbei kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen die
Schichtdicke erfasst, so dass man ein Diagramm erhält, das
die zeitliche Abhängigkeit der
Schichtdicke bei dem vorgegebenen Druck wiedergibt.
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Vorzugsweise
wird vor dem Nullen der Wegaufnehmer mittels eines druckempfindlichen
Papiers geprüft,
ob zwischen den beiden Fügeflächen überall der
gleiche Druck besteht. Beide Fügepartner
sind axialsymmetrisch, und sie werden so lange gegeneinander gedreht,
bis durch das druckempfindliche Papier eine gleichmäßige Druckverteilung
angezeigt wird.
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Vorzugsweise
sind die Fügeflächen der
Fügepartner
eben. Grundsätzlich
ist es jedoch auch möglich,
mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die
Schichtdicke bei gekrümmten
Fügeflächen zu messen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung
eignen sich insbesondere auch, um die Dicke einer Klebstoffschicht oder
eines Dichtungsmaterials bei unterschiedlichen Oberflächenrauigkeiten
der Fügeflächen zu
messen.
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Da
die Messungen über
mehrere Tage und Wochen durchgeführt
werden, ist es sinnvoll, mittels Temperatursensoren die Temperatur
zu erfassen und die von den Wegaufnehmern angezeigten Messwerte
hinsichtlich der Temperaturschwankungen zu kompensieren.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es
zeigen:
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1 die
Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke im Vertikalschnitt;
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2 die
Fügepartner
im Vertikalschnitt aufeinander liegend;
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3 die
Fügepartner
im Vertikalschnitt getrennt;
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4 die
Druckplatten mit den eingespannten Fügepartnern und einem Dehnungsmessstreifen-Wegaufnehmer
im Vertikalschnitt;
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5 einen
Schnitt nach 5-5 von 4;
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6 die
Druckplatten mit den eingespannten Fügepartnern und einem inkrementalen
Wegaufnehmer im Vertikalschnitt und
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7 einen
Schnitt nach 7-7 von 6.
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Die 1 ist
eine Gesamtansicht der Vorrichtung zur Bestimmung der Schichtdicke.
Die Vorrichtung enthält
einen Druckrahmen 10. Der Druckrahmen 10 hat eine
horizontale Grundplatte 12 und eine bewegliche Platte 14,
die durch zwei vertikale Linearführungen 16 aufeinander
zu und von einander weg bewegbar sind, wobei die parallele Ausrichtung beider
Platten 12, 14 äußerst genau beibehalten wird.
Die Grundplatte 12 und die bewegliche Platte 14 haben
ungefähr
die gleiche längliche
Rechteckform, wobei in der Mitte der schmäleren Endbereiche die Linearführungen 16 montiert
sind. Diese bestehen jeweils aus einer Führungssäule 18, einem Linearkugellager 20 und
einer Führungshülse 22.
Die Führungssäulen 18 sind
in der Grundplatte 12 und die Führungshülsen 22 in der beweglichen
Platte 14 montiert. Die Führungssäulen 18 und die Führungshülsen 22 sind
jeweils normal zur Grundplatte 12 bzw. die bewegliche Platte 14 ausgerichtet.
Die Führungshülsen 22,
und damit die bewegliche Platte 14, in der sie montiert
sind, sind mittels der Linearkugellager 20 spielfrei längs der
Führungssäulen 18 bewegbar.
Auf der Grundplatte 12 ist zwischen den Linearführungen 16 eine
erste Druckplatte 24 befestigt. Auf der Unterseite der
beweglichen Platte 14 ist zwischen den Linearführungen 16 eine
etwa zylinderförmige
Druckpatrone 26 montiert, die auf ihrer Unterseite eine
zweite Druckplatte 28 hält.
Die Anordnung ist dabei insgesamt so getroffen, dass die beiden Druckplatten 24, 28 einander
zugewandte und bei einer Bewegung der beweglichen Platte 14 längs der Linearführungen 16 immer
parallel zueinander ausgerichtete und miteinander fluchtende Montageflächen 30, 32 aufweisen.
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An
den Montageflächen 30, 32 der
ersten und zweiten Druckplatte 24, 28 werden Modellflansche
oder Fügepartner 36, 37 befestigt.
Die beiden Fügepartner 36, 37 bilden
zusammen einen zweiteiligen Prüfkörper 35 (2 und 3).
Die Fügepartner 36, 37 werden
durch Passstifte 33, die am Umfang der Fügepartner 36, 37 in
die Montageflächen 30, 32 eingesetzt
sind, und durch Klemmschrauben 34, die die Fügepartner 36, 37 gegen
die Passstifte drücken,
an der ersten bzw. zweiten Druckplatte 24, 28 befestigt.
Der Prüfkörper 35 ist
in den 2 und 3 im Vertikalschnitt gezeigt.
Der untere, erste Fügepartner 36,
der auf der ersten Druckplatte 24 liegt, ist eine kreisförmige Platte
mit einem ringförmigen Vorsprung 38 auf
der Oberseite und einem etwas breiteren, jedoch flacheren ringförmigen Vorsprung 40 auf
der Unterseite. Die Vorsprünge 38, 40 fluchten vertikal.
Der obere, zweite Fügepartner 37 ist
entsprechend ausgestaltet, wobei der Vorsprung 42 auf der
Oberseite breiter und flacher als der Vorsprung 44 auf
der Unterseite ist. In der Mitte des oberen Fügepartners 37 ist
eine axiale Öffnung 45 ausgespart. Die
einander zugewandten horizontalen Flächen der Vorsprünge 38, 44 sind
die Fügeflächen 46, 48 der Fügepartner 36, 37.
Der Prüfkörper 35 insgesamt und
beide Fügepartner 36, 37 sind
axialsymmetrisch.
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Die
Funktion des Druckrahmens 10 besteht darin, die bewegliche
Platte 14 mit der daran befestigten Druckpatrone 26,
der an der Unterseite der Druckpatrone 26 befestigten zweiten
Druckplatte 28 und dem daran befestigten zweiten Fügepartner 37 mittels
der Linearführungen 16 anzuheben
und abzusenken, wobei die Fügeflächen 46 und 48 exakt
parallel zueinander ausgerichtet werden und vertikal fluchtend voneinander
weg oder zueinander hin bewegt werden können. Die Funktion der Druchpatrone 26 besteht
lediglich darin, die Kraft von der beweglichen Platte 14 auf
die obere, zweite Druckplatte 28 zu übertragen. Zwischen die Fügeflächen 46, 48 wird der
flüssige
Klebstoff aufgetragen, dessen Schichtdicke dann in Abhängigkeit
von dem zwischen den Fügeflächen 46, 48 wirkenden
Druck gemessen wird.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel haben
die ringförmigen
Fügeflächen 46, 48 einen
Innendurchmesser von etwa 40 mm und einen Außendurchmesser von etwa 60
mm, ihre Fläche
beträgt daher
jeweils etwa 1570 mm2. Bis zu einem Druck von
etwa 2,5 MPa, was bei der angegebenen Größe der Fügeflächen 46, 48 einer
Gewichtskraft von zirka 4000 N entspricht, kann der Druck durch
einfaches Auflegen von Gewichten erzeugt werden. Zur Erzielung höherer Drücke wird
der Druckrahmen in eine servohydraulische Zugprüfmaschine, z.B. Instron 8504,
eingesetzt. Um hierbei sicherzustellen, dass die Krafteinwirkung
auf den Druckrahmen 10 ausschließlich vertikal erfolgt, wird
auf die bewegliche Platte ein Adapter 50 mit sphärischen
Gelenkflächen 52 aufgesetzt,
der die von der Prüfmaschine
erzeugte Kraft auf die bewegliche Platte 14 überträgt (1).
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Die
Fügefläche 46 des
unteren Fügepartners 36 steht
nach innen und außen
geringfügig,
z. B. 0,4 mm, über
die Fügefläche 48 des
oberen Fügepartners 37 über, so
dass die Fügefläche 48 des
oberen Fügepartners 37 auch
bei einer geringfügigen
Fehlfluchtung vollständig
der Fügefläche 46 des
unteren Fügepartners 36 gegenüberliegt.
Die wirksame Größe der Fügefläche, innerhalb
der der Druck wirksam ist, entspricht damit immer der kleineren
der beiden Fügeflächen 46, 48,
und im geschilderten Fall der Fügefläche 48 des
oberen Fügepartners 37.
Die Verhältnisse
können
auch umgekehrt sein, und die Fügefläche 48 des
oberen Fügepartners 37 kann
geringfügig über die
des unteren Fügepartners 36 vorstehen.
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Die
Dicke der Klebstoffschicht wird mittels Wegaufnehmern 60 ermittelt,
die an der oberen, zweiten Druckplatte 28 montiert sind,
wobei die Messpunkte auf der Randfläche des unteren, ersten Fügepartners 36 in
einem Winkelabstand von 120° und in
der Mitte des ersten Fügepartners 36 liegen.
Insgesamt sind somit vier Wegaufnehmer 60 vorhanden. Damit
die Messpunkte der drei am Umfang der oberen Druckplatte 28 angeordneten
Wegaufnehmer 60 auf diesem überstehenden Rand des unteren
Fügepartners 36 liegen,
ist der Außendurchmesser
des unteren Fügepartners 36 größer als
der des oberen Fügepartners 37.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 1, 4 und 5 arbeiten
die Wegaufnehmer 60 mit Dehnungsmessstreifen. Der Fühler 62 des
Dehnungsmessstreifens liegt auf der horizontalen Randfläche des
unteren Fügepartners 36 an.
Es sind drei derartige Wegaufnehmer 60 auf dem Umfang des Probekörpers 35 angeordnet.
In der Mitte der oberen Druckplatte 28 ist ein Wegaufnehmer 60 angeordnet, der
als inkrementaler Wegaufnehmer ausgebildet ist und dessen Messstift 64 durch
die Öffnung 45 des oberen
Fügepartners 37 hindurch
im Mittelpunkt des unteren Fügepartners 36 anliegt.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der 6 und 7 handelt es sich bei den Wegaufnehmern 60 um
inkrementale Wegaufnehmer, die im Wesentlichen in der Weise arbeiten,
dass mittels einer Leuchtdiode die in einen Glasstab eingeätzten Striche
abgelesen werden. Diese Wegaufnehmer sind im Handel z.B. von der
Firma Heidenhain, Type ND 221B, erhältlich. Ihre Messgenauigkeit
beträgt
0,2 μm.
Die Wegaufnehmer sind ebenfalls in der oberen Druckplatte 28 montiert
und ihr Messstift liegt auf dem horizontalen Randbereich und in
der Mitte des unteren Fügepartners 36 an.
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Die
Bestimmung der Schichtdicke von flüssigem Klebstoff oder Dichtungsmaterial,
das zwischen den Fügeflächen 46 und 48 aufgetragen
wird, erfolgt in folgenden Schritten:
Erster Schritt: Die Fügepartner 36 und 37 werden
auf der unteren Druckplatte 24 und auf der oberen Druckplatte 28 angeordnet,
wobei sie zwischen den Passstiften 33 und den Klemmschrauben 34,
die an jeder der Druckplatten 24, 28 vorgesehen
sind, gehalten werden. Die Passstifte 33 und die Klemmschrauben 34 greifen
am Umfang der Fügepartner 36, 37 an.
Zweiter
Schritt: Zwischen die Fügepartner 36, 37 wird druckempfindliches
Papier eingelegt und die Fügepartner 36, 37 werden
mit Druck gegeneinander gepresst, z.B. einem Druck von 2 MPa. Dieser
Druck kann niedriger sein als der, bei dem später die Schichtdicke gemessen
wird. Das druckempfindliche Papier ändert seine Farbe unter Druck,
so dass anhand der Färbung
des druckempfindlichen Papiers die Druckverteilung zwischen den
Fügepartnern 36, 37 ermittelt
werden kann. Falls das druckempfindliche Papier anzeigt, dass eine
ungleichmäßige Druckverteilung
vorliegt, wird der untere Fügepartner 36 nach
Lösen der
Klemmschraube 34 von Hand um einen Winkel von z. B. 30° gedreht,
und die Druckverteilung wird mittels eines druckempfindlichen Papiers erneut
geprüft.
Gegebenenfalls wird der untere Fügepartner 36 nochmals
gedreht, und diese Maßnahme wird
so lange wiederholt, bis die Position des unteren Fügepartners 36 gefunden
ist, in der die Druckverteilung möglichst gleichmäßig ist.
Diese Dreh lage des unteren Fügepartners 36 wird
mittels der Klemmschraube 34 fixiert.
Dritter Schritt:
Wenn die Drehlage der Fügepartner 36, 37 gefunden
ist, in der eine gleichmäßige Druckverteilung
vorliegt, werden die beiden Fügepartner 36, 37 in
dem Druckrahmen 10 durch Auflegen von Gewichten oder durch
Einsetzen des Druckrahmens 10 in die servohydraulische
Zugprüfmaschine
mit dem Druck beaufschlagt, bei dem anschließend die Dicke der Klebstoffschicht
ermittelt werden soll. Wenn der gewünschte Druck anliegt, werden
die Wegaufnehmer 60 genullt, d.h. die von ihnen angezeigten
Werte werden als Nullpunkt gewählt.
Vierter
Schritt: Eine genau dosierte Menge eines flüssigen Klebstoffs, z.B. eines
anaeroben Klebstoffs, wird mittels einer Schablone in Form einer
Raupe entlang der Mittellinie der Fügefläche 46 kreisförmig aufgetragen.
Fünfter Schritt:
Der Druckrahmen 10 wird mit der Kraft beaufschlagt, die
zur Erzielung des gewünschten
Drucks notwendig ist. In bestimmten Zeitabständen, z.B. zunächst 1 Sekunde
und später
1 Minuten, oder kontinuierlich werden die von den Wegaufnehmern 60 erzeugten
Signale erfasst und aufgezeichnet.
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Um
im vierten Verfahrensschritt eine genau vorgegebene Menge des flüssigen Klebstoffs
auf den unteren Fügepartner 36 aufzutragen,
kann eine zweiteilige Schablone verwendet werden, die auf die Fügefläche 46 des
unteren Fügepartners 36 aufgesetzt wird,
wobei zwischen den beiden Schablonenteilen ein Abstand von z.B.
5 mm auf der Fügefläche 46 frei bleibt.
In diesen Abstand wird der flüssige
Klebstoff aufgetragen und mittels einer Schablone, die auf einen
zentralen Zapfen des inneren Teils der Schablone aufgesetzt und
um diesen Zapfen gedreht wird, kann der überschüssige Klebstoff abgestreift
werden.
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Die
Messungen werden in einem klimatisierten Raum durchgeführt, wobei
die Temperaturschwankungen kleiner als 2°C sind. An den Fügepartnern 36, 37 sind
außerdem
Temperatursensoren 66 angebracht, und die Messwerte werden
einer Temperaturkompensation unterworfen.
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Aus
den Messergebnissen kann die Schichtdicke ermittelt werden, die
der Klebstoff oder das Dichtungsmaterial bei einem bestimmten Druckwert hat.
Die inkrementalen Wegaufnehmer 60 zeigen keine Nullpunktdrift,
so dass die Schichtdicke über
einen Zeitraum von mehreren Tagen oder Wochen gemessen werden kann
und damit das Kriechverhalten des Klebstoffs oder Dichtungsmittels
ermittelt werden kann. Die Schichtdicke lässt sich auch für unterschiedliche
Oberflächenrauigkeiten
der Fügeflächen messen.
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- 10
- Druckrahmen
- 12
- Grundplatte
- 14
- bewegliche
Platte
- 16
- Linearführungen
- 18
- Führungssäulen
- 20
- Linearkugellager
- 22
- Führungshülsen
- 24
- Druckplatte
- 26
- Druckpatrone
- 28
- zweite
Druckplatte
- 30
- Montagefläche
- 32
- Montagefläche
- 33
- Passstifte
- 34
- Klemmschraube
- 35
- Probekörper
- 36
- Fügepartner
- 37
- Fügepartner
- 38
- Vorsprung
- 40
- Vorsprung
- 42
- Vorsprung
- 44
- Vorsprung
- 45
- Öffnung
- 46
- Fügefläche
- 48
- Fügefläche
- 50
- Adapter
- 52
- sphärische Gelenkflächen
- 54
- Randfläche
- 60
- Wegaufnehmer
- 62
- Fühler
- 64
- Messstift
- 66
- Temperatursensoren