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Apparatur zur Prüfung des Stoßverhaltens von Folien, Geweben und ähnlichen
flächenhaften Gebilden Für die Entwicklung, Verbesserung und die werkstoffgerechte
Verwendung von Folien und ähnlichen Gebilden geringer Dicke, die vorwiegend, jedoch
nicht ausschließlich Verpackungszwecken dienen, sind geeignete Prüfvorrichtungen
zur Beurteilung des mechanischen Verhaltens von großer Bedeutung. Entsprechendes
gilt für alle Arten von Geweben.
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Von einer brauchbaren Prüfeinrichtung ist zu verlangen, daß sie als
Prüfergebnis Materialkennwerte liefert, die das Verhalten des geprüften Werkstoffes
unter den schärfsten in der Praxis auftretenden Beanspruchungen genügend charakterisieren
und so eine dem Anwendungszweck angepaßte Materialauswahl ermöglichen. Folien und
ähnliche flächige Erzeugnisse unterschiedlicher chemischer und physikalischer Struktur
werden im praktischen Gebrauch mechanisch vorwiegend biaxial beansprucht, wobei
stoßartige, d. h. mit hohen Verformungsgeschwindigkeiten korrelierte Krafteinwirkungen
am gefährlichsten sind.
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Die zur praxisnahen Prüfung der Stoßfestigkeit flächiger Werkstoffgebilde
verwendete Apparatur muß daher das kurzzeitige Aufbringen einer biaxialen Beanspruchung
sowie die gleichzeitige Messung der für diese Art der Beanspruchung charakteristischen
Materialkenngrößen gewährleisten.
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Die Nachbildung dieser Beanspruchungsart führte zur Ent-
| wicklung der auf dem Poliensektor bislang noch allgemein |
| gebräuchlichen Kugelfallprüfapparatur. Ihre Vorläufer sind |
| der erstmals in den USA eingeführte Ball, Drop Import |
| Tester"und der ähnliche"Dart Drop'Import Tester". Beide |
Prüfapparaturen sind in Plastics Technology vom März 1956, Seite 151-157 uhd Seite
178, eine verbesserte Ausführung des Ball Drop Import Testers"in Modern Packing,
November 1951, Seite 129-131 und Seite 197-198, beschrieben. Alle diese Prüfeinrichtungen
verwenden im Prinzip Zerreißenergiemessungen, liefern also als Prüfergebnis einen
Integralwert. Da aber bei vorgegebener Beanspruchungsart der Kraft-Verformungsverlauf
und nicht die hinsichtlich dieser beiden Größen unendlich vieldeutige Gesamtzerreißenergie
den geprüften Werkstoff charakterisiert, ist auf Grund der mit den bekannten Apparaturen
erzielten Prüfergebnisse selbst eine Unterscheidung von Werkstoffen unterschiedlicher
Festigkeit und Dehnung nur bedingt möglich. Die als Ziel dieser Prüfung erstrebte
Aussage über die Zähigkeit des geprüften Werkstoffs und damit über seine Widerstandsfähigkeit
gegenüber stoßartigen Beanspruchungen ist mit den. bekannten Prüfeinrichtungen prinzipiell
nicht zu erhalten. Außerdem mißt der Kugelfallprüfer und ähnliche Apparaturen die
gesamte Zerreißenergie und nicht die Schädigungsenergie, d. i. die bis zum Auftreten
des ersten Anrisses aufzuwendende Arbeit. Beide Energiewerte können sich unter Umständen
ganz erheblich, zum Teil mehrere 100 %, unterscheiden. Nun beansprucht aber
gerade
die Schädigungsenergie, nicht die Gesamtzerreißenergie, ein erhebliches praktisches
Interesse.
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Es wird nun eine Apparatur vorgeschlagen, die es unter Vermeidung
der mit den bekannten Apparaturen dieser Art verbundenen Nachteile gestattet, in
besonders vorteilhafter Weise das Stoßverhalten von Folien, Geweben und ähnlichen
flächenhaften Gebilden zu prüfen. Neuerungsgemäß ist diese Apparatur gekennzeichnet
durch a) einen beweglichen und durch Schienen zu führenden Probenträger großer Masse
zur Aufnahme einer mittels einer geeigneten Einspannvorrichtung membranförmig aufgespannten
Probe, b) eine Vorrichtung zur Beschleunigung der mit dem Probenträger verbundenen
Folie auf hohe Prüfgeschwindigkeit, c) eine feststehende, praktisch verformungslos
arbeitende, eine große Eigenfrequenz besitzende Meßdose, die als Dorn mit sphärischer
oder elliptischer Kuppe ausgebildet ist und auf die die Probe zentral mit hoher
Geschwindigkeit auftrifft, d) einen mit dem Probenträger fest verbundenen Reflektor
zum meßtechnischen Erfassen der Probendeformation, e) eine ortsfeste Lichtquelle
zum Erzeugen eines Lichtbündels und f) eine ortsfeste Photozelle, auf welche mittels
des Reflektors das Lichtbündel geworfen wird zur Erzeugung von Meßsignalen, die
der Probendeformation zugeordnet sind.
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Eine besondere Ausgestaltung der neuerungsgemäß vorgeschlagenen Apparatur
besteht darin, daß diese durch Verwendung
einer Probeneinspannvorrichtung
für streifenförmige, an beiden Enden eingespannte Proben gekennzeichnet ist.
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Weiterhin kann die Apparatur gemäß der Neuerung auch gekennzeichnet
sein durch eine Vorrichtung zur Beschleunigung des Probenträgers mit Probe, wobei
die erstrebte hohe Zerreißgeschwindigkeit durch den Fall des Probenträgers großer
Masse aus einer vorgegebenen Höhe oder durch Druckluft oder auf eine andere geeignete
Weise erzeugt wird.
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Ferner kann die neuerungsgemäß vorgeschlagene Apparatur auch gekennzeichnet
sein durch eine Vorrichtung zur elektronischen Messung der Probendeformation, bestehend
aus einem mit Reckteck-Impulsen definierten, gleichen Abstandes vormagnetisierten
Tonband, das mit dem Probenträger verbunden ist und sich mit derselben Geschwindigkeit
bewegt wie dieser, sowie aus einem ortsfesten Wiedergabekopf hoher Grenzfrequenz,
in welchem die Vormagnetisierung des vorbeilaufenden Tonbandes der Probendeformation
zugeordnete Meßsignale erzeugt.
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Die Prüfapparatur gemäß der Neuerung ist für biaxiale und uniaxiale
Stoßbeanspruchung geeignet. Sie arbeitet mit elektronischen Kraft-und Verformungsmeßeinrichtungen
und elektronischer Registrierung. Sie liefert dadurch bei jeder einzelnen Messung
eine Vielzahl von für das Stoßverhalten des flächigen Werkstoffgebildes charakteristischen
Informationen. Dadurch ist eine gegenüber der Prüfung mit den bekannten Prüfeinrichtungen
erheblich kleinere Anzahl von Einzelmessungen erforderlich. Das Prüfergebnis stellt
sich beispielsweise als Zerreißdiagramm nach Abb. 3 dar, aus welchem der gesamte
Stvßkraft-Foliendeformationsverlaufy der elastische und plastische Verformungsanteil,
die gesamte
Zerreißenergie sowie die Schädigungsenergie auf einfache
Weise entnommen werden können. Aus den experimentellen Daten ist ferner die Berechnung
der Zerreißfestigkeit bei hohen Zerreißgeschwindigkeiten möglich. Die tatsächliche
Bedeutung der Meßgrößen in Abb. 3 ist aus dem Schema der Abb. 4 zu ersehen,, das
im Schnitt die Deformation einer Probe unter der Prüfbeanspruchung zeigt. Hierbei
bedeuten P die senkrecht auf die Folie aufgebrachte Stoßkraft, As die Foliendeformation
| in Richtung der Stoßkraft und dR die radiale Zugspannung in |
| ii |
der Probe, die aus P unds rechnerisch ermittelt werden kann.
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Die Messung und Registrierung des Stoßkraft-Deformationsdiagramms
wird dadurch ermöglicht, daß die bei biaxialer Beanspruchung als Membran, bei uniaxialer
Beanspruchung als Streifen an beiden Enden eingespannte und an einem massiven Probenträger
auf geeignete Weise befestigte Zerreißprobe mit hoher Geschwindigkeit auf einen
feststehenden Dorn auftrifft.-Dieser trägt an seiner Spitze eine elektronische Kraftmeßdose
hoher Eigenfrequenz. Eine nahezu reibungsfreie stabile Führung des Probenträgers
sorgt dafür, daß'die Membran bzw. der Probenstreifen senkrecht und mit dem Zentrum
auf die Meßdose auftrifft und während des Zerreißvorganges und danach keine störende
Erschütterung, Verschiebung oder sonstige unerwünschte Bewegung des Probenträgers
erfolgt. Auf diese Weise wird der Verlauf der Probendeformation bis zur Zerstörung
meßtechnisch erfaßbar. An dem mit hoher Geschwindigkeit bewegten Probenträger angebrachte
Vorrichtungen, beispielsweise optische Reflektoren oder Magnetophonbänder entsprechender
Vormagnetisierung, erzeugen beim Vorbeilaufen an ortsfesten elektronischen Meßgeräten,
beispielsweise Photozellen oder Tonbandwiedergabeköpfen, der Probendeformation zugeordnete
Meßsignale. Die Registrierung des Stoßkraft-Deformationsverlaufes erfolgt wegen
der Kürze des nur wenige Millisekunden dauernden Zerreißvorganges mittels, eines
Oszillographen oder ähnlichen trägheitslosen Registriergerätes.
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Abb. 1 zeigt die Gesamtansicht einer. neuerungsgemäß gebauten Prüfapparatur
für Folien, Gewebe u. ä.. Um die für die Zerreißprüfung notwendige hohe Geschwindigkeit
und Energie zu gewinnen, läßt man hier einen durch Schienen (1) nahezu reibungsfrei
geführten Probenträger (2) ausreichender Masse (Fallbären), der die Form eines Hohlzylinders
besitzt und an dem die Probenhalterung (3) mittels dreier . Haftmagneten (4) befestigt
ist, aus etwa 3 m Höhe herabfallen. Nach Durchlaufen einer Lichtschranke (5), durch
welche die Horizontalablenkung des Elektronenstrahles ausgelöst wird, trifft die
membranförmige Probe auf die induktive Kraftmeßdose (6). Gleichzeitig tritt die
Meßeinrichtung für die Verformung (7a, 7b) in Tätigkeit, die gemäß Abb. 2 beispielsweise
aus Strichgitter und Photozelle bestehen kann. Durch sie wird der Elektronenstrahl
im Rhythmus der definierten Abstände des. am Fallbären angebrachten Gitters verdunkelt
und aufgehellt und so der registrierten Kraft-Zeitkurve entsprechend Abb. 3 Verformungsmarken
eingeschrieben, wodurch ein dreidimensionales Stoßkraft-Deformations-Zeitdiagramm
erhalten wird, mit Stoßkraft und Zeit als rechtwinkligen Koordinaten. Bei hinreichend
großer kinetischer Energie des Fallbären entsprechen sich wegen der dann durch das
Zerreißen der Probe nur geringfügig ver-
| zögerten Bewegung die Stoßkraft-Zeit-und die Stoßkraft- |
| CD |
Deformationskurve völlig. Bei merklicher Verzögerung (leichter Fallbär, große Zerreißenergie)
kann die Stoßkraft-Deformationskurve durch einfaches Umzeichnen nach Abb. 3 aus
der Stoßkraft-Zeitkurve erhalten werden. Die beiden Lichtschranken (8) und (9) werden
in Verbindung mit einem elektronischen Kurzzeitmesser in an sich bekannter Weise
zu vergleichenden Messungen der Gesamtzerreißenergie verwendete
Eine
luftgedämpfte mechanische Bremsvorrichtung (10) und (11) fängt den Fallbär nach
Beendigung des Zerreißvorganges auf.
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Zum Anheben auf die Ausgangshöhe kann beispielsweise ein an einem
Zugseil (12) beweglich aufgehängter Elektromagnet (13) verwendet werden, dessen
Höhe man mit Hilfe der Winde, (14) verändern kann. Der Magnetisierungsstrom wird
über zwei bewegliche Kabel (15) mit Ausgleichsgewicht (16) zugeführt. Die Probenhalterung
besteht aus zwei konzentrisch ineinanderpassenden Metallringen, deren einander zugekehrte
Flächen leicht konisch verlaufen. Die membranförmige Rundprobe wird über den inneren
Ring gelegt und erhält nach Überstreifen des Außenringes, der durch drei, im Winkelabstand
von 1200 angebrachte Schrauben festgezogen wird, eine geringe Vorspannung.