DE19934547A1

DE19934547A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kunststoffprüfung

Info

Publication number: DE19934547A1
Application number: DE1999134547
Authority: DE
Inventors: Werner Buchner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-01-25

Abstract

Zur Erfassung eines Biegesteifigkeitsparameters einer schichtförmigen Probe (10) wird diese auf ein Auflager (20) aufgelegt, die Durchbiegung der Probe (10) unter Wirkung einer Einzelkraft erfaßt und der Biegesteifigkeitsparameter aus der Durchbiegung und/oder der Einzelkraft abgeleitet, wobei die Probe (10) vom Auflager (20) entlang einer umlaufenden Fläche (22) unterstützt, die eine Durchbiegungsaufnahme (21) des Auflagers (20) umgibt, und die Einzelkraft mit einem Stempel auf der zur Durchbiegungsaufnahme (21) gegenüberliegenden Seite der Probe (10) ausgeübt wird. Die Einzelkraft wird bis zur Einstellung einer vorbestimmten Maximal-Einzelkraft oder weggesteuert bis zur Einstellung einer vorbestimmten Maximal-Durchbiegung ansteigend aufgebracht und als Biegesteifigkeitsparameter jeweils entsprechend die maximale Einzelkraft, die der Maximal-Durchbiegung entspricht, oder die maximale Durchbiegung erfaßt, die der Maximal-Einzelkraft entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kunststoffprüfung, insbesondere zur Prüfung und/oder Erfassung der Biegesteifig keit an schichtförmigen Kunststoffproben, wie z. B. an biege weichen Schwerschichten zur Luftschalldämmung im Automobilbau, und eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfah rens.

Es sind verschiedene Prüfverfahren zur Bestimmung der Biege steifigkeit von Kunststoffmaterialien allgemein bekannt (siehe z. B.: DIN 53 350 oder DIN 53 362). Bei diesen Verfahren erge ben sich jedoch die folgenden Nachteile. Das Ablesen der Prüf werte ist relativ ungenau, so daß das Ergebnis für viele An wendungen zu hohe Fehlertoleranzen aufweist. Außerdem findet die Prüfung bei Raumtemperatur statt. Eine Prüfung bei prak tisch interessierenden Temperaturen, z. B. im Bereich von -30°C bis +80°C, ist nicht möglich.

Es ist ferner bekannt, die Biegesteifigkeit an einer Univer salprüfmaschine (UPM) aus dem Produkt des im 3-Punkt- oder 4- Punkt-Biegeversuch gemäß DIN 53 457 ermittelten Biege-E-Moduls und dem Widerstandsmoment zu ermitteln. Dieses Verfahren er laubt zwar die Aufnahme einer Temperaturabhängigkeit des Bie geverhaltens der Probe, besitzt aber Beschränkungen in Bezug auf die prüfbaren Probekörper. Beispielsweise hängen nach DIN aufbereitete, schichtförmige biegeweiche Probekörper zwischen den Auflagerpunkten durch, so daß eine reproduzierbare Prüfung unmöglich wird.

Es besteht ein Interesse an der Erfassung des Biegeverhaltens von biegeweichen Schwerschichten, wie sie im Automobilbau in Kraftfahrzeugen zur Dämmung gegenüber Luftschall eingesetzt werden. Derartige Schwerschichten zeigen gemäß dem Ber ger'schen Massegesetz insbesondere dann eine besonders hohe Wirksamkeit, wenn sie eine geringe Biegesteifigkeit besitzen. Diese müssen sie in einem fahrzeugspezifischen Temperaturbe reich aufweisen.

Bisher ist kein geeignetes Verfahren zur Ermittlung der Biege steifigkeit an biegeweichen Schwerschichten verfügbar, das ei ne für praktische Anwendungen, z. B. im Automobilbau, genügen de Genauigkeit besitzt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Prüfung von schichtförmi gen Proben anzugeben, die die Nachteile der herkömmlichen Techniken vermeiden, eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbar keit der Prüfergebnisse aufweisen und die Aufnahme der Tempe raturabhängigkeit des Probenverhaltens erlauben.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 bzw. 7 gelöst. Vor teilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung er geben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Prüfung und/oder Erfassung der Biegesteifigkeit durch Ermitt lung eines Biegesteifigkeitsparameters anzugeben, bei dem ab weichend von den herkömmlichen Meßverfahren eine schichtförmi ge Probe auf ein Auflager aufgelegt, die Durchbiegung der Pro be unter Wirkung einer Einzelkraft erfaßt und der Biegestei figkeitsparameter aus der einer vorbestimmten Durchbiegung entsprechenden Einzelkraft oder der einer vorbestimmten Ein zelkraft entsprechenden Durchbiegung abgeleitet wird, wobei die Probe vom Auflager entlang einer umlaufenden Fläche unter stützt wird, die eine Durchbiegungsaufnahme des Auflagers um gibt, und die Einzelkraft mit einem Stempel auf der zur Durch biegungsaufnahme gegenüberliegenden Seite der Probe ausgeübt wird. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbeson dere durch das Auflager mit der von der umlaufenden Unterstüt zungsfläche oder -linie umgebenen Durchbiegungsaufnahme, und den Stempel aus, der als Teil einer Schubeinrichtung zur Auf bringung der Einzelkraft auf die Probe ausgelegt ist.

Unter Durchbiegung wird hier allgemein die senkrechte Ver schiebung der Probenoberfläche am Ort der Kraftausübung ver standen, die sich bei Ausübung der Einzelkraft relativ zur Ebene der unbelasteten Probenoberfläche einstellt. Die Durch biegung kann somit direkt mit der Schubeinrichtung (Verstel lung des Stempels bzw. der Druckfinne) gemessen werden.

Die Erfindung bietet die folgenden Vorteile. Es wird erstmalig eine genaue Erfassung des Biegeverhaltens von biegeweichen Schwerschichten, aber auch von anderen schichtförmigen Proben, an Universalprüfmaschinen mit einem definierten Prüfaufbau in einem großen Temperaturbereich, z. B. von -30°C bis +80°C, er möglicht. Das Verfahren kann mit relativ geringem Aufwand durchgeführt werden und erlaubt die einfache Ableitung von Merkmalen der akustischen Leistungsfähigkeit von Schwerschich ten.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung der beigefügten Zeichung ersichtlich. Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungs gemäßen Prüfvorrichtung zur Erfassung eines Biegesteifigkeits parameters an einer schichtförmigen Probe. Die Erfindung wird hier am Beispiel kreisrunder, schichtförmiger Proben beschrie ben, ist aber in entsprechender Weise auch mit anderen Proben geometrien implementierbar.

Die Prüfvorrichtung, von der in Fig. 1 nur die zur Illustra tion der Erfindung wesentlichen Teile gezeigt sind, erfüllt die allgemeinen Bedingungen nach DIN 51 223 (insbesondere in bezug auf die Bereitstellung elektronischer Weg- und Kraft meßeinrichtungen) und ist nach Art einer Universalprüfmaschine aufgebaut.

Die Prüfvorrichtung umfaßt insbesondere ein Auflager 20, des sen topfförmige Gestalt eine Durchbiegungsaufnahme 21 mit ei nem kreisrunden Querschnitt bildet. Die Durchbiegungsaufnahme 21 wird an ihrer Oberseite von einer umlaufenden Fläche 22 be grenzt, die die Form eines Kreisringes besitzt und eine ebene Unterstützung für die Probe 10 bildet. Der Kreisring besitzt einen anwendungsabhängig gewählten Innendurchmesser (z. B. rd. 100 mm). Die Fläche 22 geht über eine Krümmung 23 in die Durchbiegungsaufnahme 21 über.

Die Probe 10 ist beispielsweise eine biegeweiche Schwerschicht zur Schalldämmung in Kraftfahrzeugen, die aus mit Füllstoff versetzten Kunststoffen besteht und eine Dicke von rd. 2 bis 3 mm besitzt. Die runde Auflager-Fläche 22 ist so ausgebildet, daß die aufgelegte Probe 10 im kraftfreien Zustand ihre im we sentlichen ebene Schichtform beibehält und nicht schon vor der Prüfung durchhängt.

Oberhalb des Auflagers 20 mit der Probe 10 ist eine Schubein richtung 30 vorgesehen, die einen Stempel 31 mit einer halbku gelförmigen Druckfinne 32 aufweist. Der Stempel 31 ist über der Probe 10 mittig auf deren von der Durchbiegungsaufnahme 21 abgewandten Seite angeordnet und mit einem Antrieb 33 (Einzel heiten nicht dargestellt) der Schubeinrichtung 30 in vorbe stimmter Weise in (bzw. gegen die) Pfeilrichtung verstellbar. An der Schubeinrichtung 30 ist ferner eine schematisch darge stellte Meßeinrichtung 34 vorgesehen, die insbesondere eine Weg- und eine Kraftmeßeinrichtung umfaßt.

Der Durchmesser d_A der Durchbiegungsaufnahme 21 ist größer als der Durchmesser d_S der Druckfinne. Das Verhältnis d_A/d_S liegt vorzugsweise im Bereich von 1.2 bis 1.5.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt die folgenden Schritte. Zunächst wird die Probe 10 auf die Fläche 22 des Auflagers 20 aufgelegt. Anschließend wird auf die Probe mit dem Stempel 31 entsprechend einem anwendungsabhängigen Zeitablauf eine Ein zelkraft aufgebracht. Die Einzelkraft wirkt senkrecht zur Auf lageebene in Pfeilrichtung.

Im Zeitablauf wird zuerst eine Vorkraft, z. B. im Bereich von rd. 0.1 N bis 0.5 N, aufgebracht. Dies besitzt den Vorteil, daß eine ggf. vorhandene geringe Durchhängung der Probe ausge glichen und ein Nullpunkt für den folgenden weg- oder kraftge steuerten Biegeversuch gebildet wird.

Beim weggesteuerten Biegeversuch wird nach Einstellung der Vorkraft die Einzelkraft erhöht, bis eine vorbestimmte Maxi mal-Durchbiegung erreicht ist. Die Maximal-Durchbiegung wird in Abhängigkeit von der Probendicke h gemäß x.h eingestellt, wobei der Parameter x eine Zahl größer als 1 ist, und kann beispielsweise bis zu 15 mm betragen. Vorzugsweise liegt der Parameter x im Bereich von 2.5 bis 3. Die Einzelkraft wird laufend mit einer Kraft-Meßeinrichtung, z. B. einer Kraftmeß dose, gemessen. Die maximale Einzelkraft zur Einstellung der Maximal-Durchbiegung wird erfaßt und in einen Prüfbericht oder einen entsprechenden Speicher eingetragen. Dieser Wert der ma ximalen Einzelkraft wird schließlich als Biegesteifigkeitspa rameter verwendet, der der Charakterisierung der untersuchten Probe und dem Vergleich mit anderen Materialien dient.

Alternativ wird beim kraftgesteuerten Biegeversuch die Einzel kraft erhöht, bis ein vorbestimmter Maximal-Wert erreicht ist, und der zugehörige Durchbiegungs-Wert ermittelt. Dieser Wert wird entsprechend als Biegesteifigkeitsparameter verwendet.

Der erläuterte Prüfablauf wird bei Raumtemperatur durchge führt. Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung wird der Biegesteifigkeitsparameter in Abhängigkeit von der Temperatur der Probe erfaßt. Dazu ist die Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit einer nicht dargestellten Probentemperierungsein richtung versehen. Beispielsweise wird an der UPM ein Klima schrank angebracht. Die temperaturabhängige Messung dient ins besondere dazu, Abweichungen der Biegesteifigkeit eines Mate rials bei Kälte- oder Wärmeeinwirkungen zu erfassen.

Bevorzugte Verwendungen der erfindungsgemäßen Biegeprüfung sind bei der Erfassung der Biegesteifigkeit von Kunststoffpro ben und/oder von Schwerschichten zur Akustikdämpfung in Kraft fahrzeugen gegeben. Typische Einsatzfälle liegen bei der Wa reneingangskontrolle, bei der Materialentwicklung (Charakteri sierung der akustischen Leistungsfähigkeit von Schwerschich ten) und bei der Qualitätsprüfung der Schwerschichtenprodukte von Lieferanten.

Bezugszeichenliste

10

Probe

20

Auflager

21

Durchbiegungsaufnahme

22

umlaufende Fläche

23

Krümmung

30

Schubeinrichtung

31

Stempel

32

Druckfinne

33

Antrieb

34

Meßeinrichtung
h Dicke der Probe
d_S

Durchmesser der Druckfinne
d_A

Durchmesser der Durchbiegungsaufnahme

Claims

1. Verfahren zur Erfassung eines Biegesteifigkeitsparameters einer schichtförmigen Probe (10), bei dem die Probe (10) auf ein Auflager (20) aufgelegt, die Durchbiegung der Pro be (10) unter Wirkung einer Einzelkraft erfaßt und der Biegesteifigkeitsparameter aus der Durchbiegung und/oder der Einzelkraft abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Probe (10) vom Auflager (20) entlang einer umlau fenden Fläche (22) unterstützt wird, die eine Durchbie gungsaufnahme (21) des Auflagers (20) umgibt, und die Ein zelkraft mit einem Stempel auf der zur Durchbiegungsauf nahme (21) gegenüberliegenden Seite der Probe (10) ausge übt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Einzelkraft wegge steuert bis zur Einstellung einer vorbestimmten Maximal- Durchbiegung ansteigend aufgebracht wird und als Biege steifigkeitsparameter die maximale Einzelkraft erfaßt wird, die der Maximal-Durchbiegung entspricht.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem die Maximal- Durchbiegung in Abhängigkeit von der Probendicke h gemäß x.h eingestellt wird, wobei der Parameter x eine Zahl größer als 1 ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei dem der Parameter x im Be reich von 2.5 bis 3 liegt.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem die Einzelkraft bis zur Einstellung einer vorbestimmten Maximal-Einzelkraft ansteigend aufgebracht wird und als Biegesteifigkeitspara meter die maximale Durchbiegung erfaßt wird, die der Maxi mal-Einzelkraft entspricht.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Biegesteifigkeitsparameter in Abhängigkeit von der Temperatur der Probe (10) erfaßt wird.

7. Vorrichtung zur Erfassung eines Biegesteifigkeitsparame ters einer schichtförmigen Probe (10), mit:
einem Auflager (20),
einer Schubeinrichtung (30), die zur Aufbringung einer Einzelkraft auf die Probe (10) ausgebildet ist, und
einer Meßeinrichtung (34) zur Erfassung der Einzelkraft und der Durchbiegung der Probe (10),
dadurch gekennzeichnet, daß
das Auflager (20) eine Durchbiegungsaufnahme (21) auf weist, die von einer umlaufenden Fläche (22) umgeben wird, die eine Unterstützung für die Probe (10) bildet, und
die Schubeinrichtung einen Stempel (31) aufweist, der zur Aufbringung der Einzelkraft auf der zur Durchbiegungsauf nahme (21) gegenüberliegenden Seite der Probe (10) ange ordnet ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Durchbiegungs aufnahme (21) einen kreisrunden Querschnitt besitzt.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der der Stempel (31) ei ne Druckfinne (32) in Kugelform besitzt.

10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, bei der das Verhältnis des Durchmessers der Durchbiegungsaufnahme (21) zum Durchmes ser der Druckfinne (32) im Bereich von 1.2 bis 1.5 liegt.

11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der als Meßeinrichtung (34) ein Wegaufnehmer und eine Kraft meßdose an der Schubeinrichtung (30) vorgesehen sind.

12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der eine Probentemperierungseinrichtung vorgesehen ist.

13. Verwendung eines Verfahrens oder einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zur

- Kunststoffprüfung, und
- Erfassung der Biegesteifigkeit von Kunststoffproben und/oder von Schwerschichten zur Akustikdämpfung in Kraft fahrzeugen.