DE19938011C2 - Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung - Google Patents

Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung

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Description

Die Erfindung betrifft eine zweidimensionale bzw. Zwei-Achsen- Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung.
Für die Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung exis­ tiert ein mögliches Anwendungsgebiet als Vorrichtung zur Qua­ litätskontrolle in so herausragenden Industriezweigen wie Le­ der-, Schuh-, Textilien- und Polymer-Industrie, um nur einige zu nennen. Flächige Werkstoffe wie Leder, Polymere und Texti­ lien zeigen unter verschiedenen Anwendungsbedingungen, z. B. mechanischen, thermischen und hygrometrischen Bedingungen, verschiedene Grade von Festigkeit, Formbeständigkeit, plasti­ scher Verformung usw. Dieses Verhalten der vorstehend genann­ ten Werkstoffe kann durch die Auswertung ihrer Spannungsrela­ xation in zwei Achsen untersucht werden, die ihrerseits einen Beitrag zur Voraussage ihres Fehlerverhaltens unter tatsächli­ chen Anwendungsbedingungen leistet.
Zahlreiche flächige Werkstoffe wie Polymer-Werkstoffe, Leder, Textilien, technische Verbundwerkstoffe usw. werden auf vielen technischen Gebieten allgemein angewandt. Gemäß einem Bericht von Ramanathan et al. (im Journal of Indian Leather Technolo­ gists Association (Zeitschrift des Verbandes der Indischen Le­ dertechnologen), Heft 16, S. 293, 1968) unterliegen diese Werkstoffe in verschiedenen Anwendungen verschiedenen Beanspruchungen in zueinander normalen Richtungen. Beispielsweise ist das Oberleder eines Schuhes Kräften in allen Richtungen ausgesetzt. Ramanathan et al. haben berichtet (Sitzungsberich­ te der Internationalen Konferenz der Biomedizinischen Technik des Südens, Shrevepor, Louisiana, USA; S. 1, 1982), daß die auf die Oberfläche des Oberleders beim Gehen wirkende Kraft enorm groß ist. Außerdem werden im Zuge der modischen Entwick­ lung viele Werkstoffkombinationen in der Schuhherstellung ver­ wendet. Es ist daher notwendig, dass die mechanischen Eigen­ schaften, die Spannungsrelaxation, die Hysterese und das Feh­ lerverhalten dieser Werkstoffe mittels der Simulation der Gebrauchsbedingungen verstanden werden, um eine wirkungsvolle Verwendung dieser Werkstoffe zu erreichen.
Gegenwärtig wird die viskoelastische Natur der Werkstoffe durch Prüfen in einer Richtung unter Verwendung von bekannten Zugfestigkeits-Universalprüfmaschinen (UPM) untersucht, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Eine hantelförmige Probe 1, die von zwei Spannbacken 2 erfaßt ist, wird mit einem motorisch angetriebenen Querhaupt 3 bis zum Bruch der Probe auseinandergezogen, wobei die während des Vorgangs erzeugte Kraft durch einen Kraftaufnehmer 5 erfaßt und mit einem Anzei­ gegerät 4 aufgezeichnet wird. Nach einem Bericht von Ridge and Wright (Biorheology, Heft 2, S. 67, 1964) und Muthiah et al. (Biorheology, Heft 4, S. 185, 1967) wird die Kraft, die wäh­ rend der Verformung, welche schließlich zum Bruch der Probe führt, je Flächeneinheit erzeugt wird, üblicherweise als Maß der Zugfestigkeit des geprüften Werkstoffs angenommen. Außer­ dem liefert die allmähliche Abnahme der Kraft, die während der Verformung erzeugt wurde, auf ein bestimmtes Spannungsniveau, nämlich die Spannungsrelaxation, Informationen über die Umordnung der Molekularstruktur innerhalb der Probe, die von deren viskoelastischer Natur abhängig ist, wie es Arumugam et al. (Handbook of Adavanced Materials Testing, Hrsg. N. P. Cheremis­ inoff und P. N. Cherimisinoff, Marcel Dekker Inc., New York, S. 909, 1995) berichten. Auf ähnliche Weise liefern mehrmalige Verformungen bis zu einem bestimmten Spannungsniveau und Ent­ lastungen Informationen über die Plastizität der Probe, wie es Vogel berichtet (Bioengineering and Skin, Heft 4, S. 75, 1988). Vogel (Journal of Medicine, Heft 7, S. 177, 1976) hat ein theoretisches Modell für den Vorgang der Spannungsrelaxa­ tion bei Rattenfellen unter Verwendung von einachsigen Proben entwickelt. Wie Arumugam (Dissertation zur Promotion in Philo­ sophie, Universität Madras, 1989) und Arumugam et al. (Journal of Biosciences, Heft 19, S. 307, 1994) berichten, hängen alle diese Eigenschaften von der Geschwindigkeit ab, mit der die Experimente ausgeführt werden. Ambrazyavi et al. (SU-PS 1226123 vom 23.4.1986) haben einen Apparat zum Messen des Re­ laxationsvorgangs nach Kompression bei Polymeren entwickelt. Dzhunisbek et al. (SU-PS 998918 vom 23.4.1983) haben ebenfalls eine Vorrichtung zum Messen der nach Kompression auftretenden Spannungsrelaxation in Verbindung mit Reibung bei Polymeren hergestellt. Verfahren mit einer Überwachung des Druckabfalls zur Feststellung von Relaxation sind ebenfalls für Polymere versucht worden, wie dies in der SU-PS 354317 offenbart ist. Veränderungen, die während des Relaxationsvorgangs bewirkt werden, z. B. mechanische Verkleinerung der Probendicke, sind durch Dubovik et al. (SU-PS 1186996 vom 23.10.1985) ebenfalls untersucht worden. Bei allen vorstehend angegebenen Vorrich­ tungen besteht die Haupteinschränkung darin, daß sie alle zum Messen des Relaxationsvorgangs nur in einer einzigen Achse o­ der Dimension ausgelegt sind.
Unter den beim Benutzer tatsächlich herrschenden Bedingungen sind Werkstoffe im allgemeinen Kräften ausgesetzt, die in mehr als einer Dimension wirken, darunter Biegen und Dehnen. Die Verwendung einer einachsigen Probe für die Voraussage des Feh­ lerverhaltens simuliert daher nicht die tatsächlichen Bedin­ gungen beim Benutzer. Mit anderen Worten, es bestehen Ein­ schränkungen bei der Ableitung realistischer Informationen und bei der Voraussage oder Berechnung des Fehlerverhaltens dieser viskoelastischen Werkstoffe aus einachsigen Prüfungen aufgrund ihres großen Poissonschen Verhältnisses. Beispielsweise ent­ steht wegen des großen Poissonschen Verhältnisses des Leders eine enorme Querkontraktion beim Prüfen der Probe in den her­ kömmlichen UPM. Daher sind die Dehnungs- und Bruchbelastungen, die für die Probe bei den Bedingungen einer Prüfung in einer Richtung beobachtet werden, sehr unterschiedlich von denen des Schuhes, der eine Beanspruchung ähnlicher Art während des Gebrauchs erfährt. Ferner können Prüfungen unter Zwischenbe­ dingungen und die Ausbildung von Oberflächenrissen und deren Rolle bei der Beschleunigung oder Verzögerung des Versagens während des Gebrauchs mit bisher bekannten Techniken nicht un­ tersucht werden. Ferner bestehen bei bestimmten Werkstoffen, wie Leder, Textilien u. a. von Natur aus Inhomogenitäten, wel­ che die Durchführung von einachsigen Prüfungen in mehr als ei­ ner Richtung erfordern, um die Werkstoffeigenschaften voll­ ständig verstehen zu können.
Es sind auch Zwei-Achsen-Spannungs-Prüfvorrichtungen bekannt. Eine solche Prüfvorrichtung (US 3,460,379) weist zwei Paare nebeneinander, rechtwinklig zueinander angeordnete Greifer zum Halten eines Prüflings auf, von denen jeder Greifer mit einer Verriegelungsvorrichtung versehen ist, damit sich keine Verän­ derungen an der Einspannung während des Prüfversuchs ergeben. Die Greifer werden auf vier Bahnen, von denen jeweils auf ei­ ner Achse liegen und die beiden Achsen normal (rechtwinklig) zueinander stehen, bewegt. Sie werden durch eine Getriebekette mit vier Seilen voneinander weg angetrieben, die paarweise ü­ ber Rollen zu einer mittigen Rolle geführt sind, die über ein Joch mit den Zuggreifern einer üblichen Ein-Achsen- Zugprüfvorrichtung als Antriebsquelle verbunden werden.
Bei einer ähnlichen Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations- Prüfvorrichtung (GB 1 125 807) erfolgt der Antrieb von zwei Paar rechtwinklig zueinander angeordneten Greifern durch einen auf- und abbeweglichen Kolben, wodurch vier Seitenwände, die auf einer Basisplatte angelenkt sind, nach außen bzw. nach in­ nen gekippt werden.
Bei einer anderen Zwei-Achsen-Spannungs-Prüfvorrichtung (DE 32 25 381 A1), insbesondere für Bleche, ist jeweils ein Greifer eines der beiden rechtwinklig zueinander angeordneten Greiferpaare über eine Hebelmechanismus in der Probenebene mittels servohydraulischer Servozylinder hin- und her ver­ schiebbar.
Im Unterschied zur zuvor genannten Zwei-Achsen-Spannungs- Prüfvorrichtung sind bei einer bekannten biaxialen Dehnvor­ richtung (DE 298 05 330 U1) die beweglichen Greifer als Ab­ zugswalzen ausgebildet.
Bei der zweiachsigen Belastungsvorrichtung zur zweiachsigen statischen und/oder dynamischen Zu- und/oder Druckbelastung von flächenhaften Materialproben nach DE 36 17 455 A1 sind die vier Greifer durch in Kraft und Hubweg elektronisch regelbaren Hydraulikzylinder mit jeweils einem Kraftübertragungselement mit mehren Krafteinleitungselemente antreibbar.
In der DE 40 03 596 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Untersuchung des Biegeverhaltens von Schläuchen beschrie­ ben, wobei zwei Greifer durch eine Getriebekette mit zwei Stä­ ben voneinander weg und aufeinander zu bewegbar sind, jeder Stab einen Greifschlitten auf einer Kreisbahn bewegt und der Antrieb von einer Antriebquelle über eine Welle übertragen wird, so dass gleichgroße entgegengesetzte Drehmomente auf den Schlauch aufgebracht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zwei- Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung zu schaffen, der vorstehend angegebene Nachteile einachsiger Prüfvorrichtungen nicht anhaften und die zur gleichzeitigen Untersuchung von be­ anspruchungsbezogenem Verhalten wie Relaxation, Hysterese, Er­ müdung und Kriechen bei Werkstoffen in zwei zueinander norma­ len Richtungen geeignet ist. Ferner soll möglich sein die Durchführung von dynamischen Werkstoffprüfungen, die Verringe­ rung der Anzahl der erforderlichen Prüfproben und der Prüfzeit sowie des Arbeitsaufwandes bei der Untersuchung der beanspru­ chungsbezogenen Werkstoffeigenschaften, die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von flächigen Werkstoffen ohne jeg­ liche Querkontraktion, und auch die Bereitstellung genauer In­ formationen über das Versagen oder Reißen der Werkstoffe, wenn keine Querkontraktion vorliegt.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen geben die Unteransprüche an.
Durch die Verwendung von zwei Paar nebeneinander, zueinander rechtwinklig angeordneter Greifern zum Halten des Prüflings wird die gleichzeitige Messung von beanspruchungsbezogenen Ei­ genschaften, insbesondere der Spannungsrelaxation von Werk­ stoffen unter Vermeidung des Poissonschen Verhältnisses in zu­ einander normalen Richtungen ermöglicht, wobei die nahezu ge­ nauen Anwendungsbedingungen für verschiedene Werkstoffe mit vielfältigen Eigenschaften simuliert werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden in Einzelheiten anhand einer schematischen Zeichnung näher be­ schrieben, in der zeigt:
Fig. 2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig. 3 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrich­ tung.
Die Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung nach den Fig. 2 und 3 hat zwei Paar nebeneinander, rechtwinklig zuein­ ander angeordnete Greifer 8 zum Erfassen und Festhalten des Prüflings 11, wobei jeder Greifer 8 zur Vermeidung jeglicher Lose (Schlaffheit) während der Prüfung mit einer Verriege­ lungseinrichtung versehen ist. Die Greifer 8 sind auf vier Gleitbahnen 9 durch eine Getriebekette mit vier Stäben 10 ver­ schieblich, die je einen Greiferschlitten in einer waagerechten Ebene bewegen. Der Antrieb erfolgt über eine Welle 7 von einer Antriebsquelle 6. Die dadurch aufgebrachte Kraft wird von vier auf einer Klemmvorrichtung angeordneten Kraftsensoren 12 erfasst, deren Ausgangssignale in einem Ausgabegerät 13 an­ gezeigt werden, das über eine Schnittstelle angeschlossen ist.
Der eingesetzte Prüfling 11 kann aus einem beliebigen flächi­ gen Werkstoff aus der Gruppe umfassend Leder, Polymere, Texti­ lien, Kautschuk oder einem Verbundwerkstoff daraus gewählt sein.
Die Antriebsquelle 6 kann ein Gleichstrommotor, ein hydrauli­ scher Antrieb oder ein pneumatischer Antrieb sein.
Die Verstellgeschwindigkeit beim Auseinanderbewegen der Grei­ fer 8 kann im Bereich von 0,01 mm bis 1000 mm/s liegen.
Der Verstellweg in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen bzw. Achsen kann wenigstens 5 mm betragen.
Die Greifer 8 bzw. Klemmbacken können mechanische, elektrische oder pneumatische Greifer sein.
Für die Betätigungseinrichtung für die Bewegung der Greifer 8 kommen Zahnradgetriebe, hydraulische Antriebe und pneumatische Antriebe in Frage.
Als Kraftsensoren 12 können übliche Kraftaufnehmer (Kraftmess­ dosen) und Dehnungsmessstreifen gewählt sein.
Das verwendete Ausgabegerät 13 kann eine Rechnerschnittstelle und ein digitales Anzeigegerät oder ein analoges Ausgabegerät und ein Schreiber (Plotter) umfassen.
Die Vorrichtung weist zwei Paar nebeneinander, zueinander rechtwinklig angeordnete Greifer 8 zum Halten des Prüflings 11 auf. Die Greifer 8 sind so ausgelegt, dass sie voneinander weg auf zueinander normal angeordneten Gleitbahnen 9 für geradli­ nige Bewegung fortbewegbar sind. Jeder Greiferschlitten ist mit einer Verriegelungseinrichtung versehen, um jegliche Lose (Durchhang, Schlaffsein) am Prüfling 11 vor Beginn der Prüfung zu vermeiden. Der Prüfling 11 wird von den Greifern 8 gehalten und wird mit einer Geschwindigkeit im Bereich zwischen 0,01 mm und 1000 mm/Sekunde um gleich große Strecken in zwei zueinan­ der normalen Richtungen gedehnt. Der Antrieb der Greifer­ schlitten kommt von einer Antriebsquelle 6 über eine senkrech­ te Welle 7 und eine Getriebekette mit vier Stäben 10, wobei jeder Stab 10 einen Greiferschlitten in der waagerechten Ebene verstellt. Die erzeugte Kraft wird von den Kraftsensoren 12 erfasst und gemessen, die ihre Ausgangssignale an das Ausgabe­ gerät 13 senden. Das gleichzeitige Messen der Kraft in den zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen ergibt die zweiach­ sige Spannungsrelaxation. Der durch den mehrmaligen Beanspru­ chungs- oder Spannungszyklus des Prüflings 11 bedingte Ener­ gieverlust kann auch aus der Hystereseschleife berechnet wer­ den, die mit dem Ausgabegerät 13 erhalten wird.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der nachstehenden erläutern­ den, nicht einschränkenden Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
Ein Prüfling in Form eines Plus-Zeichens mit einer Länge von 20 mm in den beiden zueinander rechtwinkligen Richtungen wurde mit einem Schnittwerkzeug aus einem Kuhoberleder geschnitten und in vier mechanische Greifer der Vorrichtung eingespannt. Der Prüfling wurde unter Verwendung eines Gleichstrommotors als Antriebsquelle mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min bis zu einer Verlängerung von 20% belastet. Sodann wurde die Vor­ richtung abgeschaltet. Der Prüfling konnte sich dann während 15 Minuten entlasten. Dabei wurde die Kraft in den zueinander rechtwinkligen Richtungen, nämlich in der X- und der Y-Achse, kontinuierlich überwacht und angezeigt. Die für die beiden X- und Y-Achsen aufgezeichneten Werte in Abhängigkeit von der Zeit sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Beispiel 2
Ein Prüfling in Form eines Plus-Zeichens 50 mm in den beiden zueinander rechtwinkligen Richtungen lang wurde mit einem Schnittwerkzeug aus einer Polyethylen-Folie geschnitten und in vier mechanische Greifer der Vorrichtung eingespannt. Er wurde von einem Gleichstrommotor als Antriebsquelle mit einer Ge­ schwindigkeit von 50 mm/min bis zu einer Dehnung von 80% be­ lastet; die Vorrichtung wurde dann abgeschaltet. Der Prüfling konnte sich dann während 15 Minuten entlasten, wobei die auf ihn wirkende Kraft ständig überwacht wurde. Die Ergebnisse für die zueinander rechtwinkligen Richtungen, nämlich die X- und die Y-Achse, sind in der nachstehenden Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Beispiel 3
Ein Prüfling in der Form eines Plus-Zeichens 70 mm in den bei­ den zueinander rechtwinkligen Richtungen lang wurde mit einem Schnittwerkzeug aus einem textilen Werkstoff geschnitten und in vier pneumatischen Greifern der Vorrichtung eingespannt. Der Prüfling wurde unter Verwendung eines Gleichstrommotors mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/min bis zu einer Verlän­ gerung von 20% belastet; die Vorrichtung wurde dann abgeschal­ tet. Der Prüfling konnte sich dann während 1 Stunde entlasten, wobei die auf den Prüfling wirkende Kraft, die angezeigt wur­ de, kontinuierlich überwacht wurde. Das erzielte Ergebnis für die zueinander rechtwinkligen Richtungen, nämlich die X- und die Y-Achse, sind in der nachstehenden Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3
Die Erfindung zeitigt die nachfolgend angegebenen Vorteile:
  • 1. Es ist möglich, bei verschiedenen Werkstoffen deren Ver­ halten hinsichtlich der Spannungsrelaxation ebenso wie deren Hysterese in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen gleich­ zeitig zu untersuchen, dadurch die Anzahl der Prüflinge und die erforderliche Prüfzeit zu verringern.
  • 2. Spannungsrelaxationsversuche können durchgeführt werden, ohne dass der Prüfling der bei einem einachsigen Test auftre­ tenden Querkontraktionen ausgesetzt wird. Durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren sind genauere und realistischere Daten als bei einachsigen Tests zugewinnen, da die bei Werkstoffen mit großem Poissonschen Verhältnis vorhandenen Einschränkungen überwunden werden.
Die in Tabelle 4 angegebenen Probendaten zeigen deutlich die Verschiedenheit zwischen den beiden Verfahren, nämlich die schnellere Relaxationsgeschwindigkeit bei der zweiachsigen Prüfung gegenüber der einachsigen Prüfung bei einem Ziegen­ oberleder.
Tabelle 4
  • 1. Es ist auch möglich, den Einfluss der Faserausrichtung bei der Spannungsrelaxation und bei dynamischen Prüfbedingun­ gen zu untersuchen, bei denen die Proben mehreren Beanspru­ chungs- oder Dehnungszyklen mit hoher Geschwindigkeit unter­ worfen werden.
  • 2. Es ist auch möglich, Ermüdung und Biegeeigenschaften von flächigen, polymeren Werkstoffen und Leder zu untersuchen.
  • 3. Die auf Bereiche begrenzten Formveränderungen bei flächi­ gen und biologischen Werkstoffen und bei Leder können in die­ ser Vorrichtung untersucht werden.

Claims (9)

1. Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung mit zwei Paar nebeneinander, rechtwinklig zueinander angeordneten Grei­ fern (8) zum Halten des Prüflings (11), von denen jeder Grei­ fer (8) mit einer Verriegelungseinrichtung versehen ist, die Greifer (8) auf vier Gleitbahnen (9) durch eine Getriebekette mit vier Stäben (10) voneinander weg antreibbar sind, jeder Stab (10) einen Greiferschlitten in einer waagerechten Ebene bewegt, der Antrieb von einer Antriebsquelle (6) über eine Welle (7) übertragen wird, und die dadurch erzeugte Kraft von vier auf einer Klemmvorrichtung angeordneten Kraftsensoren (12) erfasst wird, deren Ausgangssignale in einem Ausgabegerät (13) angezeigt werden, das über eine Schnittstelle angeschlos­ sen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Prüfling (11) ein flächiger Werkstoff aus Leder, Polymer, textilem Stoff, Kau­ tschuk oder einem Verbundstoff daraus ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsquelle (6) ein Gleichstrommotor, ein hydraulischer Antrieb oder ein pneumati­ scher Antrieb ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit, mit der die Greifer (8) voneinander wegbewegbar sind, im Bereich von 0,01 mm bis 1000 mm/s liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Streckweg in zwei zueinander normalen Richtungen (Achsen) wenigstens 5 mm beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Greifer (8) als mechanische, elektrische oder pneumatische Greifer ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtungen für die Verstellung der Greifer (8) Zahnradgetriebe, hydraulische Antriebe oder pneumatische Antriebe sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoren (12) als Kraft­ aufnehmer oder Dehnungsmessstreifen ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Ausgabegeräte als Rechnerschnittstelle, digitales Anzeigegerät, analoges Ausga­ begerät oder Schreiber ausgebildet sind.
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