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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Materialprüfvorrichtung zur Prüfung mechanischer Eigenschaften eines Prüflings unter Temperaturvariation.
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Derartige Materialprüfvorrichtungen werden insbesondere in der Forschung und Entwicklung eingesetzt, um die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen, wie z. B. deren Verhalten unter mechanischer Druck- oder Zugbeaufschlagung, in einem weiten Temperaturbereich (welcher je nach Anwendung beispielsweise mehrere 100°C umfassen kann) zu testen.
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Hierzu ist es beispielsweise bekannt, den betreffenden Prüfling in einer Temperierkammer über geeignete Probenhalter anzuordnen, wobei diese Temperierkammer mit zur Aktuierung bzw. Durchführung der jeweiligen Prüfungen geeigneten Druck- und Biegewerkzeugen sowie mit Temperiereinrichtungen (z. B. Verdampfer, Kälteaggregate, Lüfter etc.) ausgestattet ist.
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Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem ist, dass in einer solchen Temperierkammer das letztlich zu temperierende Volumen bzw. die zu temperierende Gesamtmasse relativ groß ist, was neben einem signifikanten Energieverbrauch für die Temperierung auch zur Folge hat, dass die Geschwindigkeit der Einstellung unterschiedlicher Temperaturen im Bereich des Prüflings relativ stark begrenzt und damit die Durchführung von Messreihen über einen größeren Temperaturbereich (von z. B. mehreren 100°C) entsprechend zeitaufwändig ist.
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Materialprüfvorrichtung zur Prüfung mechanischer Eigenschaften eines Prüflings unter Temperaturvariation bereitzustellen, welche eine energieeffiziente und vergleichsweise schnelle Temperaturvariation insbesondere bei der Durchführung von Messreihen über einen größeren Temperaturbereich ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Schutzanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Materialprüfvorrichtung, zur Prüfung mechanischer Eigenschaften eines Prüflings unter Temperaturvariation, weist auf:
- – eine Prüfkammer zur Aufnahme des Prüflings;
- – wenigstens eine Temperiereinrichtung zur Temperierung eines Fluids, wobei diese Temperiereinrichtung außerhalb der Prüfkammer angeordnet ist; und
- – eine Einrichtung zur Zuführung des mittels der Temperiereinrichtung temperierten Fluids in die Prüfkammer.
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Im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann das Fluid gasförmig oder auch flüssig sein.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, die eigentliche Temperaturerzeugung (beispielsweise die Erwärmung oder Abkühlung von Druckluft oder auch die Bereitstellung eines anderen zur Temperaturerhöhung oder -verringerung im Bereich des Prüflings geeigneten gasförmigen oder flüssigen Fluids) außerhalb einer den Prüfling aufnehmenden Prüfkammer und damit von diesem räumlich getrennt vorzunehmen, mit der Folge, dass der Prüfling selbst innerhalb eines vergleichsweise kleinen und somit energieeffizient zu temperierenden Volumens angeordnet sein kann.
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Insbesondere erfolgt erfindungsgemäß die Temperierung nicht mehr für weite Bereiche der Materialprüfvorrichtung (einschließlich Komponenten zur Druck-, Zug- oder Biegebeaufschlagung sowie auch der jeweiligen Temperiervorrichtungen selbst), sondern bleibt letztlich auf den „wesentlichen Bereich”, nämlich die unmittelbare Umgebung des Prüflings, beschränkt, mit der Folge, dass neben einer signifikanten Energieeinsparung auch höhere Prozessgeschwindigkeiten bei den im Laufe einer Messreihe erforderlichen Temperaturänderungen des Prüflings erreicht werden können. Infolgedessen lässt sich eine größere Anzahl von Versuchen unter Abdeckung eines weiten Temperaturbereichs in kürzerer Zeit durchführen, wobei insgesamt schnellere Reaktionen des Prüflings und damit auch temperaturabhängige Untersuchungen auf wesentlich kleinerer Zeitskala möglich werden, da der Prüfling unmittelbar und entsprechend schnell mit dem temperierten Fluid (beispielsweise Druckluft) beaufschlagt werden kann.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus ergibt sich daraus, dass die zur Temperierung des jeweiligen, der Prüfkammer zugeführten Fluids verwendeten Temperiereinrichtungen selbst aufgrund ihrer Platzierung außerhalb der Prüfkammer keinem größeren Temperaturbereich mehr ausgesetzt sind, so dass die mit einer unerwünschten Beaufschlagung einer Temperiereinrichtung beispielsweise mit vergleichsweise warmer oder kalter Luft einhergehenden Probleme (wie z. B. eine in einer Kühlvorrichtung bei Zufuhr warmer Luft stattfindende Ölzersetzung) vermieden werden können. Da die Temperiereinrichtung berührungslos zum Prüfling angeordnet ist, erfolgt zudem insoweit keine Einleitung zusätzlicher unerwünschter mechanischer Verspannungen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Materialprüfvorrichtung wenigstens zwei Temperiereinrichtungen aufweisen, welche sich hinsichtlich der Temperierung des Fluids voneinander unterscheiden. Mit anderen Worten wird gemäß einer Ausführungsform das erfindungsgemäße Konzept der Temperaturerzeugung außerhalb der eigentlichen Prüfkammer in vorteilhafter Weise weiter dahingehend ausgestaltet, dass mit wenigstens zwei unterschiedlichen Wärme- oder Kältequellen gearbeitet wird (also z. B. der Prüfkammer wahlweise wärmere oder kältere Druckluft aus zwei unterschiedlichen Quellen zugeführt wird). Hierbei kann vorzugsweise eine Umschalteinrichtung vorgesehen sein, mittels der eine Umschaltung der Temperierung des in die Prüfkammer zugeführten Fluids zwischen den jeweiligen Temperiereinrichtungen herbeiführbar ist. Im Ergebnis kann so eine weitere Steigerung der Prozessgeschwindigkeit bei Einstellung unterschiedlicher Temperaturen des Prüflings erzielt werden. Zugleich kann aufgrund des erfindungsgemäßen Konzepts vermieden werden, dass eine der Temperiereinrichtungen dem von der jeweils anderen Temperiereinrichtung erzeugten Temperaturbereich ausgesetzt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Materialprüfvorrichtung zur Druckprüfung, Zugprüfung, Biegeprüfung und/oder Kerbschlagbiegeprüfung des Prüflings ausgelegt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Prüfkammer durch zwei miteinander über Schnellverschlüsse oder dergleichen lösbar verbundene Gehäuseschalen gebildet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Prüfkammer wenigstens eine Wärmeisolierungsschicht auf, wodurch ein unerwünschter Wärmeabfluss von der Prüfkammer zu deren äußerer Umgebung verhindert und damit eine weitere Steigerung der Energieeffizienz sowie auch eine exaktere Einstellung bzw. Aufrechterhaltung definierter Temperaturen am Ort des Prüflings erreicht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Prüfkammer wenigstens ein transparentes Fenster auf, wodurch eine optische Untersuchung des Prüflings z. B. während der mechanischen Druck-, Zug- oder Biegebeaufschlagung ermöglicht wird. Des Weiteren kann die Materialprüfvorrichtung eine optische Abtasteinrichtung aufweisen, welche außerhalb der Prüfkammer angeordnet ist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1a–b schematische Darstellungen einer Materialprüfvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Querschnittsansicht (1a) sowie Draufsicht (1b).
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Im Weiteren wird eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen von 1a und 1b beschrieben. Hierbei zeigt 1b eine Draufsicht der Materialprüfvorrichtung 1 und 1a eine Querschnittsansicht (von vorne) entlang der Linie „A-A” aus 1b.
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Wie am besten aus 1a ersichtlich ist, befindet sich bei der erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung 1 ein hinsichtlich mechanischer Eigenschaften unter Temperaturvariation zu testender Prüfling 3 innerhalb einer Prüfkammer 2, wobei der Prüfling 3 im Ausführungsbeispiel über Spannbacken 5a und 5b lösbar eingespannt ist. Mit diesen Spannbacken 5a, 5b fest verbundene Schubstangen 8 bzw. 9 dienen über eine geeignete Ansteuerung zur Druck-, Zug- oder Biegebeaufschlagung des Prüflings 3, wobei im Ausführungsbeispiel die Schubstange 8 mitsamt der zugehörigen Spannbacke 5a mit der „festen Welt” verbunden ist und die Schubstange 9 zur jeweiligen mechanischen Druck-, Zug- und/oder Biegebeaufschlagung des Prüflings 3 mitsamt der zugehörigen Spannbacke 5b beweglich ausgeführt ist. Die Spannbacken 5a, 5b bzw. die Schubstangen 8, 9 können aus einem beliebigen geeigneten Material, beispielsweise aus Edelstahl, hergestellt sein.
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In weiteren Ausführungsformen können die Spannbacken 5a, 5b bzw. die Schubstangen 8, 9 auch aus einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit (z. B. hochfeste Kunststoffe) hergestellt sein, um einen Wärmefluss zwischen Prüfling und den zur Halterung bzw. Aktuierung eingesetzten Komponenten zu minimieren. In weiteren Ausführungsbeispielen können die Spannbacken 5a, 5b auch an ihrer Oberfläche thermisch isoliert sein, was lediglich beispielhaft mit einer Keramikisolierung erfolgen kann.
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Ferner ist, wie ebenfalls aus 1a ersichtlich, die über die Schubstange 8 mit der „festen Welt” verbundene und somit ortsfeste Spannbacke 5a gegenüber der Prüfkammer 2 bzw. einer an dieser vorhandenen Wärmeisolierungsschicht 10 über eine Dichtung 11 abgedichtet. Des Weiteren ist, wie am besten in 1b erkennbar, die Prüfkammer 2 aus zwei miteinander über Schnellverschlüsse oder dergleichen lösbar verbundenen Gehäuseschalen 4a, 4b aufgebaut, wobei beispielsweise die Gehäuseschale 4b mit der unteren Spannbacke 5a fest verbunden ist und nach Einbringung des Prüflings 3 in die Prüfkammer 2 über die Schnellverschlüsse mit der anderen Gehäuseschale 4a z. B. verschraubt werden kann.
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Selbstverständlich ist die Erfindung hinsichtlich der Geometrie der Spannbacken 5a, b oder der Gehäuseschalen 4a, 4b nicht eingeschränkt, welche auch in beliebiger anderer Weise ausgestaltet sein können.
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Die Temperaturvariation am Ort des Prüflings 3 wird in der erfindungsgemäßen Materialprüfvorrichtung 1 dadurch erzielt, dass ein geeignetes flüssiges oder gasförmiges Fluid (z. B. Druckluft oder auch Stickstoff) mittels einer oder auch mehrerer Temperiereinrichtung(en) außerhalb der Prüfkammer 2 temperiert und dann der Prüfkammer 2 über einen (in 1b mit „6” bezeichneten) Fluideinlass zugeführt wird, wie in 1b durch den Pfeil „P1” angedeutet ist. Hierbei kann beispielsweise erwärmte oder abgekühlte (ggf. auch zusätzlich getrocknete) Druckluft so in die Prüfkammer 2 eingeblasen werden, dass diese frontal auf den Prüfling 3 strömt und anschließend, wie in 1a über die Pfeile „P2” angedeutet ist, über einen zwischen der Prüfkammer 2 bzw. deren Wandung und den Spannbacken 5b verbleibenden Spalt bzw. einen hierdurch gebildeten Fluidauslass 7 wieder aus der Prüfkammer 2 herausströmt. Im Ergebnis kann so eine effiziente und schnelle Temperierung des Prüflings 3 zur Durchführung von Messreihen auch in einem größeren Temperaturbereich (welcher lediglich beispielhaft von –150°C bis +600°C reichen kann) realisiert werden.
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Dabei kann der Druck, mit dem das temperierte Fluid in die Prüfkammer 2 eingeleitet wird, größer oder auch kleiner gewählt werden, je nachdem, ob mit vergleichsweises hohem Druck die Geschwindigkeit der Temperaturänderung des Prüflings 3 gesteigert oder mit vergleichsweises niedrigem Druck die Einleitung zusätzlicher mechanischer Spannungen in den Prüfling 3 und damit einhergehende Messwertverfälschungen vermieden werden sollen. In Ausführungsformen kann während der Dauer der Messung die Einblasung des Fluids auch temporär unterbrochen werden, so dass die Messung bei Umgebungsdruck (bzw. ohne zusätzlichen Differenzdruck) erfolgt.
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Die außerhalb der Prüfkammer 2 vorgesehene(n) Temperiereinrichtung(en) kann bzw. können hierbei in beliebiger Weise ausgestaltet sein, wobei die Erfindung auch hinsichtlich des jeweils temperierten und der Prüfkammer 2 zugeführten Fluids nicht eingeschränkt ist. Je nach Beschaffenheit des zu untersuchenden Werkstoffs bzw. Prüflings 3 kann anstelle von Luft auch ein anderes gasförmiges oder auch flüssiges Fluid (z. B. auch flüssiger Stickstoff) verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Materialprüfvorrichtung
- 2
- Prüfkammer
- 3
- Prüfling
- 4(a, b)
- Gehäuseschalen
- 5(a, b)
- Spannbacken
- 6
- Fluideinlass
- 7
- Fluidauslass
- 8
- Schubstange
- 9
- Schubstange
- 10
- Wärmeisolierungsschicht
- 11
- Dichtung
