DE2745182C3

DE2745182C3 - Vorrichtung zur Ermittlung der Biegesteifigkeit von Karton und Pappe

Info

Publication number: DE2745182C3
Application number: DE19772745182
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Dipl.-Phys. Dr.-Ing. 4047 Straberg Barnscheidt; Dieter Dipl.-Phys. Dr. 4155 Grefrath Horand
Original assignee: Feldmuehle AG
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1977-10-07
Filing date: 1977-10-07
Publication date: 1980-04-30
Also published as: DE2745182A1; DE2745182B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Biegesteifigkeit von Karton und Pappe, bei der ein Prüfstreifen des zu prüfenden Materials an seinen beiden sich gegenüberliegenden Enden gelagert und zusammengebogen wird. Die wesentlichste Bedeutung-aufgrund des großen Anwendungsbereiches - liegt auf dem Gebiete des Kartons, der im allgemeinen ais ein ein- oder mehrschichtiges Material, das durch Zusammcngautschen oder Laminieren entsteht, definiert wird. Er weist ein Flächengewicht von im unteren Grenzbereich 150, im oberen Grenzbereich ftOO g/m² auf. Die Grenzbereiche schließen dabei auf der einen Seite das Papier und auf der anderen Seite die Pappe ein. Zur Vereinfachung und Erleichterung des Verständnisses wird deshalb die F.rfindung nachstehend an Hand des fieispiels Karton, insbesondere f-altschachtelkarton, abgehandelt, ohne sie jedoch darauf /u beschranken.

Eine für den Verarbeiter von Karton sehr wichtige Eigenschaft ist seine Steifigkeit, nach der er die Einsatzmöglichkeiten dieses Kartons für Faltschachteln beurteilt. Trotz zahlreicher Untersuchungen über die Zusammenhänge zwischen Meßgrößen und Verarbeitungs- bzw. Gebrauchseigenschaften von Karton bleibt es bis heute schwierig, die Eignung eines Kartons für einen bestimmten Anwendungszweck genügend genau vorherzusagen.

Das liegt zum Teil an den je nach Verwendung sehr unterschiedlichen Anforderungen an den Karton, zum anderen aber auch daran, daß die Charakterisierung eines Kartons durch lediglich eine Meßgröße nicht ausreicht und selbst der Begriff der Steifigkeit mehrdeutig sein kann, in Abhängigkeit von den Mcßbedingungen und/oder Berechnungen, unter denen die Prüfung durchgeführt wurde.

Einige bekannte Verfahren beruhen auf der Durchbiegung einer balkenförmigen Probe bei unterschiedlicher Belastung. Aus den Forderungen der mathematischen Elastizitätstheorie werden die Biegebeanspruchungen einer balkenförmigen Probe bei der Zweipunktbelastung, bei der Dreipunktbelastung und bei der Vierpunktbelastung abgeleitet. Daraus ergibt sich, daß zur Bestimmung der Biegesteifigkeit herkömmlicher Art die Biegekraft und die zugehörige Durchbiegung den elastischen Bereich der Probe nicht überschreiten dürfeii. Andere Verfahren biegen weit über den elastischen Bereich hinaus, wie er im DIN-Blatt 53121 festgelegt ist. Ein weiterer bekannter Vorschlag geht vom Falten aus und zieht aus der Rückfederung des Materials Schlüsse auf seine Elastizität. Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß lediglich ein Wert zur Kennzeichnung der Biegesteifigkeit von Karton ermittelt wird, wobei dieser Wert je nach Meßmethode aus dem elastischen oder dem überelastischen Bereich gewählt ist und sich in verschiedenen Fällen nicht in einen Wert, der nach einer anderen Meßmethode erhalten wurde, umrechnen läßt.

AusdemDE-GM6939153 istein Biegefähigkeitsmeß- und -prüfgerät bekannt, das zur Prüfung der Biegefähigkeit von Blechstreifen eingesetzt wird. Das Gerät besteht aus zwei einander im Abstand gegenüber angeordneten relativ zueinander in Kreisform

beweglichen Segmenten, mittels derer der zu prüfende Blechstreifen unter Konstanthaltung der Bieglänge um eine im Bereich des zu prüfenden Streifens angeordnete spitze Kante oder auch Schneide gebogen wird. Die Probe wirddamit bis zum vorgeschriebenen

w Winkel gebogen, sofern nicht vorher auf der Außenseite der Biegestelle, also der Zugstelle Risse auftreten.

Aufgrund des unterschiedlichen Materialaufbaus zwischen Blech und Karton ist das Biegen über eine Schneide bei der Kartonprüfung nicht möglich. Des weiteren wird auch bei diesem Prüfverfahren lediglich ein Wert erhalten, also nur der bestimmte Winkel, bei dem der Bruch bzw. Riß eintritt. Eine gleichzeitige Beurteilung des elastischen und des überelastischen Bereiches und damit eine Ermittlung einer Vielzahl von Meßpunkten ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe /ligrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die es ermöglicht, mit einfachen Mitteln eine Vielzahl von MeUpunkten, sowohl

μ im elastischen als auch im überelastischen Bereich zu erfassen, so ein vollständiges HiId vom Hicgcverhaltcn '■ines Kartons zu gewinnen und damit sowohl dem Keirtonhcrsti'ller als auch dem Verarbeiter eine Viel-

zahl von Werten zur Beurteilung dieses Kartons und damit seiner Einsatzfähigkeit an die Hand zu geben. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Ermittlung der Biegesteifigkeit von Karton und Pappe, bei der ein Prüfstreifen des zu prüfenden Materials an seinen beiden sich gegenüberliegenden Enden gelagert und zusammengebogen wird, die durch die Kombination folgender Mericmale gekennzeichnet ist:

a) zwei auf einer Drehachse koaxial angeordnete Drehteller weisen je eine Klemmbacke zur Aufnahme des Prüfstreifens auf,

b) der eine der beiden Teller ist mit einem Antrieb und der andere Teller mit einem Kraftaufnehmer verbunden.

Das Biegen des Prüfstreifens erfolgt dabei durch Drehen des dem Antrieb zugeordneten Tellers, wodurch der Prüfstreifen um eine in seiner Mitte gedachte Achse gebogen wird. Er wird damit im Bereich seiner Mittellinie auf Biegung beansprucht, nicht jedoch im Bereich der Klemmbacken. Eine Knickung bzw. ein Brach des Priifstreifens tritt also in der Mitte und nicht ün Bereich der Klemmbacken auf. Es kommt damit nicht zur Verfälschung der Meßergebnisse durch die Klemmbacken.

Mit der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird ein Biegemoment gemessen, d. h. daß der Hebelarm und die Kraft in das Meßergebnis eingehen. Dadurch, daß die Biegung kontinuierlich erfolgt, sind sowohl Messungen im elastischen Bereich als auch im überelastischen Bereich des Kartons möglich. Es ist also möglich, bei beliebigem Biegewinkel die Messung des Biegemomentes vorzunehmen und daraus Schlüsse auf das Verhalten des Materials bei der Verarbeitung zu ziehen, die aus einem einzelnen Meßwert nicht abzuleiten wären.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse erhält man, wenn das Biegemoment drehwinkelabhängig registriert wird, insbesondere dann, wenn auch die Messung kontinuierlich erfolgt. Aus dem dadurch erhaltenen oder aut den Werten zu erstellenden Diagramm ist es möglich, den elastischen Bereich mit den ihm zugeordneten relativ kleinen Biegewinkeln exakt zu definieren, das maximale Biegemoment, das als Bruchmoment bezeichnet wird, anzugeben und auch Aussagen über das eventuell nach einem Bruch auftretende Reitmoment zu machen, da-./ bei großen Biegewinkeln auftritt und bei üblichen Faltschachtelkartons im Bereich eines Winkels von ca. 135 Grad zu einer relativ konstanten Größe wird. Gleichzeitig ergibt sich der Bruchwinkei als der zum maximalen Biegemoment gehörige Winkel. Es wird dadurch ein vollständiges Bild vom Biegb-verhalten eines Kartons gewonnen, d. h. daß die Kenntnis des Verlaufs einer Biegemoment-Biegewinkelkurve nicht nur mehr, sondern auch völlig neue Aufschlüsse über das Verhalten des Kartons bei der Biegung liefert. So können aufgrund solcher Kurven zwei Kartons völlig unterschiedlich beurteilt werden, je nach dem, welches Beurteilungskriterium herangezogen wird, weil z. B. ein Karton, der oft gefaltet werden muß, ganz andere Eigenschaften im elastischen und im iiberelastischen Bereich aufweisen muli als ein Karton, der im wesentlichen nur auf Stauchdruck beansprucht wird.

Jedes Material setzt einer Biegung einen gewissen Widerstand entgegen, paßt sich dann aber unter Vcrfomiing den auftretenden Bedingungen an v. >bei mit der Verformung eine Veränderung der Struktur im !nieren des Materials Hand in Hand geht. Diese Strukturänderung erfolgt nicht schlagartig, sondern fließend, beruht auf einer Änderung der Bindung de! einzelnen Fasern im Gefüge zueinander und benötigt damit eine bestimmte Zeit, Je langsamer also die Biegung vorgenommen wird, desto mehr Zeit steht zur Verformung zur Verfügung und desto geringer ist das aufzuwendende Biegemoment. Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der angetriebene Drehteller eine Winkelgeschwindigkeit

ίο von V₁₀ Grad/Sek. bis 10 Grad/Sek. auf. Es ist dadurch möglich, im wirtschaftlichen Umfang das Verhalten des Kartons bei unterschiedlichen Biegegeschwindigkeiten zu beurteilen und damit weitere Rückschlüsse auf seine Bearbeitbarkeit zu ziehen. Als

is besonders zweckmäßig für die Praxis hat sich dabei der Bereich von V₃ bis 1 Grad/Sek. erwiesen. In den Bereichen oberhalb bzw. unterhalb der angegebenen Grenzen treten keine wesentlichen Abweichungen des Biegemomentes auf, d. h. daß eine Erhöhung oder einer Verlangsamung der Winkelgesd-.Wndigkeit keine Vorteile mit sich bringt.

Die konzentrische Zuordnung der Drehteller zueinander, bei der ein Drehteller zweckmäßig direkt auf dem Antriebsaggregat befestigt ist, so daß zwisehen Antriebsaggregat und Drehteller keine Reibung auftritt, wohingegen der andere in einem Gehäuse gelagert ist, ermöglicht eine sehr gedrängte Bauweise des Aggregates und erhöht durch Ausschaltung der Reibung zwischen Antriebsteller und Antriebsaggregat ganz wesentlich die Genauigkeit der Messung. Des weiteren ergibt sich durch Wegfall von Übertragungselementen eine Materialeinsparung und damit eine Verbilligung des Aggregates.

Der mit dem Antrieb versehene Drehteller ist gemaß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung reibungsarm gelagert, d. h. er ruht in einem Präzisionskugellager. Diese reibungsarme Lagerung ist von wesentlicher Bedeutung für das Meßaggregat, ca an diesem Drehteller ein Kraftaufnehmer angreift, der

■»ο in einfachster Ausführung aus einer Federwaage bestehen könnte. Jede durch die Lagerung dieses Tellers auftretende Reibung würde damit die Kraftmessung mittels dieser Federwaage oder einer statt dieser eingesetzten Meßdose verfälschen, auch wenn nur kleine

•ta Wege zurückgelegt werden.

Um die Gefahr der Beinträchtigung des Meßergebnisses durch die Reibung noch weiter herunterzusetzen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Kraftaufnehmer ein quasi weglos arbeitendes Aggregat ist, insbesondere ein quasi wegloser mechanisch-elektrischer Meßumformer. Dabei kann ein Aggregat gemäß US-PS 3 842 385 eingesetzt werden, bei dem durch Druckbelastung der elektrische Widerstand linear geändert wird. Der unter Druck in diesem Aggregat von einem Stößel zurückgelegte Weg ist minimal und entspricht, bezogen auf die Bewegung des Drehtellers der Prüfvorrichtung, nur dem Bruchteil eines Grades bei maximaler Belastung. Der Drehteller steht damit praktisch still, so daß auch eine Beeinträchtigung durch Reibung nicht auftreten kann, bzw. vernacfiiässigbar klein is'.

Vorteilhaft besitzt der Kraftaufnehmer jnendliche Auflösung. Unendliche Auflösung heißt: daß nicht stufenweise Meßwerte von ihm ableitbar sind, sondern

<i5 jeder beliebige Zwisehsnwert abgelesen oder aufgezeichnet werden kann. Es entfällt damit die Problematik der Erfassung eines Meßpunktes, der im Gren/ bereich zwischen zwei Meßbereichen liegt, d. h. daß

die Aussage über diesen Punkt stets genau und ohne umständliches Umschalten der Meßvorrichtung erhalten werden kann.

Zweckmäßig ist dem Kraftaufnehmer ein Schreiber zugeordnet, so daß Kurven aufgezeichnet werden, da > Kurven im allgemeinen die einfachere und schnellere Übersicht geben. Hingegen ist es jedoch auch möglich, statt des Schreibers einen Drucker anzuschließen, der entsprechende Zahlenkolonnen auswirft.

Der Antneb des angetriebenen Drehtellers erfolgt w zweckmäßig durch einen Synchronmotor, da Synchronmotore im wesentlichen unabhängig von Spannungsschwankungen über einen hohen Gleichlauf verfügen. Durch Einsatz des Synchronmotors ist damit gewährleistet, daß der Antrieb und damit die Biegung ι ϊ mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit erfolgt. Soll diese Winkelgeschwindigkeit geändert werden, so ist im Falle des Synchronmotor ein Getriebe erforderiicn. Die Pi üivui Meinungen, bei denen häufiger die Winkelgeschwindigkeit geändert werden muß und das womöglich in relativ kurzen Zeiträumen, d. h. von einer Messung zur anderen, werden gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung deshalb mit einem Schrittschaltmotor ausgerüstet. Der Schrittschaltmotor verfügt aufgrund seiner Konstruktion « zwar nicht über einen kontinuierlichen Lauf, mit dem ein Synchronmotor läuft, ergibt aber, insbesondere wenn eine hohe Schrittzahl gewählt wird, eine für diese Prüfzwecke voll ausreichende Kontinuität, gleichzeitig aber die Möglichkeit einer weitgehenden κ Drehzahlregulierung.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Motoren ein mindestens 50% über dem maximalen Biegemoment der Proben liegendes Drehmoment aufweisen. Durch diese Dirnensionierung der Motoren ist gewährleistet, daß kein Abfall der Drehzahl durch hohe Motorbelastung erfolgt, somit zwischen Proben, die nur eine geringe Biegekraft erfordern und solchen, die eine hohe Biegekraft erfordern, während der Prüfung die Drehzah- -»ο len und damit die Prüfbedingungen identisch sind, so daß die erhaltenen Werte verglichen werden können.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Skizzen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf die erfindungsgemäße ·<ϊ Vorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt und

Fig. 3 ein Detail aus der Draufsicht.

Der Prüfstreifen 1 weist eine Länge von ca. 30 mm auf und wird in die einander gegenüberliegenden Klemmbacken 2 und 3 eingelegt und mittels de Spannschrauben 15 festgezogen. Die freie Proben länge 10 beträgt 20 mm. der Abstand von der Dreh achse 9 je 10 mm. Da ein eventueller Bruch des Kar tons im Bereich der Drehachse 9 auftreten muß jedoch in Abhängigkeit von der zu prüfenden Karton sorte nicht 100%ig auf dieser Achse erfolgt, komm der Größe der freien Probenlänge 10 einige Bedcu tung zu, um das Meßergebnis nicht zu verfälschen Die Klemmbacke 2 ist starr mit dem Meßdrehtcl ler 5 verbunden, der übfi das Kugellager 6 im Ge hause 13 gelagert ist. Der Meßdrehteller 5 weist einei Anschlag 14 auf, der punktförmig mit dem Fühler Π des mechanischen elektrischen Wandlers 16 in Ein griff steht. Der Antriebsdrehteller 4 ist über die Kupplung 7 mit dem Schrittschaltmotor 8 starr ver bunden und wird durch diesen angetrieben. Dit Klemmbacke 3 ist starr auf dem Antriebsdrehteller t montiert. Wird der Schrittschaltmotor B eingeschaltet so dreht er über die Kupplung 7 dt η Antriebsdrehtel ler 4 im Gegenzeigersinn. Der Meßdrehteller 5 wire auf Grund der Steifigkeit des in die Klemmbacken 1 und 3 eingespannten Prüfstreifens 1 mit seinem An schlag 14gegen den Fühler 17 des mechanischen elek trischen Wandlers 16 gedrückt, indem sich aufgrünt dieses Andruckes der Widerstand verändert. Diese Widerstandsänderung kann über die Meßleitung 18 die rri.i einem nicht dargestellten Schreiber oder Ohmmeter verbunden ist, abgelesen bzw. aufgezeich net werden. Mit zunehmender Bewegung des An triebsdrehtellers 4 erfolgt eine Durchbiegung de: Prüfstreifens 1, wobei die zunächst parallel zueinan der stehenden Stirnflächen 19 der Klemmbacken 2 3 zueinander in eine Winkelstellung geraten und dami den Biegewinkel 11 bilden. Denkt man sich die Stirn flächen 19 der Klemmbacken 2, 3 nach innen um eine Linie verlängert, so ergibt sich im Schnittpunkt beide Geraden der Angriffspunkt des Biegeradius 12. Durch weitere Drehung des Antriebsdrehtellers 4 verklei nert sich der Biegeradius 12 kontinuierlich, gleichzeitig vergrößert sich der Biegewinkel 11. Ist der Ar triebsdrehteller 4 um 90 Grad gedreht, so betrag auch der Biegewinkel 1190 Grad und der Biegeradiui 12 ist erheblich kleiner geworden. Damit ist das Bie gemoment, das durch den Anschlag 14 auf den Fühlei 17 übertragen wird, gestiegen. Dieses Ansteigen de: Biegemomentes erfolgt bis zum Bruch des Prüfstreifens 1, danach fällt das Moment ab, wobei der Abfal je nach Kartonsorte mehr oder weniger steil sein kann und sich im Anschluß daran ein Restmoment einstellt.

Hier/u 2 Blatt Zeichnunaen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Ermittlung der Biegesteifigkeit von Karton und Pappe, bei der ein Prüfstreifen des zu prüfenden Materials an seinen beiden sich gegenüberliegenden Enden gelagert und zusammengebogen wird, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

a) zwei auf einer Drehachse koaxial angeordnete Drehteller (4,5) weisen je eine Klemmbacke (2, 3) zur Aufnahme des Prüfstreifens (D auf;

b) der eine der beiden Teller (4) ist mit einem Antrieb und der andere Teller (5) mit einem Kraftaufnehmer (16) verbunden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehteller (4, S) reibungsarm gelagert sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (16) einen weglosen Meßumformer bildet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (16) als ein mechanisch-elektrischer Meßumformer ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Drehteller (4) eine Winkelgeschwindigkeit zwischen V₁₀ Grad/Sek. und 10 Grad/Sek., aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Kraftaufnehmer (16) ein Schreibt, verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis

6, dadurch gekennzeichnet, da"/ der Antrieb (7, 8) aus einem Synchronmotor besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb (7, 8) aus einem Schrittschaltmotor besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Motoren ein mindestens 50% über dem maximalen Biegemoment der Proben liegendes Drehmoment aufweisen.