DE4408848A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Ermüdungsverhaltens polymerer Werkstoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Ermü­ dungsverhaltens polymerer Werkstoffe. Das Meßprinzip beruht darauf, daß ein Probekörper des zu untersuchenden Werkstoffes einer wiederholten Stoßbe­ anspruchung ausgesetzt und dabei das resultierende Kraft-Verformungsdiagramm aufgezeichnet wird.

Nach dem Stand der Technik wird die Zähigkeit von Polymer-Werkstoffen mittels einer uniaxialen bzw. biaxialen Stoßbelastung getestet. Diese Versuche werden als "single-blow-impact" bezeichnet. Die Proben der zu untersuchenden einzelnen Materialien werden dabei anhand der während der Stoßbelastung bis zum makroskopischen Versagen erfolgten Arbeitsaufnahme verglichen.

Für den Einsatz von Polymer-Werkstoffen zur Herstellung von Stoßfängern, Rad­ verkleidungen, Kofferschalen etc. ist eine Charakterisierung des Ermüdungs­ verhaltens unter einer mehrfachen Stoßbeanspruchung (Simulation von Steinschlag, unsachgemäßer Transport usw.) als praxisrelevante Tests von hohem Interesse. Dies gilt insbesondere für recyclierte Materialien. Zur Charakterisierung des Ermüdungsverhaltens von Polymer-Werkstoffen ist eine Apparatur erforderlich die für eine mehrfache Schlagbeanspruchung eine definierte Energie, die sogenannte Impact-Energie mit hoher Reproduzierbarkeit liefert. Aus der Literatur sind An­ lagen bekannt, die alle auf modifizierten Fallapparaturen basieren. Nachteilig dabei ist der hohe mechanische und steuerungstechnische Aufwand, um unkontrollierbare Mehrfachstöße zu vermeiden. Hier setzt die Erfindung an.

Es lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Apparatur mit verbesserter Meßgenauigkeit und Reproduzierbarkeit zur Messung des Ermüdungsverhaltens polymerer Werkstoffe zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Meßverfahren, bei dem ein Probekörper des zu untersuchenden Werkstoffes einer Stoßbeanspruchung ausgesetzt wird, und dabei gleichzeitig das resultierende Kraft-Verformungsdiagramm aufgezeichnet wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stoß auf den Probekörper in einer im wesentlichen horizontalen Richtung erfolgt. Dabei kann noch eine maximale Abweichung von der Horizontalen von ca. 5° toleriert werden.

Vorzugsweise wird der Stoß durch einen in horizontaler Richtung beschleunigten Rollwagen erzeugt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird der Rollwagen auf einer Strecke s beschleunigt, die im Abstand d vor dem Probekörper endet. Danach rollt der Rollwagen mit konstanter Geschwindigkeit weiter bis er den Probekörper erreicht. Vorteilhaft wird die während der Verformung des Probekörpers vom Rollwagen durchlaufene Wegstrecke mittels optischer Abtastung berührungslos registriert.

Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Meßverfahrens besteht aus einem in Richtung auf den Probekörper hin beschleunigten Meßwagen, der einen mit einem Kraftsensor verbundenen Stoßdorn trägt und einer Kraft-Weg-Meßeinrichtung zur simultanen Aufzeichnung des nach dem Auftreffen des Stoßdorns auf den Probekörper vom Meßwagen zurückgelegten Verformungsweg und der dabei auf den Kraftsensor einwirkenden Verformungskraft. Die Vorrichtung ist erfindungs­ gemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwagen aus einem im wesentlichen auf horizontalen Schienen laufenden Rollwagen besteht, der durch einen Linearantrieb beschleunigt wird und daß zwischen dem Linearantrieb und dem Rollwagen eine Kupplung vorgesehen ist, die den Linearantrieb abtrennt, bevor der auf dem Rollwagen angeordnete Stoßdorn auf den Probekörper auftrifft, so daß der Rollwagen die restliche Wegstrecke d bis zum Auftreffen des Stoßdorns auf den Probekörper mit annähernd konstanter Endgeschwindigkeit durchläuft.

Vorzugsweise sind der Elektromotor für den Linearantrieb, die Beschleunigungs­ strecke und der Zeitpunkt für die Abtrennung des Linearantriebs durch die Kupp­ lung so gewählt, daß der Rollwagen eine der stationären Drehzahl des Elektro­ motors entsprechende konstante Endgeschwindigkeit erreicht, bevor der Linear­ antrieb vom Rollwagen abgetrennt wird.

Zur Registrierung des Verformungswegs ist vorteilhaft seitlich oder oberhalb der Schienen eine den Rollwagen erfassende elektrooptische Wegmeßeinrichtung ange­ ordnet.

Mit der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

• - Der mechanische Aufwand für den Meßplatz ist relativ gering Meßfehler aufgrund von Mehrfachstößen (Mehrfach-Impacts) werden mit Sicherheit vermieden,
• - Die Stoßversuche können über einen weiten Bereich mit unterschiedlichen Massen und unterschiedlichen Geschwindigkeiten durchgeführt werden (hohe Variabilität der Versuchsbedingungen),
• - Es wird eine hohe Reproduzierbarkeit des Wertes der Impact-Energie (Stoßenergie) erreicht, da der Rollwagen während des Stoßvorganges immer eine gleichförmige und keine beschleunigte Bewegung ausführt.
• - Die Stoßversuche können bei ganz unterschiedlichen Probengeometrien durchgeführt werden (hohe Variabilität hinsichtlich Probengeometrie),
• - Der Meßplatz kann grundsätzlich für alle Experimente genutzt werden, bei denen ein Probenmaterial längs einer definierten Strecke einem reproduzier­ baren mechanischen Impuls ausgesetzt werden soll, der von einem mit konstanter Geschwindigkeit bewegten Körper auf die Probe übertragen wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den schematischen Aufbau des Meßplatzes für die Impact-Fatigue-Analyse,

Fig. 2 das Geschwindigkeitsdiagramm des Rollwagens und

Fig. 3 ein Schema für die Meßwertverarbeitung.

Im Gegensatz zu den aus der Literatur bekannten Meßplätzen für die Impact- Fatigue-Analyse, die alle auf modifizierten Fallapparaturen basieren und damit einen sehr hohen mechanischen und steuerungstechnischen Aufwand zur Vermei­ dung von Mehrfachstößen (unkontrollierter Energieeintrag) bedingen, wird bei der Apparatur gemäß Fig. 1 nicht die Erdbeschleunigung zur Beschleunigung eines Fallgewichtes, sondern ein horizontal angeordneter Linearantrieb zur Beschleu­ nigung eines Rollwagens mit bekanntem Gewicht verwendet. Das Meßprinzip beruht also darauf, daß der Linearantrieb einen Rollwagen mit bekanntem Ge­ wicht, der den Stoßdorn trägt, in horizontaler Richtung auf eine vorgewählte Geschwindigkeit beschleunigt. Bei Erreichen dieser Geschwindigkeit wird der Rollwagen vom Antrieb entkoppelt. Danach trifft der Stoßdorn mit der im Rollwagen gespeicherten kinetischen Energie analog zum Fallbolzenversuch auf das zu untersuchende Material auf und wird durch die elastische und plastische Energieaufnahme der Probe bis zum Stillstand abgebremst. Aufgrund der im Pro­ benmaterial gespeicherten elastischen Energie wird der Rollwagen dann direkt wieder zurückgetrieben. Während dieser Zeit bremst der Linearantrieb ab, rever­ siert in die Ausgangsposition, koppelt den Rollwagen wieder ein und erzeugt einen erneuten Kraftstoß. Auf diese Weise können Impact-Energie-Werte zwischen 0,1 J und 50 J realisiert werden. Die Wiederholfrequenz liegt bei ca. 10 Impacts pro Minute. Der wesentliche Vorteil dieses neuen Meßprinzips liegt darin, daß auf sehr einfache Weise Mehrfachstöße vermieden werden und stets ein reproduzier­ barer Kraftstoß und damit Energieeintrag in die Probe gewährleistet ist.

Gemäß Fig. 1 ist der Rollwagen 1 auf horizontal angeordneten Präzisionsstahl­ schienen 2 gelagert. Die Lagerung des Rollwagens 1 besteht aus jeweils 3 Kugel­ lagern 3, an den vier Ecken des Rollwagens 1, die die Stahlschienen 2 sternförmig umfassen. Auf diese Weise wird eine präzise Führung und ein reibungsarmer Lauf des Wagens 1 gewährleistet. Die Stahlschiene 2 braucht nicht exakt horizontal angeordnet zu sein. Abweichungen bis ca. 5° von der Horizontalen können ohne weiteres toleriert werden. Der Antrieb des Rollwagens 1 erfolgt durch einen handelsüblichen Linearantrieb 4 mit einem Servomotor 5. Der Motor 5 treibt ein horizontal laufendes Band 6 an, das einen Mitnehmer 7 aufweist. Der Rollwagen 1 trägt einen nach unten gerichteten, zwischen den Stahlschienen 2 hindurchragenden Führungssteg 8. Der Mitnehmer 7 und der Führungssteg 8 bilden eine mechanische Kupplung für den Antrieb des Rollwagens 1 über den Linearantrieb 4. Die Stahlschienen 2 und der Linearantrieb 4 sind relativ zueinander so angeordnet, daß sie nicht exakt parallel zueinander verlaufen, sondern miteinander einen spitzen Winkel von wenigen Grad einschließen. In Fig. 1 sind zwei Positionen des Rollwagens 1 dargestellt. Die rechte Position liegt etwa am Anfang und die linke Position etwa am Ende der Beschleunigungsstrecke s für den Rollwagen 1. Die Länge des Führungssteges 8 am Rollwagen 1 ist so bemessen, daß der Mitnehmer 7 längs der Beschleunigungsstrecke s mit einem Teil seiner Stirnfläche an dem Führungssteg 8 kraftschlüssig anliegt und am Ende der Beschleunigungsstrecke s unter der Endfläche 9 des Führungsstegs 8 hindurchfahren kann. Längs der Beschleunigungsstrecke s befindet sich also die Kupplung 7, 8 im Eingriff mit dem Rollwagen 1, während sie am Ende der Beschleunigungsstrecke s von ihm getrennt ist. Diese einfache Ein- und Auskupplung wird dadurch erreicht, daß der Linearantrieb 4 und die Stahlschienen 2 - wie oben schon beschrieben - geringfügig gegeneinander geneigt sind, so daß sich der Mitnehmer 7 von rechts nach links gesehen immer weiter von dem Führungssteg 8 entfernt, bis er unter ihm hindurchlaufen kann.

Der Rollwagen 1 trägt einen horizontal angeordneten Stoßdorn 10 der auch als Finne ausgebildet sein kann. Am Ende der Stahlschienen 2 ist eine Probehalterung 11 für die zu untersuchende platten- oder stabförmige Probe 12 angebracht. Die Spitze des mit dem Rollwagen 1 fest verbundenen Stoßdorns 10 trifft auf die Stirnfläche der Probe 12 auf, nachdem der Rollwagen 1 die Strecke d frei durch­ laufen (ausgekoppelt) hat. An der der Probe 12 gegenüberliegenden Seite ist eine Dämpfungsvorrichtung 13 angeordnet, um den nach einer Messung in die Ausgangsposition zurückfahrenden Rollwagen abzubremsen.

Die Ein- und Auskupplung des Rollwagens 1 wird anhand von Fig. 2 noch einmal genauer erläutert. Der Rollwagen 1 wird zunächst auf der Strecke s₁ auf eine vorgewählte Endgeschwindigkeit beschleunigt, anschließend mit konstanter Endgeschwindigkeit bis zum Punkt s₂ weitergeführt und an dieser Stelle vom Linearantrieb 4 getrennt (auskuppeln). Der Punkt s₂ entspricht in Fig. 1 der Beschleunigungsstrecke s. Nach dem Auskuppeln fährt der Rollwagen 1 mit konstanter Geschwindigkeit weiter, bis die Spitze des Stoßdorns 10 am Rollwagen 1 auf die Oberfläche der Probe 12 auftrifft (Position s₃). Nach dem Auskuppeln durchläuft der Rollwagen 1 also die Strecke s₃-s₂, die in Fig. 1 dem Abstand d entspricht.

In die Spitze des Stoßdorns 10 ist ein Kraftsensor 13 eingebaut, wodurch eine schwingungsfreie Kraftregistrierung gewährleistet wird. Es kommen Sensoren mit Maximalkräften von 4,5 bzw. 0,45 kN zum Einsatz. Das vom Kraftsensor erzeugte elektrische Signal wird verstärkt 14 und über einen Tiefpaß 15 einem Tran­ sientenrekorder 16 zugeführt. Mit dem Transientenrekorder 16 ist ein Meß­ platzrechner 17 verbunden.

Die zur Bestimmung des Kraft-Verformungsdiagrammes erforderliche Wegmeßein­ richtung ist in der Nähe der Probenhalterung 11 oberhalb der Stahlschienen 2 angeordnet. Die während der Verformung des Probekörpers vom Rollwagen 1 bzw. des Stoßdorns 10 durchlaufene Wegstrecke (Verformungsweg) wird zweck­ mäßig mittels einer optischen Abtasteinrichtung berührungslos registriert; d. h. die Wegmeßeinrichtung besteht hier aus einem handelsüblichen elektrooptischen Wegsensor 18. Dabei wird mittels einer Optik eine Schwarz-Weiß-Kante des Rollwagens 1 auf die Fotokathode eines Bildwandlers abgebildet. Das optische Bild wird durch die Fotokathode in ein Elektronenbild umgewandelt, das auf eine Lochblende fokussiert wird. Eine Ablenkeinheit zwischen Fotokathode und Lochblende ermöglicht eine schnelle trägheitslose Ablenkung des Elektronenbildes. Durch diese Ablenkeinheit wird das Bild bei Positionsveränderungen der Schwarz- Weiß-Kante immer an der gleichen Stelle gehalten. Der Strom zur Ansteuerung der Ablenkeinheit ist dann direkt proportional zur Bewegung der Schwarz-Weiß- Kante. Dieses Stromsignal wird dann parallel zum Kraftsignal in einen zweiten Meßkanal des Transientenrekorders 16 eingespeist. Die Wegmessung wird stets an dem Punkt gestartet, wo die Spitze des Stoßdorns 10 den eingespannten Probekörper 12 im noch unbelasteten Zustand gerade berührt. Die Auswertung der Meßsignale und die Steuerung des Transientenrekordens 16 erfolgt mit Hilfe des Laborrechners 17 und ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Im Transientenrekorder 16 werden bei dem Stoßvorgang, d. h. nach dem Auftreffen der Spitze des Stoßdorns 10 auf der Oberfläche des Probekörpers 12 simultan die Wegsignale und Kraftsignale als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Aus den gemessenen Daten werden mit Hilfe des Rechners 17 in bekannter Weise die beim Stoß auftretende Maximalkraft, die bleibende Dehnung der Probe und die während des gesamten Stoßvorganges absorbierte Energie bestimmt.

Beschreibung Auswertung

Das Auswerteverfahren ist in Fig. 3 dargestellt. Nach Umrechnung der durch den Transientenrecorder 16 registrierten Spannungswerte in zeitabhängige Kraft- bzw. Wegwerte werden die Zeitpunkte t₀, t₁ und t₂ durch den Rechner 17 bestimmt. Der Zeitpunkt t₀ gibt an, wann der Dorn 10 die Probe 12 berührt, d. h. der Kraftanstieg beginnt. Zum Zeitpunkt t₁ ist die Maximalkraft erreicht. Der Dorn 10 ist hier auf die Geschwindigkeit 0 abgebremst und wird nun durch die elastische Komponente der im Material gespeicherten Energie wieder zurückgetrieben. Bei t₂ hat der Dorn 10 die Probe 12 wieder verlassen. Diese Methode dient dazu, die während des Versuches auftretende bleibende Verformung des Materials auszugleichen.

Aus dem Kraft- und Wegverlauf zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ wird die übertragene Energie (Impactenergie), bzw. zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ der elastische Anteil der im Material gespeicherten Energie ermittelt. Für die vom Material absorbierte Energie ΔE gilt nun:

wobei F die Kraft und w der Weg bedeuten.

Claims (7)

1. Verfahren zur Messung des Ermüdungsverhaltens polymerer Werkstoffe, bei dem ein Probekörper des zu untersuchenden Werkstoffes einer Stoßbe­ anspruchung ausgesetzt wird, und dabei das resultierende Kraft-Ver­ formungsdiagramm aufgezeichnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß auf den Probekörper (12) in einer im wesentlichen horizontalen Rich­ tung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoß durch einen in horizontaler Richtung beschleunigten Rollwagen (1) erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Roll­ wagen auf einer Strecke s, die im Abstand d vor dem Probekörper (12) endet, beschleunigt wird und danach mit annähernd konstanter Ge­ schwindigkeit weiterrollt.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die während der Verformung des Probekörpers (12) vom Rollwagen (1) durchlaufene Wegstrecke mittels optischer Abtastung (18) berührungslos regi­ striert wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4, bestehend aus einem in Richtung auf den Probekörper (12) hin beschleunigten Meßwagen, der einen mit einem Kraftsensor (13) verbundenen Stoßdorn (10) trägt, und einer Kraft-Wegmeßeinrichtung zur simultanen Aufzeichnung des nach dem Auftreffen des Stoßdorns (10) auf den Probekörper (12) vorn Meßwagen zurückgelegten Verformungsweg und der dabei auf den Kraftsensor (13) einwirkenden Verformungskraft, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwagen aus einem im Wesentlichen auf horizontalen Schienen (2) laufenden Rollwagen (1) besteht, der durch einen elektromotorischen Linearantrieb (4) beschleunigt wird, und daß zwischen dem Linearantrieb (4) und dem Rollwagen (1) eine Kupplung (7 8) vorgesehen ist, die den Linearantrieb (4) vom Rollwagen (1) abtrennt, bevor der auf dem Rollwagen (1) angeordnete Stoßdorn (10) auf den Probekörper (12) auftrifft, so daß der Rollwagen (1) die restliche Wegstrecke d bis zum Auftreffen des Stoßdorns (10) auf den Probekörper (12) mit annähernd konstanter Endgeschwindigkeit zurücklegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß der Elektro­ motor (5) für den Linearantrieb (4) die Beschleunigungsstrecke s und der Zeitpunkt für die Abtrennung des Linearantriebs (4) durch die Kupplung (7, 8) so gewählt sind, daß der Rollwagen (1) eine der stationären Drehzahl des Elektromotors (5) entsprechende, konstante Endgeschwindigkeit er­ reicht, bevor der Linearantrieb (4) vom Rollwagen (1) abgetrennt wird.

7. Vorrichtung nach Ansprüchen 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß seitlich oder oberhalb der Schienen (2) eine den Rollwagen (1) erfassende elektro­ optische Wegmeßeinrichtung (18) zur Registrierung des Verformungsweges angeordnet ist.