WO1998050775A2 - Verfahren und vorrichtung zur zerstörungsfreien bestimmung der elastizität von materialien - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur zerstörungsfreien bestimmung der elastizität von materialien Download PDF

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WO1998050775A2
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    • G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors

Definitions

  • the invention relates to a method for the non-destructive determination of the elasticity of materials, in particular the elasticity of plastics, and a device for carrying out the method.
  • An indenter made of translucent material which has known main radii of curvature in both planes of curvature, is pressed onto a component to be tested with a certain normal force.
  • the dimensions of the contact surface between the indenter and the component are determined during loading by the indenter. From the normal force, the size of the contact area and the main radii of curvature, an elastic material value is calculated according to Hertzian equations.
  • the elastic material properties of materials have so far mostly been determined on samples by tensile tests. Because the material properties change as a result of many influencing factors such as temperature and loading speed, the actual material properties of a real component deviate more or less from those of the samples.
  • the material characteristic "hardness” is determined on the original component, but this material characteristic results from the plastic deformation (impression).
  • Shore hardness test of plastics in accordance with DLN 53505 or in the ball pressure hardness test in accordance with DLN 53519 and DLN 53456 the depth of penetration is determined during exposure to the load. The samples are relatively thin and the deformation is relatively large. Plastic deformation cannot be ruled out. The calculation of hardness cannot be based on an elastic theory that has a clear relationship between The measurement of the penetration depth is falsified by several factors, for example the deformation of the frame, despite the definition of a preload.
  • the above-mentioned hardness test methods can also be carried out directly on the component, sometimes non-destructively in the case of ball pressure hardness testing.
  • the hardness values only apply to the test forces and indenters defined by the respective standards and cannot be used directly in elastic theory.
  • a hardness value can only be converted into a modulus of elasticity with great inaccuracy.
  • the invention is therefore based on the object of developing a new method and a device which enables a non-destructive determination of the elasticity or an elastic material characteristic value directly on an original component.
  • egg is the modulus of elasticity, and the transverse contraction number of the material.
  • FIGS. 1 and 2 The principle of the inventive method for non-destructive determination of the contact module illustrate FIGS. 1 and 2.
  • a penetrator (2) with known principal radii of curvature preferably a lens of transparent material, with a certain force E, for the component to be tested (1 ) pressed. Due to the elastic deformation, a contact surface (3) is created between the indenter body (2) and the component (1). This contact area is illuminated with a light bundle from an illumination optics (4). The size of the contact area is determined with the aid of a length measuring system (5), which is preferably based on an optical or optoelectronic measuring principle.
  • either the component (see Fig. 2) or the indenter (see Fig. 3-5) is guided by a guide (11) and adjusted or loaded by a loading device (7).
  • the normal force applied is measured with the aid of a force sensor (8).
  • the component is fastened on a support table (9) and the indenter in a housing (10). If the force is to be fine-tuned or kept constant over a long period of time, an additional elastic suspension of the loading device (7) must be connected in series, e.g. by a mechanical spring (12) or a hydraulic accumulator.
  • the shape of the indenter is preferably plane-concave.
  • the contact surface (3) is elliptical (Fig. La) for a spherical measuring surface and circular for a flat (Fig. Lb) or spherical measuring surface.
  • the contact module E t of the contact pair can be determined from the half axes a and b of the contact surface, the equivalent radius R e of the contact pair and the applied normal force F z using the Hertz equations:
  • the indices 1, 2 designate the component and the indentation body
  • the indices x, y designate the main curvature planes.
  • the equivalent radius R e is calculated from the main radii of curvature of the contact bodies:
  • the contact surface (3) is rectangular (Fig. Lc).
  • the contact module can then be determined from the contact surface length 2a and the contact surface width B:
  • the contact module Eu of the component (1) can be determined from the following relationship:
  • the half-space condition for the Hertz equations must be met. This means that the component in the vicinity of the contact surface must be solid and that the smallest dimension (main radii of curvature, length, width and above all thickness) of the solid region must be at least 5 times larger than the smaller semi-axis of the contact surface.
  • the component surface in the vicinity of the contact surface in both main planes of curvature must be writable with constant main curvature radii, e.g. cylindrical, spherical, spherical or even.
  • the main radii of curvature should be known, otherwise they must be measurable.
  • the indenter (2) is made of translucent material, e.g. Glass or sapphire, and apply the process to softer materials, e.g. Rubber, polymers or resin. In the case of harder materials, it is advisable to manufacture the indenter (2) from a harder, opaque material. Because in this case the contact surface (3) cannot be viewed optically through the indenter (2), the maximum normal force and the corresponding maximum contact surface are used in the evaluation. The maximum contact area usually forms on the indenter (2) and the component (1), especially if the measuring area is covered with a thin, dry film. This impression differs from the impression in the hardness tests in that it arises as a result of pure elastic deformation.
  • the indenter (2) must be arranged in such a way that it can be pushed or turned to the side after loading or after the separation of the contact pairing in order to be able to measure the contact surface (impression on the component) using the length measuring system (5).
  • the measurement of the maximum impression after the relief can also be used for the indenter made of translucent material if the measurement of the contact area during the load is not possible, e.g. with sudden load.
  • the compressive stress in the component (1) depends, among other things, on the radii of curvature of the indenter (2) and the component. In order to move in a favorable range with the tension, it is advisable to choose an indenter with a suitable shape and radius of curvature, for example plane-parallel, plane-concave, plane-convex or plane-cylindrical.
  • the measuring accuracy of the contact area size is strongly influenced by the contrast between the contact area (3) and the environment.
  • the component (1) can be covered with a thin dry film.
  • the indenter (2) can be provided with a smooth or matt or coated surface.
  • a thin film ( ⁇ 10 ⁇ m) can be inserted between the indenter (2) and the component (1) in order to show the contact surface (3) more clearly on the film. The thinner the film, the more accurate the measurement result.
  • the contact surface (3) should preferably be illuminated with a parallel light beam and measured optically or optoelectronically, the optical axes of the illumination optics (4) and the length measuring system (5) being perpendicular to the contact surface (3) or the mirror image (3 ') the contact surface (3) are to be directed. With the aid of a light divider (6), this condition can be met despite the spatial separation of the two components (4) and (5). It should be noted that no stray light can enter the contact surface (3) and the light path to the length measuring system (5).
  • a constant or quasi-static normal force should preferably be used in the method according to the invention.
  • To determine the material properties under dynamic loading it is advisable to change the normal force over time, e.g. periodically or intermittently.
  • the load device (7) and the length measuring system (5) must be equipped accordingly, e.g. with a servo cylinder and a video camera.
  • the contact area size with a defined normal force or the normal force with a defined contact area size, is sufficient for the evaluation of the material properties without having to calculate the end result, namely the contact module.
  • the contact module can be determined at several points on the component to be tested. By averaging the individual contact modules, a more precise material characteristic value can be determined. From the differences of the individual Contact modules can determine the inhomogeneity of a component, which, in addition to being non-destructive, is another advantage over conventional tensile testing.
  • the indenter When producing strip-shaped materials, it is advisable to continuously monitor the material properties. For this purpose, it is advisable to manufacture the indenter from translucent material in the form of a ring (2d) and to let it roll on the running component (1) (FIG. 5).
  • the contact surface (3) can be illuminated by a semitransparent mirror (6b) while rolling with a parallel light beam (4) and with the help of a length measuring system, e.g. a video camera (5d) are monitored. This arrangement is also suitable for measurements on rotating components.
  • FIG. 3 shows an arrangement analogous to a testing machine including the measuring technology and control
  • Fig. 4 shows an arrangement as a handheld tester
  • Fig. 5 shows an arrangement with a rotating indenter for running strip material.
  • the device according to the invention has an exchangeable indentation body (2) with known main radii of curvature, which is arranged above the component (1) to be tested.
  • One of the two bodies is movably guided and is loaded with the help of a loading device (7), e.g. of a spindle drive (7b) pressed against the other body, so that a contact surface (3) between the two bodies arises due to elastic deformation.
  • a loading device (7) e.g. of a spindle drive (7b) pressed against the other body, so that a contact surface (3) between the two bodies arises due to elastic deformation.
  • a loading device (7) e.g. of a spindle drive (7b) pressed against the other body, so that a contact surface (3) between the two bodies arises due to elastic deformation.
  • a loading device (7) e.g. of a spindle drive (7b) pressed against the other body, so that a contact surface (3) between the two bodies arises due to elastic deformation.
  • an illumination optics (4) and a length measuring system (5, 5b, 5c, 5d) are accommodated on the side of the indenter (2) above the contact area (3).
  • a light divider (6) or a semi-transparent mirror (6b) is preferably arranged between the indenter (2) and the illumination optics (4), and the length measuring system (5, 5b, 5c, 5d) in the normal direction of that reflected by the light divider Contact surface (3 ') positioned.
  • the positions of the lighting optics (4) and the length measuring system (5, 5c) can be interchanged.
  • Components (4) and (6) can also be integrated in the length measuring system (5).
  • the indenter (2), the illumination optics (4), the light divider (6, 6b), the length measuring system (5, 5b, 5c) and the force measuring device (8) are preferably in an assembly E in or on a common housing (10 ) to accommodate.
  • This assembly E comprises the essential components of the device according to the invention and can be used as a built-in module in a further measuring device, e.g. in a universal testing machine or in a robot.
  • one or more components of assembly E can also be outsourced from the assembly, e.g. the force measuring device (8).
  • Either the support table (9) (FIG. 2) or the assembly E (FIGS. 3, 4) is arranged to be movable.
  • the movable assembly E or the movable support table (9) is always connected via a guide (11) to the frame (15) or the outer housing (15c), and directly or indirectly to the loading device (7, 7b).
  • the device does not have its own loading device.
  • the load can be applied by hand or by an external load device, such as a robot.
  • the assembly E is guided in an outer housing (15c) by a guide (11) and connected to the pressure sleeve (16) via a spring (12).
  • the spring (12) is provided for fine adjustment of the pressure force.
  • the pressure force F z can be applied to the module E either with the entire hand over the outer housing (15c) or with the thumb over the pressure sleeve (16) and the spring (12). Pressing with the thumb enables a finer force setting. In cases where this sensitivity is not necessary, the pressure sleeve (16) can be omitted.
  • the spring (12) also serves as a dynamometer in that the spring travel is displayed on a force scale (17).
  • a second indicator can be attached to indicate the maximum force.
  • the contact surface is projected onto a viewing window with a length scale using projection optics (5c).
  • the indicators of both sizes are arranged so that they can be observed simultaneously during pressing.
  • an annular indenter (2d) made of translucent material is attached to a steel flange (18).
  • the hub of the steel flange is mounted in a holder frame (lOd), which has the comparable function as the indenter body (10).
  • the holding frame is guided through the guide (11) and connected to the load device (7) via the force sensor (8). With a small stroke, the roller guide (11) can be replaced by an elastic guide, for example a leaf spring.
  • the indenter (2d) is pressed onto the component (1) to be tested using the loading device (7) via the holding frame (10d).
  • the penetrating body (2d) is driven by the running component (1) and rotates with it.
  • the length measuring system (5d), the illumination optics (4) and the light splitter (6b) are arranged in the cavity of the indenter and are preferably connected to the holding frame (10d).
  • the contact surface (3) can be observed optically through the rotating penetrating body (1), deflected by the light divider (6b), with the aid of a video camera (5d).
  • This arrangement can be used in the quality assurance of continuously produced strip materials, or in the investigation of the influence of the rolling speed on the elasticity of the component.
  • the control of the loading device, the measurement data acquisition and evaluation can be done manually or with computer support in all exemplary embodiments.
  • Fig. 3 the computer-assisted version is shown.
  • the loading device (7b), the force sensor (8) and the length measuring system (5b) are connected to the microprocessor (14) via corresponding control and evaluation cards, relays and amplifiers (13).
  • the microprocessor (14) With the help of the microprocessor (14), the loading and unloading process is controlled fully automatically or interactively, the measurement data acquisition and evaluation is carried out and the measurement results (contact module or elasticity module) are displayed.
  • a fully automatic measurement including calculation and display is particularly useful for the arrangement as a hand-held test device, with the automatic recognition of the contact surface dimensions being the main task.
  • the device according to the invention can be designed in further designs, for example as a microscope test device.
  • the individual components of the device are only represented with one to three variants.
  • the use of comparable or functionally identical variants or the combination of such variants belong to the claims of the present invention, for example CCD camera or optoelectronic scanner instead of a reading telescope in the length measuring system (5).
  • the method according to the invention is also referred to as a contact test.
  • contact tests on components and tensile tests according to DLN 53457 are carried out on tensile samples from the same semi-finished products made of three polymer materials in a short period of time.
  • a comparison of the measurement results from the contact test and tensile test shows that the contact modules from the two tests differ only slightly from one another for a relatively linear material ( ⁇ 1%). In the case of nonlinear materials, the contact modules from the contact test are each 3 to 7% larger than those from the tensile test.
  • the contact test does not need a special sample.
  • the process can be applied directly to the component without destruction and repeated as often as required, even after the component has been used.
  • the contact module is an elastic material characteristic that is defined uniformly for all materials in the elastic deformation range and can be used directly in elastic theory can.
  • the contact area is not affected by the frame deformation, so a definition of the preload is not necessary.
  • the measuring surface of the component to be tested is only loaded in the elastic range and is therefore not damaged.
  • the invention according to claims 1-19 can preferably be applied to softer materials, such as plastics and softer metals, for the non-destructive determination and monitoring of the elasticity of the semi-finished products and the components under real conditions of use.
  • the invention can be used to investigate the influences of various parameters such as temperature and loading speed, etc. serve on the elasticity of the components.
  • the invention can be applied to improve the elasticity of concrete, resin, asphalt, sports ground, soil and fruit, etc. to determine non-destructively.
  • the contact test can be used to check the elasticity of the prosthesis materials and tissues, etc. to determine non-destructively.

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Abstract

Mit Hilfe der bisherigen Prüfverfahren lassen sich elastische Werkstoffkennwerte von Materialien nur an Proben, nicht an realen Bauteilen ermitteln. Die Erfindung soll es ermöglichen, die Elastizität eines Bauteils direkt am Bauteil zerstörungsfrei zu bestimmen. Um die Elastizität eines Bauteils (1) zerstörungsfrei zu bestimmen (s. Fig. 6), wird ein Eindringkörper (2) aus lichtdurchlässigem Material, der in beiden Hauptkrümmungsebenen bekannte Hauptkrümmungsradien besitzt, mit Hilfe einer Belastungsvorrichtung (7) auf das Bauteil (1) gedrückt. Infolge der elastischen Verformung stellt sich eine Kontaktfläche (3) zwischen dem Bauteil (1) und dem Eindringkörper (2) ein. Durch den lichtdurchlässigen Eindringkörper wird die Kontaktfläche mit Optik (4) und (6) beleuchtet. Die Abmessungen der Kontaktfläche werden während der Belastung durch ein Längenmeßsystem (5) bestimmt, die Normalkraft durch einen Kraftsensor (8). Aus der Normalkraft, den Kontaktflächengrößen und den Hauptkrümmungsradien wird ein elastischer Werkstoffkennwert nach Hertzschen Gleichungen bestimmt. Die Erfindung eignet sich für eine zerstörungsfreie Bestimmung der Elastizität von Materialien, insbesondere an realen Bauteilen in der Forschung und der Qualitätssicherung.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur zerstörungsfreien Bestimmung der Elastizität von Materialien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Elastizität von Materialien, insbesondere der Elastizität von Kunststoffen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei wird ein Eindringkörper aus lichtdurchlässigem Material, der in beiden Hauptkrümmungsebenen bekannte Hauptkrümmungsradien besitzt, mit einer bestimmten Normalkraft auf ein zu prüfendes Bauteil gedrückt. Die Abmessungen der Kontaktfläche zwischen dem Eindringkörper und dem Bauteil werden während der Belastung durch den Eindringkörper bestimmt. Aus der Normalkraft, der Kontaktflächengröße und den Hauptkrümmungsradien wird ein elastischer Werkstoffkennwert nach Hertzscher Gleichungen errechnet.
Die elastischen Werkstoffkennwerte von Materialien werden bisher meistens an Proben durch Zugversuche ermittelt. Weil sich die Werkstoffkennwerte infolge vieler Einflußgrößen wie Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit verändern, weichen die tatsächlichen Werkstoff kennwerte eines realen Bauteils von denen der Proben mehr oder weniger ab.
Bei der Härteprüfung metallischer Werkstoffe, z.B. nach Brinell- oder Vickers-V erfahren, wird zwar der Werkstoffkennwert „Härte" am Originalbauteil ermittelt, dieser Werkstoffkennwert resultiert aber aus der plastischen Verformung (Eindruck). Bei der Shore-Härteprüfung von Kunststoffen nach DLN 53505 bzw. bei der Kugeldruckhärteprüfung nach DLN 53519 und DLN 53456 wird die Eindringtiefe während der Einwirkung der Belastung ermittelt. Die Proben sind relativ dünn und die Verformung ist relativ groß. Plastische Verformung ist dabei nicht auszuschließen. Bei der Berechnung der Härte kann keine elastische Theorie zugrunde gelegt werden, die eine eindeutige Beziehung zwischen der Verformung und der Belastung liefert. Ferner wird die Messung der Eindringtiefe trotz der Definition einer Vorlast durch mehrere Faktoren, z.B. die Verformung des Gestells, verfälscht.
Die oben genannten Härteprüfverfahren können auch direkt am Bauteil durchgeführt werden, bei der Kugeldruckhärteprüfung teilweise zerstörungsfrei. Die Härtewerte gelten jedoch nur für die durch die jeweiligen Normen definierten Prüfkräfte und Eindringkörper und können nicht direkt in die elastische Theorie eingesetzt werden. Nur mit großer Ungenauigkeit kann ein Härtewert in einen Elastizitätsmodul umgerechnet werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren sowie eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine zerstörungsfreie Bestimmung der Elastizität bzw. eines elastischen Werkstoffkennwerts direkt an einem Originalbauteil ermöglicht.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein elastischer Werkstoffkennwert „Kontaktmodul" eingeführt, der durch folgende Gleichung definiert ist:
Figure imgf000004_0001
Dabei ist Ei der Elastizitätsmodul, und
Figure imgf000004_0002
die Querkontraktionszahl des Werkstoffs.
Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens zur zerstörungsfreien Bestimmung des Kontaktmoduls veranschaulichen Fig. 1 und 2. Bei dem Verfahren wird ein Eindringkörper (2) mit bekannten Hauptkrümmungsradien, vorzugsweise eine Linse aus lichtdurchlässigem Material, mit einer bestimmten Kraft Ez auf das zu prüfende Bauteil (1) gedrückt. Zwischen dem Εindringkörper (2) und dem Bauteil (1) entsteht infolge der elastischen Verformung eine Kontaktfläche (3). Diese Kontaktfläche wird mit einem Lichtbündel aus einer Beleuchtungsoptik (4) beleuchtet. Die Größe der Kontaktfläche wird mit Hilfe eines Längenmeßsystems (5) bestimmt, das vorzugsweise auf einem optischen oder optoelektronischen Meßprinzip beruht.
Um eine definierte Normalkraft aufbringen zu können, wird entweder das Bauteil (s. Fig. 2) oder der Εindringkörper (s. Fig. 3-5) durch eine Führung (11) geführt und durch eine Belastungsvorrichtung (7) verstellt bzw. belastet. Die dabei aufgebrachte Normalkraft wird mit Hilfe eines Kraftsensors (8) gemessen. Zur Einleitung der Kraft sind jeweils das Bauteil auf einem Auflagetisch (9) und der Eindringkörper in einem Gehäuse (10) befestigt. Sind die Kraft fein einzustellen oder über längere Zeit konstant zu halten, ist zusätzlich eine elastische Federung der Belastungsvorrichtung (7) in Reihe zu schalten, z.B. durch eine mechanische Feder (12) oder einen hydraulischen Speicher.
Vorzugsweise ist die Form des Eindringkörpers plan-konkav. Die Kontaktfläche (3) ist bei balliger Meßfläche ellipsenförmig (Fig. la) und bei ebener (Fig. lb) oder kugelförmiger Meßfläche kreisförmig. Aus den halben Achsen a und b der Kontaktfläche, dem Ersatzradius Re der Kontaktpaarung und der aufgebrachten Normalkraft Fz läßt sich der Kontaktmodul Et der Kontaktpaarung über die Hertzschen Gleichungen bestimmen:
ΕRSATZBLATT (REGEL 26)
Figure imgf000005_0001
Dabei sind s und / die Hertzschen Beiwerte, die durch die Hauptkrümmungsradien ?xι, Ry\, Rxι, Ry2 der sich berührenden Körper bestimmt werden. Sie sind in "Eschmann, P.; Hasbargen, L.; Weigand, K.: Die Wälzlagerpraxis. 2. Auflage, Oldenbourg Verlag, München, Wien, 1978" als Funktion von
Figure imgf000005_0002
tabelliert. Die Indizes 1, 2 bezeichnen jeweils das Bauteil und den Eindrϊngkörper, die Indizes x, y bezeichnen die Hauptkrümmungsebenen. Der Ersatzradius Re errechnet sich aus den Hauptkrümmungsradien der Kontaktkörper zu:
• + ■ • + ■ (4)
R. R x\ R i R x2 R y-
Bei plan-zylindrischem Eindringkörper und ebener oder zylindrischer Meßfläche (Ryi = ∞) ist die Kontaktfläche (3) rechteckig (Fig. lc). Der Kontaktmodul läßt sich dann aus der Kontaktflächenlänge 2a und der Kontaktflächenbreite B bestimmen:
8 F,R„
E. = ■ (5) πBX
Bestehen das Bauteil und der Eindringkörper aus unterschiedlichen Werkstoffen, so gilt allgemein
Figure imgf000005_0003
Ist der Kontaktmodul Et der Kontaktpaarung auf diese Weise bestimmt worden und sind der Elastizitätsmodul E2 und die Querkontraktionszahl v2 des Εindringkörpers bekannt, so läßt sich der Kontaktmodul Eu des Bauteils (1) aus folgender Beziehung bestimmen:
Figure imgf000005_0004
ΕRSATZBLATT (REGEL 26) Ist die Querkontraktionszahl vi des Bauteils bekannt, kann der Elastizitätsmodul Ei des Bauteils aus dem Kontaktmodul
Figure imgf000006_0001
errechnet werden:
Figure imgf000006_0002
Zur Anwendung des Verfahrens sind folgende Voraussetzungen zu beachten:
• Erstens muß die Halbraumbedingung für die Hertzschen Gleichungen erfüllt werden. Das heißt, daß das Bauteil in der Nähe der Kontaktfläche massiv sein muß und daß die kleinste Abmessung (Hauptkrümmungsradien, Länge, Breite und vor allem Dicke) des massiven Bereichs mindestens 5-fach größer als die kleinere Halbachse der Kontaktfläche sein muß.
• Zweitens muß die Bauteiloberfläche in der Nähe der Kontaktfläche in beiden Hauptkrümmungsebenen mit konstanten Hauptkrürnmungsradien beschreibbar sein, z.B. zylinderfbrmig, kugelförmig, ballig oder eben. Die Hauptkrümmungsradien sollten bekannt sein, ansonst müssen sie vermessbar sein.
• Drittens darf die Belastung den linearelastischen Bereich des Werkstoffs nicht überschreiten.
Vorzugsweise ist der Eindringkörper (2) aus lichtdurchlässigem Werkstoff, z.B. Glas oder Saphir, herzustellen und das Verfahren bei weicheren Materialien anzuwenden, z.B. Gummi, Polymeren oder Harz. Bei härteren Materialien ist es zweckmäßig, den Eindringkörper (2) aus einem härteren, lichtundurchlässigen Werkstoff herzustellen. Weil sich die Kontaktfläche (3) in diesem Fall optisch nicht durch den Eindringkörper (2) betrachten läßt, wird die maximale Normalkraft und die entsprechende maximale Kontaktfläche bei der Auswertung verwendet. Die maximale Kontaktfläche bildet sich normalerweise auf dem Eindringkörper (2) und dem Bauteil (1) ab, vor allem wenn die Meßfläche mit einem dünnen trockenen Film belegt ist. Dieser Abdruck unterscheidet sich von dem Eindruck bei den Härteprüfungen dadurch, daß er infolge reiner elastischer Verformung entsteht. Der Eindringkörper (2) ist so anzuordnen, daß er nach der Belastung bzw. nach der Trennung der Kontaktpaarung zur Seite geschoben oder gedreht werden kann, um die Kontaktfläche (Abdruck auf dem Bauteil) mit Hilfe des Längenmeßsystems (5) vermessen zu können. Die Vermessung des maximalen Abdrucks nach der Entlastung kann auch beim Eindringkörper aus lichtdurchlässigem Material angewendet werden, falls die Messung der Kontaktfläche während der Belastung nicht möglich ist, z.B. bei stoßartiger Belastung.
Die Druckspannung im Bauteil (1) ist u.a. von den Krümmungsradien des Eindringkörpers (2) und des Bauteils abhängig. Um sich mit der Spannung in einem günstigen Bereich zu bewegen, ist es zweckmäßig, einen Eindringkörper mit passender Form und passenden Krümmungsradien zu wählen, z.B. planparallel, plan-konkav, plan-konvex oder plan-zylindrisch.
Die Meßgenauigkeit der Kontaktflächengröße ist von dem Kontrast zwischen der Kontaktfläche (3) und der Umgebung stark beeinflußt. Um diesen Kontrast zu erhöhen, kann das Bauteil (1) mit einem dünnen trockenen Film belegt werden. Zum gleichen Zweck kann der Eindringkörper (2) mit glatter oder matter oder beschichteter Oberfläche versehen werden. Ferner kann eine dünne Folie (<10 μm) zwischen dem Eindringkörper (2) und dem Bauteil (1) eingelegt werden, um die Kontaktfläche (3) deutlicher auf der Folie abzubilden. Das Meßergebnis ist umso genauer, je dünner die Folie ist.
Eine geeignete Beleuchtung, variiert in der Farbe (Wellenlänge) und Lichtstrahlform, kann ebenfalls zu einem höheren Kontrast beitragen. Vorzugsweise ist die Kontaktfläche (3) mit einem parallelen Lichtbündel zu beleuchten und auf optischem oder optoelektronischem Weg zu vermessen, wobei die optischen Achsen der Beleuchtungsoptik (4) und des Längenmeßsystems (5) senkrecht auf die Kontaktfläche (3) bzw. das Spiegelbild (3') der Kontaktfläche (3) gerichtet werden sollen. Mit Hilfe eines Lichtteilers (6) kann diese Bedingung trotz der räumlichen Trennung beider Komponenten (4) und (5) erfüllt werden. Dabei ist zu beachten, daß kein Streulicht in die Kontaktfläche (3) und in den Lichtweg zum Längenmeßsystem (5) einfallen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist vorzugsweise eine konstante oder quasistatische Normalkraft zu verwenden. Zur Ermittlung der Werkstoffeigenschaften unter dynamischer Belastung ist es zweckmäßig, die Normalkraft auch zeitlich zu verändern, z.B. periodisch oder stoßartig. Entsprechend muß die Belastungsvorrichtung (7) und das Längenmeßsystem (5) ausgestattet werden, z.B. mit einem Servozylinder und einer Videokamera.
In der Qualitätssicherung kann es vorkommen, daß die Kontaktflächengröße bei einer definierten Normalkraft, oder die Normalkraft bei einer definierten Kontaktflächengröße, für die Bewertung der Materialeigenschaft ausreicht, ohne das Endergebnis, nämlich den Kontaktmodul, berechnen zu müssen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Kontaktmodul an mehreren Stellen des zu prüfenden Bauteils bestimmt werden. Durch die Mittlung der einzelnen Kontaktmoduln kann ein genauerer Werkstoffkennwert ermittelt werden. Aus den Differenzen der einzelnen Kontaktmoduln kann die Inhomogenität eines Bauteils bestimmt werden, was neben der Zerstörungsfreiheit ein weiterer Vorteil gegenüber dem konventionellen Zugversuch ist.
Bei der Produktion von bandförmigen Materialien ist es zweckmäßig, die Werkstoffeigenschaften kontinuierlich zu überwachen. Dafür ist zweckmäßig, den Eindringkörper aus lichtdurchlässigem Material in Ringform (2d) herzustellen und auf dem laufenden Bauteil (1) rollen zu lassen (Fig. 5). Die Kontaktfläche (3) kann während des Rollens mit einem parallelen Lichtbündel (4) durch einen halbdurchlässigen Spiegel (6b) beleuchtet werden und mit Hilfe eines Längenmeßsystems, z.B. einer Videokamera (5d), überwacht werden. Diese Anordnung ist auch für Messungen an rotierenden Bauteilen geeignet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand Fig. 2 und folgender Durchfuhrungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig. 3 eine Anordnung analog einer Prüfmaschine einschließlich der Meßtechnik und Steuerung;
Fig. 4 eine Anordnung als ein Handprüfgerät;
Fig. 5 eine Anordnung mit rotierendem Eindringkörper für laufendes Bandmaterial.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen auswechselbaren Eindrϊngkörper (2) mit bekannten Hauptkrümmungsradien auf, der über dem zu prüfenden Bauteil (1) angeordnet ist. Dabei ist einer der beiden Körper beweglich geführt und wird mit Hilfe einer Belastungsvorrichtung (7), z.B. eines Spindelantriebs (7b) gegen den anderen Körper gedrückt, so daß eine Kontaktfläche (3) zwischen den beiden Körpern infolge elastischer Verformung entsteht. Vorzugsweise sind mehrere Eindringkörper mit unterschiedlichen Formen (plankonkav, plan-zylindrisch u.s.w.) und unterschiedlichen Hauptkrümmungsradien in einem Revolver- oder Schiebemagazin anzuordnen, wobei sich nur ein ausgewählter Eindringkörper in der Meßposition befindet. Falls der Eindringkörper (2) aus lichtdurchlässigem Werkstoff hergestellt ist, ist er in einer eigenen Schutzfassung aus Stahl einzubauen.
Zur Beleuchtung und Messung der Kontaktfläche ist eine Beleuchtungsoptik (4) und ein Längenmeßsystem (5, 5b, 5c, 5d) auf der Seite des Eindringkörpers (2) über der Kontaktfläche (3) untergebracht. Vorzugsweise ist ein Lichtteiler (6) oder ein halbdurchlässiger Spiegel (6b) zwischen dem Eindringkörper (2) und der Beleuchtungsoptik (4) angeordnet, und das Längenmeßsystem (5, 5b, 5c, 5d) in der Normalrichtung der durch den Lichtteiler gespiegelten Kontaktfläche (3') positioniert. Bei alternativen Anordnungen können die Positionen der Beleuchtungsoptik (4) und des Längenmeßsystems (5, 5c) gegeneinander vertauscht werden. Ferner können die Komponenten (4) und (6) im Längenmeßsystem (5) integriert werden.
Vorzugsweise sind der Eindringkörper (2), die Beleuchtungsoptik (4), der Lichtteiler (6, 6b), das Längenmeßsystem (5, 5b, 5c) und die Kraftmeßeinrichtung (8) als eine Baugruppe E in bzw. an einem gemeinsamen Gehäuse (10) unterzubringen. Diese Baugruppe E umfaßt die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung und kann als Einbaumodul in einer weiteren Meßvorrichtung eingesetzt werden, z.B. in einer Universalprüfmaschine oder in einem Roboter. Natürlich können ein oder mehrere Komponenten der Baugruppe E auch aus der Baugruppe ausgelagert werden, z.B. die Kraftmeßeinrichtung (8).
Beweglich angeordnet ist entweder der Auflagetisch (9) (Fig. 2) oder die Baugruppe E (Fig. 3, 4). Die bewegliche Baugruppe E bzw. der bewegliche Auflagetisch (9) ist stets über eine Führung (11) mit dem Gestell (15) oder dem Außengehäuse (15c) direkt verbunden, und mit der Belastungsvorrichtung (7, 7b) direkt oder indirekt verbunden.
Bei der Anordnung als Handprüfgerät (Fig. 4) weist die Vorrichtung keine eigene Belastungsvorrichtung auf. Die Belastung kann durch Handkraft oder durch eine äußere Belastungsvorrichtung, z.B. einen Roboter, erfolgen. Die Baugruppe E ist in einem Außengehäuse (15c) durch eine Führung (11) geführt und über eine Feder (12) mit der Druckhülse (16) verbunden. Die Feder (12) ist für eine Fein-Einstellung der Druckkraft vorgesehen. Die Druckkraft Fz ist entweder durch die gesamte Hand über das Außengehäuse (15c) oder durch den Daumen über die Druckhülse (16) und die Feder (12) auf die Baugruppe E einzuleiten. Das Anpressen durch den Daumen ermöglicht eine feinere Krafteinstellung. Für Fälle, wo diese Feinfühligkeit nicht nötig ist, kann die Druckhülse (16) wegfallen.
Für die Messung der Druckkraft und der. Kontaktfläche beim Handprüfgerät sind solche mechanischen, optischen oder elektronischen Meßeinrichtungen vorteilhaft, die kabelfrei in dem Handprüfgerät untergebracht werden können. Fig. 4 zeigt ein solches Beispiel. Die Feder (12) dient neben der elastisch rückstellenden Funktion auch als Kraftmesser, indem der Federweg auf einer Kraftskala (17) angezeigt wird. Für die Kennzeichnung der maximalen Kraft kann ein zweiter Anzeiger angebracht werden. Die Kontaktfläche wird mit Hilfe einer Projektionsoptik (5c) auf einem Sichtfenster mit Längenskala projeziert. Die Anzeiger beider Größen sind so angeordnet, daß sie während des Anpressens gleichzeitig zu beobachten sind. Bei dem Ausführungsbeispiel mit rotierendem Eindringkörper (Fig. 5) ist ein ringförmiger Eindringkörper (2d) aus lichtdurchlässigem Material an einem Stahlflansch (18) befestigt. Die Nabe des Stahlflansches ist in einem Halterrahmen (lOd) gelagert, welcher die vergleichbare Funktion wie das Eindringkörpergehäuse (10) hat. Der Halterahmen ist durch die Führung (11) geführt und über den Kraftsensor (8) mit der Belastungsvorrichtung (7) verbunden. Bei kleinem Hub kann die Wälzführung (11) durch eine elastische Führung, z.B. eine Blattenfeder, ersetzt werden. Bei der Messung wird der Eindringkörper (2d) mit Hilfe der Belastungsvorrichtung (7) über den Halterahmen (lOd) auf das zu prüfende Bauteil (1) gedrückt. Der Eindringkö er (2d) wird durch das laufende Bauteil (1) angetrieben und rotiert mit. Das Längenmeßsystem (5d), die Beleuchtungsoptik (4) und der Lichtteiler (6b) sind in dem Hohlraum des Eindringkörpers angeordnet und vorzugsweise mit dem Halterahmen (lOd) verbunden. Die Kontaktfläche (3) kann optisch durch den rotierenden Eindringköφer (1), umgelenkt durch den Lichtteiler (6b), mit Hilfe einer Videokamera (5d) beobachtet werden. Diese Anordnung kann bei der Qualitätssicherung kontinuierlich hergestellter Bandmaterialien, oder bei der Untersuchung des Einflusses der Rollgeschwindigkeit auf die Elastizität des Bauteils angewendet werden.
Die Steuerung der Belastungsvorrichtung, die Meßdatenerfassung und -auswertung können bei allen Ausführungsbeispielen manuell oder rechnerunterstützt geschehen. In Fig. 3 ist die rechnerunterstützte Ausführung dargestellt. Die Belastungsvorrichtung (7b), der Kraftsensor (8) und das Längenmeßsystem (5b) sind über entsprechende Steuer- und Auswertekarten, Relais und Verstärker (13) mit dem Mikroprozessor (14) verbunden. Mit Hilfe des Mikroprozessors (14) werden vollautomatisch oder interaktiv der Be- und Entlastungsvorgang gesteuert, die Meßdatenerfassung und -auswertung durchgeführt und die Meßergebnisse (Kontaktmodul bzw. Elastizitätsmodul) angezeigt. Eine vollautomatische Messung einschließlich Berechnung und Anzeige ist für die Anordnung als Handprüfgerät besonders sinnvoll, wobei sich die automatische Erkennung der Kontaktflächenabmessungen als Hauptaufgabe darstellt.
Neben den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in weiteren Bauformen, z.B. als Mikroskopprüfgerät, gestaltet werden. In den beschriebenen Ausführungsbeispielen sind die einzelnen Komponenten der Vorrichtung nur mit einer bis drei Varianten vertreten. Der Einsatz vergleichbarer oder funktionsidentischer Varianten oder die Kombination solcher Varianten gehören zu Ansprüchen der vorliegenden Erfindung, z.B. CCD-Kamera oder optoelektronische Scanner statt eines Ablesefernrohrs bei dem Längenmeßsystem (5).
Im Vergleich zum Zugversuch wird das erfindungsgemäße Verfahren auch als Kontaktversuch bezeichnet. Um die Genauigkeit des Kontaktversuchs zu übeφrüfen, werden Kontaktversuche an Bauteilen und Zugversuche nach DLN 53457 an Zugproben aus denselben Halbzeugen von drei Polymerwerkstoffen in einem engen Zeitraum durchgeführt. Der Vergleich der Meßergebnisse aus Kontaktversuch und Zugversuch zeigt, daß bei einem relativ linearen Werkstoff die Kontaktmoduln aus beiden Versuchen nur wenig voneinander abweichen (<1%). Bei nichtlinearen Werkstoffen sind die Kontaktmoduln aus dem Kontaktversuch jeweils um 3 bis 7% größer als die aus dem Zugversuch.
Im Vergleich zu Zugversuchen braucht der Kontaktversuch keine spezielle Probe. Das Verfahren kann direkt am Bauteil zerstörungsfrei angewendet und beliebig wiederholt werden, auch nach dem Einsatz des Bauteils.
Im Vergleich zu Brinell-, Vickers-, Shore-Härte und Kugeldruckhärte, die je nach Werkstoff, Belastung und Norm unterschiedlich definiert sind, ist der Kontaktmodul ein für alle Werkstoffe einheitlich im elastischen Verformungsbereich definierter elastischer Werkstoffkennwert, der direkt in die elastische Theorie eingesetzt werden kann. Außerdem wird die Kontaktfläche nicht durch die Gestellverformung beeinflußt, eine Definition der Vorlast ist daher nicht nötig. Die Meßfläche des zu prüfenden Bauteils wird nur im elastischen Bereich belastet und daher nicht beschädigt.
In der industriellen Qualitätssicherung kann die Erfindung nach den Ansprüchen 1-19 vorzugsweise an weicheren Materialien, wie Kunststoffen und weichere Metalle, zur zerstörungsfreien Bestimmung und Überwachung der Elastizität der Halbzeuge und der Bauteile unter realen Einsatzbedingungen angewendet werden. In der Forschung kann die Erfindung zur Untersuchung der Einflüsse verschiedener Parameter wie Temperatur und Belastungsgeschwindigkeit u.s.w. auf die Elastizität der Bauteile dienen. In der Bauindustrie und Landwirtschaft kann die Erfindung angewendet werden, um die Elastizität von Beton, Harz, Asphalt, Sportplatzboden, Boden und Obst u.s.w. zerstörungsfrei zu bestimmen. In der Medizin kann der Kontaktversuch angewendet werden, um die Elastizität der Prothesenwerkstoffe und Gewebe u.s.w. zerstörungsfrei zu bestimmen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung der Elastizität von Materialien, insbesondere von Kunststoffen, dadurch gekennzeichnet, daß
a) ein Eindringköφer aus vorzugsweise lichtdurchlässigem Material, der in beiden Hauptkrümmungsebenen bekannte Hauptkrümmungsradien aufweist, auf das zu prüfende Bauteil mit einer konstanten oder veränderlichen Normalkraft gedrückt wird,
b) und die sich infolge elastischer Verformung zwischen beiden Köφern einstellende Kontaktfläche während der Belastung durch den Eindringköφer beleuchtet und mit Hilfe eines Längenmeßsystems vermessen wird,
c) und schließlich ein elastischer Werkstoffkennwert, nämlich der Kontaktmodul oder der daraus abzuleitende Elastizitätsmodul des Bauteils, aus der Größe der Kontaktfläche, der Normalkraft und den Hauptkrümmungsradien der Kontaktköφer nach Hertzschen Gleichungen berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindringköφer oder das Bauteil auf der Kontaktseite mit einem dünnen trockenen Film belegt ist, oder eine dünne Folie zwischen dem Eindringköφer und dem Bauteil eingelegt wird.
3. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindringköφer vorzugsweise aus lichtdurchlässigem Material hergestellt ist und plan-konkave Formen aufweist, wobei lichtundurchlässige Materialien und andere Formen auch denkbar sind.
4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche erst nach der Entlastung bzw. Trennung der Kontaktpaarung anhand des auf dem Eindringköφer oder dem Bauteil bzw. auf der Folie verbleibenden Abdrucks der maximalen Kontaktfläche optisch, oder mit anderen Längenmeßverfahren, vermessen wird.
5. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktfläche mit einem parallelen oder gestreuten Lichtstrahl, der aus einer oder mehreren Wellenlängen besteht, beleuchtet wird.
6. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtteiler oder ein halbdurchlässiger Spiegel so angeordnet wird, daß der beleuchtenden Lichtstrahl und die optische Betrachtungsachse des Längenmeßsystems jeweils senkrecht auf die Kontaktfläche bzw. das durch den Lichtteiler abgebildete Spiegelbild der Kontaktfläche gerichtet werden.
7. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktflächengröße bei einer definierten Normalkraft, oder die Normalkraft bei definierter Kontaktflächengröße, ohne Berechnung des Kontaktmoduls direkt zur Bewertung der Materialeigenschaften verwendet wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Messungen an mehreren Meßstellen des gleichen Bauteils durchgeführt werden und einen Mittelwert aus den einzelnen Meßwerten gebildet wird, oder anhand des Streubandes eine Aussage über die Inhomogenität des Bauteils getroffen wird.
9. Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Eindringköφer (2d) auf einem rotierenden oder laufenden Bauteil (1) rollt und mit einer bestimmten Normalkraft beaufschlagen wird, wobei die Kontaktfläche (3) während des Rollens durch den Eindringköφer und über den halbdurchlässigen Spiegel (6b) mit Hilfe einer Längenmeßvorrichtung (5d) vermessen wird (Fig. 3).
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein auswechselbarer Eindringköφer (2) mit bekannten Hauptkrümmungsradien über dem Bauteil (1) angeordnet ist, wobei eine der beiden Köφer beweglich geführt ist und mit Hilfe einer Belastungsvorrichtung (7) gegen den anderen Köφer gedrückt werden kann, so daß eine Kontaktfläche (3) zwischen den beiden Köφern entsteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Eindringköφer mit unterschiedlichen Formen und unterschiedlichen Hauptkrümmungsradien in einem Revolver- oder Schiebemagazin an der Meßposition angeordnet sind, wobei nur ein Eindrinköφer (2) sich während der Belastung in der Meßposition befindet.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9 und mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Eindringköφer (2d) aus lichtdurchlässigem Material in einem Stahlflansch (18) befestigt ist und über eine Stahlnabe in einem Halterrahmen (lOd) gelagert ist, wobei der Halterahmen durch eine Führung (11) geführt ist und über einen Kraftsensor (8) mit einer Belastungsvorrichtung (7) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Längenmeßsystem (5, 5b, 5c, 5d), eine Beleuchtungsoptik (4) und ein Lichtteiler (6, 6b) über der Kontaktfläche (3) angeordnet sind, wobei die optischen Achsen der beiden Komponenten (4) und (5) jeweils senkrecht zur Kontaktfläche (3) bzw. zum Spiegelbild (3') der Kontaktfläche gerichtet sind.
14. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eindringköφer (2), die Beleuchtungsoptik (4), der Lichtteiler (6), das Längenmeßsystem (5) und die Kraftmeßeinrichtung (8) als eine Baugruppe E in bzw. an einem gemeinsamen Gehäuse (10) untergebracht sind.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Auflagetisch (9) des Bauteils (1) oder die Baugruppe E durch eine Führung (6) beweglich geführt ist und das bewegliche Teil mit der Belastungsvorrichtung (7) direkt, oder über den Kraftsensor (8), oder über eine Feder (12), verbunden ist.
16. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als Handprüfgeräte ausgeführt ist (Fig. 4), wobei das Eindringköφergehäuse (10) oder die Baugruppe E in einem Außengehäuse (15c) durch eine Führung (11) geführt ist und eine Feder (12) sowie eine Druckhülse (16) zwischen dem Außengehäuse (15c) und der Baugruppe E untergebracht sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeiger für die Normalkraft und die Kontaktfläche so angeordnet sind, daß sie während des Andrückens gleichzeitig zu beobachten sind, wobei die Feder (12) über den auf einer Kraftskala (17) dargestellten Federweg als Kraftmesser dienen kann.
18. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung, die Meßdatenerfassung und -auswertung sowie die Anzeige der Meßergebnisse manuell, interaktiv oder vollautomatisch erfolgen.
19. Vorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung auch als Mikroskopprüfgerät oder Prüfmaschine ausgeführt ist.
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