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DE19938011A1 - Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfapparat - Google Patents

Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfapparat

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DE19938011A1
DE19938011A1 DE19938011A DE19938011A DE19938011A1 DE 19938011 A1 DE19938011 A1 DE 19938011A1 DE 19938011 A DE19938011 A DE 19938011A DE 19938011 A DE19938011 A DE 19938011A DE 19938011 A1 DE19938011 A1 DE 19938011A1
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gripper
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Arumugam Viswanathan
Somanathan Narayana Sasthri
Muthukrishnan Subramaniam
Kalaiarasu Krishnaswamy
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung, in der eine Probe in form eines Plus-Zeichens in zueinander normalen Richtungen gleichzeitig gedehnt wird, um die Beanspruchung und auch den Relaxationsvorgang eines beliebigen flächigen Werkstoffs in beiden Achsen zu überwachen. Unter Berücksichtigung dieses Vorteils schafft die erfindungsgemäße Vorrichtung Bedingungen, die dem Vor-Ort-Versagen des Werkstoffs am nächsten kommen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine zweidimensionale bzw. Zwei- Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung.
Für die Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung exi­ stiert ein potentielles Anwendungsgebiet als Einrichtung zur Qualitätskontrolle in so herausragenden Industriezweigen wie Leder-, Schuh-, Textilien- und Polymer-Industrie, um nur ei­ nige zu nennen. Flächige Werkstoffe wie Leder, Polymere und. Textilien zeigen unter verschiedenen Anwendungsbedingungen, z. B. mechanischen, thermischen und hygrometrischen Bedingun­ gen, verschiedene Grade von Festigkeit, Formbeständigkeit, plastischer Verformung usw. Dieses Verhalten der vorstehend genannten Werkstoffe kann durch die Auswertung ihrer Span­ nungsrelaxation in zwei Achsen untersucht werden, die ihrer­ seits einen Beitrag zur Voraussage ihres Fehlerverhaltens un­ ter tatsächlichen Anwendungsbedingungen leistet.
Stand der Technik
Zahlreiche flächige Werkstoffe wie Polymer-Werkstoffe, Leder, Textilien, technische Verbundwerkstoffe usw. werden auf vie­ len technischen Gebieten allgemein angewandt. Gemäß einem Be­ richt von Ramanathan et al. (im Journal of Indian Leather Technologists Association (Zeitschrift des Verbandes der In­ dischen Ledertechnologen), Heft 16, S. 293, 1968) unterliegen diese Werkstoffe in verschiedenen Anwendungen verschiedenen Beanspruchungen in zueinander normalen Richtungen. Beispiels­ weise ist das Oberleder eines Schuhes Kräften in allen Rich­ tungen ausgesetzt. Ramanathan et al. haben berichtet (Sit­ zungsberichte der Internationalen Konferenz der Biomedizini­ schen Technik des Südens, Shrevepor, Louisiana, USA; S. 1, 1982), daß die auf die Oberfläche des Oberleders beim Gehen wirkende Kraft enorm groß ist. Außerdem werden im Zuge der modischen Entwicklung viele Werkstoffkombinationen in der Schuhherstellung verwendet. Es ist daher notwendig, daß die mechanischen Eigenschaften, die Spannungsrelaxation, die Hy­ sterese und das Fehlerverhalten dieser Werkstoffe mittels der Simulation der Gebrauchsbedingungen verstanden werden, um ei­ ne wirkungsvolle Verwendung dieser Werkstoffe zu erreichen.
Gegenwärtig wird die viskoelastische Natur der Werkstoffe durch Prüfen in einer Richtung unter Verwendung von Univer­ salprüfmaschinen (UPM) untersucht, in der eine hantelförmige Probe 1, die von zwei Spannbacken 2 erfaßt ist, mit einem mo­ torisch angetriebenen Querhaupt 3 bis zum Bruch der Probe auseinandergezogen wird, wobei die während des Vorgangs er­ zeugte Kraft durch einen Kraftaufnehmer 5 erfaßt und mit ei­ nem Anzeigegerät 4 aufgezeichnet wird. Nach einem Bericht von Ridge and Wright (Biorheology, Heft 2, S. 67, 1964) und Muthiah et al. (Biorheology, Heft 4, S. 185, 1967) wird die Kraft, die während der Verformung, welche schließlich zum Bruch der Probe führt, je Flächeneinheit erzeugt wird, übli­ cherweise als Maß der Zugfestigkeit des geprüften Werkstoffs angenommen. Außerdem liefert die allmähliche Abnahme der Kraft, die während der Verformung erzeugt wurde, auf ein be­ stimmtes Spannungsniveau, nämlich die Spannungsrelaxation, Informationen über die Umordnung der Molekularstruktur inner­ halb der Probe, die von deren viskoelastischer Natur abhängig ist, wie es Arumugam et al. (Handbook of Adavanced Materials Testing, Hrsg. N. P. Cheremisinoff und P. N. Cherimisinoff, Marcel Dekker Inc., New York, S. 909, 1995) berichten. Auf ähnliche Weise liefern mehrmalige Verformungen bis zu einem bestimmten Spannungsniveau und Entlastungen Informationen über die Plastizität der Probe, wie es Vogel berichtet (Bio­ engineering and Skin, Heft 4, S. 75, 1988). Vogel (Journal of Medicine, Heft 7, S. 177, 1976) hat ein theoretisches Modell für den Vorgang der Spannungsrelaxation bei Rattenfellen un­ ter Verwendung von einachsigen Proben entwickelt. Wie Aru­ mugam (Dissertation zur Promotion in Philosophie, Universität Madras, 1989) und Arumugam et al. (Journal of Biosciences, Heft 19, S. 307, 1994) berichten, hängen alle diese Eigen­ schaften von der Geschwindigkeit ab, mit der die Experimente ausgeführt werden. Ambrazyavi et al. (SU-PS 1226123 vom 23.4.1986) haben einen Apparat zum Messen des Relaxationsvor­ ganges nach Kompression bei Polymeren entwickelt. Dzhunisbek et al. (SU-PS 998918 vom 23.4.1983) haben ebenfalls eine Vor­ richtung zum Messen der nach Kompression auftretenden Span­ nungsrelaxation in Verbindung mit Reibung bei Polymeren her­ gestellt. Verfahren mit einer Überwachung des Druckabfalls zur Feststellung von Relaxation sind ebenfalls für Polymere versucht worden, wie dies in der SU-PS 354317 offenbart ist. Veränderungen, die während des Relaxationsvorganges bewirkt werden, z. B. mechanische Verkleinerung der Probendicke, sind durch Dubovik et al. (SU-PS 1186996 vom 23.10.1985) ebenfalls untersucht worden. Bei allen vorstehend angegebenen Vorrich­ tungen besteht die Haupteinschränkung darin, daß sie alle zum Messen des Relaxationsvorganges nur in einer einzigen Achse oder Dimension ausgelegt sind.
Unter den beim Benutzer tatsächlich herrschenden Bedingungen sind Werkstoffe im allgemeinen Kräften ausgesetzt, die in mehr als einer Dimension wirken, darunter Biegen und Dehnen. Die Verwendung einer einachsigen Probe für die Voraussage des Fehlerverhaltens simuliert daher nicht die tatsächlichen Be­ dingungen beim Benutzer. Mit anderen Worten, es bestehen Ein­ schränkungen bei der Ableitung realistischer Informationen und bei der Voraussage oder Berechnung des Fehlerverhaltens dieser viskoelastischen Werkstoffe aus einachsigen Prüfungen aufgrund ihres großen Poissonschen Verhältnisses. Beispiels­ weise entsteht wegen des großen Poissonschen Verhältnisses des Leders eine enorme Querkontraktion beim Prüfen der Probe in den herkömmlichen UPM. Daher sind die Dehnungs- und Bruch­ belastungen, die für die Probe bei den Bedingungen einer Prü­ fung in einer Richtung beobachtet werden, sehr unterschied­ lich von denen des Schuhes, der eine Beanspruchung ähnlicher Art während des Gebrauchs erfährt. Ferner können Prüfungen unter Zwischenbedingungen und die Ausbildung von Oberflächen­ rissen und deren Rolle bei der Beschleunigung oder Verzöge­ rung des Versagens während des Gebrauchs mit bisher bekannten Techniken nicht untersucht werden. Ferner bestehen bei be­ stimmten Werkstoffen, wie Leder, Textilien u. a. von Natur aus Inhomogenitäten, welche die Durchführung von einachsigen Prü­ fungen in mehr als einer Richtung erfordern, um die Werk­ stoffeigenschaften vollständig verstehen zu können.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Zwei- Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung zu schaffen, der die vorstehend angegebenen Nachteile nicht anhaften.
Ferner soll die Erfindung die Untersuchung von beanspru­ chungsbezogenem Verhalten wie Relaxation, Hysterese, Ermüdung und Kriechen bei Werkstoffen in zwei zueinander normalen Richtungen gleichzeitig ermöglichen, ferner die Durchführung von dynamischen Werkstoffprüfungen, weiter die Verringerung der Anzahl der Prüfproben und der Prüfzeit sowie des Arbeits­ aufwandes bei der Untersuchung der beanspruchungsbezogenen Werkstoffeigenschaften, die Untersuchung der mechanischen Ei­ genschaften von flächigen Werkstoffen ohne jegliche Querkon­ traktion, und auch die Entwicklung einer Vorrichtung zur Be­ reitstellung genauer Informationen über das Versagen der Werkstoffe, wenn keine Querkontraktion vorliegt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Diese Aufgaben werden gemäß dem Hauptmerkmal der Erfindung durch die Verwendung von zwei Paar nebeneinander, zueinander rechtwinklig angeordneter Greifer zum Halten des Prüflings gelöst, wodurch die gleichzeitige Messung von beanspruchungs­ bezogenen Eigenschaften, insbesondere der Spannungsrelaxation von Werkstoffen unter Vermeidung des Poissonschen Verhältnis­ ses in zueinander normalen Richtungen ermöglicht wird, wobei die nahezu genauen Anwendungsbedingungen für verschiedene Werkstoffe mit vielfältigen Eigenschaften simuliert werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden in Einzelheiten anhand schematischer Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:
Fig. 1 eine Darstellung der herkömmlichen Zugfestigkeits- Prüfmaschine (UPM),
Fig. 2 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung und
Fig. 3 eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrich­ tung.
Die in Fig. 1 dargestellten Bauteile sind mit den nachstehend angegebenen Bezugszeichen bezeichnet: 1 hantelförmige Probe
2 Spannbacken
3 Querhaupt
4 Anzeigegerät
5 Kraftaufnehmer
Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Bauteile sind mit den nach­ stehend angegebenen Bezugszeichen bezeichnet: 6 Antriebsquelle
7 Welle, verbunden mit der Antriebsquelle
8 Greifer
9 Gleitbahnen, auf denen sich die Greifer voneinander weg verschieben
10 Arme bzw. Stäbe zur Verbindung zwischen der Welle mit den Greifern
11 Prüfling
12 Kraftsensor
13 angeschlossenes Ausgabegerät
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt im wesentlichen eine Getriebekette mit vier Stäben, die zum Auseinanderbewegen von zwei Paar Greifern auf Gleitbahnen durch eine Antriebsquelle antreibbar ist.
Demgemäß schafft die Erfindung eine Zwei-Achsen-Spannungs­ relaxations-Prüfvorrichtung, die umfaßt: zwei Paar nebenein­ ander, rechtwinklig zueinander angeordnete Greifer 8 zum Hal­ ten des Prüflings 11, wobei jeder Greifer 8 zur Vermeidung jeglicher Lose während der Prüfung mit einer Verriegelungs­ einrichtung versehen ist, die Greifer 8 auf vier Gleitbahnen 9 durch eine Getriebekette mit vier Stäben 10 antreibbar ist, die je einen Greiferschlitten in einer waagerechten Ebene fortbewegen, der Antrieb über eine Welle 7 von einer An­ triebsquelle 6 erfolgt, und die dadurch erzeugte Kraft von vier auf einer Klemmvorrichtung angeordneten Kraftsensoren 12 erfaßt wird, deren Ausgangssignale in einem Ausgabegerät 13 angezeigt werden, das an eine Schnittstelle angeschlossen ist.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann der verwende­ te Prüfling 11 aus einem beliebigen flächigen Werkstoff aus der Gruppe mit Leder, Polymeren, Textilien, Kautschuk oder einem Verbundwerkstoff daraus gewählt sein.
Die Antriebsquelle 6 kann ein Gleichstrommotor, ein hydrauli­ scher Antrieb oder ein pneumatischer Antrieb sein.
Die Verstellgeschwindigkeit beim Auseinanderbewegen der Grei­ fer 8 kann im Bereich von 0,01 mm bis 1000 mm je Sekunde lie­ gen.
Der Verstellweg in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen bzw. Achsen kann wenigstens 5 mm betragen.
Die Greifer 8 bzw. Klemmbacken können mechanische, elektri­ sche oder pneumatische Greifer sein.
Für die Betätigungseinrichtung für die Bewegung der Greifer 8 kommen Zahnradgetriebe, hydraulische Antriebe und pneumati­ sche Antriebe in Frage.
Als Kraftsensoren 12 können übliche Kraftaufnehmer und Deh­ nungsmeßstreifen gewählt sein.
Das verwendete Ausgabegerät 13 kann eine Rechnerschnittstelle und ein digitales Anzeigegerät oder ein analoges Ausgabegerät und ein Schreibgerät umfassen.
Die Vorrichtung weist zwei Paar nebeneinander, zueinander rechtwinklig angeordnete Greifer 8 zum Halten des Prüflings 11 auf. Die Greifer 8 sind so ausgelegt, daß sie voneinander weg auf zueinander normal angeordneten Gleitbahnen 9 für ge­ radlinige Bewegung fortbewegbar sind. Jeder Greiferschlitten ist mit einer Verriegelungseinrichtung versehen, um jegliche Lose am Prüfling 11 vor Beginn der Prüfung zu vermeiden. Der Prüfling 11 wird von den Greifern 8 gehalten und wird mit ei­ ner Geschwindigkeit im Bereich zwischen 0,01 mm und 1000 mm je Sekunde um gleich große Strecken in zwei zueinander norma­ len Richtungen gedehnt. Der Antrieb der Greiferschlitten kommt von einer Antriebsquelle 6 über eine senkrechte Welle 7 und eine Getriebekette mit vier Stäben 10, wobei jeder Stab 10 einen Greiferschlitten in der waagerechten Ebene ver­ stellt. Die erzeugte Kraft wird von den Kraftsensoren 12 er­ faßt und gemessen, die ihre Ausgangssignale an das Ausgabege­ rät 13 senden. Das gleichzeitige Messen der Kraft in den zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen ergibt die zweiachsige Spannungsrelaxation. Der durch den mehrmaligen Beanspru­ chungs- oder Spannungszyklus des Prüflings 11 bedingte Ener­ gieverlust kann auch aus der Hystereseschleife berechnet wer­ den, die mit dem Ausgabegerät 13 erhalten wird.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der nachstehenden erläu­ ternden, nicht einschränkenden Beispiele beschrieben.
Beispiel 1
Ein Prüfling in Form eines Plus-Zeichens mit einer Länge von 20 mm in den beiden zueinander rechtwinkligen Richtungen wur­ de mit einem Schnittwerkzeug aus einem Kuhoberleder geschnit­ ten und in vier mechanische Greifer der Vorrichtung einge­ spannt. Der Prüfling wurde unter Verwendung eines Gleich­ strommotors als Antriebsquelle mit einer Geschwindigkeit von 1 mm/min bis zu einer Verlängerung von 20% belastet. Sodann wurde die Vorrichtung abgeschaltet. Der Prüfling konnte sich dann während 15 Minuten entlasten. Dabei wurde die Kraft in den zueinander rechtwinkligen Richtungen, nämlich in der X- und der Y-Achse, kontinuierlich überwacht und angezeigt. Die für die beiden X- und Y-Achsen aufgezeichneten Werte in Ab­ hängigkeit von der Zeit sind in der nachstehenden Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1
Beispiel 2
Ein Prüfling in Form eines Plus-Zeichens von einer Länge von 50 mm in den beiden zueinander rechtwinkligen Richtungen wur­ de mit einem Schnittwerkzeug aus einer Polyethylen-Folie ge­ schnitten und in vier mechanische Greifer der Vorrichtung eingespannt. Der Prüfling wurde mit einer Geschwindigkeit von 50 mm/min mit einem Gleichstrommotor als Antriebsquelle bis zu einer Verlängerung von 80% belastet; die Vorrichtung wurde dann abgeschaltet. Der Prüfling konnte sich dann während 15 Minuten entlasten, wobei die auf den Prüfling wirkende Kraft kontinuierlich überwacht wurde. Die Ergebnisse für die zuein­ ander rechtwinkligen Richtungen, nämlich die X- und die Y- Achse, sind in der nachstehenden Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2
Beispiel 3
Ein Prüfling in der Form eines Plus-Zeichens von einer Länge von 70 mm in den beiden zueinander rechtwinkligen Richtungen wurde mit einem Schnittwerkzeug aus einem textilen Werkstoff geschnitten und in vier pneumatischen Greifern der Vorrich­ tung eingespannt. Der Prüfling wurde unter Verwendung eines Gleichstrommotors mit einer Geschwindigkeit von 100 mm/min bis zu einer Verlängerung von 20% belastet; die Vorrichtung wurde dann abgeschaltet. Der Prüfling konnte sich dann wäh­ rend 1 Stunde entlasten, wobei die auf den Prüfling wirkende Kraft, die angezeigt wurde, kontinuierlich überwacht wurde. Das erzielte Ergebnis für die zueinander rechtwinkligen Rich­ tungen, nämlich die X- und die Y-Achse, sind in der nachste­ henden Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3
Hauptvorteile der Erfindung
1. Es ist möglich, bei verschiedenen Werkstoffen deren Verhalten hinsichtlich der Spannungsrelaxation ebenso wie de­ ren Hysterese in zwei zueinander rechtwinkligen Richtungen gleichzeitig zu untersuchen, dadurch die Anzahl der Prüflinge und die erforderliche Prüfzeit zu verringern.
2. Spannungsrelaxationsversuche können durchgeführt wer­ den, ohne daß der Prüfling bei einachsigen Test auftretenden Querkontraktionen ausgesetzt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind genauere und realistischere Daten als bei ein­ achsigen Tests zu erhalten, da die bei Werkstoffen mit großem Poissonschen Verhältnis angetroffenen Einschränkungen über­ wunden werden.
Die in Tabelle 4 angegebenen Probendaten zeigen deutlich die Verschiedenheit zwischen den beiden Verfahren, nämlich die schnellere Relaxationsgeschwindigkeit bei der zweiachsigen Prüfung gegenüber der einachsigen Prüfung bei einem Zie­ genoberleder.
Tabelle 4
3. Es ist auch möglich, den Einfluß der Faserausrichtung bei der Spannungsrelaxation und bei dynamische Prüfbedingun­ gen zu untersuchen, bei denen die Proben mehreren Beanspru­ chungs- oder Dehnungszyklen bei hoher Geschwindigkeit unter­ worfen werden.
4. Es ist auch möglich, die Ermüdung und Biegeeigenschaften von flächigen, polymeren Werkstoffen und Leder zu untersu­ chen.
5. Die auf Bereiche begrenzten Formveränderungen bei flä­ chigen und biologischen Werkstoffen und bei Leder können in dieser Vorrichtung untersucht werden.

Claims (9)

1. Zwei-Achsen-Spannungsrelaxations-Prüfvorrichtung mit zwei Paar nebeneinander, rechtwinklig zueinander angeordneten Greifern (8) zum Halten des Prüflings (11), wobei jeder Grei­ fer (8) zur Vermeidung jeglicher Lose während der Prüfung mit einer Verriegelungseinrichtung versehen ist, die Greifer (8) auf vier Gleitbahnen (9) durch eine Getriebekette mit vier Stäben (10) voneinander weg antreibbar sind, jeder Stab (10) einen Greiferschlitten in einer waagerechten Ebene fortbe­ wegt, der Antrieb von einer Antriebsquelle (6) über eine Wel­ le (7) übertragen wird, und die dadurch erzeugte Kraft von vier auf einer Klemmvorrichtung angeordneten Kraftsensoren (12) erfaßt wird, deren Ausgangssignale in einem Ausgabegerät (13) angezeigt werden, das an eine Schnittstelle angeschlos­ sen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Prüfling (11) aus einem beliebigen flächigen Werkstoff aus der Gruppe mit Le­ der, Polymeren, Textilien, Kautschuk oder einem beliebigen Verbundstoff daraus gewählt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsquelle (6) aus der Gruppe mit Gleichstrommotor, hydraulischem Antrieb und pneu­ matischem Antrieb gewählt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Geschwindigkeit, mit der die Greifer (8) voneinander weg bewegt werden, im Bereich zwi­ schen 0,01 mm und 1000 mm je Sekunde liegt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streckweg in zwei zueinander normalen Richtungen (Achsen) wenigstens 5 mm beträgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Greifer (8) aus der Gruppe mit mechanischen, elektrischen und pneumatischen Greifern gewählt ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtungen für die Verstellung der Greifer (8) aus der Gruppe mit Zahnradge­ triebe, hydraulischem Antrieb und pneumatischem Antrieb ge­ wählt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftsensoren (12) aus der Gruppe mit Kraftaufnehmern und Dehnungsmeßstreifen gewählt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Ausgabegeräte aus der Gruppe mit Rechnerschnittstelle, digitalem Anzeigegerät, analogem Ausgabegerät und Schreibgerät gewählt sind.
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