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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Prüfanordnung zur Werkstoffprüfung, insbesondere zur Ermittlung der Verformung einer Werkstoffprobe. Werkstoffprüfungen, welche durch die Erfindung betroffen sind, können unter Einprägung von Zug- und Druckkräften sowie Torsionsmomenten in die zu untersuchende Werkstoffprobe ausgeführt werden (inkl. kombinierte Belastungen, z. B. Zug-Torsion). Beispielsweise können Biegeprüfungen (z. B. 3-Punkt Biegeversuch) durchgeführt werden.
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Aus den erfindungsgemäß ermittelten Messwerten können nachfolgend z. B. Verformungs- und Dehnungskennwerte der entsprechenden Werkstoffe bestimmt werden. Bei den untersuchten Werkstoffen handelt es sich insbesondere um solche, welche stark feuchte- und temperaturabhängige Eigenschaften aufweisen. Solche Werkstoffe sind beispielsweise Holz oder mit Holzfurnier beschichtete Verbundmaterialien.
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Dehnungsmessungen mittels Dehnmessstreifen (DMS) sind aus zahlreichen Anwendungen bekannt. Ein Nachteil von Dehnmessstreifen ist darin zu sehen, dass nur eine verringerte örtliche Auflösung, zum Beispiel im Vergleich zu optischen Detektionsverfahren, erreicht werden kann. Außerdem ist die Anwendung, insbesondere bei fragilen Proben, verhältnismäßig kompliziert, da eine Abstimmung von Grundwerkstoff, Haftklebstoff zur Befestigung des DMS und DMS notwendig ist.
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Dehnungsmessungen können auch in Prüfkammern durchgeführt werden, wo mit einem entsprechend temperiertem Gas oder Luft und einer Temperatur- und Feuchteregelung ein definiertes Prüfklima geschaffen werden kann. Die Dehnungsmessung kann hierbei mit taktiler als auch mit optischer Dehnungsmesstechnik erfolgen. Nachteilig bei taktilen Messungen ist, dass diese ungeeignet für empfindliche Werkstoffe bzw. dünne Proben ist, da Vorschäden durch Ansetzen des taktilen Dehnungsaufnehmers auftreten können. Weiterhin können nur globale Dehnungsgrößen erfasst werden. Die erreichbare örtliche Auflösung ist wesentlich geringer als bei optischer/flächiger Detektion.
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Die vorbekannten Vorrichtungen zur Dehnungsmessung mit optischer Dehnungsmessung unter Verwendung von Klimakammern eignen sich nicht bei Prüfungen, die einen hohen Feuchtigkeitsgehalt im zu prüfenden Werkstoff bzw. einen hohen Feuchtigkeitseintrag in den Werkstoff erfordern. Dem verwendeten Feuchtigkeitsträger (Luft, Gas) sind in Abhängigkeit von der Temperatur Grenzen zur Feuchtigkeitsaufnahme gesetzt (Sättigung, Taupunkt). Vor allem bei hohen Temperaturen in Verbindung mit hohen relativen Feuchtigkeiten treten nicht lösbare isolationstechnische Probleme auf. Aber auch der Einsatz optischer Messtechnik führt bei hohen Feuchtigkeiten zu erheblichen Problemen, beispielsweise wenn sich Kondensat auf optischen Elementen niederschlägt.
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Die
DE 37 41 429 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung von Werkstoffprüfungen, insbesondere zur Messung von Längen- bzw. Breitenänderungen von in einer Spannvorrichtung eingespannten Werkstoffproben. Die Werkstoffproben sind mit Markierungen versehen, welche durch optische Messaufnehmer abtastbar sind. Die Spannvorrichtung ist in einer beheizbaren oder kühlbaren Klimakammer angeordnet, die mit einem optisch transparenten Fenster versehen ist, um die Messung durch die außerhalb der Klimakammer angeordneten optischen Messaufnehmer zu ermöglichen. Das Fenster kann bei Kühlung der Klimakammer bedarfsweise beheizt werden, um ein Beschlagen des Fensters zu vermeiden. Durch die Anordnung des optischen Messaufnehmer außerhalb der Klimakammer sind diese den klimatischen Änderungen in der Klimakammer nicht ausgesetzt.
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In der
DE 100 22 818 A1 ist eine Vorrichtung zur Ermittlung von materialspezifischen Größen deformierbarer Körper beschrieben. Die in der D3 gezeigte Vorrichtung umfasst ein Behältnis, in welchem eine Probe durch eine obere und eine untere Halterung gehaltert ist. Durch Verschieben der Halterungen können verschiedene Beanspruchungen der Probe simuliert werden. Das Behältnis kann mit einer variabel temperierbaren Flüssigkeit, wie Silikonöl, gefüllt sein.
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Aus dem Stand der Technik ist es seit einigen Jahren bekannt zur Materialprüfung die Bildkorrelation einzusetzen. Die Bildkorrelation ist ein kamerabasiertes Verfahren zur berührungslosen Verformungsmessung. Während der Verformung werden Bilder des zu prüfenden Objektes mit einer oder mehreren Kameras aufgezeichnet. Mit einer Kamera kann an flachen Objekten gemessen und Verschiebungen und Dehnungen in der Objektebene erfasst werden. Bei Verwendung von zwei Kameras können auch 3D-Verschiebungen und Dehnungen auf beliebigen Objektgeometrien gemessen werden. Die zu prüfende Objektoberfläche ist in der Regel mit einem zufälligen Punktemuster versehen. Das Punktemuster kann von der natürlichen Oberflächenstruktur des Objektes erzeugt werden. Alternativ kann das Punktemuster mit verschiedenen Verfahren aufgebracht werden. Die Bildkorrelationsalgorithmen arbeiten ähnlich wie Mustererkennungsverfahren und identifizieren das im Bild verschobene und verformte Muster in den aufgezeichneten Kamerabildern. Aus den gemessenen Pixelkoordinaten des Musters werden Verschiebungen und Dehnungen in der Objektoberfläche flächenhaft und mit hoher Präzision berechnet.
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Ein 3D-Bildkorrelationssystem, deren grundsätzliche Funktionsweise dem Fachmann bekannt ist, basiert auf der Kombination von Korrelationsverfahren mit Photogrammetrie. Photogrammetrie ist eine Gruppe von Messmethoden und Auswerteverfahren der Fernerkundung, um aus Fotografien und genauen Messbildern eines Objektes seine räumliche Lage oder dreidimensionale Form zu bestimmen. An jedem Kamerapixel bzw. Oberflächenpunkt des Objekts werden die entsprechenden 3D-Koordinaten des Objektes und der 3D-Verformung (Verschiebungsvektor) bestimmt. Bei einem stereoskopischen Aufbau mit zwei Kameras sind mehrere Korrelationen erforderlich um die Geometrie und die Verformung bzw. Verschiebung des Objektes zu messen. Zunächst werden aus der Stereokorrelation zwischen linkem und rechtem Kamerabild die 3D-Koordinaten (x, y, z) berechnet. Anschließend wird aus der zeitlichen Korrelation, z. B. zwischen linkem Referenzbild und linkem Bild im verformten Zustand, die 3D-Verschiebung (u, v, w) berechnet.
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Der
US 7,460,216 B2 kann eine Vorrichtung zum Erfassen von Oberflächendeformationen, welche ein Bildkorrelationssystem nutzt, entnommen werden. Die beschriebene Vorrichtung umfasst erste Messmittel zum Messen der Topographie und der Bewegungen senkrecht zu einer vorbestimmten Ebene sowie zweite Messmittel zum Erfassen von Verformungen in einer Ebene, welche durch die Oberfläche eines Objektes definiert wird, durch Bildkorrelation. Die ersten Messmittel umfassen Mittel zur Projektion von Kompositbildern durch Beleuchtung der Oberfläche mit einer Sequenz von Bildern, wobei jedes Bild ein periodisches Muster aufweist. Die ersten und zweiten Messmittel verwenden mindestens eine gemeinsame Kamera. Die Vorrichtung umfasst weiterhin Heizmittel, welche einen infraroten Strahler beinhalten, dessen emittierte Strahlung von der Kamera nicht erfassbar ist, und Mittel zum Erfassen der Temperatur des Objektes. Das Objekt befindet sich in einem Gehäuse, welches zumindest in dem Bereich in dem das Objekt angeordnet ist durchlässig für sichtbares Licht ist. Bei dem Objekt kann es sich beispielsweise um ein elektronisches Bauteil handeln. Die Messung kann unter verschiedenen oder sich ändernden Bedingungen erfolgen. So können unter anderem die Temperatur, der Druck und die Feuchtigkeit geändert werden. Weiterhin kann das Objekt einem magnetischen Feld, einem elektrischen Feld oder mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden. Das Objekt ist auf einem mechanisch vom Gehäuse entkoppelten Träger angeordnet. Das Gehäuseinnere kann mit Hilfe eines Kühlmittels, zum Beispiel Helium, Stickstoff oder Dampfluft, gekühlt werden. Hierzu sind entsprechende Ein- und Auslässe für das Kühlmittel vorhanden. Mit Hilfe eines Steuergerätes können die verschiedenen Bedingungen im Gehäuseinneren gesteuert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zur Werkstoffprüfung, insbesondere zur Ermittlung von Verformungs- und Dehnungskennwerten von Werkstoffen zur Verfügung zu stellen, welche eine zuverlässige Prüfung auch bei hohem Feuchtigkeitsgehalt des zu prüfenden Werkstoffs bzw. hohem Feuchtigkeitseintrag in den zu prüfenden Werkst off bei gleichzeitig hohen Temperaturen ermöglicht. Derartige Verformungen an einer Werkstoffprobe können unter Einprägung von Zug- und Druckkräften und Torsionsmomenten in die zu untersuchende Werkstoffprobe hervorgerufen werden (inkl. kombinierte Belastungen, z. B. Zug-Torsion). Soweit nachfolgend nur von Zug- oder Dehnungsmessungen gesprochen wird, geschieht dies beispielhaft, wenngleich die anderen genannten Werkstoffprüfungen von der Erfindung mit eingeschlossen sind.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dienen ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1, eine Prüfanordnung gemäß Anspruch 4 sowie eine Prüfmaschine gemäß Anspruch 10.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Verformung einer Werkstoffprobe umfasst nachfolgend beschriebene Schritte. Ein geeignetes Prüfmedium mit vorbestimmter Temperatur und Feuchtigkeit wird in ein Gehäuse eingebracht. Als zweckmäßig hat sich die Verwendung von Wasser als Prüfmedium erwiesen. Eine Bildaufnahmeeinheit eines herkömmlichen Bildkorrelationssystems wird zur Beobachtung der Werkstoffprobe derart außerhalb des Gehäuses angeordnet, dass eine Beobachtung durch einen optisch transparenten Gehäusebereich, z. B. ein in der Gehäusewandung angebrachtes Sichtfenster möglich ist. Anschließend erfolgt ein erster Kalibrierschritt unter Verwendung eines Kalibriertargets, welches an einer Einspannstelle in dem Gehäuse eingespannt wird.
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Die Verwendung von Kalibriertargets zur Kalibrierung von Bildkorrelationssystemen ist grundsätzlich bekannt, so dass an dieser Stelle nur auf die Besonderheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens hingewiesen werden muss. Anders als in bekannten Anwendungen befindet sich das Kalibriertarget nicht im selben Medium wie das Bildkorrelationssystem. Durch diesen ersten Kalibriervorgang sollen vor allem die unterschiedlichen, beim Messvorgang zu durchdringenden Medien (Luft; optisch transparenter Gehäusebereich, z. B. Sichtfenster aus optischem Glas; Prüfmedium, z. B. Wasser) berücksichtigt werden.
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In einem zweiten Kalibrierschritt, der im Ablauf aber auch vor dem ersten Kalibrierschritt ausgeführt werden kann, wird eine Werkstoffprobe an der Einspannstelle dehnungsfrei eingespannt. Die Werkstoffprobe ist im Regelfall in an sich bekannter Weise an der zu beobachtenden Oberfläche mit einem Pixel-Muster versehen, um Oberflächendehnungen optisch positions- und betragsmäßig erfassen zu können. Der zweite Kalibrierschritt dient der Bestimmung des maximal zulässigen Abstands der Einspannstelle bzw. der dort angeordneten Werkstoffprobe vom Sichtfenster des Gehäuses. Es ist zu berücksichtigen, dass ein zu großer Abstand zwischen Sichtfenster und Werkstoffprobe bei der späteren Dehnungsmessung zu nicht beherrschbaren Messefehlern führt, aufgrund der zwischenliegenden Schicht des Prüfmediums. Andererseits ist eine zu nahe Positionierung der Werkstoffprobe am Sichtfenster ebenso unerwünscht, da dort eine zu große Temperaturabweichung von der Temperatur des Prüfmediums zu erwarten ist, die ebenfalls zu große Messfehler zur Folge hat. Zur Ermittlung des maximalen Abstands zwischen Sichtfenster und Werkstoffprobe wird die ungedehnte Werkstoffprobe entlang einer senkrecht zum Sichtfenster verlaufenden Achse im Gehäuse an verschiedene Positionen gebracht. An jeder zu untersuchenden Position erfolgt ein optisches Vermessen der Werkstoffprobe mit der Bildaufnahmeeinheit durch das Sichtfenster, wobei die Werkstoffprobe in Dehnungs- oder Verformungsrichtung bewegt wird, ohne dass eine Verformung erfolgt, d. h. Zug- und Druckkräfte sowie Torsionsmomente, die eine Verformung der Werkstoffprobe zur Folge haben können, werden in diesem Schritt nicht eingeleitet. Mit den von der Bildaufnahmeeinheit gelieferten Bildern wird eine Bildkorrelation durchgeführt, die mangels eingeprägter Dehnung bei Vernachlässigung der Messfehler einen Dehnungswert Null liefern würde. Die mittels Bildkorrelation ermittelten Werte sind daher ein Maß für den von der (veränderlichen) Dicke der Prüfmediumschicht abhängigen, tatsächlich auftretenden Messfehler. Dieser Schichtdickenmessfehler wird mit einem vorgegebenen maximalen Messfehler verglichen, um den maximal zulässigen Abstand der Werkstoffprobe vom Sichtfenster zu ermitteln. Der maximal zulässige Abstand entspricht dem Abstand, bei dem bei vermessener Nulldehnung der maximal zulässige Messfehler erreicht wird.
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Insbesondere der zuletzt genannten Kalibrierungsschritt, welcher der Quantifizierung des Messrauschens dient, soll vorzugsweise erst erfolgen, wenn die Medientemperatur des Prüfmediums (z. B. Wasser) die gewünschte Prüftemperatur (d. h. die Temperatur, bei welcher nachfolgend die Werkstoffprüfung durchgeführt werden soll) erreicht hat und das Gehäuse sowie das darin befindliche Prüfmedium ein thermisches Gleichgewicht erreicht haben. Dadurch wird berücksichtigt, dass die temperaturabhängige Dichteänderung des Prüfmediums den Brechungsindex und damit das Messergebnis beeinflusst.
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Bei einer abgewandelten Ausführung wird die Werkstoffprobe während der Kalibrierung durch ein mechanisch stabiles Vergleichstarget ersetzt. Diese ist insbesondere dann erforderlich, wenn nur sehr fragile Werkstoffproben zur Verfügung stehen (z. B. 0,6 mm dickes Furnier), die allein durch die Umwälzung des Prüfmediums schon deformiert werden würden und damit eine Kalibrierung unmöglich machen. Das Vergleichstarget muss ein vergleichbares Pixel-Muster (Kontrast, gleich grob bzw. fein) wie der später zu vermessende Bereich der Werkstoffprobe aufweisen.
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Im nächsten Schritt wird die Werkstoffprobe an der ermittelten Abstandsposition angeordnet und so eingespannt, dass Zug-, Druckkräfte oder/und Torsionsmomente eingeleitet werden können. Nachfolgend werden mechanische Belastungen in die Werkstoffprobe eingeleitet. Dies kann vorzugsweise über eine handelsübliche Zug- oder Universalprüfmaschine erfolgen, wobei z. B. Zugkräfte über eine Zugstange eingebracht werden können, die durch eine Öffnung im Deckel des Gehäuses geführt ist. Es erfolgt nun der eigentliche Messvorgang, bei dem ein optisches Vermessen der mechanisch belasteten Werkstoffprobe mit Hilfe der Bildaufnahmeeinheit erfolgt. Abschließend wird eine Bildkorrelation mit den von der Bildaufnahmeeinheit gelieferten Bildern zur Bestimmung der Verformung der Werkstoffprobe durchgeführt.
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Das Prüfmedium kann bei Bedarf ausgegast werden, um die Bläschenbildung zu minimieren. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem das Gehäuse mit einem Deckel gasdicht verschlossen wird und dann ein Unterdruck im Gehäuse erzeugt wird.
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Für zahlreiche Anwendungen hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Werkstoffproben außerhalb der Prüfanordnung vorkonditioniert werden. Diese Vorkonditionierung kann bedarfsweise auch über einen längeren Zeitraum erfolgen. Innerhalb der Prüfanordnung müssen die Umgebungsbedingungen während der Messung stabil gehalten werden, um aussagekräftige Messwerte ermitteln zu können.
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Die erfindungsgemäße Prüfanordnung zur Ermittlung von Verformungskennwerten von Werkstoffen umfasst zunächst ein Gehäuse sowie innerhalb des Gehäuses angeordnete Haltemittel zur Halterung einer Werkstoffprobe. Die Werkstoffprobe kann mithilfe der Haltemittel an einer Einspannstelle innerhalb des Gehäuses positioniert und dort mit Kräften (oder Momenten) beaufschlagt werden. Das Gehäuse weist zumindest einen optisch transparenten Gehäusebereich im Bereich der Werkstoffprobe auf. Der optisch transparente Bereich kann beispielsweise als Sichtfenster in einer der Seitenwände des Gehäuses ausgeführt sein. Die Prüfanordnung beinhaltet weiterhin ein außerhalb des Gehäuses angeordnetes Bildkorrelationssystem, dessen Bildaufnahmeeinheit so angeordnet ist, dass sie die Werkstoffprobe durch den optisch transparenten Gehäusebereich hindurch beobachten kann. Die Prüfanordnung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass sich innerhalb des Gehäuses ein flüssiges, optisch transparentes Prüfmedium befindet.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Prüfanordnung besteht darin, dass mechanische Materialkennwerte von Werkstoffen mit stark feuchteabhängigen Eigenschaften mit hoher Präzision unter konstanten Umweltbedingungen bestimmt werden können. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann z. B. das Dehn- und Biegeverhalten von mehrschichtigen Materialien, insbesondere Holzschichtmaterial im fasergesättigten Zustand ermittelt werden. Unter dem fasergesättigten Zustand ist der Zustand maximaler Wasseraufnahmefähigkeit zu verstehen.
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Insbesondere durch die erwähnte zweiteilige Kalibrierung der Prüfanordnung können sehr zuverlässige Messwerte erzielt werden. So werden durch den ersten Kalibrierschritt mittels Kalibriertarget, währenddessen das Kalibriertarget in verschiedenen Positionen aufgenommen wird, die Einflüsse der unterschiedlichen, vom Messsystem zu durchdringenden Medien ermittelt und nachfolgend aus den Messwerten eliminiert. Hierzu wird das Kalibriertarget unter realen Prüfbedingungen in das Gehäuse der Prüfanordnung an die Position der später zu vermessenden Werkstoffprobe eingebracht.
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Da die Dicke der optisch zu durchdringenden Schicht des Prüfmediums einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der zu gewinnenden Messwerte hat, muss diese besonders berücksichtigt werden. Dazu wird der Abstand der Werkstoffprobe vom Sichtfenster entsprechend eingestellt werden. Hierzu dient der zweite Kalibrierschritt. Die Werkstoffprobe muss so platziert werden, dass sich möglichst wenig Prüfmedium zwischen der Werkstoffprobe und dem Sichtfenster befindet, um präzise optische Messwerte erreichen zu können. Gleichzeitig ist jedoch auch sicherzustellen, dass die Werkstoffprobe so im Prüfmedium angeordnet ist, dass sie die Temperatur des Prüfmediums annehmen kann und es nicht zu größeren Temperaturgradienten innerhalb der Probe kommt. Um diese gegenläufigen Ziele möglichst optimal aufeinander abzustimmen, wird im Rahmen des zweiten Kalibrierschritts die unbelastete Werkstoffprobe durch das Messfeld bewegt, wobei ein optisches Vermessen mittels der Bildaufnahmeeinheit erfolgt. Hierbei wird ein zulässiges Messrauschen, d. h. ein maximal zugelassener Messfehler, vorgegeben. Der für die nachfolgende Messung maximale und zumeist auch optimale Abstand zwischen Einspannstelle für die Werkstoffprobe und Sichtfenster liegt dort, wo bei vermessener Nulldehnung der maximal zulässige Messfehler erreicht wird.
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Mit den bislang bekannten Prüfvorrichtungen waren derart genaue Messungen nicht möglich, da sie nicht dazu geeignet waren, die Kalibrierung des Bildkorrelationssystems hinreichend genau vorzunehmen, die optimale Messposition für die Einspannstelle einzustellen und während der Messung die erforderlichen Messbedingungen dauerhaft aufrechtzuerhalten, um beispielsweise dafür zu sorgen, dass der hierfür erforderliche hohe Feuchtigkeitsgehalt bzw. Feuchtigkeitseintrag im Material bzw. in das Material sichergestellt ist.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst die Prüfanordnung eine Temperiereinrichtung zur Regelung der Temperatur des Prüfmediums. Die Temperiereinrichtung kann ein oder mehrere im Gehäuse angeordnete Heizmittel beinhalten. Die Heizmittel können jedoch auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Als Heizmittel kommen sämtliche aus dem Stand der Technik bekannte Heizmittel, die sich zum Erwärmen des jeweiligen Prüfmediums eignen, in Frage. Durch die Möglichkeit der Temperierung des Prüfmediums können Messungen an der vom Prüfmedium umgebenen Werkstoffprobe bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt werden. So konnten beispielsweise Messwerte im Temperaturbereich zwischen 20°C und 70°C problemlos aufgenommen werden. Es soll jedoch keine Einschränkung auf den genannten Temperaturbereich erfolgen, andere für den jeweiligen Werkstoff geeignete Temperaturen sind durchaus möglich.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform beinhaltet die Prüfanordnung eine Filter- und Umwälzeinrichtung zur Filterung und Umwälzung des Prüfmediums. Diese Ausführung ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn Prüfserien, d. h. die Untersuchung mehrerer Werkstoffproben in Folge, unter vergleichbaren Prüfbedingungen durchgeführt werden sollen. Durch Umwälzen des Prüfmediums können Temperaturschichtungen weitestgehend vermieden werden. Zu Schwebstoffen im Prüfmedium kann es infolge berstender Werkstoffproben kommen. Um eine Verfälschung der Messergebnisse zu verhindern, müssen diese Schwebstoffe effizient durch die Filter- und Umwälzeinrichtung herausgefiltert werden.
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Als günstig hat es sich erwiesen, wenn das Gehäuse eine Wärmeisolation aufweist. Im Übrigen sollte das Gehäuse aus einem Material mit einer möglichst hohen Wärmeleitfähigkeit bestehen, welches in Verbindung mit der Isolation dafür sorgt, dass während der Messung störende Temperaturgradienten innerhalb des Prüfmediums vermieden werden.
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Die Verwendung von Wasser als Prüfmedium hat sich als vorteilhaft erwiesen. Natürlich können auch andere flüssige, optisch transparente Prüfmedien zum Einsatz kommen.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Gehäuse auf einer seiner Außenflächen einen Spannbock zur Aufnahme in eine Zug- oder Universalprüfmaschine auf. Das Prüfmodul kann somit in herkömmlichen Prüfmaschinen eingesetzt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Prüfanordnung Einstellmittel zum Einstellen des Abstandes zwischen Werkstoffprobe und optisch transparentem Gehäusebereich. Mit Hilfe der Einstellmittel kann die Einspannstelle der Werkstoffprobe in einen geeigneten Abstand zum optisch transparenten Gehäusebereich gebracht werden, um die beiden gegenläufigen Ziele gleichmäßige Temperierung und präzise optische Messwerte realisieren zu können. Das Einstellmittel kann beispielsweise über ein Gewinde realisiert sein, welches mit einem entsprechenden Gewinde des Haltemittels zusammenwirkt.
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Die Prüfanordnung ist vorzugsweise mit einem im Gehäuse angeordneten Temperatursensor ausgestattet, mit dessen Hilfe die Temperatur des Gehäuseinneren überwacht und geregelt werden kann.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
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1: eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung;
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2: die erfindungsgemäße Prüfanordnung in einer Ansicht von vorn.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Prüfanordnung, die der Ermittlung von Verformungskennwerten, beispielsweise Dehnungskennwerten von Werkstoffen dient. Sie umfasst ein Gehäuse 01, welches an seiner Außenseite mit einer Wärmeisolation 02 versehen ist. Das Gehäuse 01 besteht aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, welches in Verbindung mit der Isolation 02 dafür sorgt, dass störende Temperaturgradienten innerhalb eines Prüfmediums vermieden werden. Das Gehäuse 01 ist beispielsweise in Form eines an seiner Oberseite geöffneten Würfels gestaltet und weist einen optisch transparenten Gehäusebereich in Form eines Sichtfensters 03 auf. Das Sichtfenster 03 kann bei Bedarf gegen Fremdlicht abgeschattet werden. Die geöffnete Oberseite des Gehäuses kann mit einem Deckel (nicht gezeigt) vorzugsweise gasdicht verschlossen werden. Im Deckel ist mindestens ein Durchlass vorgesehen, zur Einleitung von Zugkräften über eine Zugstange einer handelsüblichen Zugprüfmaschine.
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Innerhalb des Gehäuses 01 sind Haltemittel 04 angeordnet, welche zur Halterung einer Werkstoffprobe 05 an einer Einspannstelle 07 dienen. Auf der Werkstoffprobe 05 ist ein Pixel-Muster oder dergleichen aufgebracht, welches für die optische Erfassung benötigt wird. Die Werkstoffprobe 05 ist an der Einspannstelle 07 an den Haltemitteln 04 befestigt. Die Haltemittel 04 umfassen eine Welle 08 mit einem Gewinde 09 welches mit einer Buchse 10 mit einem Innengewinde zusammenwirkt, um die Werkstoffprobe 05 in unterschiedlichem Abstand zum Sichtfenster 03 positionieren zu können, d. h. die Einspannstelle 07 senkrecht zur Ebene des Sichtfensters 03 zu verschieben. Durch den gewählten Abstand zum Sichtfenster 03 muss sichergestellt sein, dass die beiden gegenläufigen Ziele gleichmäßige Temperierung der Werkstoffprobe 05 und präzise optische Messwerterfassung optimal aufeinander abgestimmt sind. Für den hierfür erforderlichen Kalibriervorgang, bei dem die Werkstoffprobe 05 entlang einer senkrecht zum Sichtfenster 03 verlaufenden Achse bewegt wird, kommt vorzugsweise eine spezielle Positioniervorrichtung zum Einsatz.
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Im Gehäuse 01 befindet sich ein flüssiges, optisch transparentes Prüfmedium. Als günstig hat sich die Verwendung von Wasser als Prüfmedium erwiesen. Andere geeignete Prüfmedien mit den genannten Eigenschaften sind natürlich ebenfalls möglich.
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Zum Zuführen bzw. Ableiten des Prüfmediums weist das Gehäuse 01 mindestens einen Zulauf bzw. Ablauf 12 auf. Zur Verhinderung von Temperaturschichtungen und zur Beseitigung von Schwebstoffen im Prüfmedium ist im Gehäuse 01 eine Filter- und Umwälzeinrichtung 13 angeordnet. Zur Temperierung des Prüfmediums dient eine Heizeinrichtung 14. Im Gehäuse 01 kann weiterhin ein Temperatursensor (nicht dargestellt) angeordnet sein, welcher der Kontrolle der im Gehäuseinneren herrschenden Temperatur dient.
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Die erfindungsgemäße Prüfanordnung umfasst weiterhin ein Bildkorrelationssystem mit einer Bildaufnahmeeinheit 15, die mit Blickrichtung zum Sichtfenster 03 angeordnet ist. Die Bildaufnahmeeinheit 15 misst durch das Sichtfenster 03 und durch das im Gehäuse 01 befindliche Prüfmedium hindurch. Das Bildkorrelationssystem kann bei verschiedenen im Gehäuse 01 herrschenden Temperaturen durch die drei Medien Luft/Sichtfenster/Prüfmedium unter Verwendung eines Kalibriertargets kalibriert werden. Wie bereits ausgeführt, ist diese Kalibriermöglichkeit neben dem richtig eingestellten Abstand zwischen Werkstoffprobe 05 und Sichtfenster 03 entscheidend für die Qualität der Messergebnisse.
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Die Beleuchtung der Werkstoffprobe 05 erfolgt vorzugsweise über eine außerhalb des Gehäuses 01 angeordnete Probenbeleuchtung. Alternativ kann die Beleuchtung aber auch innerhalb des Gehäuses angeordnet werden.
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Die erfindungsgemäße Prüfanordnung wird vorzugsweise in eine handelsübliche Universalprüfmaschine eingebaut. Zur Befestigung des Gehäuses 01 in der Prüfmaschine dient ein Spannbock 17 (siehe 2). Durch die Prüfmaschine werden die für die Messung erforderlichen Kräfte eingebracht. Hierzu ist der Deckel des Gehäuse 01 vorzugsweise mit einem Durchlass versehen.
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Die erfindungsgemäße Prüfanordnung eignet sich insbesondere zur berührungslosen Messung von 3D-Verformungen von mehrschichtigen Materialien, insbesondere Holzschichtmaterial im fasergesättigten Zustand. Die Überführung der Werkstoffproben in den fasergesättigten Zustand, in welchem die maximale Wasseraufnahmefähigkeit erreicht ist, erfolgt vorzugsweise durch eine Vorkonditionierung außerhalb der Prüfanordnung und wird dann in der Prüfanordnung aufrecht erhalten, da die Werkstoffprobe 05 im Gehäuse 01 vom Prüfmedium umgeben ist, wodurch der erforderliche Flüssigkeitseintrag in die Werkstoffprobe 05 problemlos erfolgen kann. Mit der erfindungsgemäßen Prüfanordnung kann eine flächige Detektion des Verformungszustandes erfolgen. Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit der Untersuchung lokaler Effekte. Beim betrachteten Anwendungsfall von Werkstoffproben aus Holz kann beispielsweise das unterschiedliche Dehnungsverhalten von Früh- und Spätholz unter verschiedenen Messbedingungen, wie verschiedenen Temperaturen und hohe Holzfeuchte, untersucht werden. Für Flachzugproben aus Furnierholz konnten Messungen in einem Temperaturbereich von 20°C bis 70°C mit einer geforderten und reproduzierbaren Genauigkeit (bisher gemessene Dehnungswerte >= 0,01%) erfolgreich durchgeführt werden.
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Bei Verwendung der beschriebenen Prüfanordnung werden vorzugsweise folgende Verfahrensschritte ausgeführt. Zunächst wird ein geeignetes Prüfmedium, beispielsweise Wasser, mit vorbestimmter Temperatur und Feuchtigkeit in das Gehäuse 01 eingebracht. Zur Minimierung der Bläschenbildung kann das Prüfmedium über den Deckel des Gehäuses 01 durch Erzeugung eines Unterdruckes ausgegast werden. Anschließend erfolgt ein erster Kalibrierschritt unter Verwendung eines Kalibriertargets. Hierzu wird das Kalibriertarget an der Einspannstelle 07 in dem Gehäuse 01 eingespannt. Um das Kalibriertarget an die Position zu bringen, an welcher später auch die Werkstoffprobe 05 angeordnet ist, kann die Positioniervorrichtung, die auch zur Positionierung der Werkstoffprobe 05 dient, verwendet werden. Im Anschluss an diese Kalibrierung wird das Kalibriertarget entfernt und eine mit einem Pixel-Muster versehene Werkstoffprobe 05 an der Einspannstelle 07 eingespannt. Während des sich anschließenden zweiten Kalibrierschritts (der aber auch vor dem ersten Kalibrierschritt ausgeführt werden kann) wird der für die Messung optimale Abstand der Werkstoffprobe 05 vom Sichtfenster 03 ermittelt. Hierzu wird die ungedehnte bzw. unbelastete Werkstoffprobe 05 im Messfeld bewegt. Während dieser Bewegung erfolgt ein optisches Vermessen der Werkstoffprobe 05 mittels der Bildaufnahmeeinheit 15 des Bildkorrelationssystems durch das Sichtfenster 03. Mit den von der Bildaufnahmeeinheit 15 gelieferten Bildern wird eine Bildkorrelation durchgeführt. Die mittels Bildkorrelation ermittelten Werte werden unter Berücksichtigung eines vorgegebenen maximalen Messfehlers ausgewertet, um den maximal zulässigen Abstand der Werkstoffprobe 05 vom Sichtfenster 03 zu ermitteln. Im nächsten Schritt wird die Werkstoffprobe 05 in einem Arbeitsabstand zum Sichtfenster 02 positioniert, der gleich oder kleiner als der zuvor bestimmte maximale Abstand ist. Der Arbeitsabstand beträgt bevorzugt das 0,5 bis 1-fache, besonders bevorzugt das 0,6 bis 0,9-fache des maximalen Abstands. Nachfolgend werden vorzugsweise über eine herkömmliche Zug-Druck-Maschine z. B. Zugkräfte auf die Werkstoffprobe 05 eingeleitet. Dem schließt sich der eigentliche Messvorgang an. Hierbei wird mittels der Bildaufnahmeeinheit 15 des Bildkorrelationssystems eine optische Vermessung der gedehnten Werkstoffprobe 05 durchgeführt. Im letzten Verfahrensschritt erfolgt eine Bildkorrelation mit den von der Bildaufnahmeeinheit gelieferten Bildern zur Bestimmung der Verformung der Werkstoffprobe 05.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren ermittelten Verformungswerte zeichnen sich durch eine hohe Güte und damit auch eine gute Aussagekraft aus. Erstmalig stehen ein Verfahren und eine Prüfanordnung zur Verfügung, mit denen das Biegeverhalten mehrschichtiger Materialien auch im feuchten Zustand sehr genau ermittelt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Gehäuse
- 02
- Isolation
- 03
- Sichtfenster
- 04
- Haltemittel
- 05
- Werkstoffprobe
- 06
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- 07
- Einspannstelle
- 08
- Welle
- 09
- Gewinde
- 10
- Buchse
- 11
-
- 12
- Zulauf/Ablauf
- 13
- Filter- und Umwälzeinrichtung
- 14
- Heizeinrichtung
- 15
- Bildaufnahmeeinheit des Bildkorrelationssystems
- 16
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- 17
- Spannbock
- 18
- Messebene
