KR102549814B1 - 패널 형상 또는 빔 형상 샘플의 굽힘 테스트를 위한 장치 - Google Patents

패널 형상 또는 빔 형상 샘플의 굽힘 테스트를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패널 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치에 관한 것으로서, 2개의 회전식 구동 장치가 서로로부터 거리를 두고 배열되고, 플랜지(3)가 회전식 구동 장치의 각각의 구동 샤프트에 고정되며, 구동 샤프트가 서로 평행하도록 배치된다. 구동 샤프트의 회전 축에 평행하도록 배치되고 회전 축으로부터 및 서로로부터 거리를 두고 배열되는 적어도 2개의 바 형상의 굽힘 부재(2)가 각각의 플랜지(3) 상에 마련된다. 패널 형상 또는 빔 형상 샘플(1)은 2개의 플랜지(3) 상의 2개의 바 형상의 굽힘 부재(2) 사이에 도입될 수 있다. 회전식 구동 장치가 반대 회전 방향으로 회전하는 경우, 샘플에 굽힘력이 가해지며, 2개의 회전식 구동 장치 각각은 개별적으로 제어될 수 있고, 전자식 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 유닛에 연결될 수 있다.

Description

패널 형상 또는 빔 형상 샘플의 굽힘 테스트를 위한 장치
본 발명은 슬래브 형상(slab-shaped) 또는 빔 형상(beam-shaped) 샘플의 굽힘 테스트를 위한 장치에 관한 것이다. 여기에서, 굽힘 방향에 따라 인장 응력 또는 압축 응력이 각각의 샘플 표면에 작용하도록 샘플은 균일 또는 비균일 굽힘 모멘트를 갖기 위해 2개의 반대 방향으로 구부러질 수 있다. 샘플에 대한 인장 테스트 및 박리 테스트는 본 발명에 의해 수행될 수 있다.
잠재력이 있는 실험적 지오메트리 중 하나는 4점 굽힙(four-point bending, 4PB) 테스트이다. 파괴 인성 및 복합형 샘플의 경우, 샌드위치 샘플의 경계층에 구성된 층의 접착력은 본 발명에서 측정될 수 있다. 이러한 4점 굽힘 테스트 중에, 정의된 지오메트리와 정의된 면적을 갖는 빔 형상 샘플이 구부러진다. 각각의 빔 형상 샘플은, 적어도 2개의 핀이 베어링 핀으로 작용하는 4개의 핀에 의해 변형된다. 여기에서, 두 쌍의 핀은 각각의 경우 샘플의 하부 측과 상부 측에 배치되며 서로 평행하도록 정렬된다. 샘플 상부 측에서의 인장 응력을 위해, 하부 측에 배치된 핀들은 상부 측에 배치된 핀 쌍보다 상호 간격이 더 작다(샘플 표면의 압축 응력을 위해, 핀 쌍은 상부 측에서 더 작은 간격으로 배치된다). 샘플이 구부러질 때, 적어도 하나의 핀 쌍은 (핀 콘센트(pin receptacles)의 회전에 의해) 샘플 표면에 수직으로 이동하며, 여기에서 샘플을 구부러지게 하는 압축력이 표면에 작용한다. 여기에서, 더 작은 핀 쌍 사이의 굽힘 모멘트는 샘플 길이에 걸쳐 균일하다. 실험 중 발생하는 비대칭성은 또한 핀 모멘트의 별도의 비 평행 제어에 의해 상쇄될 수 있거나, 상기 비대칭성은 필요할 경우 유발될 수 있다.
샘플의 구부러진 표면에 대한 테스트는 종종 굽힘과 평행하게 수행된다. 따라서, 각각의 표면은 굽힘 중에 측정 장치, 예를 들어 현미경, 특히 래스터 전자 현미경(raster electron microscope)으로 검사될 수 있다. 현미경의 낮은 작동 간격에서 긍정적 이미지 품질을 얻기 위해서는 낮은 설치 높이와 접근성이 필요하다. 집속 이온 빔을 통해 재료를 동시에 제거할 때, 이온 및 전자 컬럼의 유센트릭 점(eucentric point)이 여기에서 준수되어야 한다. 상기 유센트릭점은 장치에 따라 다르며, 최대 허용 샘플 높이를 준수해야 한다. 그러나, 공지된 장치들의 경우, 이는 전자 현미경에 따라 어렵고 복잡하게 구현될 수 있으나, 제안된 장치를 통해 쉽게 구현될 수 있다.
또한, 압축 응력과 인장 응력 사이의 변화는 샘플을 제거하고 테스트 셋업을 변경하지 않고도 샘플의 표면에 대응하는 굽힘에 의해 구현될 수 있다. 공지된 장치들의 경우, 이는 잠재적인 진공의 차단을 포함하는 변환 수단을 통해서만 가능하다. 래스터 전자 현미경에 사용하기 위해, 본 발명의 샘플은 진공 챔버로부터 장치와 함께 진공 처리되어야 한다. 따라서, 진공을 차단하지 않고 동시에 테스트하면서 상반 응력(reciprocal stress)을 구현할 수 없다.
구조적인 관점에서 샘플을 구부리기 위한 핀의 병진 이동에 이용되는 구동은 굽힘 시 매우 작은 거리 또는 거리 차이가 고려되고 낮은 설치 높이가 준수될 때 매우 복잡하다.
따라서, 본 발명의 목적은 낮은 설치 높이를 유지하면서 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플에 하중 반전을 가하여 (선택적으로 비대칭 응력에 의해) 굽힘 테스트를 수행할 때 유연성을 증가시키고, 특히 진공 챔버의 설치 공간이 제한되는 조건 하에 테스트와 조작을 위한 샘플 표면의 굽힘 접근성을 향상시키는 것이다.
상기 목적은 청구항 1항의 특징을 갖는 장치에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 본 발명의 유리한 설계 실시예 및 개선은 종속항에 제시된 특징에 의해 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 경우, 2개의 회전식 구동 장치(rotary drives)는 서로 간격을 두고 배치된다. 각각의 경우에 하나의 플랜지는 회전식 구동 장치의 서로 평행하게 정렬된 구동 샤프트에 고정된다. 각각의 구종 샤프트의 회전 축에 평행하도록 정렬되고, 회전 축으로부터 간격을 두고 및 서로로부터 간격을 두고 정렬된 바 형상의 굽힘 부재(bending element) 형태의 적어도 2개의 핀은 각각의 경우 플랜지 상에 존재하며, 하나의 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플은 각각의 경우 2개의 플랜지에서 2개의 바 형상 굽힘 부재 사이에 도입될 수 있고, 회전식 구동 장치 중 하나 또는 모두가 반대 또는 동일 회전 방향으로 회전하면 샘플에 굽힘력이 가해진다. 2개의 회전식 구동 장치는 각각 개별적으로 작동 가능하며, 전자식 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 유닛에 연결된다.
바람직하게, 바 형상의 굽힘 부재가 수평으로 정렬되지 않은 축 상에 배치되는 플랜지의 회전 각도가 설정될 때, 바 형상 굽힘 부재 사이에 샘플이 도입되어야 한다.
샘플 표면의 균일한 응력 상태 및 균일한 굽힘 모멘트의 경우, 회전식 구동 장치는, 바 형상의 굽힘 부재 사이에서 샘플의 균일한 굽힘이 달성될 수 있도록, 각각 동일한 절대 회전 각도를 갖기 위해 반대 반향으로 회전 가능해야 한다.
본 발명에 따른 장치의 이러한 실시예에 의해, 인장 응력 및 압축 응력은, 멈추지 않고 서로 대향하여 배치된 샘플의 구부러진 표면에서 교대로 발생하는 것이 가능하다.
그러나, 2개의 회전식 구동 장치의 분리된 이동으로 인해, 동일한 시점의 플랜지가 상이한 회전 각도를 가질 수 있는 회전식 구동 장치의 비동기식 및 비대칭식 회전이 가능하며, 특히 유리하다.
각각의 플랜지 상에 배치된 각각의 내부 바 형상의 굽힘 부재들 사이의 샘플 표면 상의 응력 구배는 비동기식 및 비대칭식 회전으로 인해 타겟 방식으로 설정될 수 있다. 이로 힌해, 샘플 표면에서의 점진적인 응력 차이는 바람직하게 정의된 크랙 형성을 위해 가능한 응력 의존적 효과를 초래할 수 있다. 예를 들어, 온도 또는 대기 조건과 같이 한정된 외부 영향은 다수의 동시 응력 상태를 통해 테스트될 수 있으며, 설정된 굽힘 모멘트 구배로 인해 임계 응력을 식별할 수 있다(도 7 및 도 8).
회전식 구동 장치의 디커플링(decoupling)은 굽힘 테스트를 수행할 때 장치의 간단한 교정과 높은 정밀도를 허용한다. 따라서, 예를 들어 회전식 구동 장치로서 스테퍼 모터(stepper motors)의 스텝이 손실되는 경우 경우 또는 기어 플레이의 경우 타겟 재조정이 수행될 수 있다.
전자식 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 유닛은 적어도 하나의 플랜지 또는 적어도 하나의 바 형상의 굽힘 부재 및/또는 샘플에 작용하는 토크 또는 힘을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 샘플에 연결될 수 있으며, 상기 센서의 측정 신호는 바 형상의 굽힘 부재를 갖는 플랜지의 회전 운동의 폐쇄 루프 제어를 위해 사용될 수 있다.
유리하게는, 바 형상의 굽힘 부재로서 핀과 샘플 표면 사이에 작용하는 힘, 또는 각각의 바 형상의 굽힘 부재와 샘플 표면 사이에 물리적 접촉이 존재하는 경우에 플랜지 또는 바 형상의 굽힘 부재에 작용하는 토크를 측정하도록 구성된 적어도 2개의 센서는 바 형상의 굽힘 부재, 플랜지 및/또는 회전식 구동 장치 상에 배치되어, 전자식 폐쇄 루프 제어 유닛에 연결된다. 전자식 폐쇄 루프 제어 시스템은 교정을 수행하거나 영점 접촉(zero-point contact)을 설정하도록 구성되어야 한다.
토크 차이를 측정하는 것은 샘플 상부측의 응력 의존성 테스트를 위한 굽힘 테스트 및 샌드위치 샘플에 대한 4PB 접착 테스트 평가를 개선하기 위해 바 형상의 굽힘 부재 및/또는 플랜지에서 수행될 수 있다.
회전식 구동 장치의 스텝 손실 또는 기어 플레이로 인해 순간적인 불균형이 발생하는 경우 재조정이 가능하다. 예를 들어, 샘플의 표면 상의 각각의 플랜지의 표면의 영점/접점은 상호 독립적으로 회전가능한 플랜지와 조합하여 토크 트랜스듀서, 토크를 측정하는데 적합한 센서를 사용하여 측정될 수 있다. 교정은 자동화된 방식으로 수행될 수 있다. 영점 결정을 포함하는 교정은 샘플이 수직으로 정렬된 바 형상의 굽힘 부재의 표면에 삽입될되도록 수행될 수 있다(도 1). 원하는 응력 모드(샘플 상부측의 압축 응력 또는 인장 응력)에 따라, 바 형상의 굽힘 부재를 갖는 플랜지는 모두 4개의 굽힘 부재들이 샘플과 물리적으로 접촉할 때까지 회전할 수 있으며, 이전에 설정된 최소 토크 임계값은 플랜지 또는 바 형상의 굽힘 부재들과 드라이브 사이의 힘 또는 토크 센서에 작용하는 접촉력을 통해 측정된다(도 2). 그 다음, 플랜지가 약간 역전되어 토크가 다시 0이된다. 이 위치는 각각 제어 위치 또는 접점 위치로 설정된다. 여기에서, 2개의 플랜지는 개별적으로 회전할 수 있다. 이로 인해, 위치의 절대 측정 및 교정이 생략될 수 있다.
샌드위치 샘플에 대한 4PB 테스트의 경우, 플랜지의 내부에 배치된 바 형상의 굽힘 부재들의 베어링 포인트들 사이의 균일한 굽힘 모멘트로 인해 샘플의 중심에 도입된 크랙은 상기 내부에 배치된 바 형상의 굽힘 부재들의 방향으로 샘플의 2개의 접착 본딩된 빔들 사이의 경계층에서 2개의 크랙 전면에 동시에 전파되는 것으로 가정된다. 이 경우, 에너지 방출 속도를 측정할 수 있는 힘 플래토(force plateau)가 측정될 수 있다. 그러나, 크랙이 오직 하나의 방향으로만 샘플 중심으로부터 전파되어 굽힘 모멘트가 더이상 균일하게 분포되지 않고 힘/경로 곡선이 유용한 플래토를 갖지 않는 경우가 종종 발생한다.
2개의 플랜지에서 측정될 수 있는 모멘트 및/또는 바 형상의 굽힘 부재들에서 측정될 수 있는 모멘트는 이 경우 더이상 같은 크기가 아니다. 이로 인해, 크랙 길이는 간접적으로 측정될 수 있다. 이 경우, 하나 또는 둘 모두의 플랜지 회전 각도는, 더 짧은 크랙에서 더 높은 힘 강도가 발생하고 바람지갛게는 이 부분에서 크랙 성장이 계속되어 동기식 크랙 성장의 가정이 재확립되도록 타겟 방식으로 재조정될 수 있다.
선택적으로, 측정된 크랙 길이는 직접 평가됨에 따라, 에너지 방출 속도가 설정된다. 이를 위해, 비대칭 크랙 길이를 포함하는 다른 측정 방식이 필요하다. 바 형상의 굽힘 부재는 유리하게 샘플의 표면과 물리적으로 접촉하는 표면 영역에서 적어로 볼록하게 만곡되도록 구성되어야 한다. 이로 인해, 샘플 표면과 바 형상의 굽힘 부재들 사이에 작용하는 마찰력은, 달성 가능한 더 작은 선형 베어링 면(smaller linear bearing face)에 의해 감소될 수 있다. 이를 위해, 바 형상의 굽힘 부재들은 예를 들어 회전 대칭 단면을 가질 수 있다.
바 형상의 굽힘 부재들이 각각의 플랜지에 견고하게 연결되고 중공 실린더가 회전 가능하게 배치된 샤프트를 갖도록 형성됨으로써 작용하는 마찰력은 더욱 감소할 수 있다. 중공 실린더는 샘플의 구부러짐으로 인해 회전할 수 있으며, 이로 인해 영향력이 낮은 마찰력이 관찰될 수 있다.
각각의 플랜지에서 바 형상의 굽힘 부재들의 상호 간격은 가변적이어야한다. 이로 인해, 작용하는 굽힘력 및 모멘트의 변형이 달성될 수 있다. 이를 위해, 바 형상의 굽힘 부재들은 예를 들어 길다란 보어 형태로 구성될 수 있고 원하는 위치에 고정될 수 있는 대응하는 가이드 내에서 움직일 수 있다. 고정은 예를 들어 클램핑 장치에 의해 구현될 수 있다. 각각의 가이드에서 바 형상의 굽힘 부재들의 이동은 적절한 드라이브 및 선택적으로 추가 기어 박스를 통해 구현될 수 있다. 굽힘 절차의 영향을 제어하는 것 또한 가능하다. 이에 따라, 작용하는 압축력, 인장력, 모멘트 및 굽힘 반경이 변할 수 있다.
특히, 상이한 치수의 샘플을 테스트하거나 상이한 테스트 조건을 구현하는 경우, 회전식 구동 장치의 구동 샤프트 간격을 조정할 수 있다. 회전 축에 평행하도록 정렬된 그의 길이 방향 축에서 바 형상의 굽힘 부재들은 상기 축 방향에서 샘플의 범위의 110% 이상에 상응하는 길이를 가져야 한다. 이로 인해, 상기 샘플의 상기 축 방향에서 샘플의 전체 폭에 걸쳐 균일한 굽힘이 유지될 수 있는 것이 보장될 수 있다.
변형되지 않은 샘플의 길이 방향 축 방향에 평행하도록 정렬된 축 방향으로 샘플이 이탈(wandering)하는 것을 방지하는 멈춤쇠(detent)는 장치의 적어도 일측에 존재해야 한다. 회전식 구동 장치의 회전 축에 수직이도록 정렬되는 축 방향에서 샘플이 이탈하는 것을 방지하는 것이 특히 바람직하다. 이를 위해, 구동 방향으로 바 형상의 굽힘 부재들을 클램핑하는 것이 적합하다. 다른 한편으로, 샘플은 삽입 시 시트-금속 플레이트에 의해 핀 상 또는 강성 각도에 의해 하우징 상에서 이탈하지 않고 고정될 수 있다.
자기 저항 또는 영구 자석 스테퍼 모터, 하이브리드 스테퍼 모터 또는 기어 모터가 회전식 구동 장치로 사용될 수 있다.
4개의 바 형상의 굽힘 부재들은 유리하게 각각 플랜지에 부착되고, 샘플이 한 쌍을 이루는 2개의 바 형상의 굽힘 부재들 사이에 도입될 수 있도록 서로 배치될 수 있다. 여기에서, 하나의 플랜지에 결합되어 고정되는 2쌍의 바 형상의 굽힘 부재들은 회전 축으로부터의 간격으로 각각의 플랜지의 회전 축의 2개의 대향 측에 배치되어야 하며, 한 쌍의 바 형상의 굽힘 부재들은 샘플의 2개의 대향 표면에 배치되어야 한다.
4개의 바 형상의 굽힘 부재들이 정사각형이 아니라 서로 직사각형으로 배치되면, 다른 간격들은 추가 변형 가능성을 초래한다(도 10, 11, 12).
다양한 굽힘 모드, 점진적 응력 상태에 대해 가변적으로 설정 가능한 굽힘 모멘트, 상대적으로 낮은 설치 높이, 및 샘플의 구부러진 표면에서 테스트를 수행하는 측정 장치에 대한 접근 가능성은 종래 기술과 비교하여 유리하다. 이로 인해, 예를 들어 발생된 이완 효과를 결정할 수 있도록 샘플을 이온 빔에 의해 동시에 기계 가공하고 전자 빔에 의해 모니터링 할 수도 있다.
샘플의 표면에서 압축 및 인장 응력이 달성되는 굽힘 방향의 반전은 변환 수단 없이 회전식 구동 장치의 회전 방향을 간단히 반전시킴으로써 본 발명에 의해 가능할 수 있다. 따라서, 기계적 응력이 샘플 재료에 포함될 수 있으며, 상기 기계적 응력의 영향은 예를 들어 현미경(래스터 전자 현미경)에 의해 검사될 수 있다.
상이한 샘플들이 테스트될 수 있으며, 장치의 변환 또는 최소한의 조정을 요구하지 않고 상기 샘플의 두께가 테스트될 수 있다. 구조는 쉽게 스케일링될 수 있으며, 현미경 또는 분석 측정 장치에서의 현장 테스트 뿐만 아니라 거시적 샘플에도 적합하다.
무엇보다도 래스터 전자 현미경의 진공 챔버에서 설치 높이를 최소화 해야한다. 더욱이, 윤활제 및 자화성 금속은 피해야하며, 이는 본 발명에 의해 달성될 수 있다. 필요한 설치 높이가 낮기 때문에, REM/FIB 시스템의 이온 및 전자 컬럼의 유센트릭점(eucentric point)이 달성될 수 있다.
적합한 샘플 리셉터클이 부착되면, 샘플이 수직으로 정렬된 플랜지, 각각의 경우 상부 바 형상의 굽힘 부재 또는 2개의 플랜지 상에 서로로부터 가장 멀리 배치된 바 형상의 굽힘 부재에 고정되도록 인장 테스트가 수행될 수 있으며, 그 후 플랜지를 반대 방향으로 비틀면서 샘플에 인장력이 가해진다(도 13). 여기에서 샘플의 고정은 장치를 사용하여 인장 테스트를 수행할 수 있도록 2개의 핀에서 구부러진 단부 측면, 클램핑 연결 또는 단부 측면에서 실질적으로 완전한 연결(접착제 결합, 납땜/브레이징, 용접)에 의해 형태-피팅 방식으로 달성될 수 있다.
3점 굽힘은 특수 홀더를 사용하여 달성될 수 있다(도 9). 여기에서 플랜지는 움직일 필요가 없는 플랜지가 오직 하나의 바 형상의 굽힘 부재를 갖도록 구현되어야 한다. 다른 플랜지는 바 형상의 굽힘 부재가 회전축에 위치하도록 구현되어야 한다. 본 실시예의 셩우, 제2 바 형상의 굽힘 부재는 제1 바 형상의 굽힘 부재로부터 간격을 두고 위치하며, 상기 간격은 회전 축 거리의 절반에 해당한다.
본 발명은 이하에서 보다 구체적으로 예시적인 방식으로 설명될 것이다.
도 1은 샘플이 바 형상의 굽힘 부재들 사이에 도입 가능한 뷰 및 위치에서 본 발명에 따른 장치의 실시예를 도식적으로 도시한다.
도 2는 굽힘 샘플의 위쪽을 향하는 표면에 인장 응력이 작용하도록 바 형상의 굽힘 부재들이 배치되는 위치에서 도 1에 따른 실시예를 도시한다.
도 3은 굽힘 샘플의 위쪽을 향하는 표면에 압축 응력이 작용하도록 바 형상의 굽힘 부재들이 배치되는 위치에서 도 1에 따른 실시예를 도시한다.
도 4는 4개의 바 형상의 굽힘 부재들이 각각 하나의 플랜지 상에 배치되는 실시예를 도시한다.
도 5 및 도 6은 바 형상의 굽힘 부재들이 플랜지의 두 위치에서 각각의 플랜지의 회전축에 대하여 비대칭이 되도록 플랜지 상에 배치되는 실시예를 도시한다.
도 7은 도 3에서와 같이 2개의 플랜지가 서로 반대 방향으로 비틀어지지만 서로 다른 회전 각도를 갖는 실시예를 도시한다.
도 8은 회전식 구동 장치들이 동일한 회전 방향으로 회전하는 실시예를 도시한다.
도 9는 각각의 플랜지가 고정되도록 고정되고, 회전 구동 장치 및 로 간격을 두고 배치된 2개의 바 형상의 굽힘 부재들에 의해 샘플이 구부러지며, 고정된 각각의 플랜지가 샘플용 카운터 홀더를 형성하는 실시예를 도시한다.
도 10은 샘플이 각각의 경우 4개의 바 형상의 굽힘 부재들 중 2개 사이에 가이드되며, 회전식 구동 장치들을 반대 방향으로 회전시킴으로써 샘플이 구부러지는도 4에 따른 실시예를 도시한다.
도 11은 샘플이 하나의 회전식 구동 장치에 의해 회전 가능한 2개의 플랜지 사이에서 상이한 위치에 배치되고, 회전식 구동 장치들에 의해 반대 방향으로의 회전이 달성될 수 있는, 개선된 굽힘 부재 간격을 갖는 도 4에 따른 실시예를 도시한다.
도 12는 플랜지 및 회전식 구동 장치들의 반대 회전 방향을 갖는 도 4 및 11에 따른 실시예를 도시한다.
도 13은 외부 단부측에서 구부러지며, 반대 회전 방향으로 플랜지가 회전하면 인장 테스트가 수행될 수 있도록 구부러진 단부측이 하나의 플랜지 상에 배치된 하나의 바 형상의 부재에 대해 형상 피팅 방식으로 구부러지는 샘플을 도시한다.
도 14는 크랙의 전파가 영향을 받거나 비대칭 크랙 개구가 본 발명에 의해 대응될 수 있고, 상응하는 방식으로 작용하는 힘 및 모멘트 및 대칭 및 비대칭 크랙의 경유 샘플을 구부림으로써 발생하는 힘에 의해 대응될 수 있는 샌드위치 샘플의 접착 특성을 측정하기 위한 4점 굽힘 테스트를 수행하기 위한 샘플을 도식적으로 도시한다.
도 1에 도시된 실시예의 경우, 회전식 구동 장치(미도시)의 하나의 구동 샤프트에 연결되는 2개의 플랜지(3)는, 플랜지(3)에 고정된 2개의 굽힘 부재들(2)이 수직으로 정렬된 축에서 상호 간격을 두고 배치되도록 플랜지(3)가 트위스트되는 위치에서 도시되어 있다. 이를 위해, 회전식 구동 장치들은 플랜지가 이 위치로 회전하도록 활성화되었다.
회전 축은 플랜지(3)의 영역의 중심에 배치되며, 여기에서 플롯팅된 점-대-점 선(plotted point-to-point lines)은 교차한다. 굽힘 부재들의 축은 반드시 회전 축을 통과할 필요는 없다.
플랜지(3)의 상기 위치에서, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)은 플랜지(3) 아래에 수직으로 배치되며 회전 축에 평행하도록 정렬된 굽힘 부재들(2) 상에 매우 쉽게 배치될 수 있다.
이의 길이 방향 축에 따른 샘플(1)의 이탈(wandering)을 방지하기 위해 샘플(1)의 각 단부면이 지지될 수 있는 하나의 멈춤쇠(4)는 여기에 도시된 우측 및 좌측 주변부에 존재한다. 샘플(1)의 구부러짐이 어떻게 달성될 수 있는지 도 2의 예시에 의해 강조되며, 여기에서 인장 응력은 샘플의 위쪽을 향하는 표면에 작용하며, 샘플(1)이 샘플(1)의 표면에 작용하는 압축력에 의해 상기 방향으로 볼록한 방식으로 구부러져 바 형상의 부재(2)에 의해 도입된다. 이를 위해, 플랜지(3)는 화살표로 강조된 바와 같이 회전하였다. 샘플(1)의 구부러짐은 서로 반대 회전 방향을 갖는 플랜지(3)의 회전을 고려하여 4개의 굽힘 부재(2)에 의해 이루어진다.
도 3에 도시된 굽힘 위치의 경우, 플랜지는, 샘플(1)이 위에서 보았을 때 오목하게 변형되고 압축 응력이 샘플 재료의 위쪽을 향하는 표면에 작용하도록, 각각의 굽힘 부재(2)에 의해 반대 회전 방향으로 회전하였다. 이는, 회전된 굽힘 부재(2)에 의해 샘플(1)에 가해지는 압축력에 의해 달성될 수 있다.
따라서, 간단한 방향의 반적은 압축 응력과 그에 따른 인장 응력 또는 역으로 샘플(1)의 표면에 교대로 작용하기에 충분하다. 이를 위해 장치를 변환할 필요는 없다.
도 4는 하나의 플랜지(3)에 배치된 4개의 굽힘 부재(2)를 갖는 실시예를 도시한다. 2개의 굽힘 부재(2)는 상호 간격을 두고, 및 샘플(1)의 위 및 아래에 각각의 플랜지(3)의 회전축으로부터 간격을 두고 배치된다. 각각의 간격들은 상부 및 하부에서 동일할 수 있다.
플랜지(3)가 반대 방향으로 회전하기 때문에, 수직 하부 샘플 표면의 대응하는 볼록한 구부러짐과 결합된 수직으로 위쪽을 향하는 표면에서 샘플의 오목한 구부러짐은 각각의 경우 구성된 실시예에 의해 하나의 방향에서 달성될 수 있으며, 이는 샘플(1)의 수직 상부 표면의 영역에 압축 응력을 야기하고, 샘플(1)의 수직 하부 표면에 인장 응력을 야기한다.
그 후, 플랜지가 각각 반대 방향으로 회전하면, 굽힘 및 힘 효과는 정확히 반대 방식으로 발생한다. 샘플의 수직 상하에 굽힘 부재(2)를 배치시키는 경우, 샘플(1)은 수직 상하에 배치된 굽힘 부재(2) 사이에서 작은 유격으로 배치될 수 있으며, 플랜지(3)의 회전 방향이 2개의 플랜지(3)에서 대응적으로 신속하고 동기적인 방식으로 변경될 때 샘플(1)의 표면에 대한 응력 효과의 변화가 매우 간단하고 신속한 방식으로 달성될 수 있다.
도 5 및 6은, 회전 축에 대하여 플랜지(3) 상에 굽힘 부재(2)를 비대칭적으로 대응하여 배치시키고, 이 경우 각 플랜지(3)의 영역의 중심에 배치되고, 이에 따라 도시된 점-대-점 선의 교차점에서 상응하는 힘 및 굽힘 표과가 샘플(1)에 가해지는 것을 강조하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8에 의해, 플랜지(3)의 상이한 회전에 의해 샘플(1)이 플랜지(3)가 회전할 때 바 형상의 굽힘 부재(3)에 의해 어떻게 구부러질 수 있는지에 관한 가능성이 강조되었다.
도 9는 각각 다른 플랜지(3)가 회전할 때 카운터 베어링을 형성할 수 있는 오직 하나의 바 형상의 굽힘 부재(2)가 플랜지(3)에 배치되는 3-점 굽힘 테스트를 수행하기 위한 실시예를 도시한다. 이 경우, 적어도 2개의 바 형상의 굽힘 부재(2)는 상기 다른 플랜지 상에 상호 간격을 두고 배치되고, 샘플(1)은 상기 적어도 2개의 굽힘 부재(2) 사이에 가이드되어 샘플(1)의 구부러짐이 달성될 수 있다. 하나의 굽힘 부재(2)는 플랜지(3)의 회전 축에 위치한다.
도 10 내지 12는 4개의 바 형상의 부재(2)가 플랜지(3)에 존재하며, 플랜지(3)가 회전할 때 다양한 형태로 샘플(1)의 굽힘을 위해 사용될 수 있는 실시예를 도시한다.
도 13은 인장 테스트를 수행하기 위한 실시예를 도시한다. 여기에서 샘플(1)의 단부측은, 상기 단부측이 2개의 플랜지(3)에서 바 형상의 굽힘 부재(2)의 뒤에 맞물려서 형상 피팅 연결이 달성될 수 있도록 구부러져 있다. 인장 테스트는 플랜지(3)가 반대 회전 방향으로 회전할 때 수행될 수 있다. 이를 위해, 플랜지(3) 및/또는 바 형상의 부재(3)에 배치되고 대응적으로 구성된 센서에 의해 측정되는 힘 및/또는 모멘트가 사용될 수 있다.
접착 필름(1)에 의해 연결되는 2개의 실리콘 플레이트(1.1, 1.2)를 갖는 샌드위치로 구성된 샘플(1)이 도 14에 도시되어 있으며, 상기 샘플(1)은 4-점 굽힘 테스트 4PB가 수행될 수 있다. 상부 실리콘 플레이트(1.1)에는 예비 크랙(11)이 구성된다. 크랙 전파(12)는, 샘플(1)이 구부러질 때 접착 필름(10)에 의해 연결되는 실리콘 플레이트(1.1, 1.2) 사이의 연결면을 따라 구성될 수 있다.
내부 바 형상의 굽힘 부재(2)의 회전과 샘플(1)의 굽힘 사이의 균일한 굽힘 모멘트로 인해, 샘플(1)의 중심에 도입된 크랙(12)이 샘플(1)의 내부에 더 멀리 배치된 바 형상의 굽힘 부재(2)의 방향으로 2개의 접착 본딩된 실리콘 플레이트(1.1, 1.2) 사이의 경계층에서 2개의 크랙 전면 상에 동시에 전파되는 것으로 가정될 수 있다. 이 경우, 에너지 방출 속도가 측정될 수 있는 힘 플래토(force plateau)가 측정될 수 있다. 그러나 단지 한쪽 측면의 크랙만이 개방되어 굽힘 모멘트가 더이상 균일하게 분포되지 않고 힘/경로 곡선이 유용한 플래토를 갖지 않는 경우가 종종 발생한다.
바 형상의 굽힘 부재(2) 또는 연관된 플랜지(3)에서 측정될 수 있는 모멘트는 이 경우 더이상 동일한 크기가 아니다. 따라서, 크랙 길이를 간접적으로 측정할 수 있다. 이 경우, 플랜지(3) 중 하나 또는 둘 다는, 크랙이 더 짧은 크랙 팁에서 더 높은 힘 강도가 확립되도록 타겟 방식으로 재조정될 수 있으며, 바람직하게 크랙 성장은 동기식 크랙 성장의 가정이 재설정 될 수 있도록 이 부분에서 계속된다. 또는 측정된 크랙 길이를 직접 평가할 수 있다. 이 경우, 대칭의 전제 조건이 더이상 주어지지 않기 때문에, 상이한 크랙 길이를 고려하면서 에너지 방출 속도의 다르게 측정하는 것을 필요로 한다.

Claims (17)

  1. 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치로서,
    2개의 회전식 구동 장치(rotary drives)는 상호 간격을 두고 배치되며,
    하나의 플랜지(flange, 3)는 상기 회전식 구동 장치의 서로 평행하게 정렬된 구동 샤프트(drive shafts)에 고정되고,
    각각의 구동 샤프트의 회전 축에 평행하도록 정렬되고 상기 회전 축으로부터 간격 및 서로로부터 간격을 두고 정렬된 적어도 2개의 바 형상의 굽힘 부재(bar-shaped bending elements, 2)는 각각 플랜지(3)에 존재하며,
    하나의 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)은 각각 2개의 플랜지(3)의 상기 2개의 바 형상의 굽힘 부재(2) 사이에 도입될 수 있고,
    상기 회전식 구동 장치가 반대 회전 방향으로 회전할 때 상기 샘플(1)에 굽힘력이 가해지며,
    상기 2개의 회전식 구동 장치 각각은 개별적으로 작동 가능하며, 전자식 개방 루프(open-loop) 또는 폐쇄 루프(closed-loop) 제어 유닛에 연결되고,
    상기 각각의 플랜지(3) 상의 상기 바 형상의 굽힘 부재(2)의 상호 간격은 가변하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전식 구동 장치는 각각 동일한 회전 각도를 갖도록 동기식으로 회전 가능한 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전식 구동 장치는 각각 전용 회전 각도를 갖도록 비동기식으로 회전 가능한 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자식 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 유닛은 적어도 하나의 플랜지(3), 적어도 하나의 바 형상의 굽힘 부재(2), 또는 샘플(1)에 작용하는 토크 또는 힘을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서에 연결되며,
    상기 센서의 측정 신호는 상기 플랜지(3)의 회전 운동의 폐쇄 루프 제어를 위해 사용 가능한 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전자식 개방 루프 또는 폐쇄 루프 제어 유닛은 적어도 하나의 플랜지(3), 적어도 하나의 바 형상의 굽힘 부재(2), 및 샘플(1)에 작용하는 토크 또는 힘을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서에 연결되며,
    상기 센서의 측정 신호는 상기 플랜지(3)의 회전 운동의 폐쇄 루프 제어를 위해 사용 가능한 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    플랜지(3) 또는 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 작용하는 힘, 또는 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 물리적 접촉이 존재하는 경우 플랜지(3)에 작용하는 토크를 측정하도록 구성된 적어도 2개의 센서는, 각각의 플랜지(3), 바 형상의 굽힘 부재(2) 또는 회전식 구동 장치상에 배치되며, 상기 전자식 폐쇄 루프 제어 유닛에 연결되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    플랜지(3) 및 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 작용하는 힘, 또는 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 물리적 접촉이 존재하는 경우 플랜지(3)에 작용하는 토크를 측정하도록 구성된 적어도 2개의 센서는, 각각의 플랜지(3), 바 형상의 굽힘 부재(2) 및 회전식 구동 장치상에 배치되며, 상기 전자식 폐쇄 루프 제어 유닛에 연결되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    플랜지(3) 또는 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 작용하는 힘, 또는 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 물리적 접촉이 존재하는 경우 플랜지(3)에 작용하는 토크를 측정하도록 구성된 적어도 2개의 센서는, 각각의 플랜지(3), 바 형상의 굽힘 부재(2) 및 회전식 구동 장치상에 배치되며, 상기 전자식 폐쇄 루프 제어 유닛에 연결되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    플랜지(3) 및 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 작용하는 힘, 또는 바 형상의 굽힘 부재(2)와 샘플 표면 사이에 물리적 접촉이 존재하는 경우 플랜지(3)에 작용하는 토크를 측정하도록 구성된 적어도 2개의 센서는, 각각의 플랜지(3), 바 형상의 굽힘 부재(2) 또는 회전식 구동 장치상에 배치되며, 상기 전자식 폐쇄 루프 제어 유닛에 연결되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 전자식 폐쇄 루프 제어 유닛은 교정을 수행 및 영점 접촉(zero-point contact)을 설정하는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 전자식 폐쇄 루프 제어 유닛은 교정을 수행 또는 영점 접촉(zero-point contact)을 설정하는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 바 형상의 굽힘 부재(2)는 상기 샘플의 표면과 물리적으로 접촉하는 적어도 표면 영역에서 볼록하게 만곡되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 바 형상의 굽힘 부재(2)는 상기 각각의 플랜지(3)에 견고하게 연결되며 중공 실린더가 회전 가능하게 배치되는 샤프트를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    변형되지 않은 샘플(1)의 길이 방향 축 방향에 평행하도록 정렬된 축 방향에서 상기 샘플(1)이 이탈(wandering)하는 것을 방지하는 멈춤쇠(detent, 4)는 상기 장치의 적어도 일측에 존재하는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 회전식 구동 장치는 자기 저항 또는 영구 자석 스테퍼 모터(reluctance or permanent-magnet stepper motors), 하이브리드 스테퍼 모터(hybrid stepper motors) 또는 기어 모터(gear motors)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    4개의 바 형상의 굽힘 부재(2)는 각각 상기 플랜지(3)에 부착되고, 샘플(1)이 한 쌍을 이루는 2개의 굽힘 부재(2) 사이에 도입 가능하도록 서로 배치되며,
    하나의 플랜지(3)에 결합하여 고정된 두 쌍의 굽힘 부재(2)는 상기 회전 축으로부터 간격을 두고 상기 각각의 플랜지(3)의 상기 회전 축의 반대 측에 배치되며, 한 쌍의 굽힘 부재(2)는 상기 샘플(1)의 두 개의 대향 표면상에 배치되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    2개의 바 형상의 굽힘 부재(2)는 상기 플랜지(3)에 부착되며, 상기 플랜지(3)의 상기 회전 축(3)이 상기 굽힘 부재(2)의 연결 라인에 놓이지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 슬래브 형상 또는 빔 형상 샘플(1)의 굽힘 테스트를 위한 장치.
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