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Anlage zur Eingabe vom 3.10.1977
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Pat/12 .65l/vF-Hx.
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Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Biegesteifigkeit von
biegsamen Flächengebilden.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung
der Biegesteifigkeit von biegsamen Flächengebilden, insbesondere von Karton und
Pappe.
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Der Begriff biegsame Flächengebilde umfaßt in seinem weiten Rahmen
von der Blech- oder Kunststofftafel über Pappe und garton bis hin zum Papier eine
Vielzahl von Materialien, bei denen die Biegesteifigkeit eine erhebliche Rolle zur
Beurteilung des Materials spielt. Die wesentlichste Bedeutung - aufgrund des großen
Anwendungsbereiches - liegt bei den Materialien jedoch auf dem Gebiete des Kartons,
der im allgemeinen als ein ein- oder mehrschichtiges Material, das durch Zusammengautschen
oder Laminieren entsteht, definiert wird. Er weist ein Flächengewicht von im unteren
Grenzbereich 150 9 im oberen Grenzbereich 600 g/m2 auf. Die Grenzbereiche schlie3en
dabei auf der einen Seite das Papier und auf der anderen eire die Pappe ein. Zur
Vereinfachung und Erleichterung des Versr.sdnisses wird deshalb die Erfindung nachstehenä
an Hand des Beispiels Karton, insbesondere Faltschachtelkarton, abgehandelt, ohne
sie jedoch darauf zu beschranken.
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Eine f¼r den Vera@beiter von Karton sehr wichtige Eigenschaft ist
sein2 bteifigReit, nach der er die Einsatzmöglichkeiten dieses Kartons für Faltschachteln
beurteilt. Trotz zahlreicher Untersuchungen iber die Zusammenhänge zwischen ?4a2:größen
und Verarbeitungs- bzw. Gebrauchseigenschaften von Karton bleibt es bis heute schwierig,
die Eignung eines Kartons für einen bestimmten Anwendungszweck genügend genau vorherzusagen.
Das liegt zum Teil an den je nach Verwendung sehr unterschiedlichen Anforderungen
an den Karton, zum anderen aber auch daran, daß die Charakterisierung eines Kartons
durch lediglich eine Meßgröße nicht ausreicht und selbst der Begriff der Steifigkeit
mehrdeutig sein kann, in Abhängigkeit von den Meßbedingungen und/ oder Berechnungen,
unter denen die Prüfung durchgeführt wurde.
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Einige bekannte Verfahren beruhen auf der Durchbiegung einer balkenförmigen
Probe bei unterschiedlicher Belastung. Aus den Forderungen der mathematischen Elastizitätstheorie
werden die Biegebeanspruchungen einer balkenförmigen Probe bei der Zweipunktbelastung,
bei der Dreipunkbbelastung und bei der Vierpunktbelastung abgeleitet. Daraus ergibt
sich, daß zur Bestimmung der Biegesteifigkeit herkömmlicher Art die Biegekraft und
die zugehörige Dur^hbiegung den elastischen Bereich der Probe nicht überschreiten
surfen. Andere Verfahren biegen weit über den elastischen Bereich hinaus, wie er
im DTN-Blatt 53 121 festgelegt ist.Ein weiterer bekannter Vorschlag geht vom Falten
aus und zieht aus der Rückfederung des T4aterials Schlüsse auf seine Elastizitat.
Allen diesen Verfahren ist gemeinsam, daß lediglich ein Wert zur Kennzeichnung der
Biegesteifigke-t von Karton ermittelt wird, wobei dieser Wert je nach Meßmethode
aus dem elastischen oder dem überelastischen Bereich gewählt ist und sich in verschiedenen
Fallen nicht in einen Wert, der nach einer anderen meßmethode erhalten wurde, umrechnen
läßt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, die es ermöglicht, mit einfachen Mitteln eine Vielzahl von Meßpunkten,
sowohl im elastischen als auch im iiberelastischen Bereich ZU erfassen, so ein
vollstndiges
Bild von Biegeverhalten eines Kartons zu gewinnen und damit sowohl dem Kartonhersteller
als auch dem Verarbeiter eine Vielzahl von Werten zur Beurteilung dieses Kartons
und damit seiner Einsatzfahigkeit an die Hand zu geben.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Biegesteifigkeit
von biegsamen Flächengebilden, insbesondere von Karton und Pappe mit dem kennzeichnenden
Merkmal, daß ein rechteckiges Stück des zu prüfenden biegsamen Flächengebildes an
zwei sich gegenüberliegenden Seiten erfaßt, bis zu einem Winkel von annähernd 180
Grad kontinuierlich zusammengebogen und das dafür aufzuwendende Biegemoment gemessen
wird. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Messung des
aufzuwendenden Biegemomentes dabei kontinuierlich.
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Gemäß der Erfindung wird ein Biegemoment gemessen, d.h. daß der Hebel
arm und die Kraft in das Meßergebnis eingehen. Dadurch, daß die Biegung kontinuierlich
erfolgt, sind sowohl Messungen im elastischen Bereich als auch im überelastischen
Bereich des Kartons möglich. Es ist also möglich, bei beliebigem Biegewinkel die
Messung des Biegemomentes vorzunehmen und daraus Schlüsse auf das Verhalten des
Materials bei der Verarbeitung zu ziehen, die aus einem einzelnen Meßwert nicht
abzuleiten wären.
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Besonders vorteilhafte Ergebnisse erhält man, wenn das Biegemoment
drehwinkelabhängig registriert wird, insbesondere dann, wenn auch die Messung kontinuierlich
erfolgt. Aus dem dadurch erhaltenen oder aus den Werten zu erstellenden Diagramm
ist es möglich, den elastischen Bereich mit den ihm zugeordneten relativ kleinen
Biegewinkeln exakt zu definieren, das maximale Biegemoment, das als Bruchmoment
bezeichnet wird, anzugeben und auch Aussagen über das eventuell nach einem Bruch
auftretende Restmoment zu machen, das bei großen Biegewinkeln aufg tritt und bei
üblichen Faltschachtelk&rtons im Bereich eines
Winkels on ca.
135 Grad zu einer relativ konstanten Größe wird.
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Gleichzeitig ergibt sich der Bruchwinkel als der zum maximalen Biegemoment
gehörige Winkel. Es wird dadurch ein vollständiges Bild vom Biegeverhalten eines
Kartons gewonnen, d.h. daß die Kenntnis des Verlaufs einer Biegemoment-Biegewinkelkurve
nicht nur mehr, sondern auch völlig neue Aufschlüsse über das Verhalten des Kartons
bei der Biegung liefert. So können aufgrund solcher Kurven zwei Kartons völlig unterschiedlich
beurteilt werden, je nach dem, welches Beurteilungekriterlum herangezogen wird,
weil z.B. ein Karton, der oft gefaltet werden mund, ganz andere Eigenschaften im
elastischen und im überelastischen Bereich aufweisen muß als ein Karton,der im wesentlichen
nur auf Stauchdruck beansprucht wird.
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Jedes Material setzt einer Biegung einen gewissen Widerstand entgegen,
paßt sich dann aber unter Verformung den auftretenden Bedingungen an, wobei mit
der Verformung eine Veränderung der Struktur im Inneren des Materials Hand in Hand
geht. Diese Strukturänderung erfolgt nicht schlagartig, sondern fließend, beruht
auf einer Änderung der Bindung der einzelnen Fasern im Gefüge zueinander und benötigt
damit eine bestimmte Zeit. Je langsamer also die Biegung vorgenommen wird, desto
mehr Zeit steht zur Verformung zur Verfügung und desto geringer ist das aufzuwendende
Biegemoment. Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt
deshalb die Biegung mit einer Winkelgeschwindigkeit von l/lo Grad/Sek. bis lo Grad/Sek.
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Es ist dadurch möglich, im wirtschaftlichen Umfang das Verhalten des
Kartons bei unterschiedlichen Biegegeschwindigkeiten zu beurteilen und damit weitere
Rückschlüsse auf seine Bearbeitbarkeit zu ziehen. Als besonders zweckmäßig für die
Praxis hat sich dabei der Bereich von 1/3 bis 1 Grad/Sek. erwiesen. In den Bereichen
oberhalb, bzw. unterhalb der angegebenen Grenzen treten keine wesentlichen Abweichungen
des Biegemomentes auf, d.h.
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daß eine Erhöhung oder eine Verlangsamung der Winkelgeschwindigkeit
keine Vorteile mich sich bringt.
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sinne Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet
durch zwei auf einer Drehachse konzentrisch angeordnete Drehteller, die mit je einer
Klemmbacke zum Einspannen des Prüfstreifens Sstückt sind, einem Antrieb fir den
einen der Teller und einem dem anderen Teller zugeordneten Kraftaufnehmer.
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Das Biegen des Prüfstreifens erfolgt dabei durch Drehen des dem Antrieb
zugeordneten Tellers, wodurch der Prüfstreifen um eine in seiner Mitte gedachte
Wachse gebogen wird. Er wird damit im Bereich seiner Mittellinie auf Biegung beansprucht,
nicht jedoch im Bereich der glemmbacken. Eine Knickung bzw.
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ein Bruch des Prüfstreifens tritt also in der Mitte und nicht im Bereich
er Klemmbacken auf. Es kommt damit nicht zu einer Verfälschung des Meßergebnisses
durch die Klemmbacken.
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Die konzentrische Zuordnung der Drehteller zueinander, bei der ein
Drehteller zweckmäßig direkt auf dem Antriebsaggregat befestigt ist, so daß zwischen
Antriebsaggregat und Drehteller keine Reibung auftritt, wohingegen der andere in
einem Gehause gelagert ist, ermöglicht eine sehr gedrangte Bauweise des Aggregates
und erhöht durch Ausscheidung der Reibung zwischen Antriebsteller und Antriebsaggregat
ganz wesentlich die Genauigkeit der Messung. Desweiteren ergibt sich durch Wegfall
von Ubertragungselementen eine Materialeinsparung und damit eine Verbilligung des
Aggregates.
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Der mit dem Antrieb versehene Drehteller ist gemäß einer bevorzugten
Ausgestaltung der Erfindung reibungsarm gelagert, d.h.
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er ruht in einem Präzisionskugellager. Diese reibungsarme Lagerung
ist von wesentlicher Bedeutung für das Meßaggregat, da an diesem Drehteller ein
Kraftaufnehmer angreift, der in einfachster Ausführung aus einer Federwaage bestehen
könnte.
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Jede durch die Lagerung dieses Tellers auftretende Reibung wirde damit
die Kraftmessung mittels dieser Federwaage oder einer statt dieser eingesetzten
Meßdose verfälschen, auch wenn nur kleine Wege zurückgelegt werden.
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Um die Gefahr der Beeinträchtigung des Meßergebnisses durch die Reibung
noch weiter herunterzusetzen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung
vor, daß der Kraftaufnehmer ein quasi weglos arbeitendes Aggregat ist, insbesondere
ein quasi wegloser mechanischelektrischer Wandler. Dabei kann ein Aggregat gemäß
US-Pat. 3 842 385 eingesetzt werden, das unter dem Warenzeichen 'Unimeasure /80'
im Handel ist und bei dem durch Druckbelastung der elektrische Widerstand linear
geändert wird. Der unter Druck in diesem Aggregat von einem Stößel zurückgelegte
Weg ist minimal und entspricht, bezogen auf die Bewegung des Drehtellers der Prüfvorrichtung,nur
dem Bruchteil eines Grades bei maximaler Belastung. Der Drehteller steht damit praktisch
still, so daß auch eine Beeinträchtigung durch Reibung nicht auftreten kann, bzw.
vernachlässigbar klein ist.
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Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor,
daß der Kraftaufnehmer unendliche Auflösung besitzt.
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Unendliche Auflösung heißt: daß nicht stufenweise Meßwerte von ihm
ableitbar sind, sondern jeder beliebige Zwischenwert abgelesen oder aufgezeichnet
werden kann. Es entfällt damit die Problematik der Erfassung eines Meßpunktes, der
im Grenzbereich zwischen zwei Meßbereicheg iegt, d.h. daß die Aussage über diesen
Punkt stets genau und ohne umständliches Umschalten der Meßvorrichtung erhalten
werden kann.
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Zweckmäßig ist dem Kraftaufnehmer ein Schreiber zugeordnet, so daß
Kurven aufgezeichnet werden, da Kurven im allgemeinen die einfachere und schrellere
Übersicht geben. Hingegen ist es Jedoch auch möglich, statt des Schreibers einen
Drucker anzuschließen, der entsprechende Zahlenkolonnen auswirft.
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Der Antrieb des angetriebenen Drehtellers erfolgt zweckmaBig durch
einen Synchronmotor, da Synchronmotore im wesentlichen unabhängig von Spannungsschwankungen
über einen hohen Gleichlauf verfügen. Durch Einsatz des Synchronmotors ist damit
gewährleistet, daß der Antrieb und damit die Biegung mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit
erfolgt. Soll diese Winkelgeschwindigkeit
geändert werden, so
ist im Falle des Synchronmotors ein Getriebe erforderlich. Die PrüfvorrichtunOen,
bei denen häufiger die Winkelgeschwindigkeit geändert werden muß und das womöglich
in relativ kurzen Zeiträumen, d.h. von einer Messung zur anderen, wird gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung deshalb mit einem Schrittschaltmotor ausgerüstet.
Der Schrittschaltmotor verfügt aufgrund seiner gonstruktion zwar nicht über einen
kontinuierlichen Lauf, mit dem ein Synchronmotor läuft, ergibt aber, insbesondere
wenn eine hohe Schrittzahl gewählt wird, eine für diese Prüfzwecke voll ausreichende
Kontinuität, gleichzeitig aber die Möglichkeit einer weitgehenden Drehzahlregulierung.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß
die Motoren ein mindestens 50 % über dem maximalen Biegemoment der Proben liegendes
Drehmoment aufweisen. Durch diese Dimensionierung der Motoren ist gewährleistet,
daß kein Abfall der Drehzahl durch hohe Motorbelastung erfolgt, somit zwischen Proben,
die nur eine geringe Biegekraft erfordern und solchen die eine hohe Biegekraft erfordern,
während der Prüfung die Drehzahlen und damit die Prüfbedingungen identisch sind,
so daß die erhaltenen Werte verglichen werden können.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Skizzen beschrieben: Die
Fig. 1 zeigt die Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, Fig. 2 eine Seitenansicht
im Schnitt und Fig. 3 ein Detail aus der Draufsicht.
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Der Prüfstreifen 1 weist eine Länge von ca. 30 mm auf und wird in
die einander gegenüberliegenden Klemmbacken 2 und 3 eingelegt und mittels der Spannschrauben
15 festgezogen. Die freie Probenlänge lo betragt 20 mm, der Abstand von der Drehachse
9 je lo mm.
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Da ein eventueller Bruch des Kartons im Bereich der Drehachse 9 auftreten
muß, jedoch in Abhängigkeit von der prüfenden Kartonsorte nicht loo %-ig auf dieser
Achse erfolgt, kommt der Größe
der freien Probenlänge lo einige
Bedeutung zu, um das Meßergebnis nicht zu verfalschen.
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Die Klemmbacke 2 ist starr mit dem Meßdrehteller 5 verbunden, der
iiber das Kugellager 6 Im Gehäuse 13 gelagert ist. Der Meßdrehteller 5 weist einen
Anschlag 14 auf, der punktförmig mit dem Fühler 17 des mech. elektrischen Wandlers
16 in Eingriff steht. Der Antriebsdrehteller !!- ist über die Kupplung 7 mit dem
Schrittschaltmotor 8 starr verbunden und wird durch diesen angetrieben. Die Klemmbacke
3 ist starr auf dem Antriebsdrehteller 4 montiert. Wird der Schrittschaltmotor 8
eingeschaltet, so dreht er über die Kupplung 7 den Antriebsdrehteller 4 im Gegenzeigersinn.
Der Meßdrehteller 5 wird auf Grund derßteifigkeit des in die Klemmbacken 2 und 3
eingespannten Prüfstreifens 1 mit seinem Anschlag 14 gegen den Fühler 17 des mech.
elektrischen Wandlers 16 gedrückt, indem sich aufgrund dieses Andruckes der Widerstand
verändert. Diese Widerstandsänderung kann über die Meßleitung 18, die mit einem
nicht dargestellten S>hreibet oder Ohmmeter verbunden ist, abgelesen, bzw. aufgezeichnet
werden. Mit zunehmender Bewegung des Antriebsdrehtellers 4 erfolgt eine Durchbiegung
des Prüfstreifens 1, wobei die zunächst parallel zueinander stehenden Stirnflächen
19 der Klemmbacken 2, 3 zueinander in eine Winkel stellung geraten und damit den
Biegewinkel 11 bilden. Denkt man sich die Stirnflächen 19 der Klemmbacken 2, 3 nach
innen um eine Linie verlängert, so ergibt sich im Schnittpunkt beider Rtaden der
Angriffspunkt des Biegeradius 12. Durch weitere Drehung des Antriebsdrehtellers
4 verkleinert sich der Biegeradius 12 kontinuierlich, gleichzeitig vergrößert sich
der Biegewinkel 11. Ist der Antriebsdrehteller 4 um 9o Grad gedreht, so beträgt
auch der Biegewinkel 11 9o Grad und der Biegeradius 12 ist erheblich kleiner geworden.
Damit ist das Biegemoment, das durch den Anschlag 14 auf den Fühler 17 übertragen
wird, gestiegen. Dieses Ansteigen des Biegemomentes erfolgt bis zum Bruch des Prüfstreifens
1, danach fällt das Moment ab, wobei der Abfall je nach Kartonsorte mehr oder weniger
steil sein kann und sich im Anschluß daran ein Restmoment einstellt.
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