Einleitung
Das Wort „Rheologie” setzt sich aus den beiden griechischen Begriffen „rheos” (fließen) und „-logie” (Wissenschaft) zusammen. Es geht darum, das Fließ- und Verformungsverhalten von Materialien unter bestimmten Bedingungen (Temperatur, Scherrate, …) zu untersuchen. Für die meisten Materialien hängen diese Eigenschaften stark von der Geschwindigkeit des Prozesses ab. Zum Beispiel sind Polymere in der Regel scherverdünnend, d.h., ihr Scherviskosität, oder Widerstand zum Fließen, nimmt mit steigender Scherrate ab. Im Gegensatz dazu verhalten sich manche Stoffe scherverdickend. Ein klassisches Beispiel aus der Küche ist die Stärke-Wasser- Suspension. Bei langsamer Bewegung lässt sie sich mischen, ein schnellerer Schlag führt zu einer starken Erhöhung der Scherviskosität, und die Dispersion wird hart.
Aufgrund dieser starken Abhängigkeit der Scherrate auf die rheologischen Eigenschaften ist eine Charakterisierung unter prozessnahen Bedingungen entscheidend. Zwei Messmethoden stehen zur Verfügung. Während das Kapillarrheometer Rosand die Bedingungen von schnellen Prozessen wie Spritzguss erfasst, ist das Rotationsrheometer Kinexus für Anwendungen mit langsameren Scherraten geeignet, wie das Fließen von Ketchup aus der Flasche und sein Strukturaufbau auf dem Teller.
Das Rotationsrheometer Kinexus verfügt für diese Messungen auch über einen empfindlichen Normalkraftsensor mit einer hohen Kraftauflösung, mit welchem die Kraft in vertikaler Richtung gemessen werden kann. Dies, kombiniert mit hoher Wegauflösung und hoher Datenrate, ermöglicht die Quantifizierung von sensorischer Wahrnehmung zusätzlich zu den klassischen rheologischen Untersuchungen. Zum Beispiel kann das Kinexus verwendet werden, um die Bewegungen der Zunge gegen den Gaumen beim Schmelzen von Schokolade im Mund zu simulieren (siehe hier für mehr Informationen).
Im Folgenden wird die Normalkraftregelung des Kinexus verwendet, um das haptische Verhalten einer Folientastatur zu quantifizieren.
Aufgabenstellung und Ziel
Für eine Produktneuentwicklung soll eine neue Folientastatur eingesetzt werden, deren Druckknopfschalter das gleiche taktile Feedback wie die Schalter der Serien- Folientastatur auf bisherigen Produkten besitzen. Dazu wird die Auslösekraft der Serien-Folientastatur mit dem Kinexus-Rotationsrheometer ermittelt und diese als Maß für die neue Folien-Tastatur vorgegeben.
Prüfkörper und Messmethode
Die Messungen wurden an den vier Schaltern der in der Abbildung 1 dargestellten Folientastatur durchgeführt. Entsprechend ihres Symbols sind die Schalter in Tabelle 1 benannt.
Tabelle 1: Bezeichnung der vier Schalter
| Bezeichnung | Symbol |
|---|---|
| Schalter 1 | Pfeil |
| Schalter 2 | Sonne |
| Schalter 3 | Linien |
| Schalter 4 | Standby |
Die Folientastatur wurde für die Prüfung in zwei Teile gesägt, um ein Verkippen während des Versuchs zu vermeiden. Zudem wurde der Flexleiter entfernt. Die präparierte Folientastatur wurde auf die untere Messplatte des Kinexus Rotationsrheometers gelegt (siehe Abbildung 2).
In der werkeigenen Prototyping-Abteilung für mechanische Fertigung wurde eine 8 mm Platten-Einmalgeometrie aus Aluminium auf 5,4 mm abgedreht (siehe Abbildung 3). Dies soll sicherstellen, dass ausschließlich der Schalter gemessen wird.
Die obere Messgeometrie wurde nahe an die Tastatur herangefahren. Anschließend wurde die Tastatur so ausgerichtet, dass die Messgeometrie über einem Druckknopfschalter liegt (siehe Abbildung 4).
Pro Schalter wurden drei Messungen durchgeführt. Dafür wird eine Vorkraft (Kompression) aufgebracht. An diesem Punkt wird der Wert für den Weg auf Null gesetzt. Anschließend wird ein Maximalkraftwert definiert, bei welchem der Versuch von der Mess- und Auswertesoftware rSpace beendet wird. Nach Erreichen der Vorkraft fährt das Messsystem mit einer Geschwindigkeit von 0,01 mm/s in Richtung Folientastatur, bis die Maximalkraft erreicht wird.
In der Abbildung 5 ist exemplarisch das entstehende Kraft-Weg-Diagramm dargestellt. Die Auslösekraft zeigt sich als lokales Maximum. Nach Überschreiten der Auslösekraft wird für das Eindrücken des Knopfes weniger Kraft benötigt, bis dieser auf Anschlag durchgedrückt ist und die Kraft anschließend linear bis zum Erreichen des Kraftabschaltwerts steigt.
Ergebnisse
Abbildung 6 zeigt die Kraft-Weg-Diagramme für die drei Druckknopfschalter. Auf der Ordinate ist die Kraft, auf der Abszisse der Weg dargestellt. Die drei jeweils in verschiedenen Farben dargestellten Kurven je Plot visualisieren die drei Versuche pro Schalter.
Abbildung 7 zeigt die Messergebnisse der Laboruntersuchung. Dargestellt ist auf der Ordinate die Auslösekraft und auf der Abszisse die Druckknopfschalter. Zu erkennen ist somit die Auswertung der lokalen Maxima auf Abbildung 6.
Ein weiterer Versuch mit erhöhter Prüfgeschwindigkeit wurde durchgeführt, um sicherzustellen, dass keine große Abweichung aufgrund der Prüfgeschwindigkeit existiert (siehe Abbildung 8). Hier ergaben sich jedoch keine Unterschiede in der Auslösekraft. Die Unterschiede im Kraftverlauf nach der Auslösekraft sind im Bereich der Reproduzierbarkeit (siehe auch Abbildung 6).
Im Nachgang wurden alternative Tastaturen untersucht. Es zeigen sich Abweichungen in Kraftverlauf und Auslösekräften, wie in Abbildung 9 exemplarisch an einer Alternative gezeigt.
Zusammenfassung
Dank seiner empfindlichen Normalkraftregelung und hoher Datenrate wurde das Rotationsrheometer Kinexus verwendet, um das haptische Verhalten von vier Druckknopfschaltern einer Folientastatur zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigen, dass die Auslösekraft reproduzierbar gemessen werden kann. Dadurch ist es möglich eine Vorgabe für das taktile Feedback zu bestimmen und mit Alternativen zu vergleichen.
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Zusätzlich zu dem Kinexus Rotationsrheometer arbeitet WIKA mit dem DMA 303 Eplexor® und dem TMA 402 F3 Hyperion®. Beide Methoden werden unter anderem dafür verwendet, Einsatztemperaturen von Polymerwerkstoffen zu ermitteln und technische Datenblätter für Simulationen zu ergänzen.