Inleiding
Het woord "reologie" is samengesteld uit de twee Griekse stammen "rheos" (stromen) en "-logy" (wetenschap). Het verwijst naar de studie van het vloei- en vervormingsgedrag van materialen onder bepaalde omstandigheden (temperatuur, afschuifsnelheid, enz.). Voor de meeste materialen zijn deze eigenschappen sterk afhankelijk van de snelheid van het proces. Over het algemeen zijn polymeren bijvoorbeeld afschuifverdunnend; dat wil zeggen dat hun afschuifviscositeit, of weerstand tegen vloeien, afneemt met toenemende afschuifsnelheid. Sommige materialen vertonen daarentegen afschuifverdikkend gedrag. Een classic voorbeeld uit de keuken is een zetmeel- watersuspensie. Met een langzame beweging kan het gemengd worden; een snellere slag leidt tot een sterke toename van de afschuifviscositeit en de dispersie wordt hard.
Vanwege deze sterke afhankelijkheid van de afschuifsnelheid van de reologische eigenschappen, moet de karakterisering worden uitgevoerd onder procesgerichte omstandigheden om doorslaggevend te zijn. Er zijn twee meetmethoden beschikbaar. Terwijl de Rosand capillaire reometer de omstandigheden van snelle processen zoals spuitgieten vastlegt, is de Kinexus rotationele reometer geschikt voor toepassingen met een lagere afschuifsnelheid, zoals het stromen van ketchup uit de fles en de structurele opbouw ervan op de plaat.
De Kinexus rotationele reometer heeft voor deze metingen ook een gevoelige normaalkrachtsensor met hoge krachtresolutie, waarmee de kracht in verticale richting kan worden gemeten. Dit, gecombineerd met een hoge verplaatsingsresolutie en een hoge datasnelheid, maakt het mogelijk om naast het klassieke reologische onderzoek ook de zintuiglijke waarneming te kwantificeren. De Kinexus kan bijvoorbeeld worden gebruikt om de bewegingen van de tong tegen het gehemelte te simuleren wanneer chocolade in de mond smelt (zie hier voor meer informatie).
Hierna wordt de normaalkrachtregeling van de Kinexus gebruikt om het haptische gedrag van een toetsenbord van plastic folie te kwantificeren.
Taak en doelstelling
Voor een nieuw productontwikkelingsproject is het de bedoeling een nieuw toetsenbord van kunststof folie te gebruiken. De drukknopschakelaar moet dezelfde tactiele feedback geven als de schakelaars van het seriële toetsenbord van kunststof folie op eerdere producten. Om dit te bereiken wordt de uitschakelkracht van het seriële folietoetsenbord bepaald met behulp van de Kinexus rotatierheometer en dit wordt gespecificeerd als de metriek voor het nieuwe folietoetsenbord.
Monsters en meetmethoden
De metingen werden uitgevoerd op de vier schakelaars van het toetsenbord van kunststof folie dat is afgebeeld in figuur 1. De schakelaars worden in tabel 1 genoemd in overeenstemming met hun symbolen.
Tabel 1: Benaming van de vier schakelaars
| Benaming | Symbool |
|---|---|
| Schakelaar 1 | Pijl |
| Schakelaar 2 | Zon |
| Schakelaar 3 | Lijnen |
| Schakelaar 4 | Stand-by |
Het toetsenbord van plastic folie werd voor de test in twee delen gezaagd om kantelen tijdens het onderzoek te voorkomen. Bovendien werd de flexkabel verwijderd. Het geprepareerde plastic folietoetsenbord werd op de onderste meetplaat van de Kinexus rotatierheometer gelegd (zie figuur 2).
In de on-site Prototyping-afdeling voor mechanische fabricage werd een 8 mm geometrische plaat voor eenmalig gebruik van aluminium 5,4 mm gedraaid (zie afbeelding 3). Dit was bedoeld om ervoor te zorgen dat alleen de schakelaar werd gemeten.
De bovenste meetgeometrie werd tot aan het toetsenbord gereden. Daarna werd het toetsenbord zo georiënteerd dat de meetgeometrie zich boven een drukknopschakelaar bevond (zie figuur 4).
Per schakelaar werden drie metingen uitgevoerd. Hiervoor werd een inleidende kracht (compressie) uitgeoefend. Op dit punt wordt de waarde voor de verplaatsing op nul gezet. Daarna wordt een maximale krachtwaarde gedefinieerd waarbij de test wordt beëindigd door de meet- en evaluatiesoftware, rSpace. Na het bereiken van de voorlopige kracht rijdt het meetsysteem met een snelheid van 0,01 mm/s in de richting van het toetsenbord van de plastic folie totdat de maximale kracht is bereikt.
In figuur 5 wordt als voorbeeld het resulterende last-verplaatsingsdiagram weergegeven. De uitschakelkracht verschijnt als een lokaal maximum. Na het overschrijden van de uitschakelkracht is er minder kracht nodig om de knop in te drukken, totdat deze bij het indrukken wordt doorgedrukt; de kracht neemt daarna lineair toe totdat de uitschakelkrachtwaarde wordt bereikt.
Meetresultaten
Figuur 6 toont het last-verplaatsingsdiagram voor de drie drukknopschakelaars. Op de y-as staat de kracht en op de x-as de verplaatsing. De drie curven in andere kleuren voor elk diagram geven de drie tests per schakelaar weer.
Figuur 7 toont de meetresultaten van de laboratoriumtest. Op de y-as wordt de uitschakelkracht getoond. De x-as toont de respectieve drukknopschakelaars. In figuur 6 wordt de evaluatie van de lokale maxima weergegeven.
Er werd nog een test uitgevoerd met een verhoogde testsnelheid om er zeker van te zijn dat er geen large afwijking bestaat als gevolg van de testsnelheid (zie figuur 8). Hier waren er echter geen verschillen in de struikelkracht. De verschillen in krachtverloop liggen binnen het reproduceerbaarheidsbereik (zie ook figuur 6).
Daarnaast werden alternatieve toetsenborden getest. Er zijn afwijkingen te zien in het krachtverloop en de struikelkrachten, zoals te zien is in figuur 9 met een alternatief voorbeeld.
Samenvatting
Dankzij de gevoelige normaalkrachtregeling en de hoge datasnelheid werd de Kinexus rotationele reometer gebruikt om het haptische gedrag van vier drukknopschakelaars van een toetsenbord van plastic folie te bepalen. De resultaten tonen aan dat de struikelkracht reproduceerbaar gemeten kan worden. Hierdoor kan een standaard voor tactiele feedback worden bepaald en vergeleken met alternatieven.
Precisie, innovatie, vertrouwen - Meettechniek van WIKA
Al meer dan 75 jaar staat WIKA voor precisie en innovatie in meettechnologie. Als wereldwijd toonaangevende partner biedt WIKA oplossingen voor druk-, temperatuur-, kracht-, niveau- en debietmetingen, evenals kalibratie en SF6-gasmanagement.
Met ongeveer 11.200 werknemers wereldwijd ontwikkelt WIKA toepassingsspecifieke oplossingen in samenwerking met universiteiten en industriële bedrijven. Haar producten en systemen combineren betrouwbaarheid met state-of-the-art technologie - voor de vooruitgang van haar klanten en partners.
Naast de Kinexus rotatie reometer, werkt WIKA met de DMA 303 Eplexor®® en de TMA 402 F3 Hyperion®®. Beide methoden worden gebruikt om de bedrijfstemperaturen van polymeren en materialen te bepalen en om technische gegevensbladen voor simulatie aan te vullen.