DE102006037742B4

DE102006037742B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Explosionsumformen

Info

Publication number: DE102006037742B4
Application number: DE102006037742A
Authority: DE
Inventors: Andreas Stranz; Alexander Zak
Original assignee: Cosma Engineering Europe AG
Current assignee: Cosma Engineering Europe AG
Priority date: 2006-08-11
Filing date: 2006-08-11
Publication date: 2010-12-09
Anticipated expiration: 2026-08-12
Also published as: US20100207287A1; CN101516543A; US8252210B2; DE102006037742A1; EP2049281B1; ATE452715T1; CA2660714A1; DE502007002440D1; WO2008017332A1; EP2049281A1; KR20090037936A

Abstract

Verfahren zum Explosionsumformen von Werkstücken, wobei wenigstens ein Werkstück (18) in wenigstens einem Werkzeug (2) angeordnet wird und dort mit Hilfe eines zu zündenden Explosionsmittels (7) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (7) mit Hilfe wenigstens eines Energiestrahls (12) beabstandet zu dem Werkstück, in einem Zündrohr (5) gezündet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Explosionsumformen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 11.
Beim Explosionsumformen wird ein Werkstück in einem Werkzeug angeordnet und durch Zünden eines explosiven Stoffes, z. B. eines Gasgemisches, umgeformt. In der Regel wird der explosive Stoff in das Werkzeug eingeleitet und auch hier gezündet. Dabei stellen sich zwei Probleme. Zum einen muss das Werkzeug bzw. der Zündmechanismus dazu geeignet sein, die Explosion gezielt auszulösen und den bei der Explosion auftretenden hohen Belastungen standzuhalten, zum anderen sollen wiederholbar gute Umformergebnisse in möglichst kurzen Rüstzeiten erzielt werden.
Bei einem aus der EP 0 830 907 A2 bekannten Verfahren zum Verformen von Hohlkörpern, wie z. B. Dosen, wird der Hohlkörper in ein Werkzeug eingelegt und die obere Öffnung des Hohlkörpers mit einem Stopfen verschlossen. Über eine Leitung in dem Stopfen wird ein explosives Gas in den Hohlraum eingeleitet, welches anschließend über eine in dem Stopfen angeordnete Zündkerze gezündet wird.
Bei einem in der US 3 342 048 beschriebenen Verfahren wird ein zu verformendes Werkstück ebenfalls in einem Werkzeug angeordnet und mit einem explosiven Gasgemisch gefüllt. Die Zündung erfolgt hier mittels Knallquecksilber und einem Heiz- bzw. Glühdraht. Beide Verfahren eignen sich insbesondere für die Einzelteilfertigung und konnten sich in der Praxis nicht für die Massenproduktion durchsetzen.
Auch die aus der DE 29 08 561 A1 und der DD 217 154 A1 bekannten Verfahren zum Explosionsumformen konnten sich für die Serienfertigung in der Praxis nicht durchsetzen. In beiden Verfahren wird, nachdem das zu verformende Werkstück in ein Umformwerkzeug eingebracht wurde, eine Sprengladung bzw. Sprengstoff in dem Werkzeug platziert und dort gezündet. Durch die Zündung des Sprengstoffs mittels Laserstrahl oder, in der DD 217 154 A1 alternativ auch durch Fernzündung, entsteht im Inneren des Werkstücks eine Explosion, welche eine schlagartige Druckerhöhung im Inneren des Werkstücks bewirkt und dieses allseitig aufdehnt und an die Werkzeugkarvität anlegt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung dahingehend zu verbessern, dass ein technisch einfach handzuhabender Zündmechanismus mit geringen Rüstzeiten entsteht, welcher ein möglichst präzises Zünden des explosiven Stoffes mit zeitlich wiederholbarer Genauigkeit erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Durch die Zündung mittels eines Energiestrahls lässt sich die Explosion in dem Werkzeug gut steuern. Der Energiestrahl ist relativ präzise auf eine Zündstelle positionierbar, von welcher die Explosion ausgehen soll. Auch die dem Explosionsmittel durch den Energiestrahl zugeführte Energiemenge ist gut einstellbar. Zudem ist der Energiestrahl und somit die Explosion auch zeitlich relativ genau steuerbar. Dadurch lässt sich das Zündmittel außerhalb des Werkstücks, z. B. in einem separaten Zündrohr, zeitlich wie auch örtlich zielgenau zünden. Die dabei entstehende Detonationsfront ist also durch den Laserstrahl gezielt auslösbar und lässt sich über das Zündrohr gezielt und gerichtet in das Werkstück einleiten. Durch die oben genannten Faktoren lässt sich die Explosion und ihr Verlauf innerhalb des Werkzeugs gut steuern. So ist eine gute Vorhersagbarkeit und Wiederholgenauigkeit des Umformergebnisses möglich.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann der Energiestrahl mit Hilfe eines Lasers erzeugt werden. Ein Laserstrahl lässt sich bezüglich der zeitlichen und der örtlichen Genauigkeit gut steuern.
Günstigerweise kann der Energiestrahl von einer Energiequelle mit Hilfe einer Umlenkanordnung zu wenigstens einer Zündstelle geleitet werden. So lässt sich der Energiestrahl trotz eines eventuell ortsfesten Energiestrahlenerzeugers schnell und technisch einfach zu den gewünschten Stellen im Raum leiten.
In einer Variante der Erfindung kann der Energiestrahl von einer Energiequelle mit Hilfe einer Spiegelanordnung zu wenigstens einer Zündstelle geleitet werden. Die Spiegelanordnung eignet sich insbesondere für Energiestrahlen in Form von Laserstrahlen und bietet die oben genannten Vorteile einer Umlenkanordnung.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Explosionsmittel an mehreren Stellen der Vorrichtung gleichzeitig gezündet werden. So lassen sich z. B. mehrere Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs erzeugen. Je nachdem, an welcher Stelle sich das Explosionsmittel innerhalb des Werkzeugs befindet und an welcher Stelle es gezün det wird, kann der Verlauf der Detonationsfronten dabei den Erfordernissen des Umformprozesses angepasst werden. Alternativ können bei diesem Verfahren aber z. B. auch Explosionsmittel in mehreren Werkzeugen der Vorrichtung gleichzeitig gezündet werden. So können mehre re, auch unterschiedliche Werkstücke annähernd gleichzeitig umgeformt werden. Dies hilft die Taktzeiten zu verkürzen.
Vorteilhafterweise kann das Explosionsmittel an mehreren Stellen der Vorrichtung zeitversetzt gezündet werden. Erfolgt die zeitversetzte Zündung an einem einzelnen Werkzeug der Vorrichtung, können dadurch mehrere Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs erzeugt werden. Der zeitliche Versatz erlaubt dabei eine Abstimmung des zeitlichen Verlaufs der einzelnen Detonationsfronten innerhalb des Werkzeugs. Erfolgt die zeitlich versetzte Zündung an unterschiedlichen Werkzeugen der Vorrichtung, kann der Energiestrahl z. B. alle Werkzeuge der Vorrichtung nacheinander zünden. Dies hilft die Taktzeiten zu verkürzen, wenn sich die parallel ablaufenden Umformprozesse zeitlich überlappen.
Prinzipiell sind beliebige Kombinationen der gleichzeitigen und der zeitversetzten Zündung an einem und/oder mehreren Werkzeugen der Vorrichtung möglich. So lässt sich das Verfahren gut an unterschiedliche Produktionsanforderungen anpassen. Die Grundidee, die Ausbreitung von Detonationsfronten über eine zeitlich variierbare Zündung an einer oder mehreren Stellen des Werkzeugs zu steuern und so das Umformergebnis zu beeinflussen, wäre auch unabhängig von der Art der Zündung, ob mit Energiestrahl oder anders, realisierbar.
In einer günstigen Ausführungsform der Erfindung können mehrere Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs erzeugt werden. Dadurch und insbesondere durch die zeitliche Steuerung des Verlaufs der Detonationsfronten, kann ein gutes Umformergebnis erzielt werden.
Vorteilhafterweise kann wenigstens je eine Detonationsfront innerhalb mehrerer Werkzeuge der Vorrichtung erzeugt werden. So lässt sich die Effektivität einer Zündvorrichtung mit Energiestrahl steigern.
In einer Variante der Erfindung kann der Energiestrahl in ein Zündrohr des Werkzeugs eingeleitet werden. So kann ein Teil des Werkzeugs, nämlich das Zündrohr, an die speziellen Anforderungen des Zünd- und Explosionsvorgangs angepasst werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Energiestrahl durch ein transparentes Medium in den Explosionsraum gelangen. Dies ist technisch gut realisierbar und gewährleistet ein gutes Auftreffen des Energiestrahls auf das Explosionsmittel. Ein Energiestrahlerzeuger lässt sich so außerhalb des Werkzeugs platzieren und ist vor den direkten Auswirkungen der Explosion im Inneren des Werkzeugs weitgehend geschützt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 11.
Der Energiestrahl gewährleistet eine gute Zündung des Explosionsmittels. Er ist technisch gut erzeugbar und kann Entfernungen schnell überwinden. Dadurch kann das Explosionsmittel mit guter zeitlicher Genauigkeit gezündet werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann der Energiestrahlerzeuger einen Laser aufweisen. Der Laser stellt eine technisch einfache Möglichkeit der Energiestrahlerzeugung dar. Er bietet einen gut gebündelten und somit gut positionierbaren Energie- bzw. Laserstrahl mit einstellbarer Energiemenge.
Günstigerweise kann das Werkzeug wenigstens eine Einleitungsstelle aufweisen, welche für den Energiestrahl durchlässig ist. So kann der Energiestrahl in das Werkzeug dringen und das darin enthaltene Explosionsmittel zünden. Der Energiestrahlerzeuger ist so außerhalb des Werkzeugs anordenbar und damit weitgehend vor den direkten Auswirkungen der Explosion geschützt.
In einer Variante der Erfindung kann die Einleitungsstelle wenigstens ein transparentes Medium aufweisen. Dieses eignet sich insbesondere für Laserstrahlen. Es gewährleistet eine gute Transmission des Energiestrahls bei relativ geringem Energieverlust.
Günstigerweise kann das transparente Medium einen Glaseinsatz aufweisen. Glas ist ein günstiger und gut zu verarbeitender Werkstoff, welcher die obengenannten Vorteile bietet und ausreichend widerstandsfähig für die auftretenden Explosionskräfte ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das transparente Medium eine Dicke im Bereich von 5 bis 15 mm, vorzugsweise im Bereich von 7 bis 12 mm und insbesondere im Bereich von 9 bis 11 mm aufweisen. Diese Dicke hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen. Sie gewährleistet eine ausreichende Stabilität, um den Anforderungen durch die Explosion standzuhalten.
Bei einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann das transparente Medium einen Außendurchmesser von etwa 5 bis 15 mm, vorzugsweise 7 bis 12 mm und insbesondere von 9 bis 11 mm aufweisen. Es hat sich gezeigt, dass dieser Außendurchmesser eine ausreichend gute und schnelle Positionierung des Energiestrahls bei gleichzeitig guter Stabilität des Mediums erlaubt.
Vorteilhafterweise kann das transparente Medium linsenartig, konvex geformt sein. So lässt sich der Energiestrahl gut bündeln.
In einer Variante der Erfindung kann das transparente Medium einen etwa viereckigen Querschnitt aufweisen. Dies gewährleistet eine gute Stabilität sowie gute Transmissionseigenschaften.
Vorteilhafterweise kann das transparente Medium einen achteckigen Querschnitt aufweisen. Je nach Ausformung des Achtecks lässt sich der Energiestrahl so bündeln.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das transparente Medium eine Fassung aufweisen, welche Kupfer enthält. Es hat sich gezeigt, dass Kupferlegierungen, insbesondere Kupfer-Beryllium-Legierungen, eine ausreichend gute Stabilität und gute Dichtungseigenschaften für diesen Anwendungsfall bieten.
Günstigerweise kann das transparente Medium mit einer Dichtung in dem Werkzeug angeordnet sein, welche den Explosionsraum gegenüber der Umgebung abdichtet. So ist die Umgebung vor der Explosion und den Explosionsprodukten geschützt.
In einer Variante der Erfindung kann das Werkzeug mehrere Einleitungsstellen aufweisen. So kann das Explosionsmittel an mehreren Stellen des Werkzeugs gleichzeitig und/oder zeitversetzt gezündet werden. So können z. B. mehrere Detonationsfronten in dem Werkzeug erzeugt werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können mehrere Werkzeuge mit mindestens je einer Einleitungsstelle vorgesehen sein. Dadurch können mehrere, eventuell auch unterschiedliche Werkzeuge der Vorrichtung gleichzeitig oder zeitversetzt gezündet werden. Überlappen sich die dabei entstehenden parallelen Umformprozesse zeitlich, kann so die Effizienz der Vorrichtung erhöht werden.
Günstigerweise kann wenigstens eine Umlenkanordnung im Strahlengang des Energiestrahlenerzeugers vorgesehen sein, mittels welcher der Energiestrahl zu wenigstens einer Zündstelle lenkbar ist. Dadurch lässt sich der Energiestrahl technisch einfach, schnell und gut positionieren.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Umlenkanordnung eine Spiegelanordnung sein. Diese eignet sich insbesondere für Laserstrahlen und bietet die obengenannten Vorteile einer Umlenkanordnung.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die Umlenkanordnung wenigstens ein für den Energiestrahl teildurchlässiges Spiegelelement aufweisen. So lässt sich der Energiestrahl technisch einfach in mehrere Strahlen aufteilen.
Im Folgenden werden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
1 eine Vorrichtung zum Explosionsumformen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
2 einen Schnitt II-II durch das Werkzeug der Vorrichtung aus 1,
3a eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
3b eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
1 zeigt eine Vorrichtung zum Explosionsumformen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist ein Werkzeug 2 und einen Energiestrahlerzeuger 3 auf.
Das Werkzeug 2 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung mehrteilig und weist ein Umformmittel 4 und ein Zündrohr 5 auf. In dem Umformmittel 4 ist ein hier durch eine gepunktete Linie angedeutetes Werkstück 18 angeordnet. Im Inneren des Zündrohrs 5 ist eine Zündkammer 6 vorgesehen. In ihr befindet sich ein Explosionsmittel 7.
In dieser Ausführungsform ist als Explosionsmittel 7 ein explosives Gasgemisch, Knallgas, vorgesehen, welches über den Anschluss 8 in die Zündkammer 6 eingebracht werden kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch andere Explosionsmittel in gasförmiger, flüssiger oder fester Form zum Einsatz kommen. Der Anschluss 8 ist dann entsprechend dem jeweiligen Explosionsmittel als Gas-, Flüssigkeits- oder Feststoffanschluss ausgebildet.
Der Energiestrahlerzeuger 3 kann wahlweise einen Energiestrahl 12 erzeugen und ist in dieser Ausführungsform ein Lasergerät, welches um seine vertikale Achse 9 drehbar auf einem Fuß 10 gelagert ist. Es wird über eine Leitung 11 mit Energie versorgt und kann bei Bedarf einen Energie-, in diesem Fall einen Laserstrahl 12 erzeugen.
Die Wandung 13 des Zündrohrs 5 weist eine für den Energiestrahl 12 durchlässige Einleitungsstelle 14 auf. Im Bereich der Einleitungsstelle 14 ist ein transparentes Medium 15 vorgesehen, welches für den Energiestrahl 12 wenigstens teilweise durchlässig ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung weist das transparente Medium 15 einen Glaseinsatz 19 auf, welcher in 2 genauer dargestellt ist.
Das Lasergerät 3 ist so angeordnet, dass der Laserstrahl 12 durch das transparente Medium 15 in die Zündkammer 6 des Zündrohrs 5 dringen kann. Dadurch wird das Explosionsmittel 7 in der Zündkammer 6 gezündet.
Optional kann das Werkzeug 2 der Vorrichtung 1 auch mehrere Einleitungsstellen 14 für den Energiestrahl 12 bzw. Zündstellen aufweisen. Die Vorrichtung 1 kann, wie hier gestrichelt dargestellt ist, z. B. ein weiteres Zündrohr 5' aufweisen, welches in dieser Ausführungsform analog des ersten Zündrohrs 5 ausgebildet ist. Es weist dementsprechend auch eine mit einem Zündmittel 7 gefüllte Zündkammer 6' ein transparentes Medium 15' und einen Anschluss 8' auf.
Durch Drehen des Lasergeräts 3 um die vertikale Achse 9 kann das Lasergerät 3 aus seiner ersten Position 16, in welcher der Laserstrahl 12 in die Zündkammer 6 des ersten Zündrohrs 5 eindringt, in eine zweite Position 17 gebracht werden, in welcher der Laserstrahl 12 durch das transparente Medium 15' in die Zündkammer 6' des zweiten Zündrohrs 5' fällt, wie in 1 gestrichelt dargestellt. So kann das Zündmittel 7 in den Zündrohren 5, 5' z. B. nacheinander durch das Lasergerät 3 gezündet werden.
Das Werkstück 18 kann in diesem Fall z. B. zwischen den beiden Zündrohren 5, 5' angeordnet sein, wie in 1 durch eine gepunktete und eine gestrichelte Linie angedeutet.
2 zeigt einen Schnitt II-II durch die für den Energiestrahl 12 durchlässige Einleitungsstelle 14 des Zündrohrs 5. Die in 2 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in 1, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der 1 verwiesen wird.
Das transparente Medium 15 weist in dieser Ausführungsform der Erfindung einen runden Glaseinsatz 19 mit einem viereckigen Querschnitt auf. Der Außendurchmesser und die Dicke des Glaseinsatzes sind annähernd gleich groß. In dieser Ausführungsform beträgt der Durchmesser wie auch die Dicke des Glaseinsatzes 19 10 mm.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann dieses Verhältnis jedoch deutlich variieren. Die Abmaße des Glaseinsatzes und seine äußere Form können dem jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. So kann der Querschnitt durch den Glaskörper z. B. auch achteckig sein. Zudem kann die zündkammerseitige Fläche 20 und/oder die ihr gegenüberliegende Fläche 21 des Glaseinsatzes 19 gewölbt sein, so dass sich eine annähernd linsenartige Form des Glaseinsatzes 19 ergibt. Auch das Material des Einsatzes 19 kann je nach Anwendungsfall variieren. Wird, wie hier, ein Laser als Energiestrahlerzeuger verwendet, sind z. B. druck- und hitzebeständige aber dennoch lichtdurchlässige Kunststoffe denkbar.
Das transparente Medium 15 weist außerdem eine Fassung 22 auf, in welcher der Glaseinsatz 19 angeordnet ist. Die Fassung 22 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung gefertigt. Diese ist stabil und halt den dynamisch, schlagartig auftretenden relativ hohen Belastungen durch die Explosion gut stand. Alternativ kann die Fassung 22 jedoch auch aus einer anderen Kupferlegierung oder einem beliebigen anderen Werkstoff gefertigt werden, der den hohen Belastungen durch die Explosion standhält. Ihre Wandung 23 weist einen L-artigen Querschnitt auf. Die Innenkontur der Fassung 22 entspricht dabei in etwa den Außenabmaßen des Glaseinsatzes 19.
Das transparente Medium 15 ist mit einer Dichtung 24 in dem Zündrohr 5 angeordnet, welche die Zündkammer 6 im Inneren des Zündrohrs 5 gegenüber der Umgebung dichtet. Die Wandung 13 des Zündrohrs 5 und die Fassung 22 bilden dabei eine Presspassung.
Obwohl der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung hier anhand eines einzelnen Werkzeugs beschrieben ist, kann die Vorrichtung 1 in anderen Ausführungen der Erfindung auch mehrere Werkzeuge 2 aufweisen, wie in den 3a, 3b beispielhaft dargestellt.
Die 3a und 3b zeigen mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Werkzeugen. Die Werkzeuge 2a bis 2d entsprechen dabei dem in 1 gezeigten und beschriebenen Werkzeug 2. Die 3a und 3b zeigen lediglich unterschiedliche Möglichkeiten auf, eine derartige Vorrichtung zu realisieren. Die Erfindung ist keinesfalls auf die in diesen Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die in den 3a und 3b gezeigten Funktionsprinzipien in beliebiger Weise je nach Anwendungsfall auch miteinander kombiniert werden.
3a zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die in 3a verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den 1 und 2, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen wird. Die in 3a gezeigte Vorrichtung 1 weist mehrere Werkzeuge 2 und mehrere Energiestrahlenerzeuger bzw. Lasergeräte 3 auf. Die Ausbildung dieser Geräte entspricht der in den 1 und 2 gezeigten Ausbildung, mehrfach vorkommende, gleiche Bauteile werden daher mit dem Zusatz a, b, usw. versehen.
Die Vorrichtung 1 weist hier vier Werkzeuge 2a bis 2d und vier Lasergeräte 3a bis 3d auf. Die Werkzeuge 2a bis 2d sind in etwa auf einem hier gepunktet angedeuteten Kreis 30 angeordnet. Auch die Lasergeräte 3a bis 3d sind in etwa auf einem Kreis 31 angeordnet, der etwa konzentrisch innerhalb des Kreises 30 liegt. Die Lasergeräte 3a bis 3d sind in Relation zu den Werkzeugen 2a bis 2d so angeordnet, dass je eine der Laserstrahlen 12a bis 12d durch das transparente Medium 15 je eines der Werkzeuge 3a bis 3d in die Zündkammer 6a bis 6d dringen und dort das Explosionsmittel 7 zünden kann.
Alternativ können bei der in 3a gewählten Anordnung die beiden Lasergeräte 3a und 3b auch durch ein einziges, hier strichpunktiert dargestelltes Lasergerät ersetzt werden, welches analog 1 um seine vertikale Achse 9 drehbar gelagert ist. Durch Drehen um die Achse 9 könnte dieses Lasergerät sowohl die Position des Lasergeräts 3a als auch die Position des Lasergeräts 3b einnehmen. Gleiches gilt für die Lasergeräte 3c und 3d, welche analog ebenfalls durch ein einzelnes um die vertikale Achse 9 drehbares Lasergerät ersetzbar sind.
3b zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die in den 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in 3b, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der 1 und 2 verwiesen wird. Die in 3a gezeigte Vorrichtung 1 weist mehrere Werkzeuge 2 und Energie- bzw. Laserstrahlenerzeuger 3 auf. Die Ausbildung der einzelnen Werkzeuge 2a bis 2d und des Energiestrahlenerzeugers 3 entspricht dem in den 1 und 2 gezeigten Werkzeug 2 und Energiestrahlenerzeuger 3.
Die Vorrichtung 1 weist hier zusätzlich eine Umlenkanordnung 25 für den Energie- bzw. Laserstrahl 12 auf. In diesem Fall ist die Umlenkanordnung 25 eine Spiegelanordnung. Sie weist ein zentrales, polyederartiges Element 27 und mehrere, in diesem Fall drei, weitere Spiegelelemente 28 auf. Die Flächen des zentralen Elementes 27 weisen ebenfalls Spiegel 29 auf. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind vier Flächen des zentralen Elementes 27 mit Spiegeln 29 versehen. Wenigstens einer der Spiegel 29 kann dabei teildurchlässig für den Energie- bzw. Laserstrahl 12 sein. Hier sind drei der Spiegel 29 teildurchlässig. Ein teildurchlässiger Spiegel 29 reflektiert einen vorbestimmten Teil des auf ihn treffenden Laserlichts bzw. -strahls 12. Der restliche Teil des Laserstrahls 12 geht nahezu unverändert durch den teildurchlässigen Spiegel hindurch. So lässt sich der aus dem Lasergerät 3 emittierte Laserstrahl 12 aufspalten.
Das zentrale, polyederartige Element 27 ist um seine vertikale Achse 33 drehbar, etwa im Zentrum eines, gepunktet angedeuteten, Kreises 26 angeordnet, während die Spiegelelemente 28 in etwa auf dem Kreis 26 angeordnet sind. Auch die Spiegelelemente 28 sind um ihre jeweilige vertikale Achse 32 drehbar gelagert. Die einzelnen Teile 27, 28, 29 der Spiegelanordnung 25 sind dabei in Relation zu dem Lasergerät 3 und den Werkzeugen 2a bis 2d so angeordnet, dass der Laserstrahl 12 je nach Ausrichtung der Spiegel 28 und 29 wahlweise durch das transparente Medium 15 eines der Werkzeuge 2a bis 2d zu einer Zündstelle in der jeweiligen Zündkammer 6a bis 6d geleitet wird.
Obwohl die Umlenk- bzw. Spiegelanordnung 25 hier mit einem zentralen, polyederartigen Element 27 und mehreren Spiegelelementen 28 dargestellt und beschrieben ist, kann die Umlenkanordnung 25 in anderen Ausführungsformen der Erfindung auch völlig anders ausgebildet sein. Die Anzahl und Position der Spiegelelemente 28 kann je nach Anwendungsfall variieren. Die einzelnen Elemente 27, 28, 29 der Umlenkanordnung 25 müssen auch nicht, wie hier gezeigt, zwangsläufig auf einem bzw. innerhalb eines Kreises 26 angeordnet sein. Das zentrale Element 27, welches hier polyederartig geformt ist, kann auch eine andere z. B. scheibenartige Form aufweisen oder ganz entfallen. Zudem können die einzelnen Elemente 27, 28, 29 der Umlenkanordnung 25 auch gegeneinander kippbar sein. So lässt sich z. B. die Höhe des Laserstrahls 12 über dem Untergrund, auf welchem die Vorrichtung steht, variieren. Hierfür können die einzelnen Elemente 27, 28, 29 der Umlenkanordnung 25 mit Dreh- und/oder Kugelgelenken versehen sein. In der Praxis sind auch andere Ausführungsformen der Umlenkanordnung 25 denkbar. So kann der Laserstrahl 12 z. B. auch mittels oder mehrerer Glasfaserelemente zu einer bzw. mehreren Einleitungsstellen 14 in einem Werkzeug 3 geleitet werden. Auch die Anordnung und Ausbildung der einzelnen Werkzeuge 2a bis 2d kann von der hier gezeigten abweichen und je nach Anwendungsfall variieren.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der in den 1 bis 3b dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
Die Funktionsweise wird anhand der 1 und 2 zunächst für eine Vorrichtung mit einem Werkzeug und einem Energiestrahlerzeuger beschrieben. Der Energiestrahlerzeuger bzw. das Lasergerät 3 der Vorrichtung 1 in 1 wird so positioniert, dass der Laserstrahl 12 durch das transparente Medium 15 in der Wandung 13 des Zündrohrs 5 in die Zündkammer 6 fallen kann.
Anschließend wird das Werkzeug 2, in diesem Fall das Zündrohr 5 des Werkzeugs 2, mit dem Explosionsmittel 7 befüllt. Hierfür wird über den Anschluss 8 ein Explosionsmittel, z. B. Knallgas, in die Zündkammer 6 des Zündrohrs 5 geleitet. Hat sich eine vorbestimmte Menge des Explosionsmittels 7 in der Zündkammer 5 gesammelt, wird der Anschluss 8 geschlossen.
Zum Zünden des Explosionsmittels 7 wird in dem Energiestrahlerzeuger bzw. dem Lasergerät 3 ein Energiestrahl, in diesem Fall ein Laserstrahl, 12 erzeugt. Der von dem Lasergerät 3 ausgehende Laserstrahl 12 trifft auf das transparente Medium 15, durchdringt dieses und trifft in der Zündkammer 6 auf das Explosionsmittel 7.
2 stellt diesen Vorgang genauer dar. Der Laserstrahl 12 trifft hier auf die äußere Fläche 21 des Glaseinsatzes 19 des transparenten Mediums 15. Aufgrund der Beschaffenheit und der Form des Glaseinsatzes 19 durchdringt der Laserstrahl den Glaseinsatz 19 weitgehend ungehindert und ohne große Ablenkung und tritt auf der zündkammerseitigen Fläche 19 wieder aus dem Glaseinsatz 19 aus und damit in die Zündkammer 6 des Zündrohrs 5 ein. Dort trifft der Laserstrahl 12 auf das Explosionsmittel 7 und entzündet dieses im Bereich der Zündstelle 36.
Je nach Form des Glaseinsatzes 19 lässt sich der Laserstrahl 12 verändern. Durch einen linsenartig geformten Glaseinsatz 19 mit gekrümmter äußerer Fläche 21 und/oder gekrümmter zündkammerseitigen Fläche 20 lässt sich der Laserstrahl 12 z. B. im Fall einer konvexen Wölbung weiter bündeln und so auf eine bestimmte Zündstelle fokussieren. Mit einer konkaven Wölbung lässt sich der Laserstrahl 12 dagegen aufspreizen. Sind die Flächen 20, 21 gegeneinander geneigt, wie dies z. B. bei einem polyederartigen oder achteckigen Querschnitt der Fall ist, lässt sich die Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 12 ablenken.
Bei der daraus resultierenden Explosion des Explosionsmittels 7 entsteht innerhalb kurzer Zeit eine relativ große Druckänderung, welche relativ große Kräfte auf das Zündrohr 5 und das transparente Medium 15 ausübt, sowie eine relativ große Temperaturerhöhung. Die Schnittstelle des transparenten Mediums mit dem Zündrohr 5 wird auch während dieser schlagartigen, dynamischen Belastung durch die Dichtung 24 gedichtet. Auch die Schnittstelle zwischen dem Glaseinsatz 19 und der Fassung 22 wird durch die Dichtung 24 gedichtet. Dies gewährleistet zum einen einen guten Druckaufbau in dem Zündrohr 5 und schützt zum anderen die Umgebung, außerhalb des Werkzeugs 2 vor den direkten Auswirkungen der Explosion, wie Druck- und Temperaturänderungen, sowie vor den eventuell schädlichen Explosionsprodukten, wie z. B. Abgasen.
Die bei der Explosion entstehende Druck- oder Detonationsfront breitet sich entlang des Zündrohrs 5 aus, gelangt so in das Werkstück 18 und presst dieses in das Formmittel 4. Die Detonationsfront breitet sich prinzipiell von der Zündstelle 36 ausgehend sphärisch aus. In diesem Fall heißt das, dass sich ein Teil 34 der Detonationsfront ausgehend von der Zündstelle 36 in Richtung des Werkstücks 18 bewegt. Ein anderer Teil 35 der Detonationsfront bewegt sich dagegen von dem Werkstück 18 weg, wie in 2 gezeigt. Je nach Ausbildung des Zündrohrs 5 und der Position der Einleitungs- 14 bzw. Zündstelle 36 lässt sich der Verlauf dieses zweiten Teils 35 der Detonationsfront steuern.
Ist das Zündrohr 5 so ausgebildet, dass dieser Teil der Detonationsfront reflektiert wird, wenn er am Ende des Zündrohrs 5 angelangt ist, lassen sich so z. B. zwei Detonationsfronten 34, 35 erzeugen, welche sich zeitlich versetzt über das Werkstück 18 hinwegbewegen. Der zeitliche Versatz der beiden Detonationsfronten lässt sich über die Position der Zündstelle 36 bzw. der Einleitungsstelle 14 und die Form des Zündrohrs 5 steuern.
Weist das Werkzeug 2 dagegen mehrere Einleitungs- 14 und Zündstellen 36 auf, wie in 1 gestrichelt angedeutet, kann die Zündung des Explosionsmittels 7 an mehreren Stellen des Werkzeugs erfolgen. Hierfür wird das Lasergerät 3, nachdem es einen ersten Laserstrahl 12 in die Zündkammer 6 des ersten Zündrohrs 5 abgegeben und damit das Explosionsmittel 7 im ersten Zündrohr 5 gezündet hat, um die vertikale Achse 9 aus einer ersten Position 16 in seine zweite Position 17 gedreht. Anschließend wird ein weiterer Laserstrahl 12 generiert, welcher durch das transparente Medium 15' des zweiten Zündrohrs 5' in die zweite Zündkammer 6' fällt. Dort trifft er auf das Explosionsmittel 7 und zündet dieses. So lassen sich mehrere, in diesem Fall zwei Detonationsfronten innerhalb eines Werkzeugs erzeugen.
Neben der zeitlichen Steuerung der beiden Laserimpulse lässt sich der Verlauf der beiden Detonationsfronten z. B. durch die geeignete Anordnung der Einleitungs- 14 bzw. Zündstellen 36 beeinflussen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung entstehen so zwei Detonationsfronten, die sich aufeinander zu bewegen und sich an einer bestimmten Stelle im Werkzeug 2 treffen.
Sollen mehrere Zündstellen an einem Werkzeug 2, wie in 1, oder auch an mehreren Werkzeugen 2a bis 2d, wie in den 3a und 3b, gleichzeitig gezündet werden, kann man wahlweise mit mehreren Lasergeräten 3 oder mit nur einem Lasergerät 3 und einer Umlenkanordnung 25 arbeiten. Das Funktionsprinzip dieser beiden Varianten der Erfindung ist in den 3a und 3b illustriert. Je nach Anwendungsfall bietet sich auch eine Kombination aus beiden Möglichkeiten, also mehrere Lasergeräte 3 und wenigstens eine Umlenkanordnung 25 an.
Die Anordnung der Werkzeuge 2a bis 2d und Lasergeräte 3a bis 3d in den 3a und 3b erlaubt sowohl eine gleichzeitige als auch eine zeitversetzte Zündung des Explosionsmittels in den einzelnen Werkzeugen 2a bis 2d.
Für die gleichzeitige Zündung werden in 3a in allen vier Lasergeräten 3a bis 3d gleichzeitig Laserstrahlen 12a bis 12d generiert, die in etwa gleichzeitig durch die jeweiligen transparenten Medien 15a bis 15d in die Zündkammern 6a bis 6d der jeweiligen Werkzeuge 3a bis 3d dringen und dort das Explosionsmittel 7 entzünden.
In 3b dagegen wird nur ein Laserstrahl 12 erzeugt, welcher über die Umlenk- bzw. Spiegelanordnung 25 so aufgeteilt und abgelenkt wird, dass er etwa zeitgleich durch die transparenten Medien 15a bis 15d in die Zündrohre 5a bis 5d der jeweiligen Werkzeuge 2a bis 2d dringt und dort das Explosionsmittel 7 entzündet.
So entsteht in jedem der Werkzeuge 3a bis 3d etwa zeitgleich wenigstens eine Detonationsfront, wie bereits anhand 1 erklärt.
Für die zeitversetzte Zündung wird in 3a in den Lasergeräten 3a bis 3d zeitversetzt, z. B. nacheinander, jeweils ein Laserstrahl 12a bis 12d erzeugt. Diese treffen dann auch nacheinander in die Zündkammern 6a bis 6d der jeweiligen Werkzeuge 2a bis 2d und zünden die Explosionsmittel 7a bis 7d in den Werkzeugen 2a bis 2d nacheinander. D. h. zuerst das Explosionsmittel 7a in Werkzeug 2a, dann das Explosionsmittel 7b in Werkzeug 2b, usw.. Der zeitliche Versatz zwischen der Erzeugung der Laserstrahlen 12a bis 12d ist dabei beliebig wählbar. So können z. B. auch die Laserstrahlen 12a und 12b gleichzeitig erzeugt werden, während die Laserstrahlen 12c und 12d zeitlich nachgeschaltet sind. Prinzipiell sind beliebige Kombinationen denkbar.
In 3b gibt es mehrere Möglichkeiten, das Explosionsmittel 7 in den Werkzeugen 2a bis 2d zeitversetzt zu zünden. Zum einen kann das Lasergerät 3 nacheinander mehrere Laserstrahlen 12 erzeugen. Zwischen der Erzeugung der einzelnen Laserstrahlen wird die Position der einzelnen Elemente 27, 28, 29 der Umlenkanordnung zueinander und/oder die Position des Lasergeräts 3 so geändert, dass der Laserstrahl 12 nacheinander jeweils durch das transparente Medium 15a bis 15d eines anderen Werkzeugs 3a bis 3d dringt und so das Explosionsmittel 7a bis 7d zündet.
Alternativ kann das Lasergerät 3 einen stetigen Laserstrahl 12 erzeugen, der mittels der Umlenkanordnung 25 in die Zündkammer 6a des ersten Werkzeugs 2a gelenkt wird und dort das Explosionsmittel zündet. Soll nun auch das Explosionsmittel in dem Werkzeug 2b gezündet werden, wird die Position der einzelnen Elemente 27, 28, 29 der Umlenkanordnung 25 zueinander und/oder die Position des Lasergeräts 3 so geändert, dass der Laserstrahl 12 durch das transparente Medium 15b in die Zündkammer 6b fällt. Analog verfährt man für die Zündung des Explosionsmittels in den Werkzeugen 2c und 2d.
Sollen auch hier mehrere, z. B. zwei, Werkzeuge gleichzeitig gezündet werden, können für den Energiestrahl 12 teildurchlässige Umlenkelemente, in diesem Fall teildurchlässige Spiegelelemente, verwendet werden. Diese erlauben es, nur einen Teil des Laserstrahls 12 abzulenken, während der restliche Teil des Laserstrahls seine ursprüngliche Richtung beibe hält. So kann der Laserstrahl 12 auf eine Zündstelle, z. B. in dem Werkzeug 2a, gerichtet werden, um dort das Explosionsmittel 7 zu zünden. Mit Hilfe eines teildurchlässigen Spiegelelementes kann ein Teil des Laserstrahls 12 gleichzeitig zu einer weiteren Zündstelle, z. B. in dem Werkzeug 2b, gelenkt werden, und dort ebenfalls das Explosionsmittel zünden.

Claims

Verfahren zum Explosionsumformen von Werkstücken, wobei wenigstens ein Werkstück (18) in wenigstens einem Werkzeug (2) angeordnet wird und dort mit Hilfe eines zu zündenden Explosionsmittels (7) umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (7) mit Hilfe wenigstens eines Energiestrahls (12) beabstandet zu dem Werkstück, in einem Zündrohr (5) gezündet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) mit Hilfe eines Lasers (3) erzeugt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) von einer Energiequelle (3) mit Hilfe einer Umlenkanordnung (25) zu wenigstens einer Zündstelle (36) geleitet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) von einer Energiequelle (3) mit Hilfe einer Spiegelanordnung (25) zu wenigstens einer Zündstelle (36) geleitet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (7) an mehreren Stellen der Vorrichtung (1) gleichzeitig gezündet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (7) an mehreren Stellen der Vorrichtung (1) zeitversetzt gezündet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detonationsfronten (34, 35) innerhalb eines Werkzeugs (2) erzeugt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens je eine Detonationsfront (34) innerhalb mehrerer Werkzeuge (2a bis 2d) der Vorrichtung (1) erzeugt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) in ein Zündrohr (5) des Werkzeugs (2) eingeleitet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) durch ein transparentes Medium (15) in den Explosionsraum (6) gelangt.
Vorrichtung (1) zum Explosionsumformen, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welcher wenigstens ein Werkstück (18) in wenigstens einem Umformmittel (4) eines Werkzeug (2) anordenbar und mit Hilfe eines zu zündenden Explosionsmittels (7) umformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Energiestrahlerzeuger (3) vorgesehen ist, mit dessen Energiestrahl (12) das Explosionsmittel (7) beabstandet zu dem Umformmittel (4), in einem Zündrohr (5) entzündbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahlerzeuger (3) einen Laser aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (2) wenigstens eine Einleitungsstelle (14) aufweist, welche für den Energiestrahl (12) durchlässig ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitungsstelle (14) wenigstens ein transparentes Medium (15) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) einen Glaseinsatz (19) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaseinsatz (19) eine Dicke im Bereich von 5 bis 15 mm, vorzugsweise im Bereich von 7 bis 12 mm und insbesondere im Bereich von 9 bis 11 mm aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Glaseinsatz (19) einen Außendurchmesser von etwa 5 bis 15 mm, vorzugsweise 7 bis 12 mm und insbesondere von 9 bis 11 mm aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) linsenartig, konvex geformt ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) einen etwa viereckigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) einen etwa achteckigen Querschnitt aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) eine Fassung (22) aufweist, welche Kupfer enthält.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) mit einer Dichtung (24) in dem Werkzeug (2) angeordnet ist, welche den Explosionsraum (6) gegenüber der Umgebung abdichtet.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass des Werkzeug (2) mehrere Einleitungsstellen (14) aufweist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werkzeuge (2) mit mindestens je einer Einleitungsstelle (14) vorgesehen sind.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Umlenkanordnung (25) im Strahlengang des Energiestrahlenerzeugers (3) vorgesehen ist, mittels welcher der Energiestrahl (12) zu wenigstens einer Zündstelle (36) lenkbar ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkanordnung (25) eine Spiegelanordnung ist.
Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkanordnung (25) wenigstens ein für den Energiestrahl (12) teildurchlässiges Spiegelelement (29) aufweist.