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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Explosionsumformen
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 bzw. 11.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem
Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafterweise
kann wenigstens je eine Detonationsfront innerhalb mehrerer Werkzeuge
der Vorrichtung erzeugt werden. So lässt sich die Effektivität einer
Zündvorrichtung
mit Energiestrahl steigern.
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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.
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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.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner gelöst durch
die Merkmale des Patentanspruchs 11.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafterweise
kann das transparente Medium linsenartig, konvex geformt sein. So
lässt sich
der Energiestrahl gut bündeln.
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In
einer Variante der Erfindung kann das transparente Medium einen
etwa viereckigen Querschnitt aufweisen. Dies gewährleistet eine gute Stabilität sowie
gute Transmissionseigenschaften.
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Vorteilhafterweise
kann das transparente Medium einen achteckigen Querschnitt aufweisen. Je
nach Ausformung des Achtecks lässt
sich der Energiestrahl so bündeln.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zum Explosionsumformen gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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2 einen
Schnitt II-II durch das Werkzeug der Vorrichtung aus 1,
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3a eine
Vorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung, und
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3b eine
Vorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Explosionsumformen gemäß einer ersten Ausführungsform der
Erfindung. Die Vorrichtung 1 weist ein Werkzeug 2 und
einen Energiestrahlerzeuger 3 auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird die Funktionsweise der in den 1 bis 3b dargestellten
Ausführungsbeispiele
erläutert.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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So
entsteht in jedem der Werkzeuge 3a bis 3d etwa
zeitgleich wenigstens eine Detonationsfront, wie bereits anhand 1 erklärt.
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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.
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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.
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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.
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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.