DE19945844A1 - Druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit pyrotechnischer Gaserzeugung - Google Patents
Druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit pyrotechnischer GaserzeugungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit (1), deren bewegbarer Teil (3) mit einem Betätigungsmittel (5) in Verbindung steht und deren Druckraum (6) mit einer Gasgeneratorkammer (7) verbunden ist, die mit wenigstens einem pyrotechnischen Gaserzeugungssatz (8) ladbar und mit einer Zündeinrichtung (9) verbunden ist.
Description
In der Technik ist es in einer Reihe von Einsatzfällen erfor
derlich, innerhalb sehr kurzer Zeit hohe Drücke zur Verfügung
zu stellen. Dies wird beispielsweise in der Verformungstech
nik in der Weise bewerkstelligt, daß ein als Kolben-Zylinder-
Einheit ausgebildetes Betätigungsmittel, das mit dem Umfor
mungswerkzeug verbunden ist, auf der Druckseite mit einem
vorgespannten Gasblasenspeicher in Verbindung steht. Nach
Öffnen eines Ventils wird über ein strömungsfähiges flüssiges
Übertragungsmedium in kurzer Zeit ein hoher Druck auf das Be
tätigungsmittel übertragen. Auch in der Druckgußtechnik wurde
bisher in ähnlicher Weise gearbeitet. Das Betätigungsmittel
ist hier der Füllzylinder zum Eindrücken der Schmelze in die
Druckgußform.
Der Nachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß ein hoher
maschinentechnischer Aufwand betrieben werden muß, da zum ei
nen entsprechend groß bemessene Gasblasenspeicher zur Verfü
gung gestellt werden müssen und zum anderen das strömungsfä
hige Übertragungsmedium, in der Regel Hydrauliköl, mit Hilfe
einer Pumpe in den Gasblasenspeicher mit hohem Druck und in
kurzer Zeit zurückgepumpt werden muß, um diesen für den näch
sten Arbeitshub vorzuspannen und um auch das Betätigungsmit
tel wieder in seine Ausgangsstellung zurückzubewegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend be
schriebenen Nachteile zu vermeiden.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird gemäß der Erfindung
eine druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung vorgeschla
gen mit wenigstens einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren be
wegbarer Teil mit einem Betätigungsmittel in Verbindung steht
und deren Druckraum mit einer Gasgeneratorkammer verbunden
ist, die mit wenigstens einem pyrotechnischen Gaserzeugungs
satz ladbar und mit einer Zündeinrichtung verbunden ist.
Durch Zündung eines entsprechend bemessenen pyrotechnischen
Gaserzeugungssatzes ist es möglich, den Druckraum der Kolben-
Zylinder-Einheit in kurzer Zeit mit sehr hohem Gasdruck zu
beaufschlagen, so daß der mit dem Betätigungsmittel in Ver
bindung stehende bewegbare Teil der Kolben-Zylinder-Einheit,
in der Regel der Kolben, mit entsprechend großer Kraft und in
sehr kurzer Zeit bewegt werden kann. Der pyrotechnische Ga
serzeugungssatz ist hierbei so zusammengesetzt, daß bei Zün
dung durch eine nicht detonative Umsetzung im Millisekunden
bereich eine vorgebbare Gasmenge erzeugt wird. Durch eine
entsprechende Dimensionierung der Gasgeneratorkammer und/oder
der Bemessung des Gaserzeugungssatzes kann mit einer vorgeb
baren Gasmenge ein vorgebbarer Gasdruck erzeugt werden. In
der einfachsten Ausführungsform kann die Weiterleitung des
Druckes durch unmittelbares Einströmen des erzeugten Gases in
den Druckraum der Kolben-Zylinder-Einheit bewirkt werden. Der
zeitliche Druckaufbau und auch der Druckverlauf kann durch
unterschiedliche Zusammensetzung des Gaserzeugungssatzes an
den jeweiligen Bedarf angepaßt werden. Auch durch die Verwen
dung von mehreren Gaserzeugungssätzen von unterschiedlicher
Größe und/oder unterschiedlicher Zusammensetzung sowie durch
gleichzeitige und/oder eine zeitlich aufeinanderfolgende Zün
dung kann der Druckaufbau und auch der Druckverlauf beein
flußt werden. Hiermit ist innerhalb von Millisekunden ein
Druckaufbau von über 300 bar, beispielsweise 1500 bar mög
lich. Die Zündeinrichtung kann mechanisch oder elektrisch
wirken. Zweckmäßigerweise stehen die bewegbaren Teile der
Kolben-Zylinder-Einheit und/oder des Betätigungsmittels mit
wenigstens einem Rückstellmittel in Verbindung. Das Zurück
setzen des Betätigungsmittels und der Kolben-Zylinder-Einheit
in die Ausgangsstellung kann hierbei drucklos erfolgen, wenn
der Druckraum mit einem entsprechenden Ventil zur Entlüftung
versehen ist.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist
vorgesehen, daß der bewegbare Teil der Kolben-Zylinder-
Einheit auf eine mit dem Betätigungsmittel verbundene hydrau
lische Druckkolbeneinheit wirkt. Durch eine derartige Anord
nung ist insbesondere die Möglichkeit für die Vorgabe eines
"Übersetzungsverhältnisses" gegeben und zwar in der Weise,
daß über unterschiedliche Kolbenquerschnitte der über den Ga
serzeugungssatz beaufschlagbaren Kolben-Zylinder-Einheit ei
nerseits und der mit dem Betätigungsmittel verbundenen hy
draulischen Druckkolbeneinheit andererseits Einfluß auf die
Betätigungskraft und/oder den Betätigungsweg genommen werden
kann.
In zweckmäßiger Ausgestaltung ist vorgesehen, daß als Gaser
zeugungssatz eine nicht detonative pyrotechnische Mischung
aus wenigstens einer reaktiven, gaserzeugenden Komponente und
einer sauerstoffliefernden Komponente verwendet wird. Als re
aktive Komponenten kommen beispielsweise Kohle, insbesondere
Holzkohle, Azide, Tetrazole oder Guanidinverbindungen in Be
tracht. Als sauerstoffliefernde Komponenten können Nitrate
verschiedener Metalle verwendet werden. Zur Gaserzeugung kön
nen auch Pulver auf der Basis von Nitrozellulose dienen.
In Ausgestaltung der Erfindung ist als vorteilhafte Anwendung
vorgesehen, daß das Betätigungsmittel als Teil eines Werk
zeugs zur Formung und/oder Verdichtung von Werkstoffen ausge
bildet ist. Dies ermöglicht die Verwendung in der Verfor
mungstechnik, beispielsweise in Verbindung mit hydraulischen
Pressen oder Hämmern. Damit ist die Möglichkeit gegeben, hohe
Drücke zur Verformung von Werkstoffen einzusetzen. Da über
den pyrotechnischen Gaserzeugungssatz Druckaufbau und Druck
verlauf wählbar sind, besteht auch die Möglichkeit eines ste
tig ansteigenden Druckaufbaus und ein Halten des Drucks über
einen vorgebbaren Zeitraum, um so dem zu formenden Werkstoff
seine Gestalt zu geben, und auch eines Nachdrückens oder
Nachschlagens aus dem Haltedruck heraus oder nach einer
Druckabsenkung.
In einem anderen vorteilhaften Anwendungsfall der Erfindung
ist das Betätigungsmittel als Füllkolben einer Druckgießma
schine ausgebildet. Damit ist es möglich, eine Schmelze in
eine Gußform in sehr kurzer Zeit unter hohem Druck einzubrin
gen. Durch die Verwendung von wenigstens zwei Gaserzeugungs
sätzen ist es hierbei möglich, mit der Zündung eines ersten
Gaserzeugungssatzes mit entsprechendem Gasvolumen in kurzer
Zeit die Füllung einer Gießform auch mit sehr feinteiligen
Formstrukturen mit der Schmelze zu bewirken und anschließend
mit der Zündung eines zweiten entsprechend zusammengesetzten
Gaserzeugungssatzes die in der Gießform befindliche Schmelze
in schon zähflüssigem, vorzugsweise teigigem Zustand noch
einmal in Millisekunden mit einem entsprechend höheren Druck
in Form eines Druckschlages zu beaufschlagen, der jedoch den
Füllkolben praktisch nicht mehr bewegt. Hierdurch ergibt sich
eine Verbesserung der Mikrostruktur und eine Verbesserung der
Oberfläche des fertigen Gußteils.
Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher er
läutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Betätigungseinrichtung mit direkter Bewegungs
umsetzung,
Fig. 2 eine Betätigungseinrichtung in Verbindung mit einer
Druckgießeinrichtung.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Betätigungseinrichtung
besteht im wesentlichen aus einer Kolben-Zylinder-Einheit 1
mit einem feststehenden Zylinder 2 und einem bewegbaren Kol
ben 3, der über seine Kolbenstange 4 mit einem hier nicht nä
her und nur durch den Pfeil 5 angedeuteten Betätigungsmittel
in Verbindung steht.
Der Kolben 3 begrenzt mit seiner der Kolbenstange 4 abgewand
ten Fläche einen Druckraum 6, der mit einer Gasgeneratorkam
mer 7 in Verbindung steht. Die Gasgeneratorkammer 7 ist öf
fenbar und kann mit einem pyrotechnischen Gaserzeugungssatz 8
beladen werden. Die Gasgeneratorkammer 7 steht mit einer
Zündeinrichtung 9 in Verbindung, über die je nach Ausgestal
tung der pyrotechnische Gaserzeugungssatz 8 mechanisch über
ein hier nicht näher dargestelltes, zwischengeschaltetes, pyro
technisches Zündmittel oder aber elektrisch gezündet werden
kann.
Wird der Gaserzeugungssatz 8 gezündet, dann bildet sich ein
gegenüber dem Volumen des Gaserzeugungssatzes 8 sehr viel
größeres Gasvolumen, das in den Druckraum 6 einströmt und
entsprechend dem entstehenden Gasvolumen den Kolben 3 und da
mit das Betätigungsmittel 5 verschiebt.
Die Umsetzungsgeschwindigkeit der pyrotechnischen Mischung
nach ihrer Zündung kann über eine entsprechende Wahl ihrer
Komponenten beeinflußt werden. Grundsätzlich ist es möglich,
bei entsprechenden Mischungen eine Verschiebung des Betäti
gungsmittels 5 im Bereich von Millisekunden zu bewirken. Der
pyrotechnische Gaserzeugungssatz 8 besteht aus einer bei Zün
dung nicht-detonativen, pyrotechnischen Mischung. Die Mischung
ist zweckmäßig so zusammengesetzt, daß die bei der Umsetzung
entstehenden Gase nicht umweltschädlich sind und ins Freie
abgelassen werden können.
Dem Druckraum 6 wird zweckmäßigerweise ein Entlüftungsgventil
10 zugeordnet, so daß nach Zündung und Vorschub das Betäti
gungsmittel 5 über ein Rückstellmittel wieder in die Aus
gangsposition zurückgeschoben werden kann.
Mit Hilfe einer derartigen Betätigungseinrichtung lassen sich
hohe Bewegungsgeschwindigkeiten erzeugen, so daß beispiels
weise in der Sicherheitstechnik Ventile, Schieber, Türen oder
dergl. sehr schnell geöffnet oder verschlossen werden können.
Der besondere Vorteil ist hierbei, daß ein derartiges "Sy
stem" autonom ist, d. h. im Ruhezustand ist das gesamte Sy
stem druckfrei, so daß lediglich zu Wartungszwecken oder je
weils bei Erreichen der Grenze ihrer Lagerfähigkeit die Ga
serzeugungssätze von Zeit zu Zeit ausgewechselt werden müs
sen. Die Betätigungseinrichtung kann hierbei an eine zentrale
Steuerung angeschlossen sein oder aber auch mit einem ent
sprechenden Sensor unmittelbar am Einsatzort verbunden sein,
so daß bei Eintreten der Auslösebedingungen unmittelbar am
Aufstellungsort das System gezündet und beispielsweise eine
Verriegelung geöffnet oder geschlossen werden kann.
Durch eine entsprechende Bemessung des maximalen Volumens des
Druckraums 6 bei in die untere Endstellung vorgeschobenen
Kolben 3 sowie bei entsprechender Bemessung der Kolbenfläche
und der Bemessung des pyrotechnischen Gaserzeugungssatzes 8
kann sowohl die Bewegungsgeschwindigkeit als auch die Vor
schubkraft für das Betätigungsmittel 5 vorgegeben werden.
Über das Entlüftungsventil 10, das mit einem entsprechenden
Stellantrieb verbunden sein kann, kann dann die Dauer be
stimmt werden, in der das Betätigungsmittel in der Stellposi
tion gehalten werden soll.
In Fig. 2 ist als Anwendungsfall eine Druckgußeinrichtung
dargestellt. Die Druckgußmaschine besteht hierbei im wesent
lichen aus einer Füllkammer 11, in der ein Füllkolben 12 ver
schiebbar geführt ist. Die Füllkammer 11 ist mit einer Ein
füllöffnung 13 versehen, die die Füllung mit einer Schmelze
erlaubt. Die Füllkammer 11 ist ferner mit einer Ausstoßöff
nung 14 versehen, die mit einer Gießform 15 mit Formhohlraum
16 fest verbunden ist. Nach Befüllen der Füllkammer 11 mit
einer vorgegebenen Menge an Schmelze wird der Füllkolben 12
in Richtung des Pfeiles 17 vorgeschoben, so daß die in der
Füllkammer 11 enthaltene Schmelze bis an die Ausstoßöffnung
14 vorgeschoben wird und die Gase in den Formhohlraum 16 ge
drückt werden, aus dem sie dann abgesaugt und/oder beim Ein
füllen der Schmelze durch entsprechende Entlüftungskanäle in
der Gießform entweichen können. In dieser Phase wird der
Füllkolben über einen nachstehend noch näher beschriebenen
hydraulischen Antrieb 19 langsam in etwa zwei bis drei Sekun
den vorgeschoben.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform ist der Füllkolben
12 an einer Kolbenstange 18 einer hydraulischen Druckkol
beneinheit 19 angeordnet, die im wesentlichen aus einem Zy
linder 20 und einem im Zylinder 20 geführten Druckkolben 21
besteht.
Der von der abgekehrten Flächen des Druckkolbens 21 begrenzte
Hydraulikraum 22 steht über eine Überströmöffnung 23 mit einer
Betätigungseinrichtung 1.1 in Verbindung, die in ihrem Aufbau
im wesentlichen der Betätigungseinrichtung entsprechend Fig.
1 entspricht. Auch hier besteht die Betätigungseinrichtung
1.1 im wesentlichen aus einem Zylinder 2 und einem darin ge
führten Kolben 3, der den Druckraum 6 begrenzt. Anstelle ei
ner Kolbenstange ist hierbei der dem Druckraum 6 abgekehrte
Raum 24 mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt. Der Hydraulikraum
22 steht mit einer Pumpe 25 in Verbindung und ist über ein
Ventil 28 absperrbar. Der von der Kolbenstange 18 durchsetzte
Hydraulikraum 22.1 weist einen Anschluß 26 auf, der mit einem
steuerbaren Stellventil 27 versehen ist und der einerseits
mit der Pumpe 25 und andererseits mit dem Pumpensumpf 25.1
verbindbar ist. Wird das Stellventil 28 und das Stellventil
27 zum Pumpensumpf 25.1 geöffnet, dann kann der Füllkolben 12
zum Entlüften der Füllkammer 11 entsprechend verschoben wer
den. Das Stellventil 28 wird danach geschlossen, während das
Stellventil 27 zum Pumpensumpf 25.1 geöffnet bleibt, so daß
über einen Gasdruckstoß die Schmelze, wie nachstehend be
schrieben, in dem Formhohlraum 16 eingeschlossen werden kann.
Wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist wenigstens eine
Gasgeneratorkammer 7 vorgesehen, die mit einem pyrotechni
schen Gaserzeugungssatz 8 ladbar ist und die über eine
Zündeinrichtung 9 zündbar ist.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine zwei
te Gasgeneratorkammer 7.1 vorgesehen, die ebenfalls mit einem
pyrotechnischen Gaserzeugungssatz 8.1 ladbar ist und die
über die Zündeinrichtung 9 oder eine eigene Zündeinrichtung
9.1 zündbar ist.
Sobald die Entlüftung der Füllkammer 11 erfolgt ist, wird der
pyrotechnische Gaserzeugungssatz 8 in der Gasgeneratorkammer
7 gezündet, so daß die Schmelze aus der Füllkammer 11 durch
den Füllkolben 12 mit sehr hoher Geschwindigkeit, beispiels
weise innerhalb von vier Millisekunden und mit hohem Druck in
den Formhohlraum 16 eingeschossen und dieser einschließlich
der sogenannten Bohnen und der Entlüftungskanäle vollständig
gefüllt wird.
Sobald der Formhohlraum 16 vollständig gefüllt ist, beginnt
die Schmelze schon zu erstarren, was insbesondere bei dünn
wändigen Gußteilen aus Aluminium sehr schnell vonstatten
geht. Da in dieser Phase die Schmelze schon eine teigige Kon
sistenz aufweist, kann durch einen weiteren, über die Gasge
neratorkammer 7.1 erzeugten Druckschlag mit einem Gasdruck
von beispielsweise 1500 bar und einem Druckaufbau in nur
1 Millisekunde eine Nachverdichtung der Formfüllung bewirkt
werden. Durch diese Nachverdichtung wird eine höhere Festig
keit des Gußteils durch Verbesserung der Mikrostruktur und
eine bessere Oberflächengüte erzielt. Der Füllkolben 12 be
wegt sich bei diesem Druckschlag praktisch nicht.
Mit einer derartig ausgebildeten Druckgießeinrichtung lassen
sich auch in ihrer Form komplexe und/oder dünnwandige Form
teile mit hoher Festigkeit und guter Qualität gießen. Durch
den sehr schnellen Druckaufbau in der Betätigungseinrichtung
1.1 und das hohe Druckniveau ist gewährleistet, daß die
Schmelze in noch gutfließender Konsistenz auch in enge Berei
che des Formhohlraumes 16 eingepreßt wird und diese vollstän
dig, formgenau und mit hoher Gefügedichte ausfüllt.
Nach dem Druckschlag wird dann mit Hilfe der Förderpumpe 25
über den Anschluß 26 und bei entsprechender Stellung des
Stellventils 27 sowie bei geöffnetem Entlüftungsventil 10 und
ggf. zeitweise geöffnetem Stellventil 28 die Gesamtanordnung
in die Ausgangsstellung zurückbewegt.
Der pyrotechnische Gaserzeugungssatz kann als vorkonfektio
nierter Presskörper oder schüttfähig in Pulverform, ggf. in
einer Papp- oder Papierkartusche, vorgegeben werden.
Es ist aber auch möglich, den pyrotechnischen Gaserzeugungs
satz in Form eines sogenannten "slurry", d. h. in einer flüs
sigen oder pastenförmigen Konsistenz vorzugeben, so daß für
Lagerung und Handhabung das Gefährdungspotential noch redu
ziert wird, da die zündhindernde Wirkung des Flüssigkeitsan
teils nur durch eine entsprechend hohe Zündenergie überwunden
werden kann.
Claims (9)
1. Druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit wenigstens
einer Kolben-Zylinder-Einheit (1), deren bewegbarer Teil (3)
mit einem Betätigungsmittel (5) in Verbindung steht und deren
Druckraum (6) mit einer Gasgeneratorkammer (7) verbunden ist,
die mit wenigstens einem pyrotechnischen Gaserzeugungssatz
(8) ladbar und mit einer Zündeinrichtung (9) verbunden ist.
2. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der bewegbare Teil (3) der Kolben-Zylinder-
Einheit (1) auf eine mit dem Betätigungsmittel (5) verbundene
hydraulische Druckkolbeneinheit (19) einwirkt.
3. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Gasgeneratorkammer (7) mit einer Ein
richtung zur Aufnahme mehrerer pyrotechnischer Gaserzeugungs
sätze (8) versehen ist.
4. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß Zündmittel (9) zur gleichzeitigen
und/oder sequentiellen Zündung von Gaserzeugungssätzen (8)
vorgesehen ist.
5. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gaserzeugungssatz (8) durch
eine nicht detonative pyrotechnische Mischung gebildet wird.
6. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß Gaserzeugungssätze (8) mit unter
schiedlichen Reaktionsgeschwindigkeiten einsetzbar sind.
7. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbaren Teile (3) der Kol
ben-Zylinder-Einheit (1) und/oder des Betätigungsmittels (5)
mit wenigstens einem Rückstellmittel in Verbindung stehen.
8. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (5) als
Teil eines Werkzeugs zur Formung und/oder Verdichtung von
Werkstoffen ausgebildet ist.
9. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsmittel (5) mit ei
nem Füllkolben (12) einer Druckgießmaschine in Verbindung
steht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999145844 DE19945844A1 (de) | 1999-09-24 | 1999-09-24 | Druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit pyrotechnischer Gaserzeugung |
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DE1999145844 DE19945844A1 (de) | 1999-09-24 | 1999-09-24 | Druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit pyrotechnischer Gaserzeugung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19945844A1 true DE19945844A1 (de) | 2001-03-29 |
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ID=7923195
Family Applications (1)
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DE1999145844 Withdrawn DE19945844A1 (de) | 1999-09-24 | 1999-09-24 | Druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit pyrotechnischer Gaserzeugung |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19945844A1 (de) |
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1999
- 1999-09-24 DE DE1999145844 patent/DE19945844A1/de not_active Withdrawn
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