DE19945844A1 - Druckbeaufschlagbare Betätigungseinrichtung mit pyrotechnischer Gaserzeugung - Google Patents

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.