EP2049281A1 - Verfahren und vorrichtung zum explosionsumformen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum explosionsumformen

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EP2049281A1
EP2049281A1 EP07724979A EP07724979A EP2049281A1 EP 2049281 A1 EP2049281 A1 EP 2049281A1 EP 07724979 A EP07724979 A EP 07724979A EP 07724979 A EP07724979 A EP 07724979A EP 2049281 A1 EP2049281 A1 EP 2049281A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy beam
explosive
tool
ignition
transparent medium
Prior art date
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Granted
Application number
EP07724979A
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English (en)
French (fr)
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EP2049281B1 (de
Inventor
Alexander Zak
Andreas Stranz
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Cosma Engineering Europe AG
Original Assignee
Cosma Engineering Europe AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Cosma Engineering Europe AG filed Critical Cosma Engineering Europe AG
Publication of EP2049281A1 publication Critical patent/EP2049281A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2049281B1 publication Critical patent/EP2049281B1/de
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D—WORKING OR PROCESSING OF SHEET METAL OR METAL TUBES, RODS OR PROFILES WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21D26/00—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces
    • B21D26/02—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure
    • B21D26/06—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure by shock waves
    • B21D26/08—Shaping without cutting otherwise than using rigid devices or tools or yieldable or resilient pads, i.e. applying fluid pressure or magnetic forces by applying fluid pressure by shock waves generated by explosives, e.g. chemical explosives

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for explosion forming with the features of the preamble of claim 1 and 11, respectively.
  • a workpiece is placed in a tool and ignited by igniting an explosive substance, e.g. a gas mixture, reshaped.
  • an explosive substance e.g. a gas mixture
  • the explosive substance is introduced into the tool and ignited here as well.
  • the tool or the ignition mechanism must be suitable for triggering the explosion targeted and withstand the high loads occurring during the explosion, on the other hand, repeatable good forming results in the shortest possible set-up times can be achieved.
  • the hollow body is placed in a tool and the upper opening of the hollow body is closed with a stopper. Via a line in the plug, an explosive gas is introduced into the cavity, which is then ignited via a plug arranged in the spark plug.
  • the invention has for its object to improve a method and an apparatus of the type mentioned in that a technically easy-to-handle ignition mechanism with low makeready arises, which allows the most accurate ignition of the explosive substance with repeatable accuracy.
  • This object is achieved according to the invention with a method having the features of claim 1.
  • Ignition by means of an energy beam allows the explosion in the tool to be well controlled.
  • the energy beam is relatively precisely positioned on a firing point, from which the explosion is expected.
  • the amount of energy supplied to the explosive by the energy beam is easily adjustable.
  • the energy beam and thus the explosion is also relatively precisely timed controllable. The above factors make it easy to control the explosion and its course within the tool. Thus, a good predictability and repeatability of the forming result is possible.
  • the energy beam can be generated by means of a laser.
  • a laser beam is easy to control in terms of temporal and local accuracy.
  • the energy beam from an energy source with the aid of a deflection arrangement can be passed to at least one ignition point.
  • the energy beam can be quickly and technically easily guided to the desired locations in the room, despite the possibility of a stationary energy beam generator.
  • the energy beam can be conducted from an energy source by means of a mirror arrangement to at least one ignition point.
  • the mirror arrangement is particularly suitable for energy beams in the form of laser beams and offers the above-mentioned advantages of a deflection arrangement.
  • the explosive can be ignited simultaneously at several points of the device. For example, you can create multiple detonation fronts within a tool. Depending on where the explosive is located within the tool and at which point it is ignited, the course of the detonation fronts can be adapted to the requirements of the forming process. Alternatively, in this process, however, it is also possible to ignite explosives in several tools of the device simultaneously, for example. Thus, several re, even different workpieces are formed almost simultaneously. This helps to shorten the cycle times.
  • the explosive can be ignited at several points of the device with a time delay. If the time-delayed ignition on a single tool of the device, it can be generated multiple detonation fronts within a tool. The temporal offset allows a tuning of the time course of the individual detonation fronts within the tool. If the staggered ignition is carried out on different tools of the device, the energy beam can e.g. Ignite all tools of the device sequentially. This helps to shorten the cycle times if the parallel forming processes overlap in time.
  • any combination of simultaneous and time-delayed ignition of one and / or more tools of the device are possible. This makes it easy to adapt the process to different production requirements.
  • the basic idea of controlling the propagation of detonation fronts via a time-variable ignition at one or more points of the tool and thus influencing the forming result, would also be independent of the type of ignition, whether with energy beam or otherwise, feasible.
  • multiple detonation fronts can be created within a tool.
  • a good forming result can be achieved.
  • At least one respective detonation front can be generated within several tools of the device. This makes it possible to increase the effectiveness of an ignition device with an energy jet.
  • the energy beam can be introduced into an ignition tube of the tool.
  • a part of the tool namely the ignition tube, can be adapted to the special requirements of the ignition and explosion process.
  • the energy beam can enter the explosion space through a transparent medium. This is technically well feasible and ensures a good impact of the energy beam on the explosive. An energy jet generator can thus be placed outside the tool and is largely protected from the direct effects of the explosion inside the tool.
  • the energy beam ensures good ignition of the explosive. It is technically easy to produce and can overcome distances quickly. As a result, the explosive can be ignited with good timing accuracy.
  • the energy beam generator may comprise a laser.
  • the laser represents a technically simple possibility of energy beam generation. It offers a well-bundled and thus easily positionable energy or laser beam with adjustable amount of energy.
  • the tool may have at least one point of introduction, which is permeable to the energy beam.
  • the energy beam can penetrate into the tool and ignite the explosive contained therein.
  • the energy jet generator can be arranged outside the tool and thus largely protected from the direct effects of the explosion.
  • the point of introduction can have at least one transparent medium. This is particularly suitable for laser beams. It ensures a good transmission of the energy beam with relatively little energy loss.
  • the transparent medium may have a glass insert.
  • Glass is a cheap and easy to process material, which provides the above advantages and is sufficiently resistant to the explosive forces occurring.
  • the transparent medium may have a thickness in the range of 5 to 15 mm, preferably in the range of 7 to 12 mm and in particular in the range of 9 to 11 mm. This thickness has proven to be advantageous in practice. It ensures sufficient stability to withstand the requirements of the explosion.
  • the transparent medium may have an outer diameter of about 5 to 15 mm, preferably 7 to 12 mm and in particular 9 to 11 mm. It has been shown that this outer diameter allows a sufficiently good and fast positioning of the energy beam with at the same time good stability of the medium.
  • the transparent medium can be lens-like, convex. This allows the energy beam to be well bundled.
  • the transparent medium may have an approximately quadrangular cross-section. This ensures good stability and good transmission properties.
  • the transparent medium may have an octagonal cross-section.
  • the energy beam can be bundled in this way.
  • the transparent medium may comprise a socket containing copper. It has been found that copper alloys, in particular copper-beryllium alloys, provide sufficiently good stability and good sealing properties for this application.
  • the transparent medium can be arranged with a seal in the tool, which seals the explosion space from the environment. This protects the environment from explosion and explosion products.
  • the tool can have a plurality of introduction points.
  • the explosive can be ignited at several points of the tool simultaneously and / or with a time delay.
  • several detonation fronts can be created in the tool.
  • several tools can be provided with at least one introduction point.
  • several, possibly even different tools of the device can be ignited simultaneously or with a time delay. If the resulting parallel forming processes overlap in time, the efficiency of the device can be increased.
  • At least one deflection arrangement can be provided in the beam path of the energy beam generator, by means of which the energy beam can be directed to at least one ignition point. This makes the energy beam technically easy, fast and easy to position.
  • the deflection arrangement may be a mirror arrangement. This is particularly suitable for laser beams and offers the above-mentioned advantages of a deflection arrangement.
  • the deflection arrangement can have at least one mirror element that is partially transparent to the energy beam. This makes it technically easy to divide the energy beam into several beams.
  • FIG. 1 shows a device for Explosionsumfo ⁇ men according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 3a shows a device according to a second embodiment of the invention
  • Fig. 3b shows a device according to a third embodiment of the invention.
  • Fig. 1 shows an apparatus for explosion forming according to a first embodiment of the invention.
  • the device 1 has a tool 2 and an energy beam generator 3.
  • the tool 2 is in this embodiment of the invention in several parts and has a forming means 4 and an ignition tube 5 on.
  • a forming means 4 here indicated by a dotted line workpiece 18 is arranged.
  • an ignition chamber 6 is provided inside the ignition tube 5, inside the ignition tube 5, an ignition chamber 6 is provided. In it there is an explosive 7.
  • an explosive gas mixture is provided as the explosive 7, which can be introduced into the ignition chamber 6 via the connection 8.
  • other explosive means in gaseous, liquid or solid form may be used in other embodiments of the invention.
  • the connection 8 is then designed according to the respective explosive means as a gas, liquid or solids connection.
  • the energy beam generator 3 can optionally generate an energy beam 12 and in this embodiment is a laser device, which is mounted rotatably about a vertical axis 9 on a foot 10. It is powered via a line 11 with energy and can generate an energy, in this case, a laser beam 12, if necessary.
  • the wall 13 of the ignition tube 5 has a permeable to the energy beam 12 discharge point 14.
  • a transparent medium 15 is provided, which is at least partially permeable to the energy beam 12.
  • the transparent medium 15 has a glass insert 19, which is shown in more detail in FIG.
  • the laser device 3 is arranged so that the laser beam 12 can penetrate through the transparent medium 15 into the ignition chamber 6 of the ignition tube 5. As a result, the explosive 7 is ignited in the ignition chamber 6.
  • the tool 2 of the device 1 can also have a plurality of introduction points vi 4 for the energy beam 12 or ignition points.
  • the device 1 can, as dashed lines here is shown, for example, a further ignition tube 5 ', which is formed in this embodiment analogous to the first ignition tube 5. Accordingly, it also has an ignition chamber 6 'filled with an ignition means 7, a transparent medium 15 "and a connection 8'.
  • the laser device 3 By rotating the laser device 3 about the vertical axis 9, the laser device 3 can be brought from its first position 16, in which the laser beam 12 enters the ignition chamber 6 of the first ignition tube 5, in a second position 17, in which the laser beam 12 through the transparent medium 15 'in the ignition chamber 6' of the second ignition tube 5 'falls, as shown in phantom in Fig. 1.
  • the ignition means 7 in the ignition tubes 5, 5 ' e.g. be ignited successively by the laser device 3.
  • the workpiece 18 may in this case be e.g. be arranged between the two ignition tubes 5, 5 ', as indicated in Fig. 1 by a dotted and a dashed line.
  • FIG. 2 shows a section H-II through the introduction point 14 of the ignition tube 5 permeable to the energy beam 12.
  • the reference symbols used in FIG. 2 designate the same parts as in FIG. 1, so that reference is made to the description of FIG ,
  • the transparent medium 15 in this embodiment of the invention has a round glass insert 19 with a quadrangular cross-section.
  • the outer diameter and the thickness of the glass insert are approximately equal.
  • the diameter as well as the thickness of the glass insert 19 is 10 mm.
  • this ratio may vary significantly.
  • the dimensions of the glass insert and its external shape can be adapted to the particular application.
  • the cross section through the glass body can also be octagonal.
  • the ignition chamber-side surface 20 and / or its opposite surface 21 of the glass insert 19 may be curved so that an approximately lens-like shape of the glass insert 19 results.
  • the material of the insert 19 may vary depending on the application. If, as here, a laser used as an energy beam generator, for example, pressure and heat resistant, yet translucent plastics are conceivable.
  • the transparent medium 15 also has a socket 22 in which the glass insert 19 is arranged.
  • the socket 22 is made in this embodiment of the invention from a copper-beryllium alloy.
  • the socket 22 may be made of a different copper alloy or any other material which will withstand the high explosive loads. Its wall 23 has an L-like cross-section. The inner contour of the socket 22 corresponds approximately to the outer dimensions of the glass insert 19th
  • the transparent medium 15 is arranged with a seal 24 in the ignition tube 5, which seals the ignition chamber 6 in the interior of the ignition tube 5 from the environment.
  • the wall 13 of the ignition tube 5 and the socket 22 form a press fit.
  • the device 1 in other embodiments of the invention may also have a plurality of tools 2, as shown by way of example in FIGS. 3a, 3b.
  • FIGS. 3a and 3b show possible embodiments of a device according to the invention with a plurality of tools.
  • the tools 2a to 2d in this case correspond to the tool 2 shown and described in FIG. 1.
  • FIGS. 3a and 3b merely show different possibilities for realizing such a device.
  • the invention is by no means limited to the embodiments shown in these figures. Rather, the functional principles shown in FIGS. 3a and 3b can also be combined with one another in any desired manner depending on the application.
  • FIG. 3a shows a schematic representation of a device according to a second embodiment of the invention.
  • the reference numerals used in Fig. 3a denote the same parts as in Figs. 1 and 2, so that reference is made in this regard to the description of Figs. 1 and 2.
  • the device 1 shown in FIG. 3 a has a plurality of tools 2 and a plurality of energy beam generators or laser devices 3.
  • the design of these devices corresponds to the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, multiple occurring, same components are therefore provided with the addition a, b, etc.
  • the device 1 here has four tools 2a to 2d and four laser devices 3a to 3d.
  • the tools 2a to 2d are arranged approximately on a dotted circle 30 indicated here.
  • the laser devices 3a to 3d are arranged approximately on a circle 31, which lies approximately concentrically within the circle 30.
  • the laser devices 3a to 3d are arranged in relation to the tools 2a to 2d so that each one of the laser beams 12a to 12d penetrate through the transparent medium 15 each one of the tools 3a to 3d in the ignition chamber 6a to 6d and there ignite the explosive 7 can.
  • the two laser devices 3 a and 3 b can also be replaced by a single laser device shown in phantom which, analogously to FIG. 1, is rotatably mounted about its vertical axis 9.
  • this laser device could occupy both the position of the laser device 3a and the position of the laser device 3b.
  • the laser devices 3c and 3d which are likewise replaceable by a single laser device rotatable about the vertical axis 9.
  • Fig. 3b shows a schematic representation of a device according to a third embodiment of the invention.
  • the reference numerals used in Figs. 1 and 2 denote the same parts as in Fig. 3b, so that reference is made in this regard to the description of Figs. 1 and 2.
  • the device 1 shown in FIG. 3 a has a plurality of tools 2 and energy or laser beam generators 3.
  • the design of the individual tools 2a to 2d and of the energy beam generator 3 corresponds to the tool 2 and energy beam generator 3 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the device 1 here additionally has a deflection arrangement 25 for the energy or laser beam 12.
  • the deflection arrangement 25 is a mirror arrangement. It has a central, polyhedron-like element 27 and a plurality, in this case three, further mirror elements 28.
  • the surfaces of the central element 27 also have mirrors 29.
  • four surfaces of the central element 27 are provided with mirrors 29.
  • At least one of the mirrors 29 may be partially transparent to the energy or laser beam 12.
  • a partially transmissive mirror 29 reflects a predetermined part of the laser light or beam 12 impinging on it. The remaining part of the laser beam 12 passes through almost unchanged the partially transmissive mirror.
  • the laser beam 12 emitted from the laser device 3 can be split.
  • the central, polyhedron-like element 27 is rotatable about its vertical axis 33, arranged approximately in the center of a circle 26 indicated dotted, while the mirror elements 28 are arranged approximately on the circle 26.
  • the mirror elements 28 are rotatably mounted about their respective vertical axis 32.
  • the individual parts 27, 28, 29 of the mirror assembly 25 are arranged in relation to the laser device 3 and the tools 2a to 2d so that the laser beam 12 depending on the orientation of the mirror 28 and 29 optionally through the transparent medium 15 of the tools 2a until 2d is conducted to an ignition point in the respective ignition chamber 6a to 6d.
  • the deflection or mirror arrangement 25 is shown and described here with a central, polyhedron-like element 27 and a plurality of mirror elements 28, the deflection arrangement 25 can also be designed completely differently in other embodiments of the invention.
  • the number and position of the mirror elements 28 may vary depending on the application.
  • the individual elements 27, 28, 29 of the deflection arrangement 25 also do not necessarily have to be arranged on or inside a circle 26, as shown here.
  • the central element 27, which here is polyhedron-shaped may also have another, e.g. have disc-like shape or omitted altogether.
  • the individual elements 27, 28, 29 of the deflection arrangement 25 can also be tilted relative to one another.
  • the height of the laser beam 12 above the ground on which the device stands varies.
  • the individual elements 27, 28, 29 of the deflection assembly 25 may be provided with rotary and / or ball joints.
  • the laser beam 12 may be e.g. also be guided by means of one or more glass fiber elements to one or more discharge points 14 in a tool 3.
  • the arrangement and design of the individual tools 2a to 2d may differ from the one shown here and vary depending on the application.
  • FIGS. 1 to 3b The mode of operation of the exemplary embodiments illustrated in FIGS. 1 to 3b will be explained below. The operation will be described with reference to FIGS. 1 and 2 initially for a device with a tool and an energy beam generator.
  • the energy beam generator or the laser device 3 of the device 1 in FIG. 1 is positioned so that the laser beam 12 can fall through the transparent medium 15 in the wall 13 of the ignition tube 5 into the ignition chamber 6.
  • the tool 2 in this case the ignition tube 5 of the tool 2, is filled with the explosive 7.
  • an explosion means e.g. Oxyhydrogen, passed into the ignition chamber 6 of the ignition tube 5.
  • the terminal 8 is closed.
  • an energy beam in this case a laser beam 12, is generated in the energy beam generator or the laser device 3.
  • the emanating from the laser device 3 laser beam 12 strikes the transparent medium 15, penetrates this and strikes in the ignition chamber 6 on the explosive 7th
  • the laser beam 12 strikes here on the outer surface 21 of the glass insert 19 of the transparent medium 15. Due to the nature and shape of the glass insert 19, the laser beam penetrates the glass insert 19 largely unhindered and without much distraction and occurs on the ignition chamber side surface 19 again from the glass insert 19 and thus in the ignition chamber 6 of the ignition tube 5 a. There, the laser beam 12 impinges on the explosive 7 and ignites it in the region of the ignition point 36.
  • the laser beam 12 can be changed.
  • the laser beam 12 can, for example in the case of a convex curvature continue to focus and focus on a specific ignition point. With a concave curvature, however, the laser beam 12 can be spread apart. If the surfaces 20, 21 are inclined relative to one another, as is the case, for example, with a polyhedral or octagonal cross-section, the direction of propagation of the laser beam 12 can be deflected.
  • the resulting in the explosion pressure or detonation front propagates along the ignition tube 5, so enters the workpiece 18 and presses this into the molding means 4.
  • the detonation front propagates in principle starting from the ignition point 36 from spherical. In this case, this means that a part 34 of the detonation front moves from the ignition point 36 in the direction of the workpiece 18. On the other hand, another part 35 of the detonation front moves away from the workpiece 18, as shown in FIG.
  • the course of this second part 35 of the detonation front can be controlled.
  • the ignition tube 5 is designed such that this part of the detonation front is reflected when it has reached the end of the ignition tube 5, it is possible, for example, to generate two detonation fronts 34, 35, which move over the workpiece 18 offset in time.
  • the temporal offset of the two detonation fronts can be controlled via the position of the ignition point 36 or the point of introduction 14 and the shape of the ignition tube 5.
  • the ignition device 7 can be ignited at several points of the tool.
  • the laser device 3 after it has delivered a first laser beam 12 into the ignition chamber 6 of the first ignition tube 5 and thus ignited the explosive 7 in the first ignition tube 5, rotated about the vertical axis 9 from a first position 16 to its second position 17. Subsequently, a further laser beam 12 is generated, which through the transparent medium 15 'of the second ignition tube 5' in the second ignition chamber 6 'falls. There he meets the explosive 7 and ignites it.
  • two detonation fronts within a tool can be created.
  • FIGS. 3 a and 3 b The arrangement of the tools 2 a to 2 d and laser devices 3 a to 3 d in FIGS. 3 a and 3 b permit both simultaneous and time-delayed ignition of the explosive in the individual tools 2 a to 2 d.
  • laser beams 12a to 12d are simultaneously generated in all four laser devices 3a to 3d in FIG. 3a, which penetrate into the ignition chambers 6a to 6d of the respective tools 3a to 3d at approximately the same time through the respective transparent media 15a to 15d and there ignite the explosive 7.
  • the staggered ignition in Fig. 3a in the laser devices 3a to 3d is offset in time, e.g. one after the other, in each case one laser beam 12a to 12d is generated. These then also meet one after the other in the Zündkammem 6a to 6d of the respective tools 2a to 2d and ignite the explosive 7a to 7d in the tools 2a to 2d successively. That first the explosive 7a in tool 2a, then the explosive 7b in tool 2b, etc.
  • the temporal offset between the generation of the laser beams 12a to 12d is arbitrary selectable. Thus, e.g. Also, the laser beams 12a and 12b are generated simultaneously while the laser beams 12c and 12d are connected in time. In principle, any combinations are conceivable.
  • the laser device 3 can successively generate a plurality of laser beams 12. Between the generation of the individual laser beams, the position of the individual elements 27, 28, 29 of the deflection arrangement relative to each other and / or the position of the laser device 3 is changed so that the laser beam 12 successively through the transparent medium 15a to 15d of another tool 3a to 3d penetrates and so ignites the explosive 7a to 7d.
  • the laser device 3 can generate a continuous laser beam 12, which is deflected by means of the deflection arrangement 25 into the ignition chamber 6a of the first tool 2a and ignites the explosive there. If now also the explosive in the tool 2b are ignited, the position of the individual elements 27, 28, 29 of the deflection assembly 25 to each other and / or the position of the laser device 3 is changed so that the laser beam 12 through the transparent medium 15b in the ignition chamber 6b falls. The procedure is similar for the ignition of the explosive in the tools 2c and 2d.
  • partially transparent deflecting elements in this case partially transparent mirror elements, can be used for the energy beam 12. These allow only a portion of the laser beam 12 to be deflected while the remainder of the laser beam remains in its original direction. holds.
  • the laser beam 12 can be directed to an ignition point, for example in the tool 2a, in order to ignite the explosive 7 there.
  • a partially transparent mirror element a part of the laser beam 12 can be simultaneously directed to another ignition point, for example in the tool 2b, and there also ignite the explosive.

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Abstract

Mit der Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Explosionsumformen von Werkstücken (18), wobei wenigstens ein Werkstück (2) in wenigstens einem Werkzeug angeordnet wird und dort mit Hilfe eines zu zündenden Explosionsmittels (7) umgeformt wird, dahingehend verbessert werden, dass ein technisch einfach handzuhabender Zündmechanismus mit möglichst geringen Rüstzeiten entsteht, welcher ein möglichst präzises Zünden des Explosionsmittels mit zeitlich wiederholbarer Genauigkeit erlaubt. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung, bei welchem wenigstens ein Werkstück in wenigstens einem Werkzeug angeordnet wird und dort mit Hilfe eines zu zündenden Explosionsmittels umgeformt wird, gelöst, bei welchem das Explosionsmittel mit Hilfe wenigstens eines Energiestrahls (12) gezündet wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Explosionsumformen
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 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.
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 Anspruchs 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. Durch die obengenannten 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 obengenannten 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 gezündet 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 E- nergiestrahl 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 Anspruchs 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 autweisen. 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:
Fig. 1 eine Vorrichtung zum Explosionsumfoπmen gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 einen Schnitt H-Il durch das Werkzeug der Vorrichtung aus Fig. 1,
Fig. 3a eine Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und
Fig. 3b eine Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 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 Feststoffan- schluss 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 Fig. 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 vi 4 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 An- schluss 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 Fig. 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 Fig. 1 durch eine gepunktete und eine gestrichelte Linie angedeutet.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt H-Il durch die für den Energiestrahl 12 durchlässige Einleitungsstelle 14 des Zündrohrs 5. Die in Fig. 2 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in Fig. 1 , so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der Fig. 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 hält 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 Fig. 3a, 3b beispielhaft dargestellt.
Die Fig. 3a und 3b zeigen mögliche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Werkzeugen. Die Werkzeuge 2a bis 2d entsprechen dabei dem in Fig. 1 gezeigten und beschriebenen Werkzeug 2. Die Fig. 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 Fig. 3a und 3b gezeigten Funktionsprinzipien in beliebiger Weise je nach Anwendungsfall auch miteinander kombiniert werden.
Fig. 3a zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die in Fig. 3a verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in den Fig. 1 und 2, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der Fig. 1 und 2 verwiesen wird. Die in Fig. 3a gezeigte Vorrichtung 1 weist mehrere Werkzeuge 2 und mehrere Energiestrahlenerzeuger bzw. Lasergeräte 3 auf. Die Ausbildung dieser Geräte entspricht der in den Fig. 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 Fig. 3a gewählten Anordnung die beiden Lasergeräte 3a und 3b auch durch ein einziges, hier strichpunktiert dargestelltes Lasergerät ersetzt werden, welches analog Fig. 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.
Fig. 3b zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die in den Fig. 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen bezeichnen dieselben Teile wie in Fig. 3b, so dass diesbezüglich auf die Beschreibung der Fig. 1 und 2 verwiesen wird. Die in Fig. 3a gezeigte Vorrichtung 1 weist mehrere Werkzeuge 2 und E- nergie- bzw. Laserstrahlenerzeuger 3 auf. Die Ausbildung der einzelnen Werkzeuge 2a bis 2d und des Energiestrahlenerzeugers 3 entspricht dem in den Fig. 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 Fig. 1 bis 3b dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Die Funktionsweise wird anhand der Fig. 1 und 2 zunächst für eine Vorrichtung mit einem Werkzeug und einem Energiestrahlerzeuger beschrieben. Der Energiestrahlerzeuger bzw. das Lasergerät 3 der Vorrichtung 1 in Fig. 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.
Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 1 , oder auch an mehreren Werkzeugen 2a bis 2d, wie in den Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 1 erklärt.
Für die zeitversetzte Zündung wird in Fig. 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 Zündkammem 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 Fig. 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

Patentansprüche
1. 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) gezündet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) mit Hilfe eines Lasers (3) erzeugt wird.
3. 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.
4. 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.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (7) an mehreren Stellen der Vorrichtung (1) gleichzeitig gezündet wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Explosionsmittel (7) an mehreren Stellen der Vorrichtung (1) zeitversetzt gezündet wird.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Detonationsfronten (34, 35) innerhalb eines Werkzeugs (2) erzeugt werden.
8. 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.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) in ein Zündrohr (5) des Werkzeugs (2) eingeleitet wird.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahl (12) durch ein transparentes Medium (15) in den Explosionsraum (6) gelangt.
11. Vorrichtung (1) zum Explosionsumformen, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 , bei welcher wenigstens ein Werkstück (18) in wenigstens einem 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) entzündbar ist.
12. Vorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiestrahlerzeuger (3) einen Laser aufweist.
13. 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.
14. Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitungsstelle (14) wenigstens ein transparentes Medium (15) aufweist.
15. Vorrichtung (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) einen Glaseinsatz (19) aufweist.
16. 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.
17. 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.
18. Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) linsenartig, konvex geformt ist.
19. Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) einen etwa viereckigen Querschnitt aufweist.
20. Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) einen etwa achteckigen Querschnitt aufweist.
21. Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das transparente Medium (15) eine Fassung (22) aufweist, welche Kupfer enthält.
22. 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.
23. Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass des Werkzeug (2) mehrere Einleitungsstellen (14) aufweist.
24. Vorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Werkzeuge (2) mit mindestens je einer Einleitungsstelle (14) vorgesehen sind.
25. 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.
26. Vorrichtung (1) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkanordnung (25) eine Spiegelanordnung ist.
27. 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.
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