Plasma-Lichtbogenbearbeitung (PAM): Prinzip, Komponenten & Einsatzgebiete

Was ist Plasma?

Plasma ist der vierte Aggregatzustand (neben fest, flüssig, gasförmig), systematisch seit 1920er (Irving Langmuir) erforscht. Es besteht aus Ionen (Atome/Moleküle mit fehlenden/überzähligen Elektronen) und freien Elektronen.

Abgesehen von Dunkler Materie/Energie ist Plasma die häufigste Materieform im Universum (Sterne, Sonnenwind, interstellares/intergalaktisches Medium). Künstlich durch Erhitzen eines Neutralgases oder starkes EM-Feld erzeugbar. Freie Ladungsträger → elektrisch leitend; Kollektivverhalten durch EM-Felder, empfindlich auf externe Felder.

Technische Nutzung: Plasmatfernseher, Plasmaätzen, Plasmaschneiden/-bearbeiten.

Was ist Plasma-Lichtbogenbearbeitung (Plasma Arc Machining - PAM)?

Abtragendes Verfahren: Hochgeschwindigkeitsstrahl heißen Gases (Plasmastrahl) schmilzt und entfernt Werkstoff. Gas/Luft > 5.000 °C → Ionisation (positive/negative Ionen, neutrale Atome). Ionisiertes Gas: 11.000–28.000 °C = Plasma.

Erhitzung über Lichtbogen; entstehendes Plasma entfernt Material durch Aufschmelzen. Prozessgas wird werkstoffabhängig gewählt (Stahl, VA, Alu, Ni, Cu, Gusseisen).

Funktionsweise

Lichtbogen zwischen Elektrode (Kathode) und Werkstück wird durch feine Kupferdüse (Anode) verengt → Temperatur & Geschwindigkeit steigen. Plasmastemperatur > 20.000 °C, Geschwindigkeit ~ Schallgeschwindigkeit. Beim Schneiden: Erhöhter Gasfluss → tief eindringender Plasmastrahl schneidet durch, Schmelze wird im Austrittsplasma mitgerissen.

Plasmapistole: Wolframelektrode (Kathode, – Pol) in Kammer; Düse (Anode, + Pol). Hochspannung → Lichtbogen Kathode–Anode. Gaszufuhr → Kollision Gasatome/Elektronen → Ionisation + Wärme → Plasma. Zielgerichtet auf Werkstück. Hohe Spannung für Ionisation nötig.

Wassermantel kühlt Düse (Verhinderung Überhitzung durch heiße Gase).

Hauptkomponenten

1. Plasmapistole (Plasma Gun): Kammer mit Wolframelektrode (–), Düse (+). Gasgemisch (N₂, H₂, Ar oder Mischungen). Starker Lichtbogen Anode–Kathode. Kollision Elektronen–Gasmolchen → Ionisation + Wärme.
2. Stromversorgung (Power Supply): Gleichstrom, hohe Spannung für stabilen, ionisationsfähigen Lichtbogen.
3. Kühlung (Cooling Mechanism): Wassermantel um Düse (Wasserstrahlkühlung).
4. Werkstück (Workpiece): Alu, Mg, C-Stahl, VA, Legierungsstahl u. a.

Anwendungen

• Schneiden: Legierte Stähle, VA, Gusseisen, Cu, Ni, Ti, Alu, Cu-Ni-Legierungen
• Profilschneiden (Konturenschneiden)
• Drehen & Fräsen schwer zerspanbarer Werkstoffe
• Stapel-, Form-, Loch-, Unterwasserschneiden
• Dünnschichtbeschichtung (refraktäre Metalle auf Metalle, Kunststoffe, Keramik) via Plasmaspritzen

Vorteile

• Schneidet jedes leitende Metall
• Hohe Schnittgeschwindigkeit
• 4× schneller als Autogenschneiden (Brenner) bei Baustahl
• Schruppen schwer zerspanbarer Werkstoffe
• Weniger Verzug (hohe Geschwindigkeit), schmale Kerbe, hohe Oberflächenqualität

Nachteile

• Konische Schnittfläche (Taper)
• Lärmschutz nötig
• Hohe Anlagenkosten
• Augenschutz zwingend (Bediener & Umfeld)
• Oxidation/Zunderbildung → Schutzgasabschirmung erforderlich
• Metallografische Veränderungen im Randzonen möglich