Plasma-Lichtbogenbearbeitung erklärt: Komponenten, Prozess und Anwendungen

Was ist Plasma?

Plasma ist einer der vier fundamentalen Aggregatzustände der Materie, erstmals systematisch von Irving Langmuir in den 1920er Jahren untersucht. Es besteht aus einem Gas aus Ionen, Atomen oder Molekülen, denen ein oder mehrere Orbitelektronen entzogen wurden (oder selten ein zusätzliches Elektron angehängt ist), und freien Elektronen.

Abgesehen von Dunkler Materie und der noch schwerer fassbaren Dunklen Energie ist Plasma die häufigste Form gewöhnlicher Materie im Universum. Plasma wird meist mit Sternen, einschließlich unserer Sonne, assoziiert und erstreckt sich bis zum verdünnten interstellaren Medium und möglicherweise in intergalaktische Regionen.

Plasma kann künstlich durch Erhitzen eines neutralen Gases oder Unterwerfung unter ein starkes elektromagnetisches Feld erzeugt werden. Die Anwesenheit frei beweglicher geladener Teilchen macht Plasma elektrisch leitfähig, wobei die Dynamik einzelner Teilchen und die makroskopische Plasmaschwarmbewegung durch kollektive elektromagnetische Felder gesteuert werden und sehr empfindlich auf extern angewendete Felder reagieren.

Die Reaktion des Plasmas auf elektromagnetische Felder wird in vielen modernen technologischen Geräten genutzt, wie Plasmafernsehern oder Plasmaätzen.

Was ist Plasma-Lichtbogenbearbeitung?

Plasma-Lichtbogenbearbeitung (PAM) wird verwendet, um Material vom Werkstück zu entfernen. Dabei wird ein hochgeschwindiger Strahl hochtemperierten Gases verwendet, um Material vom Werkstück zu schmelzen und zu entfernen. Dieser hochgeschwindige heiße Gasstrahl wird auch als Plasmasstrahl bezeichnet.

Wenn ein Gas oder Luft auf über 5000 °C erhitzt wird, beginnt es, sich in positive Ionen, negative Ionen und neutrale Ionen zu ionisieren. Wenn das Gas ionisiert ist, erreicht seine Temperatur 11.000 °C bis 28.000 °C, und dieses ionisierte Gas wird Plasma genannt.

Das Gas wird mit einem Lichtbogen erhitzt, und das durch Erhitzen des Gases erzeugte Plasma wird verwendet, um Material vom Werkstück zu entfernen. Der gesamte Prozess heißt Plasma-Lichtbogenbearbeitung.

Bei diesem Prozess wird ein hochgeschwindiger Strahl hochtemperierter Luft verwendet, um Material durch Schmelzen vom Werkstück zu entfernen.

Das in der Plasma-Lichtbogenbearbeitung verwendete Gas wird entsprechend dem als Werkstück verwendeten Metall ausgewählt.

Die Plasma-Lichtbogenbearbeitung wird zum Schneiden von Legierungsstählen, Edelstahl, Aluminium, Nickel, Kupfer und Gusseisen eingesetzt.

Funktionsweise der Plasma-Lichtbogenbearbeitung

Das Grundprinzip ist, dass der Lichtbogen zwischen Elektrode und Werkstück durch eine feine Bohrung in einer Kupferspitze verengt wird. Dies erhöht die Temperatur und Geschwindigkeit des aus der Spitze austretenden Plasmas.

Die Temperatur des Plasmas liegt über 20.000 °C und die Geschwindigkeit kann sich der Schallgeschwindigkeit annähern. Beim Schneiden wird der Plasmasgasfluss erhöht, sodass der tief eindringende Plasmasstrahl das Material durchdringt und geschmolzenes Material im Ausflussplasma entfernt wird.

Die Plasma-Lichtbogenbearbeitung besteht aus einer Plasmapistole. Diese hat eine Wolframelektrode in der Kammer. Die Wolframelektrode ist mit dem Minuspol der Gleichstromversorgung verbunden und wirkt somit als Kathode.

Der Pluspol der Gleichstromversorgung ist mit der Düse verbunden. Somit wirkt die Düse der Plasmapistole als Anode.

Bei Stromzufuhr entsteht ein Lichtbogen zwischen der kathodischen Wolframelektrode und der anodischen Düse. Wenn das Gas mit dem Plasma in Kontakt kommt, kollidieren Gasmolchen mit Elektronen des Lichtbogens, wodurch ionisiertes Gas entsteht – der gewünschte Plasmazustand für die Bearbeitung. Dieses Plasma wird nun mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück gerichtet und der Bearbeitungsprozess beginnt. Zu beachten ist, dass eine hohe Spannung angelegt wird, um den Plasmazustand zu erreichen.

Im gesamten Prozess sind hohe Temperaturen erforderlich. Da heiße Gase aus der Düse austreten, besteht Überhitzungsgefahr. Zur Verhinderung wird eine Wassermantelkühlung verwendet.

Komponenten der Plasma-Lichtbogenbearbeitung

1. Plasmapistole

Verschiedene Gase wie Stickstoff, Wasserstoff, Argon oder Mischungen werden zur Plasmaerzeugung verwendet. Die Pistole hat eine Kammer mit einer Wolframelektrode, die am Minuspol angeschlossen ist, während die Düse am Pluspol der Gleichstromversorgung liegt. Das erforderliche Gasgemisch wird zugeführt. Ein starker Lichtbogen entsteht zwischen Anode und Kathode.

Danach kollidieren Elektronen des Bogens mit den Gasmolchen, wodurch diese ionisiert werden und Wärme entsteht.

2. Stromversorgung

Gleichstromversorgung dient zur Erzeugung der zwei Pole in der Plasmapistole. Eine hohe Potentialdifferenz wird zwischen Kathode und Anode angelegt, damit der erzeugte Lichtbogen stark genug ist, das Gasgemisch zu ionisieren und in Plasma umzuwandeln.

3. Kühlmechanismus

Ein Kühlmechanismus wird an der Plasmapistole angebracht, da durch den kontinuierlichen Austritt heißer Gase aus der Düse Wärme entsteht. Ein Wassermantel kühlt die Düse, die von einem Wasserstrahl umgeben ist.

4. Werkstück

Verschiedene Materialien können mit diesem Verfahren bearbeitet werden. Metalle wie Aluminium, Magnesium, Kohlenstoff, Edelstahl und Legierungsstähle.

Anwendungen der Plasma-Lichtbogenbearbeitung

• Schneiden von Legierungsstählen, Edelstahl, Gusseisen, Kupfer, Nickel, Titan, Aluminium, Kupfer-Nickel-Legierungen etc.
• Profilschneiden.
• Erfolgreich eingesetzt zum Drehen und Fräsen schwer zerspanbarer Materialien.
• Stapelschneiden, Formschneiden, Lochstechen und Unterwasserschneiden.
• Gleichmäßiges Dünnschichtaufspritzen von feuerfesten Materialien auf verschiedene Metalle, Kunststoffe, Keramik.

Vorteile der Plasma-Lichtbogenbearbeitung

• Kann jedes Metall schneiden.
• Hohe Schneidrate.
• Im Vergleich zum normalen Flammenschneiden schneidet es Baustahl viermal schneller.
• Wird zum Schruppen sehr schwer zerspanbarer Materialien verwendet.
• Durch hohe Schnittgeschwindigkeit wird Verformung von Blechen reduziert, Schnittbreite minimal, Oberflächenqualität hoch.

Nachteile der Plasma-Lichtbogenbearbeitung

• Erzeugt eine konische Oberfläche.
• Lärmschutz notwendig.
• Hohe Gerätekosten.
• Augenschutz für Bediener und Personen in der Nähe erforderlich.
• Oxidation und Zunderbildung – Abschirmung erforderlich.
• Werkstückoberfläche kann metallurgische Veränderungen erfahren.