Steigerung der Energieeffizienz des Plasmaspritzens mittels simulationsgestützter Prozessneuentwicklung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Kirsten Bobzin
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442323795

Das Plasmaspritzen ist eines der wichtigsten Verfahrensvarianten der Beschichtungstechnologie des Thermischen Spritzens. Dabei wird jedoch, nach derzeitigem Stand der Technik, nur ein kleiner Teil der zur Verfügung stehenden Energie genutzt, um die Partikel zu beschleunigen und aufzuschmelzen. Ein vielversprechender Lösungsansatz die Energieeffizienz zu steigern stellt eine feste Düsenerweiterung dar, welche den Plasmafreistrahl umgibt und damit eine Durchmischung mit der Umgebungsluft unterbindet. Durch diese Trennung kann die Plasmatemperatur erhöht und somit die Energieeffizienz verbessert werden. Ein weiterer erwarteter positiver Effekt ist die Unterbindung der Oxidation des Spritzzusatzwerkstoffs. Das primäre Ziel des Projektes ist es das Potential zur Steigerung der Energieeffizienz des Plasmaspritzens durch den Einsatz einer festen Düsenerweiterung zu untersuchen. In diesem Projekt soll dazu eine Methodik entwickelt werden, welche es ermöglicht eine derartige Düsenerweiterung auszulegen und für gegebene Prozessparameter zu optimieren. Idealerweise steigert eine Düsenerweiterung auch die Plasmastabilität des Freistrahls und damit die Prozessstabilität. Daher ist ein weiteres Ziel, zu untersuchen welche Auswirkungen eine feste Düsenerweiterung auf die Plasmastabilität hat. Neben der Energieeffizienz bietet die Düsenerweiterung auch großes Potential die Schichteigenschaften zu verbessern. Dementsprechend wird in diesem Projekt der mögliche Einfluss einer festen Düsenerweiterung auf die Schichteigenschaften untersucht. Um die genannten Ziele zu erreichen, wird ein numerisches Simulationsmodell eines Plasmagenerators, basierend auf bereits vorangegangenen DFG-Projekten, mit einer festen Düsenerweiterung aufgebaut. Durch den Einsatz moderner Algorithmen, wie der Partikelschwarmoptimierung und den Evolutionären Algorithmen, erfolgt dann eine Auslegung und Optimierung der Geometrie der Düsenerweiterung. Die Auswirkungen der Düsenerweiterung auf die Plasmastabilität sollen durch Hochgeschwindigkeits-aufnahmen des Plasmafreistrahls und hochauflösende Strom- und Spannungsmessungen untersucht werden. Für diese wird im Rahmen dieses Antrags entsprechendes Messequipment beantragt. In Beschichtungsversuchen werden dann der Effekt auf die Energieeffizienz und die Schichteigenschaften exemplarisch für die typischen Spritzzusatzwerkstoffe Al2O3 und MCrAlY ermittelt. Im dritten Jahr des Forschungsprojektes soll ein zweiter Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz, eine Vorheizung der Spritzpartikel, untersucht werden. Durch Ausnutzung der Strahlungsenergie des Plasma-freistrahls können diese ohne extern zugeführte Energie vorgeheizt werden. Mithilfe numerischer Simulationen und in Experimenten soll eine derartige Vorheizung ausgelegt und ihr Potential zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz bestimmt werden. Auch die Kombination der Düsenerweiterung mit der Partikelvorheizung wird in diesem dritten Jahr näher betrachtet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen