Arbeiten mit 30.000 Grad 03.04.2024, 11:15 Uhr

China stellt langlebigsten Plasmaschneider der Welt her

Bisher liefen Plasmaschneider bzw. Plasmabrenner nur wenige Tage. Dank eines neuen Designs können sie nun mehrere Jahre halten. Damit werden Plasmaanwendungen in der Industrie effizienter und nachhaltiger.

Plasma Flamme

Die Flamme des Plasmaschneiders ist 30.000 Grad heiß, damit lässt sich nahezu jedes Metall schneiden.

Foto: Weiwei Zhao

Dank eines neuen Designs konnte die Lebensdauer des Plasmabrenners von einigen Tagen auf mehrere Jahre verlängert werden. Entwickelt wurde das Design von einem Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Zhao Peng vom Hefei Institute of Physical Science (HFIPS) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS). Laut Team ist es der „langlebigste Plasmaschneider der Welt.“

Was ist ein Plasmaschneider?

Ein Plasmaschneider ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das in der Metallverarbeitung zum Schneiden elektrisch leitfähiger Werkstoffe eingesetzt wird. Er funktioniert, indem er einen elektrischen Lichtbogen erzeugt, der ein Gas (häufig Luft, Stickstoff oder Argon) in ein Plasma umwandelt. Dieses Plasma erreicht extrem hohe Temperaturen, die ausreichen, um das Metall zu schmelzen und präzise Schnitte zu ermöglichen.

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Die Technologie des Plasmaschneidens beruht auf der Leitfähigkeit des Metalls, die es dem elektrischen Strom ermöglicht, vom Schneidwerkzeug durch das Werkstück zu fließen. Beim Auftreffen des Plasmastrahls auf die Metalloberfläche entsteht eine intensive Hitze, die das Metall im Strahlbereich aufschmilzt und durch die hohe Geschwindigkeit des Plasmas aus der Schnittfuge ausbläst.

Plasmaschneider bieten gegenüber herkömmlichen Schneidverfahren wie dem Brennschneiden mehrere Vorteile. Sie können Metalle mit weniger Wärmeeinfluss schneiden, was zu weniger Verformung führt. Außerdem ermöglichen sie höhere Schnittgeschwindigkeiten und können eine Vielzahl von Metallen schneiden, darunter Edelstahl, Aluminium und Kupfer. Aufgrund ihrer Effizienz und Vielseitigkeit sind Plasmaschneidgeräte sowohl in der Industrie als auch im Handwerk beliebt.

Wie funktioniert ein Plasmabrenner?

Ein Plasmaschneider nutzt die Eigenschaften des Plasmas, des vierten Aggregatzustandes der Materie, um Metall zu schneiden. Das Gerät erzeugt einen elektrischen Lichtbogen zwischen einer Elektrode und dem zu schneidenden Material. Dieser Lichtbogen erhitzt ein inertes oder semi-inertes Gas bis zu einem Punkt, an dem es sich in Plasma umwandelt – einen sehr heißen Zustand ionisierten Gases, das in der Lage ist, Metall zu schmelzen.

Das Herzstück des Plasmaschneidprozesses ist der Plasmastrahl, der aus der Düse des Schneidbrenners austritt. Dieser Strahl erreicht Temperaturen von bis zu 30.000 °C und ist damit äußerst effektiv beim Schmelzen von Metall. Durch die hohe Geschwindigkeit des Plasmastrahls wird das geschmolzene Metall aus der Schnittfuge geblasen, so dass ein sauberer Schnitt entsteht.

Ein wesentlicher Vorteil des Plasmaschneidens ist seine Fähigkeit, eine breite Palette von Metallen zu schneiden, einschließlich solcher, die zu dick oder zu dünn für herkömmliche Schneidtechniken wie Brennschneiden sind. Plasmaschneider sind vielseitig einsetzbar und können sowohl für gerade Schnitte als auch für komplexe Formen verwendet werden.

Anwendung von Plasmaschneidern in der Industrie

Plasmaschneidgeräte für die Metallbearbeitung gibt es als Hand- und Maschinengeräte. Sie können Metalle bis zu einer Dicke von 200 mm schneiden, abhängig von der Stromstärke. Handbetriebene Geräte erreichen in der Regel bis zu 120 Ampere, während maschinenbetriebene Geräte oft wesentlich stärker sind. Einige Geräte arbeiten mit 300 Ampere und schneiden damit 70 mm dickes Schwarzblech.

Es gibt zwei Hauptarten der Plasmatechnologie: das konventionelle Plasmaschmelzschneiden und das Präzisionsplasmaschneiden. Letzteres zielt auf saubere, gratfreie Schnitte, exakte Winkel und eine metallisch reine Oberfläche ab. Statt Druckluft wird häufig ein technisches Gas verwendet, wodurch ähnliche Ergebnisse wie beim Laserschneiden erzielt werden.

CNC-Plasmaschneidanlagen bieten große Vorteile: Sie schneiden etwa viermal schneller als Autogenschneiden und verursachen durch ihre hohe Energiedichte weniger Wärmeverzug. Außerdem können sie fast alle Metalle schneiden, während das autogene Brennschneiden hauptsächlich auf Baustähle beschränkt ist.

Kathodenerschöpfung als Herausforderung

Neben dem Schneiden wird das Verfahren auch in anderen Bereichen eingesetzt, zum Beispiel in der kohlenstoffarmen Metallurgie, der Aufbereitung von Kohlenstoffmaterialien und der Pulversphäroidisierung.

Es gibt allerdings ein Problem: Bei all diesen Anwendungen erschöpft sich die Kathode und muss nachgefüllt werden. Dies schränkt die Lebensdauer des Brenners ein und erhöht die Wartungskosten für das Gerät. Genau an diesem Punkt setzt die chinesische Forschung an.

Kontinuierliche Lösung gefunden

Das Forschungsteam unter der Leitung von Professor Zhao Peng hat eine einfache und effiziente Lösung für das Problem der Kathodenerschöpfung gefunden. Die Arbeiten, die unter der Schirmherrschaft der Chinesischen Akademie der Wissenschaften durchgeführt wurden, haben ein kontinuierliches Kathodenversorgungssystem entwickelt, mit dem alte, abgenutzte Kathoden schnell ausgetauscht werden können, ohne dass der Plasmabrenner abgeschaltet werden muss.

Das Design ist innovativ, da es nicht nur ein, sondern mehrere Hindernisse und Hürden bei der Verwendung von Plasmabrennern überwindet. „Das Design überwindet fünf große Hürden, darunter die Leitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die Abdichtung, die Wasserkühlung und den kontinuierlichen Antriebsmechanismus“, sagt LI Jun, leitender Ingenieur am Hefei-Institut, der an der Arbeit beteiligt war.

Das ist neu am neuen Plasmabrenner

Herkömmliche Plasmabrenner arbeiten in der Regel 160 Stunden. Da die Kathode jedoch kontinuierlich gespeist wird, ist dies das Minimum, was der neue Plasmabrenner leisten kann. Mit ihrer Innovation hat das Team es möglich gemacht, Plasmabrenner über längere Zeiträume zu betreiben und damit Ausfallzeiten und Wartungskosten zu reduzieren.

„Die Lebensdauer des Plasmabrennergases wurde von einigen Tagen auf mehrere Jahre verlängert“, sagt das Forschungsteam. Prof. Zhao ergänzt: „Wir haben den langlebigsten Plasmabrenner der Welt entwickelt“. Dies wird die Effizienz des Prozesses weiter verbessern und zur Entwicklung weiterer industrieller Anwendungen des Plasmabrenners führen.

Ein Beitrag von:

  • Dominik Hochwarth

    Redakteur beim VDI Verlag. Nach dem Studium absolvierte er eine Ausbildung zum Online-Redakteur, es folgten ein Volontariat und jeweils 10 Jahre als Webtexter für eine Internetagentur und einen Onlineshop. Seit September 2022 schreibt er für ingenieur.de.

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