Mobile Plasmaquelle jetzt industriereif

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Zündung des Lichtbogens ist die eigentliche steuerungstechnische Herausforderung

Die eigentliche steuerungstechnische Herausforderung stellt die Zündung des Lichtbogens dar. Mit herkömmlichen Zündtransformatoren ist es nicht möglich, Lichtbögen mit einer Länge von mehr als 20 bis 30 mm zu erzeugen. Bei der Large-Plasmaquelle kommt ein Zündverfahren zum Einsatz, das einen 2 mm langen Pilotlichtbogen in einen theoretisch unbegrenzten DC-Lichtbogen ausdehnt. Ein parallel zum Pilotlichtbogen aufgebauter DC-Strompfad nutzt den Ionisierungskanal des Pilotlichtbogens, um einen kräftigen DC-Lichtbogen mit 45 A zu erzeugen. In 100-ms-Abständen werden nacheinander die Kaskaden vom DC-Stromkreis getrennt und potenzialfrei geschaltet. Die Trägheit und Eigenstabilisierung des Lichtbogens führen dazu, dass der Lichtbogen zur nächstentfernten Kaskade, welche noch mit dem DC-Stromkreis verbunden ist, springt und sich somit verlängert, bis er die gegenüberliegende Elektrode erreicht hat.

Die Schnittstelle zum Benutzer wird über einen Touchscreen-PC hergestellt. Dieser zeigt auf einen Blick alle relevanten Parameter und gibt Auskunft über den Systemzustand (Bild 4). Die Bedienung ist intuitiv gestaltet.

Netzteile mit individueller Parametrisierung der Strom- und Spannungsregler stellen DC-Spannung bereit

Die Bereitstellung der DC-Spannung zum Betrieb der Large-Plasmaquelle erfolgt über einen Matrixverbund von Topcon-Netzgeräten des Herstellers Regatron. Diese Netzteile zeichnen sich durch eine individuelle Parametrisierung der Strom- und Spannungsregler aus. Das ist notwendig, um den bis zu 350 mm langen Lichtbogen stabil betreiben zu können. Die hierbei verwendete Topcon-Konfiguration kann Spitzenwerte von bis zu 800 V_DC und 100 A abgeben, die nominale Leistung liegt bei 64 kW. Dies ist ausreichend, um Plasmaquellen bis zu 350 mm Länge zu betreiben. Je nach verwendetem Plasmagas und Lichtbogenlänge ist der Betrieb auch mit einem einzelnen Netzgerät möglich. Um eine praktikable Schnittstelle bereitzustellen, wurde die nominale Leistung auf 40 kW reduziert. Damit ist ein Anschluss über eine 63-A-CEE-Drehstromsteckdose möglich.

Der prinzipbedingte kaskadierte Aufbau der Large-Plasmaquelle erfordert eine Kühlung mit deionisiertem Wasser. Da dies nicht jeder Anwender zur Verfügung hat, kann ein kompakter Wärmetauscher zur Verfügung gestellt werden. Der Anschluss an ein konventionelles Kühlwassersystem wird durch den integrierten Plattenwärmeübertrager ermöglicht.

Mit dem mobilen Large steht dem Kunden erstmalig eine Plasmaquelle zur Oberflächenfunktionalisierung vor Ort zur Verfügung, die einen fächerförmigen Plasmajet von 150 mm Länge generiert. Der mobile Large ist konzipiert für die Plasmafeinreinigung und Aktivierung von Oberflächen bei Atmosphärendruck. Er ist modular und kompakt aufgebaut und besteht aus 150-mm-Large-Plasmaquelle, Stromversorgung, Steuerschrank mit Bedienpanel sowie einem optionalen Wärmetauscher zur Kühlung der Plasmaquelle. Ein umfangreiches Sicherheitskonzept schützt sowohl den Bediener als auch die Anlage. In Kombination mit der einfachen Bedienung ist die Large-Plasmaquelle damit geeignet, vor Ort beim Kunden die Vorteile einer Plasmabehandlung zu demonstrieren.

Literatur

• [1] L. Kotte und J. Haag, „Vorbehandlung für strukturelles Kleben - Großflächige Plasmaaktivierung von CFK-Oberflächen,“ in: lightweight-design, Bd. 4/2014, S. 10-16

• [2] L. Kotte, T. Mertens, J. F. Gammel, H. Althues u.a., „Atmospheric pressure PECVD based on a linearly extended DC arc for adhesion promotion applications“, in: Surface & Coatings Technology, 234/2013, S. 8-13

• [3] L. Kotte, G. Mäder, J. Roch, J. Wielant, J. F. Gammel und T. Mertens (2012): „Großflächige Plasmavorbehandlung und PECVD bei Atmosphärendruck mittels Large-Plasmaquelle“, in: Jahrbuch Oberflächentechnik, Band 68, Bad Saulgau: Eugen G. Leuze Verlag, S. 49-60

* Liliana Kotte und Julius Roch sind Mitarbeiter, Dr. Gerrit Mäder ist Leiter der Gruppe Plasmatechnik und Nanomaterialien beim Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in 01277 Dresden

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