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 eine der vielseitigsten Verfahrensvarianten der Beschichtungstechnologie des Thermischen Spritzens. Dabei wird jedoch, nach dem aktuellen Stand der Technik, nur ein kleiner Teil der zur Verfügung stehenden Energie genutzt, um die Partikel zu beschleunigen und aufzuschmelzen. Im Rahmen des Vorgängerprojekts wurde ein Lösungsansatz entwickelt, um die Energieeffizienz zu steigern. Hierbei wurde eine feste Düsenerweiterung eingesetzt, die den Plasmafreistrahl umgibt und somit eine Durchmischung mit der Umgebungsluft unterbindet. Die Auswirkung dieser Düsenerweiterung auf den Plasmastrahl wurde zunächst durch ein numerisches Simulationsmodell und anschließend auch experimentell untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Trennung die Plasmatemperatur erhöht und den Luftmassenanteil im Plasmastrahl verringert, wodurch die Energieeffizienz verbessert werden kann. Das entwickelte numerische Modell wird im Laufe des Projekts in Kombination mit numerischen Algorithmen, wie der Partikelschwarmoptimierung, genutzt, um die Geometrie der Düsenerweiterung für gegebene Prozessparameter zu optimieren. In abschließenden Beschichtungs-versuchen wird der Effekt auf die Schichteigenschaften ermittelt. Im Vorgängerprojekt wurde bisher die Funktionalität der festen Düsenerweiterung zur Steigerung der Plasmatemperatur und somit die Energieeffizienz des Plasmaspritzens mittels simulationsgestützter Prozessneuentwicklung erwiesen. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens soll ein ergänzender Ansatz zur Steigerung der Energieeffizienz, eine Vorheizung der injizierten Spritzpartikel, untersucht werden. Durch Ausnutzung der Strahlungsenergie des Plasmastrahls können das Trägergas und die in das Plasma injizierten Partikel ohne externe Energie vorgeheizt werden. Die um den Plasmastrahl konzipierte Vorheizvorrichtung kann außerdem dazu beitragen, die Vermischung des Plasmastrahls mit der Umgebungsluft zu minimieren. Durch numerische Simulationen und nachfolgende Experimente soll eine solche Vorheizung entwickelt und ihr Potenzial zur weiteren Steigerung der Energieeffizienz evaluiert werden. Indem die sonst verlorene Wärmeenergie des Plasmastrahls effizient genutzt wird, kann dieses Vorhaben einen weiteren Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz des Plasmaspritzens darstellen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen