Robuste Plasmaregelung mit einzigartiger Präzision
Die US-amerikanische Linde Advanced Material Technologies Inc. (Linde AMT) ist eine der führenden Anbieterinnen von Systemen für die Beschichtung von Oberflächen. Die unbedingte Sicherheit der Anlagen steht dabei im Vordergrund. Mit Unterstützung von Bürkert entwickelte Linde AMT eine der kompaktesten und zuverlässigsten Plasmaspritz-Anlagen auf dem Markt.
Plasmaspritzen ist ein thermisches Spritzverfahren zur Oberflächenbeschichtung. Hierbei werden Materialien wie beispielsweise Keramik, Metalle, Cermets oder Polymere geschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf Oberflächen, meist Metallsubstrate, gesprüht. Anwendungen finden sich vor allem in der Luft- und Raumfahrtindustrie, im Automobil- und Turbinenbau oder der Elektronik. Durch die Beschichtung werden typischerweise Verschleißfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit oder Wärmeschutz einer Oberfläche verbessert.
Gase wie Argon, Stickstoff, Helium oder Wasserstoff werden beim Plasmaspritzen in einem Brenner durch einen Lichtbogen dissoziiert und ionisiert. Die atomaren Bestandteile verbinden sich hinter der Düse wieder und geben dabei eine enorme Hitze ab. Plasmakerntemperaturen betragen dabei bis zu 20.000 K. In diesen Plasmajet wird dann das pulverisierte Beschichtungsmaterial eingedüst, in der hohen Temperatur aufgeschmolzen und durch den Plasmastrom auf das Werkstück geschleudert.
Plasmaspritzen erfordert stabile, reproduzierbare Prozesse
Beschichtungssysteme sind meist rund um die Uhr und dazu in einer rauen industriellen Umgebung in Betrieb. Deshalb zählt nicht nur die Robustheit der Komponenten, sondern ebenso ein wiederholgenauer Prozess: Einzig durch das Einstellen und Halten der Sprühparameter werden Beschichtungsdicken und -dichten bestimmt.
Die Brenngasregelung der Plasma-Sprühsystem-Steuerung TAFA® 6600XL von Linde AMT ist kompakt aufgebaut.
Die dem Brenner zugeführten Gasströme können beispielsweise über Massendurchflussregler (Mass Flow Controller, MFC) gesteuert werden. Um den Durchfluss zu bestimmen, wird oberhalb und unterhalb des Ventils der Differenzdruck oder die Temperatur gemessen. Ein Verfahren, das zwar elegant, aber sehr empfindlich gegenüber dem Einfluss von Verschmutzungen und deshalb sehr wartungsintensiv ist. Hinzu kommt, dass MFCs vergleichsweise teuer sind.
Verschleißarmes Plasma-Sprühsystem
Die TAFA® Plasma-Sprühsystem-Steuerung von Linde AMT hingegen verwendet zur Messung der Gase ein mechanisches System. Jedes Gas wird über einen Verteiler mit vier Ventilen durch aus Rubin gefertigte, hochpräzise Durchlässe unterschiedlicher Durchmesser eingesteuert. Dabei macht man sich ein physikalisches Phänomen zu Nutze: Baut man oberhalb der Öffnung einen Druck auf, der in etwa dem Doppelten des unter der Öffnung anliegenden Drucks entspricht, dann erreicht der Gasstrom Schallgeschwindigkeit. Weiter kann die Geschwindigkeit durch die Blende aus physikalischen Gründen nicht ansteigen. Da aber die Parameter Druck, Strömungsgeschwindigkeit und durchströmte Fläche über ein physikalisches Gesetz in Beziehung stehen, ändert sich nur die Dichte des Gases, wenn die Geschwindigkeit konstant gehalten wird und der Druck steigt. So lässt sich sehr einfach der Massenstrom des Gases in den Brenner einstellen.
Die individuell wählbaren und leicht tauschbaren Durchlässe sind aus Rubin gefertigt und deshalb sehr langlebig.
„Bei unserem System gibt es keine beweglichen Teile und damit keine mechanisch belastete Verschleißkomponente“, erklärt Andrew J. Bolduc, Produktmanager Plasma bei Linde AMT. „Die einzige Abnutzung erfährt der Rubin, der jedoch leicht ein Jahrzehnt hält, bevor er ersetzt werden muss.“
Durchflussmenge präzise regeln
Ein weiterer Vorteil der Lösung von Linde AMT ist die präzise Regelung der Durchflussmenge. Bei der Verwendung eines MFC basiert die Toleranz auf dessen spezifizierter maximaler Durchflussmenge (Full Scale). Das ist besonders kritisch bei empfindlichen Wasserstoff-Anwendungen, wenn der Regler sowohl große als auch sehr kleine Volumenströme bestimmen muss. Die absolute Durchflusstoleranz kann dabei zu nicht mehr tolerablen Abweichungen führen, die eine präzise Regelung unmöglich machen.
Anders beim TAFA®-Steuerungssystem von Linde AMT: Die Durchlässe der vier im Träger montierten Ventile können über vier unterschiedliche Durchmesser verfügen, sodass man je nach gewünschtem Volumenfluss einen oder mehrere öffnet und damit 15 verschiedene, auf den gewünschten Durchfluss hin optimierte Kombinationen zur Verfügung hat. Zudem können die Blenden leicht gegen andere Durchmesser ausgetauscht werden. „Es gibt heute kein anderes Gerät, das so etwas kann. Auf dem gleichen Verteiler können wir Massenströme von mehr als 1.000 SCFH (Standard Cubic Feet per Hour) bis hinunter auf 5 SCFH mit einer Genauigkeit von besser als 1 SCFH regeln“, zeigt sich der Produktmanager begeistert.
Modulares Konzept erlaubt bis zu vier Brenner
Um die gewünschte Qualität des Beschichtungsprozesses zu erreichen und zu erhalten, wird die Gesamtkombination aus Gasregelung und Plasmabrenner validiert. Ein Austausch des Brenners hätte damit zur Folge, dass das Gesamtsystem neu qualifiziert werden muss. Das System von Linde AMT verfügt deshalb über bis zu vier Anschlussstellen, sodass vier Brenner parallel angeschlossen und per Knopfdruck umgeschaltet werden können. Das Gesamtkonzept macht es überdies möglich, dass jede Anlage entsprechend der gewünschten Variabilität von Linde zusammengestellt werden kann.
Energiesparendes und starkes Kick and Drop
Bürkert-Ventile mit Kick and Drop Technologie können in explosionsgefährdeten Umgebungen und extrem dicht verbaut werden. Überdies halten sie hohen Schaltdrücken stand. Im Ventilblock sind vier solcher Spulen eng nebeneinander platziert.
Eine Herausforderung des TAFA® Systemdesigns ist es, dass der von der Brennerseite her auf das Ventil wirkende Gegendruck bis zu 0.7 MPa (100 psi) betragen kann. Eine Aufgabe, die bei der geforderten Kompaktheit des Ventilträgers nur mit der Bürkert Kick and Drop Technologie möglich wurde: Ein kurzer Stromimpuls erzeugt die benötigte hohe Anzugskraft zum Öffnen des Ventils, nur etwa eine halbe Sekunde später wird die benötigte Leistung bereits um bis zu 80 % gesenkt. Damit konnte Linde AMT extrem starke Federn zum Schließen der Ventile einsetzen, die im Vergleich zu normalen Ventilen einem deutlich höheren Gegendruck standhalten. „Es ist von größter Bedeutung für den Prozess, dass exakt die eingestellte Gasmenge strömt. Fiele eines der Ventile aus und es entstünde deshalb ein Leckstrom, würde dies die Dynamik im Brenner völlig verändern und damit die Beschichtungseigenschaften nachteilig beeinflussen“, unterstreicht Andrew J. Bolduc diesen wichtigen Aspekt.
Mehr Sicherheit durch geringere Wärmebelastung
Die reduzierte Leistung im Haltebetrieb der Kick and Drop Spulen verringert auch die Wärmebelastung. „Im Ventilblock sind vier solcher Spulen eng nebeneinander platziert. Bei einer thermischen Überbelastung könnte ein Ventil unbemerkt abschalten, was es in jedem Fall zu verhindern gilt“, beschreibt der Fachmann eine wesentliche Anforderung. „Wir haben die Spulen mit großen Gewichten im Dauerbetrieb belastet und versucht, eine Überlast zu provozieren. Das gelang uns nicht, die Bürkert-Spulen sind nie ausgefallen“, bestätigt Andrew J. Bolduc. Das Gesamtsystem profitiere aber auch von den geringen Einschaltströmen der Spulen. So kann das Steuerungssystem von Linde AMT mehr Ventile gleichzeitig betätigen, ohne die Stromversorgung zu überlasten.
"Sicherheit, Zuverlässigkeit und einfache Wartbarkeit stehen für uns im Vordergrund. Und Bürkert war der einzige Partner, der uns half, diese drei Kriterien zu erfüllen."
Hohe Anforderungen an Explosionsschutz erfüllt
Der Umgang mit Wasserstoff als Brenngas schraubt die Anforderungen an den Systemaufbau in die Höhe. Wasserstoff ist das Element mit der geringsten Dichte, es ist farb- und geruchlos und sehr flüchtig. In Kombination mit Luft entsteht leicht ein sehr explosives Gemisch. Erheblichen Aufwand investierte Linde AMT deshalb in ein eigenes Ventilsitzdesign, das einerseits die enge Bauform des Ventilträgers, und andererseits eine fehlstellenfreie Abdichtung zur Membran möglich machte. „Hier erhielten wir großartige Unterstützung von Bürkert. Sie zeigten uns, wie wir fehlerfreie Dichtungsoberflächen herstellen können“, ist Bolduc dankbar. Die erfolgreiche Qualifizierung des TAFA®-Systems von Linde AMT erfordert außerdem zertifizierte Komponenten, die in explosionsgefährdeten Umgebungen betrieben werden können – eine Anforderung, welche die Bürkert-Produkte erfüllen.
Zusammenarbeit ermöglicht einzigartige Lösung
„Niemand hat eine so ausgeklügelte Lösung wie Bürkert. Es gibt nichts, was auch nur annähernd an diese Spulen herankommt“, schwärmt der Linde-AMT-Produktmanager. „Mit unseren Anlagen versuchen wir Sicherheit, Zuverlässigkeit und Einfachheit der Wartung in den Fokus zu rücken. Und Bürkert war der einzige Partner, der uns half, diese drei Kriterien zu erfüllen. Unser System sucht deshalb im Markt seinesgleichen.“
Weiterführende Informationen: