Was ist eigentlich Ultraschall?
Ultraschall-Reinigung ist eine weitere Reinigungsmethode und wird heute in vielen Industriebereichen, in der Produktion und im Service erfolgreich eingesetzt. Besonders seit der Einsatz von Lösemitteln zum Schutz der Umwelt eingeschränkt werden musste, entwickelte sich das Reinigen mit Ultraschall unter Verwendung wässriger Reinigungsflüssigkeiten als eine der besten und sichersten Alternativen.
Unsere Ultraschall-Reinigungsgeräte in Standardausführung von 0,8 bis 200 Liter Kapazität, in Verbindung mit passenden beheizten Spültanks und Trockner haben sich beim Reinigen von Einzel- und Serienteilen bestens bewährt. Ultraschallreinigung erfolgt immer in einem wässrigen Reinigungsbad, wobei die Reinigungszusätze auf die Verschmutzung und das zu reinigende Material abgestimmt sind. Ultraschall Frequenzen von 33kHz oder 40kHz werden elektrisch erzeugt und mit Hilfe von Schwingerelementen in den Reinigungstank übertragen. Wie aus Abbildung 1 ersichtlich, werden die Schwinger meistens von außen an den Wannenboden angebracht. Der im Schema gezeigte Ultraschallschwinger ist ein Blei- Zirkonat-Titan Element, auch PZT-Schwinger (Abb.1) genannt. Das verwendete keramische Material ändert seine Dicke wenn eine elektrische Spannung mit wechselnder Polarität angelegt wird, in Umkehrung des piezo-elektrischen Prinzips. So wird die elektrisch erzeugte Frequenz in mechanische Schwingungen umgesetzt, die über ein Aluminium-Verbindungsteil an den Wannenboden übertragen werden, der dadurch zur mechanisch schwingenden Ultraschall-Membrane wird.
Abbildung 2-4: Antriebswelle VOR… und NACH… der Ultraschallreinigung/Taktzeit ca. 3 Minuten
Die Leistung eines Ultraschallschwingers wird in Watt oder Kilowatt angegeben. Je größer der Tank, um so mehr Watt oder Kilowatt sind somit offensichtlich erforderlich, um eine gleichbleibende Ultraschall-Energiedichte im ganzen Bad zu erreichen. Als Faustregel wird oft ca. 10 Watt pro 1 Liter Reinigungsflüssigkeit angegeben.
Die in das Bad eingebrachte Ultraschallenergie erzeugt den so genannten Kavitations- Effekt. Die zunächst leicht erkennbaren Anzeichen von Ultraschall im Bad sind:
- intensive Flüssigkeitsbewegungen
- schnelle Verrührung und Vermischung
- intensive Turbulenzen und Verwirbelungen
an sich schon hilfreiche Eigenschaften zur Unterstützung des grundsätzlichen Reinigungsprozesses. Aber es ist der Kavitations- Effekt, der tatsächlich die so außerordentlich gründliche Reinigung der Teile bewirkt, die in ein Ultraschallbad eingebracht werden. Selbst in kleinsten Hohlräumen, in winzigen Bohrungen werden Verunreinigungen entfernt, gleichsam weggesprengt, als direkte Folge des Kavitations- Effektes.
Was ist Kavitation…?
Ultraschallwellen erzeugen periodische Druck- und Expansionsphasen in der Flüssigkeit. (33kHz = 33000 mal/Sekunde). Während der Kompressionsphase werden durch den Druck in der Flüssigkeit die Moleküle zusammengepresst. Während der Expansionsphase, unter negativem Druck, werden die Moleküle voneinander weggezogen. Wenn die Ultraschallenergie genügend hoch ist, dann entsteht während der Expansionsphase eine BLASE. Anders ausgedrückt: Wenn während der Expansionsphase der Ultraschallwelle der Negativdruck genügend groß ist, wird die „Zugfestigkeit“ der Flüssigkeit überwunden, es entsteht ein beinahe Vakuum in Form einer Vielzahl von Flüssigkeitsdampf gefüllten Kavitationsbläschen die im Ultraschallbad oszillieren. Von Natur aus sind diese Kavitationsbläschen unstabil.
Während der weitergehenden, schnellen Expansions- und Kompressionsphasen verändern die Bläschen ihre Größe entsprechend. Da jedoch die Quantität des „Gas-Austausches“ zwischen Bläschen und umgebender Flüssigkeit hauptsächlich von der Größe der Trennfläche zwischen Blase und Flüssigkeit abhängt, ist die Gasdiffusion in die Blase hinein, während der Expansionsphase immer etwas größer als die Diffusion aus der Blase heraus in der Kompressionsphase, weil nunmehr die Blasentrennfläche kleiner ist. So kommt es, dass mit jeder Ultraschallwelle die Blase zusätzliche Energie „aufsaugt“ und damit während jeder Expansionsphase etwas mehr wächst, im Vergleich zur Reduzierung in Größe während der Kompressionsphase. Schließlich erreichen die Bläschen ihre „kritische“ Größe, in der sie die Ultraschallenergie sehr effektiv absorbieren können.
Diese „kritische“ Größe ist von der eingesetzten Schallfrequenz abhängig. Bei 20kHz Frequenz zum Beispiel, liegt der „kritische“ Blasendurchmesser bei ca. 0.170mm. Bei 40kHz liegt der „kritische“ Durchmesser unterhalb 0.140mm. In diesem „kritischen“ Stadium kann das Bläschen während der nächsten Schallwelle dramatisch anwachsen, so daß es seine Energieaufnahmegrenze erreicht und bei der nächsten Kompressionsphase zusammenbricht:
Abb. 5: Foto einer 0.150 mm Durchmesser Kavitationsblase während der Implosion. Der asymmetrische Einsturz ist deutlich sichtbar.
Das Bläschen implodiert. Unter Kavitationseffekt versteht man die kontinuierlichen Implosionen einer Vielzahl von Bläschen im gesamten Ultraschallbad und an allen Oberflächen der zu reinigenden, eingetauchten Teile. Während der Implosion eines Kavitationsbläschens erhitzen sich die Gase im Bläschen bis auf ca. 5500ºC, „hotspot“ genannt, aber für einen so kurzen Moment, dass die nähere Umgebung eigentlich nicht betroffen ist. Über kurz oder lang wird die Badtemperatur jedoch ansteigen, da letztlich die ins Bad eingebrachte Ultraschallenergie zu 100% in Wärme umgesetzt wird.
Abb. 6: Schematische Darstellung einer Implosion. Während des „Einsturzes“ entstehen kurzzeitig Flüssigkeitsströmungen von Geschwindigkeiten bis zu 400km/h. Auf diese Weise werden beim Ultraschallreinigen Verunreinigungen „weggeblasen“.
Man kann die Ultraschallreinigung vereinfacht als eine mikroskopische Bürste bezeichnen. Dies kann beim Reinigen einer Brille oder eines Gliederarmbands im Ultraschallbad illustriert werden.Die Kavitationsblasen implodieren nicht nur an allen Flächen, sie implodieren auch in den kleinsten Zwischenräumen, zwischen Glas und Metallrahmen der Brille. Wolkenartig werden Verunreinigungen aus den Zwischenräumen entfernt.
Chemische Reinigungszusätze
Zur Ultraschallreinigung („mikroskopischer Bürste“) werden geeignete chemische Reinigungszusätze, je nach Art der Verunreinigung benötigt. Durch das natürliche und ständige Durchmischen durch Ultraschall werden in der Regel geringere Mengen von Reinigungszusätzen benötigt, im Vergleich zur Reinigung ohne Ultraschall. Für die meisten Reinigungsaufgaben stehen umweltfreundliche, biologisch abbaubare, „grüne“ Reinigungsmittel zur Verfügung.
Hinweis: Lösemittel und Flüssigkeiten mit niederem Brennpunkt dürfen zur Ultraschallreinigung nicht eingesetzt werden, weil wie oben erläutert, durch die Implosionen, auch bei ausgeschalteter Heizung eine ständige Baderwärmung erfolgt.
Für weitere Rückfragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung!
