Fachwörter-Lexikon
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Ultraschallreinigen, Entstehung und Auswirkung
Die Schallwellen werden durch einen Generator erzeugt, der die normale Netzfrequenz von 50 Hertz bis 60 Hertz in hochfrequente Schwingungen umwandelt. Die elektromagnetischen Schwingungen werden dann durch so genannte Schallwandler in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz umgesetzt und in eine Reinigungsflüssigkeit übertragen. Treffen die Schwingungen auf eine Festkörperoberfläche, kommt es dann zu einem physikalischen Effekt, der Kavitation: Durch die hohe Intensität des Schallwechseldrucks in der Zugphase der Schwingung reißt die Flüssigkeit auf. Dadurch bilden sich Millionen mikroskopisch kleiner Bläschen. In der anschließenden Druckphase werden die Kavitationsblasen instabil, fallen in sich zusammen (implodieren) und erzeugen hydraulische Stöße mit erheblichen Energiedichten, die in der Flüssigkeit Mikroströmungen auslösen. Treffen diese auf eine Oberfläche, sprengen sie dort sitzende Verunreinigungen ab und spülen den Schmutz oder lose anhaftende Partikel des Festkörpers (z. B. Späne) weg. Ein Vorteil dieser intensiven Oberflächenbehandlung ist die Reduzierung der Reinigungsdauer gegenüber einer reinen Tauchbehandlung in der selben Reinigungslösung um bis zu 90 %.
Die Reinigungswirkung von Ultraschall basiert auf Kavitation: Je niedriger die Ultraschallfrequenz, desto größer und energiereicher sind die Kavitationsblasen / Bildquelle: Bandelin
Entsprechende Schwingsysteme stehen als Stab-, Tauch- und Plattenschwinger zur Verfügung. Eine Alternative stellen Ultraschalleinheiten dar, die mit Einzelelementen arbeiten. Zur Abreinigung von wasserbasierten (polare) Verunreinigungen wie Kühl- und Schmieremulsionen, Polierpasten, Additive, Salze, Abrieb und andere Feststoffe kommen üblicherweise wässrige Reiniger zum Einsatz. Sie stehen als pH-neutrale, alkalische und saure Medien zur Verfügung.
Stab- und Tauchschwinger sind die am häufigsten in der industriellen Teilereinigung eingesetzten Schwingsysteme / Bildquelle: Weber Ultrasonics
Ein Kriterium für den erfolgreichen Einsatz der Ultraschallreinigung ist die Frequenz. Generell gilt: Je niedriger diese ist, desto größer sind die Kavitationsblasen und die von ihnen freigesetzte Energie. Dies bedeutet, eine niedrige Frequenz führt einerseits zu großen Reinigungskräften an der Teileoberfläche, andererseits ist die Tiefenwirkung, die erforderlich ist, um in Grenzflächen wie Poren, Bohrungen und Strukturen einzudringen, gering. Dies führt dazu, dass bei Werkstücken mit komplexer Geometrie und/oder hohen Sauberkeits-anforderungen Ultraschall mit unterschiedlichen Frequenzen eingesetzt wird. Dafür sind Multi- oder Mischfrequenzsysteme verfügbar, mit denen die Flüssigkeit in einem Reinigungsmedium mit mehreren Frequenzen, beispielsweise 25 Kilohertz und 40 Kilohertz, beschallt werden kann. Durch die dadurch entstehende, gemischte Anzahl größerer und kleinerer Kavitationsblasen werden optimale Reinigungskräfte an der Oberfläche und in Grenzflächen erreicht. Gleichzeitig lassen sich damit platzsparende Reinigungssysteme realisieren.
Anlage für die Reinigung mit Lösemitteln oder wässrigen Medien und einer Ultraschallausstattung / Bildquelle: EMO
Beeinflusst wird das Reinigungsergebnis durch die Anzahl und Positionierung der Schwingelemente in der Reinigungslösung. Um eine ausreichende Reinigungswirkung zu gewährleisten, werden üblicherweise 8 W bis 10 W Ultraschalleistung pro Liter Reinigervolumen veranschlagt. Dies bedeutet, dass bei einem Reinigungsbehälter mit 100 Litern Volumen eine Ausgangsleistung von 800 W bis 1000 Watt erforderlich ist.
Die Schallwellen breiten sich im Flüssigkeitsbad von der schallabstrahlenden Fläche in Längsrichtung (longitudinal) aus. Dadurch entstehen schalltote und schallaktive Zonen. Die Anordnung der Schwingelemente hat daher großen Einfluss auf das Reinigungsergebnis. Werden Schwinger beispielsweise nur am Boden der Arbeitskammer oder des Reinigungsbeckens angebracht, wirkt der Schall senkrecht nach oben zur Oberfläche des Reinigungsmediums und reflektiert von hier wieder zurück zum Boden. Dies hat Auswirkungen bei der Reinigung von Teilen mit Hohlräumen und Sacklöchern: Haben sich darin Luftblasen gebildet, die den Schall nicht mit der selben Wirkung weiterleiten und damit als Hindernis wirken, so findet keine Reinigung statt. Daher ist sicherzustellen, dass alle Hohlräume mit Reinigungsflüssigkeit gefüllt sind. Dazu sollten die Teile im Reinigungsmedium oszilliert oder gedreht werden. Einige Ultraschallgeneratoren verfügen über eine sogenannte Sweep-Funktion für eine Frequenzmodulation, die die Ultraschallschwingungen gleichmäßiger in der Reinigungsflüssigkeit verteilt.
Damit die Schallwellen ihre Reinigungskraft voll entfalten können, ist eine gute Zugänglichkeit des Mediums zu den Teilen erforderlich / Bildquelle: Dürr Ecoclean
Neben Luft können auch ungünstige Reinigungsbehältnisse, die vollständig geschlossen sind oder aus Lochblech bestehen, die Reinigungswirkung beeinträchtigen. Ideal sind Werkstückträger und Schüttgutkörbe aus rostfreiem Runddraht. Sie ermöglichen sowohl dem Ultraschall als auch dem Reinigungsmedium eine gute Zugänglichkeit von allen Seiten. Bei der Beladung der Werkstückträger oder Schüttgutkörbe sollten die zu beschallenden Flächen nicht größer als die schallabstrahlenden Flächen sein und die Masse des Teils oder der Teile nicht mehr als 50 % des Reinigervolumens betragen. Eine zu kompakte Beladung, beispielsweise dicht übereinander gestapelte Teile und große Mengen Schüttgut, kann verhindern, dass der Ultraschall alle zu reinigenden Werkstückflächen erreicht. Resultat sind eine ungenügende Reinigungsqualität und lange Behandlungszeiten.
Durch den richtigen Einsatz von Ultraschall in Kombination mit einem auf die Verschmutzung abgestimmten Reinigungsmedium lässt sich die Reinigungszeit um bis zu 90 % reduzieren. Gleichzeitig kann der Verbrauch von Reinigungschemie verringert werden.
Reibung und Verschleiß – Tribologisches System
Das schematisch dargestellte tribologische System ist eine Abstrahierung, die letztlich auf jeden denkbaren Verschleißfall anwendbar ist. Der im Mittelpunkt der Betrachtung stehende Grundkörper befindet sich in Kontakt und Relativbewegung mit einem (festen, flüssigen oder gasförmigen) Gegenkörper. Das Beanspruchungskollektiv und hierbei insbesondere die aufgebrachte Belastung bestimmt im Zusammenspiel mit der Mikrogeometrie und dem Verformungsvermögen von Grund- und Gegenkörperwerkstoff die Kontaktbedingungen (d.h. die reale Kontaktfläche).
Zwischen den beiden Körpern befindet sich häufig ein Zwischenstoff. Dabei kann es sich beispielsweise um Luft, Wasser, Abrasivpartikel oder auch gezielt zur Verschleißminderung eingebrachte Schmierstoffe handeln. Der Zwischenstoff hat in Kombination mit dem Umgebungsmedium (häufig identisch mit dem Zwischenstoff) und der Temperatur des Systems entscheidenden Einfluss auf eventuell parallel auftretende korrosive Prozesse, die wiederum das Verschleißverhalten beeinflussen können. Die Festlegung der Systemgrenze entscheidet darüber, in welchem Umfang äußere Faktoren mit in die Verschleißbetrachtung einbezogen werden. So kann es für orientierende Untersuchungen im Labormaßstab sinnvoll sein, eine enge Systemgrenze zu ziehen, während für betriebsähnliche Versuche die Grenze hinreichend weit gefasst sein sollte, um alle potentiellen Einflüsse realitätsnah abbilden zu können. Diese Ausführungen verdeutlichen, dass die Verschleißbeständigkeit eines Werkstoffs nur in Bezug auf den konkreten Anwendungsfall und unter Berücksichtigung aller Systembestandteile bewertet werden kann. Kein Werkstoff ist per se verschleißbeständig.
Wie Abbildung 3 zu entnehmen ist, umfasst das auf Grund- und Gegenkörper wirkende Beanspruchungskollektiv zahlreiche, höchst unterschiedliche Einzelfaktoren, die jedoch alle miteinander verknüpft sind. So ergeben sich die in der Grenzfläche wirkenden Belastungen (Kräfte und Momente) unmittelbar aus den Bewegungsverhältnissen und dem Reibungszustand. Ausgehend von einem festen Gegenkörper werden vier Grundformen der Kinematik von Festkörpern unterschieden (Abb. 4). Das Gleiten ist charakterisiert durch eine Translation in der Kontaktfläche (Pendant für flüssigen oder gasförmigen Gegenkörper: Strömen), während beim Rollen eine Rotation um eine parallel zur Kontaktfläche orientierte Momentanachse stattfindet. Beim Bohren hingegen rotiert der Gegenkörper senkrecht zur Grenzfläche. Ein intermittierender Kontakt senkrecht zur Kontaktfläche wird als Stoßen oder Prallen bezeichnet [2]. Reale Verschleißfälle sind häufig durch eine Kombination dieser elementaren Bewegungsformen gekennzeichnet. So besitzen zum Beispiel Rollbewegungen fast immer mikroskopische oder makroskopische Gleitanteile, so dass stattdessen der Begriff Wälzen verwendet wird.
Abb. 3: Tribologisches System (in Anlehnung an die zurückgezogene DIN 50320)
Abb. 4: Elementarformen der Kinematik von Festkörpern: a) Gleiten, b) Rollen (Wälzen), c) Bohren, d) Stoßen/Prallen
Bezüglich des Reibungszustandes wird zwischen drei Grundarten unterschieden. Festkörperreibung bezeichnet die Reibung zwischen zwei, in unmittelbarem Kontakt stehenden festen Körpern (sind die Oberflächen der Reibpartner hierbei mit einem molekularen Grenzschichtfilm bedeckt, ist auch der Begriff Grenzschichtreibung üblich) [2]. Sind Grund- und Gegenkörper durch einen flüssigen Film lückenlos voneinander getrennt, liegt Flüssigkeitsreibung vor (bzw. Gasreibung bei einem gasförmigen Film). Trennt der flüssige Film die Reibpartner nur teilweise, so dass noch Bereiche mit Festkörperreibung vorhanden sind, handelt es sich um Mischreibung [2]. Im praktischen Einsatzfall wie zum Beispiel in Wälzlagern wird üblicherweise die Flüssigkeitsreibung angestrebt. Realisiert wird dies mithilfe von Flüssigschmierstoffen. Der Begriff Schmierung bezeichnet folgerichtig die Verringerung von Reibung und Verschleiß zwischen zwei sich relativ zueinander bewegenden Reibpartnern [6].
Literatur
[2] H. Czichos, K.-H. Habig: Tribologie -Handbuch – Tribometrie, Tribomaterialien, Tribotechnik. 3. Aufl., Wiesbaden: Vieweg + Teubner, 2010. – ISBN 978-3-8348-0017-6
[6] V.L. Popov: Kontaktmechanik und Reibung – Von der Nanotribologie bis zur Erdbebendynamik. 3. Aufl., Berlin Heidelberg: Springer Vieweg, 2015. – ISBN 978-3-662-45974-4
Autoren dieses Artikels:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Thomas Lampke, Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik
Dipl.-Ing. Rico Drehmann, Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnik
nichtaushärtbare Aluminium-Knetlegierungen
Bei nichtaushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen ist eine Festigkeitssteigerung durch Wärmebehandlung nicht möglich. Zu ihnen gehören Aluminium-Magnesium-Legierungen Typische Vertreter enthalten 1 % bis 7 % Mg. Sie sind besonders Seewasserbeständig und gut Schweißbarkeit. Zudem lassen sie sich stark Kaltverfestigen. Einsatzgebiete sind Walz-, Press- und Schmiedeprodukte. Wird als Basismetall zur Herstellung einer AlMg1-Legierung hochreines Aluminium (99,99 %) verwendet. Diese Legierung zeichnet sich durch eine sehr hohe Korrosionsbeständigkeit aus. Ihre Festigkeitswerte sind höher als die des Reinst- oder Reinaluminiums. Die Festigkeit nimmt diesen Werkstoffen mit steigendem Magnesiumgehalt zu.