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.

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