Die Ultraschallreinigung ist heute das modernste Reinigungsverfahren. Die besonderen Vorteile sind:
Eine gründlichere Reinigung ist durch herkömmliche Verfahren nicht zu erreichen.
Auch hartnäckige Verschmutzungen in Bohrungen und Hohlräumen werden bei der Behandlung mit Ultraschall schnell und gründlich entfernt.
Unter Schall verstehen wir Druckwellen verschiedenster Art, die sich in elastischen Stoffen (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) ausbreiten können. Die Ursache ist immer eine Schallquelle, welche eine sich fortpflanzende mechanische Verformung des Ubertragungsmediums bewirkt. Im Vakuum kann sich Schall nicht ausbreiten.
Die Schallwirkungen im Ausbreitungsmedium hängen wesentlich von der Wellenform und Intensität der Quelle (Schallwechseldruck) und der Art des Mediums ab. So breiten sich z. B. in Flüssigkeiten und Gasen nur longitudinale Wellen aus; das heißt, die Schallwellen bewirken eine periodische Druck- und Zugphase in Schwingungsrichtung!
In der Akustik werden folgende Frequenzbereiche unterschieden:
| O Hz | < | f | < | 2O Hz Infraschall |
| 16 Hz | < | f | < | 2O kHz Hörschall |
| 16 Hz | < | f | < | 1 GHz Ultraschall |
| f | < | 5OO MHz Hyperschall |
mit: 1 Hz = 1 Schwingung pro Sekunde = 1 Hertz
Als Ultraschall bezeichnet man Schallwellen oberhalb der Hörbarkeitsgrenze des Menschen in einem Bereich von ca. 16kHz…1GHz. Ultraschall kann man zudem wesentlich energiereicher, d.h. „lautstärker“ als Hörschall erzeugen. In der Ultraschalltechnik unterscheidet man grob nach Kleinsignalanwendungen (Materialprüfung, medizin. Diagnostik) und typischen Leistungsschallanwendungen, wie z. B. die Ultraschall-Reinigung:
Kleinsignalanwendungen: Leistung < 1W/cm2 und Frequenz > 100kHz
Leistungsschallanwendungen: Leistung > 1W/cm2 und Frequenz < 100kHz
Es gibt auch Anwendungen, die nicht in dieses Schema passen; zum Beispiel werden in der Waferindustrie hohe US-Leistungen bei hohen Frequenzen benötigt (1…3 Mhz).
Flüssigkeiten werden durch innere Anziehungskräfte (Kohäsion) zusammengehalten. Ihre Größe bestimmt die Zugfestigkeit der Flüssigkeit.
Ultraschall pflanzt sich in flüssigen Medien in Form einer Längswelle (Longitudinalwelle) fort. Infolge des Schallwechseldruckes kommt es dabei zu Verdichtungen und Verdünnungen. Die Zugkräfte in der Sogphase der Schwingung (Verdünnung) können die Flüssigkeit zerreißen; es kommt zur sogenannten Kavitation.
Schon bei Ultraschall-lntensitäten ab ca. 1 W/cm2 sind die Zugkräfte größer als die Zerreißfestigkeit einer Flüssigkeit, die theoretisch bei ca.
100 kp/cm2 liegt. Durch Verunreinigungen (unlösliche Staubpartikel, Gasspuren) liegt sie aber meist niedriger- bei ca. 1 kp/cm2.
Bei Intensitäten ab ca. 1 W/cm2 (Schallwechseldruck 1,8 at!) treten aber schon Zugkräfte von ca. 1,8 kp/cm2 auf, so daß es durch Unterdruck zur Bildung von mikroskopisch kleinen Hohlräumen in der Flüssigkeit kommt. Diese Kavitationsbläschen (Staub- und Schmutzpartikel wirken als Keime!) können sich mit Luft (-nicht entgast) und/oder mit Flüssigkeitsdampf füllen.
Gaskavitation: Meist sind in Flüssigkeiten größere Mengen Luft gelöst, (unechte Kavitation) oder als nicht sichtbare Bläschen suspendiert (rd<0,1 mm). In der Sogphase vergrößern sie sich (Zeit bei 25 kHz -10 µs), koagulieren unter dem Einfluß des Strahlungsdruckes und steigen sichtbar auf (Auftrieb).
Dampfkavitation (echte Kavitation): Nur bei völlig entgasten und gereinigten Flüssigkeiten füllen
sich die Hohlräume ausschließlich mit Dampf.
In der Druckphase schlagen diese Bläschen verzögert wieder zusammen und es können dadurch lokal (µm-Bereich) sehr hohe Druckspitzen (bis 1000 at) und Temperaturen (5500 °C) auftreten!
Die Implosionen erzeugen Druckwellen, die in der mikroskopisch nächsten Nachbarschaft Beschleunigungskräfte auslösen, die die des primären US-Feldes um den Faktor 1000 übertreffen. Dieser physikalische Vorgang ist auch aus anderen Gebieten bekannt, wo hohe Zerreißkräfte auf die Flüssigkeit einwirken, z.B. bei Schiffsschrauben.
Neben Staub- und Schmutzpartikel wirken auch andere „Fehlstellen“ in der Flüssigkeit als Kavitationskeime: rauhe und oft verschmutzte Oberflächen (Grenzflächen) eingetauchter Teile.
Von diesen Kontaktflächen werden Schmutzteilchen regelrecht abgesprengt und suspendieren in die Flüssigkeit.
Die Kavitationseffektivität wird von vielen Parametern beeinflusst. Sie hängt u.a. vom äußeren Druck, von der Temperatur, der Schallfrequenz, der Viskosität der Flüssigkeit und von der zu reinigenden Oberfläche ab.
Die Kavitation ist die Hauptursache für die Reinigungswirkung im niederfrequenten Ultraschall Reinigungsbereich. Ihr Reinigungseffekt ist vergleichbar mit dem Angriff unzähliger Mikrobürsten in jedem Flüssigkeits-Volumenelement. Gerade kleinste und schwer zugängliche Problemstellen (Bohrlöcher, Hinterschneidungen) werden vorteilhaft erreicht.
Außer der Kavitation tragen auch noch andere Parameter zum Ultraschall Reinigungsergebnis an festen Oberflächen bei:
US-spezifische: period. Schallwechseldruck (Frequenz!) und dadurch verursachte Beschleunigungskräfte, Strahlungsdruck, Resonanzen von Molekeln u. Festkörperteilchen, Mikroströmungen (Beschleunigung der Diffusion), gleichmäßiges Schallfeld – keine stehenden Wellen, bzw. deren Ausmittelung durch langsame oszillative Bewegung der Teile im Bad.
Reinigungsspezifische: Ubertragen der US-Energie, Abtransport des suspendierten Flüssigkeitschmutzes chem. Zusätze: Abbau von Oberflächenspannungen u./o. physikalischen (z.B. adhäsiven) und chem. Bindungen, abgestimmt auf die Art der Verschmutzung
Temperatur: ca. 40 °C…90 °C bei wäßrigen Lösungen (alkal., neutral, o. sauer) Für jede Reinigungsflüssigkeit gibt es eine optimale Temperatur der Schallübertragung und Kavitation. Mit steigender Temperatur nehmen Viskosität und Dichte ab, der Dampfdruck jedoch wächst.
Ein Nachteil der Kavitation soll nicht verschwiegen werden:
Wird die Ultraschall-Reinigung regelmäßig, und/oder über einen längeren Zeitraum (Monate, Jahre) betrieben, so beginnt ein sichtbarer Materialabtrag (Kavitationsfraß) im Bereich der Schallquelle. Diese sogenannte Kavitationserosion führt längerfristig zu einer Verminderung der Ultraschall Reinigungsleistung (Mikroabtragung) und begünstigt eine mögliche Rißbildung in der Wanne (Undichtigkeit). Die Kavitationserosion ist auch von der gewählten Betriebsfrequenz abhängig. Das heißt, bei der Reinigung sehr empfindlicher und speziell bearbeiteter Oberflächen (hochglanzpolierte Teile, optische Gläser etc.) ist grundsätzlich eine höhere Ultraschallfrequenz und geringere Leistungsdichte zu wählen um Schäden an der Oberfläche bei sehr langen Betriebszeiten zu vermeiden.
Allgemein gilt:
Grobreinigung: – niedrige US-Frequenz, z.B. 25kHz – intensive Kavitation.
Feinstreinigung: – hohe US-Frequenz, z.B. 40kHz u. höher – geringe Kavitation
Bei der Ultraschall-Reinigung ist die Auswahl der Reinigungsflüssigkeit mit dem chemischen Zusatz (Reinigungsmittel) mindestens so wichtig, wie die Auslegung der benötigten Ultraschallausrüstung (Generatoren, Schwinger, Betriebsfrequenz etc.). Für die Wahl des Reinigungsmittels und der Anwendungstemperatur ist entscheidend, wie sich der Schmutz oder das Bindemittel, durch das der Schmutz haftet, am besten lösen oder chemisch zerstören lassen.
Zu beachten ist dabei, daß das Reinigungsgut nicht oder nur wenig angegriffen wird. Je nach den zu reinigenden Teilen/Werkstoffen, sowie der Vorgeschichte der Verschmutzung, kann die geeignete Reinigungsflüssigkeit bestimmt werden. Bei der richtigen Auswahl spielen neben dem Preis, mehr und mehr Umweltaspekte (biologische Abbaubarkeit, Entsorgung) eine wichtige Rolle. Dabei ist zu berücksichtigen, daß Art und Menge der abgereinigten Verschmutzung die Badflüssigkeit zum „Sondermüll“ machen können.
Bei der industriellen Teilereinigung (Grobreinigung in der metallverarbeitenden Industrie, Oberflächentechnik etc.) werden meist zwei Arten von Ultraschall Reinigungsbädern eingesetzt.
Wichtig: ln Edelstahl-Reinigungswannen dürfen nur saure Reiniger auf der Basis von Phosphorsäure eingesetzt werden – CrNi-Stahl 1.4301 ist nicht beständig!
– Lösemittelbäder entfetten sehr gut, sind aber häufig nur unter bestimmten technischen Voraussetzungen einsetzbar.
Sie weisen zum Teil ein hohes Gefährdungspotential für die Umwelt auf.
Bei feuergefährlichen Lösungsmitteln sind zusätzlich Ex-Vorschriften zu beachten.
1. Die Wanne oder das Bad wird mit der Reinigungsflüssigkeit gefüllt (Füllhöhe und Verdrängungsvolumen bei großvolumigen Teilen beachten!) und wenn nötig auf die Betriebstemperatur aufgeheizt.
2. Zugabe des chemische Reinigungszusatzes.
3. Einschalten des Ultraschalls mit maximaler Leistung zum „Entgasen der Badflüssigkeit“. ln der Regel ein mehrminütiger Prozeß, je nach installierter Ultraschalleistung und Badtemperatur.
Grund: In „neuen und kalten Flüssigkeiten“ sind immer größere Mengen an Luft oder anderen Gasen gelöst oder als nicht lösbare Bläschen suspendiert (rd<0,1mm). Zu Beginn einer Ultraschallbeaufschlagung koagulieren diese zuerst (Gaskavitation) und steigen sichtbar auf. Ein Großteil der zugeführten Ultraschallernergie wird während des Entgasens verbraucht – die Reinigungswirkung am Objekt ist erheblich gemindert.
Durch Zugabe von Netzmittel bei wässrigen Lösungen wird das Entgasen beschleunigt. Ein Netzmittel ist bereits in vielen Reinigungszusätzen entbalten.
Das Entgasen ist optisch gut zu beobachten und kann entsprechend kontrolliert werden. Dieser Vorgang muß bei Gebrauch der gleichen Flüssigkeit nicht wiederholt werden; nur nach längerem Stillstand (Tag), oder intensiver Durchmischung (Pumpen-Filter-Aggregat) bei offener Badoberfläche ist eine erneute Entgasung zu empfehlen.
4. Ultraschall-Reinigung
Die zu reinigenden Teile werden direkt in das Bad gehalten, oder über eine Vorrichtung so eingehangen, daß sie vollständig eintauchen. Dabei ist ein Mindestabstand von ca. 5 -1O cm zu den Ultraschall-Abstrahlflächen einzuhalten. Kleinteile möglichst nicht schichten oder übereinanderlegen! – Körbe verwenden. Großflächige Teile (Linsen, Leiterplatten) werden häufig parallel zur Schallrichtung angeordnet.Gestellware wird möglichst flächenkonform und einzeln positioniert.
Hinweis:
Trotz der „allumfassenden Ausbreitung“ des Ultraschalls im gesamten Badvolumen kann es bei einer Anhäufung vieler kleiner Teile und auch bei großformatigen Teilen zu Abschattungseffekten kommen. Das heißt, die vorhandene Ultraschallintensität am Teil selbst, reicht nicht für die Auslösung von Kavitation an der Oberfläche aus. Das Teil wird nur ungenügend sauber. Eine direkte Berührung mit der Schallfläche, insbesondere bei Bodenschall, hat eine ungenügende Reinigungsleistung zur Folge und beschädigt den UItraschallgeber!
Die Reinigungszeit beträgt normalerweise – je nach Verschmutzung und der chemischen Lösefähigkeit der Reinigungsflüssigkeit – einige Sekunden bis Minuten. Bei gealterten Verschmutzungen wie sie vor allem bei Wartungsarbeiten anfallen, können die Behandlungszeiten höher liegen. Hier kann z. B. ein vorheriges „Einweichen“ im Bad sinnvoll sein.
Das Reinigungsergebnis kann zusätzlich durch eine Bewegung der Teile im Bad, z. B. durch eine Oszillationsvorrichtung oder auch von Hand wesentlich gesteigert werden (Vermeidung der Auswirkung stehender US-Wellen; zusätzliche Abspülwirkung schon angelöster Schichten!).
Bei der Entnahme des Reinigungsgutes aus dem Bad, bleiben an der Teileoberfläche Rückstände der Badflüssigkeit und, wenn das Bad nicht kontinuierlich gepflegt wird, sogar gelöste Schmutzteilchen haften. Deshalb ist eine nachträgliche Spülung durchzuführen.
5. Badpflege
Nach jedem Reinigungszyklus und bei längerem Stillstand sollte ein Austausch der Badflüssigkeit und eine Wannenreinigung vorgenommen werden. Eventuelle Rückstände, insbesondere am Boden, müssen enffernt werden. Die Wanne ist sauber auszuwischen und bei leichten Kratzern gegebenenfalls nachzupolieren.
Entstandene Kalk- und Oxidationsflecken können mit handelsüblichen Reinigern (Poliermittel ohne Schleifmittelzusatz, Kalkentferner) entfernt werden.
Grundsätzlich gilt: Eine metallisch blank geputzte Oberfläche erhöht wesentlich die Lebensdauer der Ultraschallwanne.
Abgestimmt auf die unterschiedlichen Anwendungsbereiche sind Anlagen ab einem Kammervolumen von 3 Liter erhältlich. Kompaktanlagen haben Heizung und Ultraschall-Generator in einem Gehäuse integriert.
Ab einem Kammervolumen von ca 100 Liter werden externe Generatoren eingesetzt.
Eine weitere Möglichkeit bieten Tauchschwinger.
Mit diesen Tauch- oder Kapselschwingern lassen sich auch nachträglich alle vorhandene Becken mit Ultraschall ausrüsten. Die Tauchschwinger werden an den Seitenwänden in das Becken eingehängt oder auf den Beckenboden gelegt. Die Energieversorgung erfolgt über dichtgeschweißte Edelstahlrohre oder flexible, edelstahlummantelte Rohre.
Universell einsetzbare Kleingeräte zur rationellen Ultraschallreinigung von Teilen aus Metall, Glas oder Kunststoff in Goldschmiede- Uhrmacherwerkstätten, Optik- und Servicewerkstätten, in medizinischen und technischen Labors.
Ein eingebauter, leistungsstarker Transistorgenerator, sowie am Wannenboden angebrachten piezokeramischen Ultraschallwandlern erzeugen eine hohe Schallintensität. Auch komplizierte Objektgeometrien können innerhalb kürzester Zeit gründlich gereinigt werden. Die Beheizung der Reinigungswanne erfolgt mit seitlich aufgebrachten und thermostatisch geregelten Heizflächen.
Die Reinigungswannen sind aus tiefgezogenem Chromnickelstahl gefertigt.
Besitzen die gleichen hohen technischen Eigenschaften wie die WPK-Reihe, sind aber für den rauhen Industriebetrieb gefertigt. Die Reinigungswannen sind aus 2 mm Edelstahl, Werkstoff 1.4301 oder 1.4571 geschweißt. Die Ultraschallgeber können unter dem Wannenboden und zusätzlich noch an den Seitenwänden angebracht werden.
Die elektrische Versorgung übernehmen externe Generatoren, die in Modulen von je 2,0 kW angeschlossen werden können. Noch größerer Energiedichten lassen sich so im Becken realisieren.
Im Maschinenbau, in der Feinwerktechnik, bei der spanenden oder nichtspanenden Fertigung, in den Bereichen der Optik, Medizin und Elektronik finden diese Anlagen ihre Anwendung.
Ultraschall-Wandler sind piezokeramische Elemente, die in Sandwichbauart zwischen metallischen Resonanzkörpern eingespannt und verschraubt sind.
Diese Ultraschall-Wandler sind in den häufigsten Anwendungsfällen unter dem Beckenboden angebracht. Sie wandeln die vom Generator angelieferte elektrische Energie in eine Hubbewegung um, die über den Wannenboden an die Flüssigkeit im Reinigungsbecken weitergegeben wird.
Die Badflüssigkeit wird in Resonanz versetzt. Die Energiedichte des erzeugten Schallfeldes ist so hoch, dass sich die Kavitation einstellt
Kompakte Ultraschall-Geber Systeme die auch zum nachträglichen Ausrüsten vorhandener Reinigungsbecken eingesetzt werden.
Die Tauchschwinger werden an den Seitenwänden eingehängt oder auf den Wannenboden gelegt. Über eine flüssigkeitsdichte Energiezuführung werden die Tauchschwinger mit den externen Ultraschall-Generatoren verbunden. Besonders in der berflächenveredelnden Industrie findet diese Technik Einsatz.