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Das Prinzip der Ultraschallreinigung beruht auf dem Einbringen von hochenergetischen Schallwellen in ein flüssiges Reinigungsmedium, von dem das Reinigungsgut vollständig umgeben wird. Zumeist dient Wasser mit Reinigungschemie als Medium
Ein Ultraschallreinigungssystem besteht aus einer Edelstahlwanne an der die Ultraschallwandler direkt montiert oder in gekapselten Systemen eingetaucht werden.
Mittels eines Generators, der die Netzspannung in die entsprechende Ultraschallfrequenz und Ausgangsspannung wandelt, wird über eine elektrische Verbindungsleitung der Ultraschallwandler angesteuert.
Ein Ultraschallwandler enthält je nach Leistung eine Vielzahl von Wandler-Elementen, die parallel geschaltet sind. Dieser Verbund von Elementen setzt die elektrischen Schwingungen durch piezokeramische Scheiben in mechanischen Schwingungen um.
Diese Schwingungen werden durch Koppelteile auf eine Edelstahlmembrane übertragen. Durch die Auslenkung der Membranoberfläche wird das Medium in Schwingung versetzt und darin ein homogenes Schallfeld erzeugt.
In diesem Schallfeld treten starke Zug- und Druckphasen auf. Das Reinigungsmedium wird dadurch zur Dampfblasenbildung (Bild) angeregt. Bei Rücknahme der Zugkraft und Übergang in die Druckphasen implodieren diese Blasen.Dieses Phänomen wird Kavitation genannt. Dabei treten Druckspitzen bis 1000 bar und Temperaturen bis 5500º C auf. Durch die Kavitation werden die Schmutzpartikel abgesprengt und gehen in die Reinigungsflüssigkeit über.
Schon bei Ultraschall-Intensitäten ab ca. 1 W/cm2; sind die Zugkräfte grösser als die Zerreissfestigkeit einer Flüssigkeit, die theoretisch bei ca. 1000 N/cm2; liegt. Durch Verunreinigungen (unlösliche Staubpartikel, Gasspuren) liegen sie meist bei ca. 10 N/cm2;.
Bei 1.8 bar Schallwechseldruck treten ca. 18 N/cm2; Zugkräfte auf.
Dieser Unterdruck führt zur Bildung von mikroskopisch kleinen Hohlräumen, Kavitationsbläschen (Staub- und Schmutzpartikel wirken als Keime!) die sich mit Luft (nicht entgast) und / oder mit Flüssigkeitsdampf füllen und dann unter Einwirkung des äusseren Drucks zusammenfallen (implodieren).
Um die Kavitationsblasen herum entstehen durch das knallartige Implodieren Druckwellen, hohe örtliche Drücke, starke Turbulenzen und Strömungen in der Flüssigkeit, die diejenigen des primären Ultraschall-Feldes um den Faktor 1000 übertreffen können. Diese Erscheinungen sind die eigentlichen Kriterien, die zum Ablösen der Schmutzpartikel aus einer Warenoberfläche führen. Kavitationsblasen entstehen vorwiegend an den Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Reinigungsgut. Also genau dort, wo sie zur Reinigung erwünscht sind. Dieser physikalische Vorgang ist z.B. auch negativ bei Schiffsschrauben bekannt, wo die Kavitation die Oberfläche zerstört.
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.
Neben Staub- und Schmutzpartikeln wirken auch andere «Fehlstellen» in der Flüssigkeit als Kavitationskeime: raue 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.
Tiefe Frequenzen, für grobe Verschmutzung
Hohe Frequenzen, für kleinste Bohrungen und filigrane Strukturen
Qualitätmanagement
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