Starker Ultraschall

Die große Bandbreite möglicher Anwendungen von Ultraschall läßt keine erschöpfende Darstellung zu. Man sollte ihn als eine Sonderform von Energie betrachten, deren Eigenschaften je nach Einsatzart vielfältig sind.

Starker Ultraschall erzeugt eine ausreichend starke Energie, die an ein Medium zum Zwecke seiner Veränderung übertragen wird.

Die nachfolgende Tabelle führt die grundlegenden hervorgerufenen Effekte sowie einige Anwendungen auf:

Interaktionsmedium , Wirkprinzip , Anwendungsbeispiele:

ULTRASCHALLINFLÜSSIGKEITEN:DIEKAVITATION

Die Wirkung von Ultraschall in flüssigen Medien beruht auf dem Phänomen der Kavitation: Erzeugung, Vergrößerung und Implosion von Blasen, die sich bilden,wenn eine Flüssigkeit einer Druckwelle ausgesetzt ist. Daraus entsteht im Umfeld der Blase eine Druckwelle sowie im Innern der Blase ein thermochemischer Mikroreaktor.

Damit die akustische Kavitation zustande kommt, muss die Leistung einen Schwellenwert erreichen. Diese Schwelle liegt bei Atmosphärendruck für Wasser um 0.5W/cm² und für organische Lösungsmittel bei mehrerenW/cm². Die bei Unterdruck zu erreichende Amplitude, die nötig ist, um die Kavitationsschwelle zu erreichen, hängt von mehreren Parametern ab: je höher die Viskosität des Mediums (also die innere Kohäsion der Flüssigkeit), desto schwieriger ist es die Kavitation zu erreichen, da dann die Partikel schwerer voneinander zu trennen sind.

In flüssigen Medien sorgt die akustische Kavitation für die Wirkungen von Hochleistungsultraschall.

REINIGUNG DURCH ULTRASCHALL

Sobald die Kavitationsblasen während ihrer Ausbreitung auf eine feste Oberfläche stoßen, implodieren sie an dieser, indem sie feinste, aber äußerst heftige Flüssigkeitsstrahlen entfalten (100 m/s), die die Festfläche «abbeizen».

Um die höchste Reinigungswirkung zu erzielen und zugleich die Beschränkungen dieses Verfahrens zu berücksichtigen,ist es unabdingbar die richtige Wahl zu treffen:

• Die Ultraschallleistung muss im Bereich von5 bis20 W / LiterBeckenfüllung sein.
• Ultraschallfrequenz: 25 kHz (Hochleistungsreinigungharter, stark verschmutzter Oberflächen), 40 kHz (Feinreinigung empfindlicherer Oberflächen), und von1 bis2 MHz für die Reinigung von Siliziumwaffeln.
• Das Reinigungsmittel(neutral, saueroderbasisch) zur optimalen Auflösung von Verschmutzungen ohne das zu reinigende Teil zu beschädigen.
• Die Temperatur im Wasserbad, die im Allgemeinen zwischen 40 und60 °Cliegen sollte.
• Die Reinigungsdauer, die sich zwischen einigen Sekunden für die Entfettung und mehreren Stunden für das Abbeizen bewegt.

Die Vorteile der Reinigung mit Ultraschall sind:

• ÖKO-logisch: zugleich ökologisch und ökonomisch.
• Alternative zu Lösungsmitteln mit biologisch abbaubaren Reinigern.
• Absenkung der Reinigungstemperatur
• Präzise, wirksame und mühelose Reinigung.

BEARBEITUNG VON FLÜSSIGKEITEN UND ULTRASCHALLFORMULIERUNG

Bei hoher Leistungsstärke (50 W bis1 kW/L), werden die mechanischen Effekte der Kavitation zur Bearbeitung von Flüssigkeiten eingesetzt:

• Entgasung,
• Katalyse chemischer Reaktionen,
• Homogenisierung mittels Ultraschall,
• Emulsion / Emulsifikation mittels Ultraschall,
• Innige Durchmischung durch Konvektionsströmungen, selbst bei Produkten mit hoher Viskosität bis zu400 Pas,
• Enzymextraktion, DNA-Extraktion,
• Zerstörung oder Lysis von Bakterien,
• Zell-lyse,
• Formulierung,
• Elektrochemie,
• Desagglomeration durch Ultraschall,
• Extraktion

SONOCHEMIE

Das Kavitationsphänomen kann ebenfalls bei chemischen Reaktionen eingesetzt werden:

• Katalyse chemischer Reaktion, Bildung von freien Radikalen
• Elektrochemie
• Kristallisation von Alkaloiden, Glukosiden, Duftstoffen, Fruchtsäften, ätherischen Ölen
• Verbesserung von Verarbeitungseinschränkungen: Absenkung der nötigen Temperatur-oder Druckverhältnisse
• Ertragssteigerungen und Reinheitssteigerungen derProdukte

AEROSOL-ZERSTÄUBUNGDURCHULTRASCHALL

Ultraschall-Zerstäubung wird unter anderem verwendet für:

• WirksamkeitstestVentilation
• Auftrag in dünnen Schichten
• Messung luftgetragener Verunreinigungen
• Aussaaten
• Befeuchtung
• Behandlung von Gerüchen, Desinfektion von Räumlichkeiten
• Charakterisation und Überwachung von Filtern
• Medizinische Aerosole

Die Vorteile diser Technologie sind:

• Keine Lärmbelästigung
• Genaue Tröpfchengröße und -überwachung mittels Ultraschall
• Gerichteter Fluss

Die Herstellung von Aerosolen beruht auf dem Verhalten einer feinen Flüssigkeitsschicht beim Kontakt mit einer vibrierenden Oberfläche. Jenseits einer gewissen Schwingamplitude, werden die Tröpfchen von der Flüssigkeitsoberfläche heruntergerissen. Der Tröpfchendurchmessersteht im Verhältnis zur Ultraschallferquenz und den Eigenschaften des Mediums (Dichte, Viskosität, Oberflächenspannung).

Die Entwicklung der Tröpfchengrößein Abhängigkeit von der Frequenz wird im Folgenden anhand von Wasser dargestellt:

• bei20 kHz, der mittlere Durchmesser entspricht80μm. Dieser Durchmesser liegt um 3 μm bei2 MHz.
• im Frequenzspektrum zwischen20 kHz und80 kHz, wird die Flüssigkeit bei Kontakt mit der vibrierenden Oberfläche zerstäubt.
• im Hochfrequenzbereich(>250 kHz), der Ultraschallwandler wird am Boden eines Flüssigkeitsvolumens platziert. Das Schallfeld erzeugt eine Fontäne an der Oberfläche, aus der sich ein Sprühstrahl entwickelt.

Im Vergleich zur pneumatischen Zerstäubung bietet die Erzeugung von Aerosolen durch Ultraschall mehrere Vorteile:

• Die Tröpfchengröße ist genau definiert. Sie hängt von der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Systems und der zu zerstäubenden flüssigen Lösung ab.
• Die Größenverteilung der Aerosole ist dispergiert gemäß einem Abstand von 1,4.
• Der Aerosol-Durchfluss kann leicht mittels der Signalstärke auf einem breiten Band angepasst werden, ohne dass die Größenverteilung dadurch verändert würde. Festpartikel einer gegebenen Größe können durch das Trocknen des Aerosols einer bestimmten Lösung erreicht werden.

ZUSAMMENFÜGENVONWARMSCHMELZ-MATERIALIEN

Das Zusammenfügen mittels Ultraschall gehört zu den am meisten angewendeten Verfahren in der industriellen Verarbeitung von Heißschmelz-Materialien (Thermoschmelz):

• Kunststoffe(Polyester, Polyamid, Polypropylen, Akryl oder die Gesamtheit aller Kunstfasern, die zu mehr als 50%mitNaturfasern gemischt sind: Baumwolle, Viskose…)
• Synthetische Textilfasern(gewebt und nicht gewebt)
• Spezialfasertextilien(Kohlefaserstoffe, aus Glas, aus Aramid)

PRINZIPIELLES

Die wichtigsten Eigenschaften des Zusammenfügens mittels Ultraschall sind das saubere Resultat und die schnelle Ausführung. Die Dauer dieses Verfahrens ist schneller als die beim Punktschweißen.

Das Prinzip beim Zusammenfügen besteht darin, den ausgeübten Druck mit Ultraschallschwingungen zu verknüpfen. Die Ultraschallenergie erzeugt, unter Berücksichtigung der jeweiligen Materialeigenschaften, im Material einen intensiven Erhitzungseffekt. Es verschmilzt an der Schnittstelle zwischen den beiden Materialien. Ein Schweissmittel ist nicht nötig. Die Druckenergie wird manuell oder mittels Motorantrieberreicht. Die für das Verschmelzen nötige Schwingungsamplitude der Sonotrode hängt vom Material und der geometrischen Form der Sonotrode ab. Semi-kristalline Materialien erfordern im Allgemeinen höhere Amplituden (25-50 μm) als amorphe Materialien(10-30 μm).

Die jeweils nötige Amplitude ist normalerweise durch eine Abfolge von Versuchen und Nachjustierungen des Materials zu ermitteln.

VERSCHIEDENE TYPEN DES ZUSAMMENFÜGENS

Die Auswahl des Sonotrodentyps und des Gegenstücks ermöglichteine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten.

Indem man ein flaches Gegenstück platziert, wird eine Verbindung erreicht. Es geht darum eine ausreichende Schnittenergie bereitzustellen, um einigermaßen mühelos zu schneiden, so dass das Material nicht delaminiert (Kohlefaser). Die Schmelzverbindung wird an Materialien vorgenommen, deren Dicke auf wenige Millimeter beschränkt ist.
Mit einem schwachwinkligen Gegenstück vollführt das System einen einzigen Schnitt oder eine Lochstanzung.
Wenn das Gegenstück einen schwachen Winkel hat, handelt es sich um einen Schweißschnitt, wodurch das Ausfransen der Faserkante von Textilfasern vermieden wird.
Das Zusammenfügen durch Ultraschall wird dank drehbarer Ultraschallwerkzeuge auch beim durchgehenden Nahtschweißen eingesetzt, im Allgemeinen bei dünnen Materialien. In solchen Fällen kann die Schweißgeschwindigkeit von einigen Metern pro Minute bis zu zweihundert Metern variieren. Die für die Ultraschallsysteme eingesetzte Leistung wird an die Abspulgeschwindigkeit des Produktes, die Materialdichte und -dicke angepasst.

Die Vorteile dieser Verschweißungstechnologiesind:

• Sauberkeit, Genauigkeit beim Verschweißen,beim Schnitt, keinAnsengen oder Ausfransen.
• Müheloser Schnitt.
• Kennzeichnung mittels geeigneter Gegenstücke.
• Schnelle Ausführung

MÜHELOSERUNDSCHNELLERSCHNITT

Das Schneiden mittels Ultraschall ist heute im Bereich der Lebensmittelverarbeitung ein gut eingeführtes Verfahren. Diese Methode bietet zahlreiche Eigenschaften, die sie wettbewerbsfähig macht gegenüber anderen Verfahren, wie dem mittels Wasserstrahl, der an Produkten eine leichte Feuchtigkeit hinterläßt und einen höheren Einrichtungs-und Wartungsaufwand mit sich bringt.

Das Schneideverfahren mittels Ultraschall besteht darin eine scharfe Klinge zum Vibrieren zu bringen. Diese Schwingungen bei 20 kHz, deren Amplitude zwischen30 und100 Mikronliegt, erleichtern das Schneiden, da die Klinge ohne Zwang oder Pressen in das Produkt eindringen kann. Die Klinge ist zudem durchgehend selbstreinigend, was die Wartung des Schneidewerkzeugs erleichtert und auch das Schneiden klebriger Produkte ermöglicht. Beim Schneiden entstehen keine Abfälle.

Die Vorteile des Schneidens mittels Ultraschall:

• Schnitt ohne Reißen des Materials, , bessere Oberflächenqualität, sparsamer Umgang mit dem Produkt.
• Verringerte Kraftausübung beim Eindringen in das Material, höherer Ertrag, geringere Abnutzung der Klinge
• Geeignet für Nahrungsmittel in Form von Platten, Stücken, Streifen, Schichten, rund,als Block, Brot.
• Kein Verkleben oder Verschmutzender Klinge.
• Niedrige Betriebskosten.
• Leichte Pflege, niedrige Wartungskosten.

Beim Schneidevorgang werden im Allgemeinen zwei Methoden zum Einsatz gebracht : Schneiden per Fallbeil oder durchgehender Schnitt.

SCHNEIDEN PER FALLBEIL ODER CUTTER

Eine Sonotrodenklinge, die im Querschnitt dreieckig ist, erzeugt an der Spitze eine Ultraschallschwingung. Die Klinge wird mechanisch in das Produkt versenkt. Das System ermöglicht das Schneiden von Bahnen im Rahmen einer durchgehenden Produktionskette.

DREHSCHNITT

Patent SinapTec

Die Technik besteht in der Verwendung eines Rundmessers. Die Schneidevorrichtung nutzt einen klassischen Ultraschallgenerator, der mittels einer an die Scheibe angepassten Kupplungsvorrichtung die Scheibenoberflächesowie die Schneidspitzein Schwingung versetzt.

Die Vorteile des Drehschnitts sind:

• Bedeutende Schnittstärke dank des Einsatzes von Schneidblättern, deren Durchmesser 300 mm erreichen kann, bei gleichzeitiger Klingenstärke von2 mm,
• Schnittgeschwindigkeit von problemlos bis zu mehreren Metern pro Minute für eine Vielzahl von Materialien,
• Die besondere Schwingung der Klingen ermöglicht im Vergleich zum Fallbeilsystem einen besonders feinen Schnitt, eine leichte Durchführung im Hinblick auf die Bewegungsabläufe: nur ein Rotationsantrieb ist notwendig, um einen Qualitätsschnitt zu erhalten.Übrigens liegt die Abspulgeschwindigkeit des Produktes höher als die Regulierung der Rotationsgeschwindigkeit.

SIEBEN MITTELS ULTRASCHALL

Die Ultraschallschwingungen ermöglichen es die Reibungskoeffizienten der Teile untereinander zu verringern oder den Pulverabfluss zu verbessern.

Das Sieben per Ultraschallist besonders effektiv um zu verbessern:

• Den Siebdurchfluss
• Das Zermahlen von Agglomeraten
• Den Anteil an Produktüberschüssen
• Ständige Selbstreinigungdes Siebes

Das In-die-Schwebe-bringen eines Tröpfchens wird erreicht, indem man ein stationäres Wellenfeld zwischen einem Ultraschallsender und einem Rückstrahler erzeugt.

Die Beseitigung von bei der Befüllung mit Flüssigkeiten entstandenen Schäumenist an großen Fertigungslinien erfolgreich eingesetzt worden, ebenso wie an Großvolumina (Becken …).

Die Agglomeration mittels Ultraschallermöglicht das Wachsen von in Schwebe befindlichen Feinpartikeln (Durchmesser von unter 2 Mikron). Somit werden größere Partikel durch traditionnelle Methoden leichter filterbar.

Das inerte Ausblasen wird zur Filterreinigung verwendet, zur Entstaubung, zurTrockendekontamination, zur Entschäumung… Dieses Verfahren ist besonders interessant für geschlossene Räume wie Reinräume, im Nahrungsmittelsektor, in der Atomkraft. Das inerte Ausblasen mittels Ultraschall ist besonders interessant in geschlossenen Räumen, in denen Druckluft nicht verwendet darf.