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Aufbau und Funktionsweise eines Ultraschallreinigungsgerätes

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Ultraschallreinigungsgeräte dienen zur Reinigung unterschiedlichster Gegenstände. Dabei kann es sich um kleine, komplexe und feinstrukturierte Bauteilen handeln, genauso wie um chirurgischen Instrumenten, für deren Aufbereitung Hochleistungs-Ultraschallbäder eingesetzt werden. Juweliere, Goldschmiede, Zahntechniker, Uhrmacher, und Augenoptiker säubern ihr Erzeugnisse ebenso im Ultraschallbad.

Aber wie funktioniert diese hilfreiche Technologie und wie ist ein Ultraschallreinigungsgerät aufgebaut? Diese Fragen sollen hier beantwortet werden.

Ultraschallreinigungsgerät – prinzipieller Aufbau

Ein Ultraschallbad besteht aus einer mit Flüssigkeit gefüllten Wanne, die in der Regel aus Edelstahl besteht. Je nach Einsatz lassen sich die Flüssigkeiten häufig zusätzlich aufheizen. Der Ultraschall wird mittels sogenannter Ultraschallschwinger, auch Ultraschallwandler genannt, erzeugt, wobei es bezüglich Aufbau drei verschiedene Varianten gibt:

– Der Ultraschallschwinger ist direkt am Wannenboden angebracht.
– Es handelt sich um einen sogenannten Tauschwinger, der in die Flüssigkeit hineingehängt wird.
– An der Wand des Beckens befindet sich ein Plattenschwinger.

Alle Varianten sind so konstruiert, dass sich das Schallfeld gleichmäßig stark aufbaut und an keiner Stelle statisch bleibt. Um zu verhindern, dass Schallwellen aus dem Ultraschallreiniger austreten, befindet sich um dessen Gehäuse eine entsprechende Isolierschicht. Um Kontakt mit den zu reinigenden Teilen zu vermeiden, besitzen die meisten Geräte einen Deckel.

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Ultraschallreinigungsgerät
Ultraschallreinigungsgerät
EMAG 60079 Emmi-12HC

In der Praxis gibt es sowohl Ultraschallreiniger, die zwischen 0,5 und 5,0 Liter Flüssigkeit fassen als auch Geräte mit sehr großen Wannen mit einem Aufnahmevermögen von bis zu 250 Litern. Innerhalb der Wanne befindet sich ein Reinigungskorb, in den die Teile eingelegt werden. Dieser Korb ist im Ultraschallreinigungsgerät entweder fest installiert oder herausnehmbar.
Je nach Materialzusammensetzung der Teile, die im Ultraschallreinigungsgerät gereinigt werden sollen, kommen verschiedene Reinigungsflüssigkeiten zum Einsatz (alkalisch, sauer oder neutral). Ein Ultraschallbad lässt sich, ebenfalls in Abhängigkeit vom Reinigungsgut, mit oder ohne Reinigungsmittel betreiben.

Wichtige technische Komponenten

Die Ultraschallschwingungen werden von piezokeramischen Wandlersystemen erzeugt. Je nach Aufbau kleben (Plattenschwinger) oder hängen (Tauchschwinger) diese in der Schwingwanne. Innerhalb der Wandlersysteme befinden sich piezokeramische Scheiben, die sich ausdehnen und zusammenziehen, sobald Spannung anliegt. Um Ultraschall zu erzeugen, ist ein Hochfrequenzgenerator erforderlich, der in der Lage ist, die Netzfrequenz von 50 Hz in mindestens 20 kHz umzuwandeln. Die Arbeitsfrequenz des Ultraschallschwingsystems ist durch seine Baugröße festgelegt.

Aufbau von einem Ultraschallreinigungsgerät

Aufbau von einem Ultraschallreinigungsgerät

Ultraschallgerät – Funktionsweise

Schwingungsfrequenzen oberhalb 18.000 Bewegungen pro Sekunde bzw. über 18 kHz werden in der Physik als Ultraschall bezeichnet. Ultraschallreiniger arbeiten mit Schwingungen, die zwischen 20 und 400 kHz liegen. Es entsteht ein Ultraschallfeld, welches Wellen entwickelt, die sowohl Überdruck als auch Unterdruck transportieren. Die Funktionsweise eines Ultraschallgerätes basiert auf dem Wechsel zwischen diesen Über- und Unterdrücken.

Während einer Unterdruckwelle sammeln sich winzige Vakuumbläschen am zu reinigenden Gegenstand. Der Effekt wird als Kavitation bezeichnet. In jedem einzelnen Bläschen befindet sich ein mit Dampf gefüllter Hohlraum. Der kontinuierliche Wechsel von ankommenden und platzenden Luftbläschen löst den Schmutz von der Oberfläche der im Ultraschallbad befindlichen Teile.
Je höher die Frequenz umso schonender und gleichzeitig intensiver arbeitet der Ultraschallreiniger. Diese Gesetzmäßigkeit entspringt ebenfalls der Funktionsweise des Gerätes. Während niedrigere Frequenzen vergleichsweise große Kavitationsblasen und somit kräftigere Druckstöße erzeugen, entstehen bei hohen Frequenzen winzig kleine, jedoch bedeutend mehr Bläschen, die beim Platzen sanftere Druckstöße auslösen.

Effekt der Kavitation

Der Effekt der Kavitation

Die kleinste Öffnung oder Struktur, die durch den Schall gereinigt werden kann, bestimmt die benötigte Frequenz Die Wellenlänge im Wasser muss kleiner sein als die Hälfte des Öffnungsdurchmessers der Struktur. Ist dies nicht der Fall, kann der Schall nicht eindringen und die Oberfläche wäre für die Ultraschallwellen glatt und geschlossen.

Der Effekt der Kavitation ist bei technischen Geräten wie Pumpen oder Wasserturbinen häufig Ursache für Schäden und Verschleiß, da auf Dauer auch Metall von dem Auflösen der Blasen angegriffen wird.

Anwendung

Bei praktischen Anwendung eines Ultraschallreinigers zum Säubern von Teilen wirkt sich der Einsatz von Lösungsmitteln, Säuren oder Laugen positiv auf den Reinigungseffekt aus. Eine vorteilhafte Auswirkung eines geeigneten Reinigungsmittels ist die Verringerung der Oberflächenspannung des Wassers. Dabei werden jedoch keine brennbaren Flüssigkeiten als Reinigungsmittel eingesetzt, dass diese die Badflüssigkeit des Ultraschallreinigers entzünden können, wenn der Wärmeeintrag aufgrund des Ultraschalls die Zündtemperatur überschreitet.

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