Hersteller erklären das Funktionsprinzip der Ultraschallreinigung und ihre potenziellen Auswirkungen.

Ultraschallreinigungsprinzip

1. Was ist Ultraschall (Ultraschall)?

Um zu verstehen, wie Ultraschallreiniger funktionieren, müssen wir zunächst Ultraschall definieren. Das menschliche Gehör umfasst Schallfrequenzen von 20 Hz bis 20.000 Hz. Schallwellen über 20.000 Hz werden als Ultraschall.

eingestuft. Ultraschall breitet sich als longitudinale sinusförmige Welle aus, die zwischen Hoch- und Tiefdruckzonen wechselt. In Tiefdruckbereichen entsteht im Flüssigkeits negative Druck, der winzige Vakuumbläschen bildet. In Hochdruckbereichen kollabieren diese Bläschen gewaltsam.

Forschungen bestätigen, dass der plötzliche Kollaps jedes Bläschens eine intensive Stoßwelle freisetzt, die lokale Temperaturen von Hunderten Grad Celsius und Drücke von mehr als 1.000 Atmosphären in einem Moment erzeugt. Dieser Effekt ist bekannt als Kavitation. Ultraschallreinigung nutzt diese Stoßwellen, um Verunreinigungen von externen und internen Oberflächen von Teilen zu entfernen.

2. Wie funktioniert ein Ultraschallreiniger

Ultraschallreiniger verwenden Hochfrequenzsignale über 20 kHz, die von Wandlern in hochfrequente mechanische Schwingungen umgewandelt werden, die in die Reinigungslösung übertragen werden.

Ultraschall strahlt in abwechselnden Kompressions- und Verdünnungswellen durch die Flüssigkeit und erzeugt dabei unzählige Mikrobläschen. Diese Bläschen bilden sich und wachsen in Niederdruckzonen und kollabieren schnell in Hochdruckzonen – ein Prozess, der als Kavitation.

Wenn Bläschen kollabieren, erzeugen sie einen augenblicklichen Druck von über 1.000 Atmosphären. Wiederholte Hochdruckstöße wirken wie winzige Explosionen, bombardieren die Oberfläche von Teilen und entfernen schnell Verunreinigungen, selbst aus tiefen Spalten.

Wenn der Schalldruck einen Schwellenwert erreicht, dehnen sich Bläschen schnell aus und kollabieren dann abrupt. Dieser Kollaps erzeugt Stoßwellen mit Drücken von 10¹² bis 10¹³ Pa und extremen lokalen Temperaturspitzen. Der intensive Druck zersetzt unlösliche Verunreinigungen in der Lösung. In Kombination mit wiederholten Einschlägen durch Dampfphasenkavitation ist dies der Kernmechanismus der Ultraschallreinigung.

3. Hauptformen der Ultraschallkavitation

• Mikrobläschen (Kavitationskeime) in der Flüssigkeit vibrieren unter Schallwellen. Wenn der Druck ausreicht, dehnen sie sich aus und kollabieren dann plötzlich, wodurch Stoßwellen von Tausenden von Atmosphären entstehen, die unlöslichen Schmutz zersetzen.
• Direkte, wiederholte Einschläge der Dampfphasenkavitation schwächen die Haftung zwischen Verunreinigungen und Teileeberflächen, was zu Ermüdungsbrüchen und Ablösung führt.
• Vibrierende Gasblasen schrubben feste Oberflächen. Wenn Risse vorhanden sind, dringen Blasen ein und vibrieren darin, wodurch Schichten wie Oxidfilme gelöst und entfernt werden.
• Bei in Öl eingeschlossenen Feststoffpartikeln trennt und emulgiert die Kavitation schnell die Ölgrenzfläche, wodurch Partikel von der Oberfläche freigesetzt werden.
• Die Vibration von Kavitationsblasen verursacht Sekundäreffekte, darunter akustische Strömung — Massenflüssigkeitsbewegung oder Hochgeschwindigkeits-Mikroströmung nahe den Blasenoberflächen. Starke Scherkräfte (oft über 100 Pa) lösen und entfernen Oberflächenverunreinigungen.
• Hochgeschwindigkeits-Mikrostrahlen, die an Fest-Flüssig-Grenzflächen entstehen, entfernen oder schwächen Grenzschichten, verstärken die Agitation, beschleunigen die Auflösung und steigern die Wirksamkeit chemischer Reinigungsmittel.

4. Betriebsmerkmale

• Kavitation bricht die Bindung zwischen Schmutz und Substraten, verursacht Ermüdungsablösung, schrubbt Oberflächen, dringt in Spalten ein, emulgiert Öle und setzt Partikel frei.
• Wechselnder Schalldruck erzeugt Strahlen, die auf Teile treffen; nichtlineare Effekte erzeugen akustische Strömung und Mikroströmung.
• Die Reinigung erfolgt überall dort, wo Flüssigkeit und Ultraschall hingelangen, was sie ideal für komplex geformte Bauteile macht.
• Die Ultraschallreinigung reduziert den Einsatz chemischer Lösungsmittel und senkt die Umweltbelastung erheblich.

Wenn Flüssigkeit und Tank mit Ultraschallfrequenzen vibrieren, kann ein leises Summen zu hören sein. Sichtbare Blasen in der Lösung sind typischerweise Luftblasen, die die Kavitationseffizienz verringern. Nur wenn gelöste Luft vollständig entfernt ist, können Vakuumkavitationsblasen optimal funktionieren.

In einer typischen Transduktoranordnung vibriert eine Edelstahlplatte mit geklebten Transducern, die vom Ultraschallgenerator angetrieben werden. Wenn die Platte nach oben bewegt wird, drückt sie Wasser; wenn sie sich schnell nach unten bewegt, bildet sich zwischen Platte und Wasser eine Vakuumspalt, der Kavitationblasen erzeugt. Diese Blasen treffen unter Wasser befindliche Teile mit tausenden Atmosphären Kraft, lösen Verunreinigungen ab.

5. Mögliche Auswirkungen von Ultraschall

Längere Exposition gegenüber Ultraschall kann eine leichte Erwärmung des menschlichen Gewebes verursachen. Bei höheren Frequenzen und Intensitäten verstärkt sich die Erwärmung, was potenziell Wassermoleküle beeinflusst und das umliegende Gewebe bei längerer Einwirkung schädigen kann.

Hochleistungs-Ultraschall im Dauerbetrieb kann für den menschlichen Körper schädlich sein.Im Gegensatz dazu, wird niederfrequenter, intermittierender Ultraschall im Allgemeinen als harmlos und sogar vorteilhaft angesehen — ähnlich wie sanftes Klopfen angenehm ist, während starke, wiederholte Schläge Schmerzen oder Verletzungen verursachen.