Das Funktionsprinzip eines Ultraschallbads - Auswahl und Verwendung in der Produktion oder zu Hause. Wann sollte die Reinigungslösung ersetzt werden? Effektive Reinigung: einfach, günstig und effektiv

Unter allen technologischen Verfahren, die in flüssigen Medien unter Einwirkung von Ultraschall ablaufen, hat die Reinigung von Festkörperoberflächen die größte Anwendung gefunden.

Ultraschallreinigung- ein Reinigungsverfahren, das auf der Nutzung nichtlinearer Effekte basiert, die in einer Flüssigkeit unter Einwirkung von Ultraschallschwingungen auftreten. Unter diesen Effekten ist Kavitation von größter Bedeutung. Andere Effekte: Schallströme, Schalldruck, Kapillarwirkung.

Hohlraumbildung bezeichnet man den Vorgang der Bildung von Hohlräumen und Blasen in einem Ultraschallfeld während der Dehnungsphase, der in einem wechselnden Schalldruck zur Verfügung steht. Während der Kompressionsphase kollabieren diese Hohlräume und Blasen.

Kavitation beschleunigt eine Reihe von physikalischen und chemischen Prozessen. Der Grund für die außergewöhnliche Effizienz der Kavitation liegt darin, dass der Kollaps der Blasen an der zu reinigenden Oberfläche beginnt. Kavitation geht einher mit der Entstehung sehr hoher augenblicklicher hydrostatischer Drücke, die die an der gereinigten Oberfläche anhaftenden Schmutzpartikel abreißen.

Kavitation ist als zischendes Geräusch zu hören, das in einer Flüssigkeit bei einem bestimmten Wert der Ultraschallfeldstärke erzeugt wird.

Durch die Einführung von Ultraschallschwingungen in Waschlösungen kann nicht nur der Reinigungsprozess beschleunigt, sondern auch mehr erreicht werden hochgradig Oberflächensauberkeit. Dabei ist es in den meisten Fällen möglich, brandgefährdende und giftige organische Lösungsmittel auszuschließen und ausschließlich wässrige Lösungen technischer Reinigungsmittel zu verwenden. Dies führt zweifellos zu einer Verbesserung der Arbeitsbedingungen der Arbeitnehmer, einer Steigerung der Produktionskultur und ermöglicht es auch, die Probleme der Umweltsicherheit teilweise zu lösen.

Ultraschall wird zur Reinigung von Verunreinigungen verwendet, die sowohl bei der Herstellung von Produkten und Teilen als auch während ihres Betriebs entstehen. Ultraschallreinigung ist besonders nützlich bei der Oberflächenvorbereitung vor dem Auftragen der Beschichtung und beim Reinigen komplexer Hohlräume und Kanäle in Produkten.

Ultraschall wird häufig zum Reinigen von Drähten, Metallbändern, Düsen, Kabeln usw. verwendet. Für spezielle Anwendungen der Technologie Ultraschallreinigung kann auf die Reinigung von Pulvern, radioaktiv kontaminierten Oberflächen, Regeneration von Keramikfiltern zurückgeführt werden.

Die Wirksamkeit der Ultraschallreinigung hängt von der Wahl vieler Parameter ab, einschließlich der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Waschflüssigkeit. Für die richtige Auswahl der Lösungen muss die Art der Verunreinigungen berücksichtigt werden: der Grad ihrer Haftung auf der zu reinigenden Oberfläche, chemische Wechselwirkung mit der Reinigungslösung, die Fähigkeit, Mikroschockbelastungen standzuhalten (Kavitationsbeständigkeit ). Eine vorläufige Klassifizierung von Verunreinigungen ist wichtig, um festzustellen, durch welches der Anzeichen sie leichter von der Oberfläche entfernt werden können. Nachdem Sie dieses Merkmal ermittelt haben, können Sie die richtige Ultraschall-Reinigungstechnologie (Reinigungsmedien und Schallfeldparameter) auswählen.

In Anbetracht der Art der Verschmutzung und der Art ihrer Verbindung mit der Oberfläche werden folgende Hauptarten der Verschmutzung unterschieden:

• Anorganische Verschmutzung:
• mechanisch schwach mit der Oberfläche verbunden (Staub, Sägemehl, Metall- und Nichtmetallspäne, Ruß usw.);
• mechanisch karikiert in die Oberfläche (Schleifkörner, Mineral- oder Metallpartikel);
• auf der Oberfläche abgelagert (Salzkrusten nach Behandlung in Salzbädern, Zunder etc.).
• Verunreinigungen und Beschichtungen organisch oder organisch gebunden:
• mechanisch schwach mit der Oberfläche verbunden (Staub, Kunststoffsägemehl und -späne, Ruß, Kohle, Koks);
• mit geringer Oberflächenhaftung (Fett- und Ölfilme und Schmierstoffe, Schleif-, Polier- und Läpppasten);
• fest mit der Oberfläche haften (Harz, Lack, Kleber, Farbe usw.).

Ultraschall-Reinigungsgeräte

Die Ultraschallreinigung erfordert einen Behälter mit einer Reinigungsflüssigkeit in Kontakt mit der zu reinigenden Oberfläche und eine Quelle für Ultraschallschwingungen, genannt Ultraschallsender... Die Oberfläche des Ultraschallwandlers fungiert am häufigsten als ein solcher Sender. Es gibt auch Optionen, wenn der Wandler an der Tankwand oder am zu reinigenden Objekt befestigt wird, die zu Strahlern werden.

Gerätetypen für die Ultraschallreinigung:

Die gängigsten und vielfältigsten Geräte zur Ultraschallreinigung von Einzelteilen sind Ultraschallbäder. Wir produzieren Badewannen in verschiedenen Größen (von 0,6 bis 19.000 Liter) und Formen. Je nach Einsatzzweck können die Bäder mit einer Vielzahl von Zusatzausstattungen ausgestattet werden: Heizung, Zeitschaltuhr, Überlauftasche, Strahlreinigung, Umwälzung und Filtration der Waschlauge etc.

• Kleine Bäder mit einem Ultraschallsender: UZV-1, UZV-1.1.
• Kleine Bäder mit mehreren Strahlern, automatischer Heizung und einer Zeitschaltuhr: UZV-2, UZV-4, UZV-7.
• Badewannen mit Überlauftaschen: MO-46, MO-55, MO-197, MO-229, MO-207.
• Bäder mit zusätzlicher Strahlreinigung: MO-12.
• Bäder zum Reinigen von großen und sehr großen Gegenständen: MO-21, MO-92, MO-93.
• Spezialbäder zum Reinigen von Spritzdüsen, Kolbenbuchsen etc.

Ultraschallmodule werden verwendet, um bestehende Waschanlagen zu verbessern. Sie können in Behälter eingebettet, darin eingetaucht oder auf der Oberfläche einer Flüssigkeit schwimmen.

Für die Reinigung von Langprodukten (Draht, Band, Rohre) bieten wir spezielle Anlagen an, die in Produktionslinien eingebaut werden können (

Was ist Ultraschall?

Ultraschall (US) - elastische Schwingungen und Wellen, deren Frequenz höher als 15 ... 20 kHz ist. Die untere Grenze des Bereichs der Ultraschallfrequenzen, die ihn vom Bereich des hörbaren Schalls trennt, wird durch die subjektiven Eigenschaften des menschlichen Gehörs bestimmt und ist bedingt. Die Obergrenze ist auf die physikalische Natur elastischer Wellen zurückzuführen, die sich nur in einer materiellen Umgebung ausbreiten können, d Feststoffe Oh. Daher wird in Gasen die Obergrenze der Ultraschallfrequenzen aus der Bedingung der ungefähren Gleichheit der Schallwellenlänge und der freien Weglänge der Moleküle bestimmt. Bei Normaldruck sind es 10 9 Hz. In Flüssigkeiten und Feststoffen ist die Gleichheit der Wellenlänge mit den Atomabständen entscheidend, die Grenzfrequenz erreicht 10 12 -10 13 Hz. Ultraschall hat je nach Wellenlänge und Frequenz spezifische Eigenschaften von Strahlung, Empfang, Ausbreitung und Anwendung, daher ist es zweckmäßig, den Bereich der Ultraschallfrequenzen in drei Unterbereiche zu unterteilen:

Niedrig - 1,5–10 ... 10 5 Hz;

Durchschnitt - 10 5 ... 10 7 Hz;

Hoch - 10 7 ... 10 9 Hz.

Elastische Wellen mit Frequenzen von 1 · 10 8 ... 1 · 10 13 Hz werden allgemein als Hyperschall bezeichnet.

Schallwellentheorie

Ultraschall als elastische Wellen

Ultraschallwellen unterscheiden sich naturgemäß nicht von elastischen Wellen des hörbaren Bereichs sowie von Infraschallwellen.

Die Ausbreitung von Ultraschall gehorcht den grundlegenden Gesetzen, die akustischen Wellen eines beliebigen Frequenzbereichs gemeinsam sind, die normalerweise als Schallwellen bezeichnet werden. Zu den Grundgesetzen ihrer Ausbreitung gehören die Gesetze der Reflexion und Brechung des Schalls an den Grenzen verschiedener Medien, die Beugung und Streuung von Schall in Gegenwart von Hindernissen und Inhomogenitäten im Medium und Unregelmäßigkeiten an den Grenzen, die Gesetze der Wellenleiterausbreitung in begrenztem Bereiche des Mediums.

Besonderheiten des Ultraschalls

Obwohl die physikalische Natur des Ultraschalls und die Grundgesetze seiner Ausbreitung dieselben sind wie bei Schallwellen aller Frequenzbereiche, weist er eine Reihe spezifischer Merkmale auf, die seine Bedeutung in Wissenschaft und Technik bestimmen. Sie sind aufgrund ihrer relativ hohen Frequenzen und dementsprechend kleiner Wellenlänge.

Für hohe Ultraschallfrequenzen sind die Wellenlängen also:

In der Luft - 3,4⋅10 -3 ... 3,4⋅10 -5 cm;

Im Wasser - 1,5⋅10 -2 ... 1,5⋅10 -4 cm;

Aus Stahl - 1⋅10 -2 ... 1⋅10 -4 cm.

Ein solcher Unterschied in den Werten von Ultraschallwellen (USW) ist auf die unterschiedliche Geschwindigkeit ihrer Ausbreitung in verschiedenen Medien zurückzuführen. Für den niederfrequenten Bereich überschreiten Ultraschallwellenlängen in den meisten Fällen nicht mehrere Zentimeter und erreichen in Festkörpern nur nahe der unteren Bereichsgrenze mehrere zehn Zentimeter.

USW klingt viel schneller ab als niederfrequente Wellen, da der Schallabsorptionsgrad (pro Distanzeinheit) proportional zum Quadrat der Frequenz ist.

Ein weiteres sehr wichtiges Merkmal von Ultraschall ist die Fähigkeit, bei relativ kleinen Amplituden der Schwingungsverschiebung hohe Intensitätswerte zu erhalten, da bei einer bestimmten Amplitude die Intensität direkt proportional zum Quadrat der Frequenz ist. Die Amplitude der Schwingungsauslenkung wird in der Praxis durch die Stärke der Schallstrahler begrenzt.

Der wichtigste nichtlineare Effekt in einem Ultraschallfeld ist Kavitation – das Auftreten einer Masse pulsierender Blasen in einer Flüssigkeit, die mit Dampf, Gas oder deren Mischung gefüllt sind. Die komplexe Bewegung von Blasen, ihr Kollaps, ihre Verschmelzung usw. erzeugen Kompressionsimpulse (Mikroschockwellen) und Mikroströmungen in der Flüssigkeit, verursachen lokale Erwärmung des Mediums, Ionisation. Diese Effekte wirken sich auf den Stoff aus: Es kommt zur Zerstörung von Feststoffen in der Flüssigkeit (Kavitationserosion), verschiedene physikalische und chemische Prozesse werden eingeleitet oder beschleunigt (Abb. 1).

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Durch Ändern der Bedingungen für das Auftreten von Kavitation ist es möglich, verschiedene Kavitationseffekte zu verstärken oder abzuschwächen. Zum Beispiel nimmt mit einer Erhöhung der Ultraschallfrequenz die Rolle von Mikroströmungen zu und die Kavitationserosion nimmt ab; mit einer Erhöhung des hydrostatischen Drucks in einer Flüssigkeit nimmt die Rolle von Mikroschockeffekten zu. Eine Frequenzerhöhung führt in der Regel zu einer Erhöhung des Intensitätsschwellenwertes entsprechend der einsetzenden Kavitation, die von der Art der Flüssigkeit, deren Gasgehalt, Temperatur etc. abhängt. Für Wasser im niederfrequenten Ultraschallbereich bei Luftdruck es beträgt normalerweise 0,3-1 W / cm 3.

Ultraschallquellen

In der Natur findet man Ultraschall in vielen natürlichen Geräuschen (im Geräusch von Wind, Wasserfall, Regen, im Geräusch der von der Meeresbrandung gerollten Kieselsteine, in den Geräuschen von Blitzentladungen usw.) sowie in der Welt von Tieren, die es zur Echoortung und Kommunikation verwenden.

Technische Ultraschallsender, die bei der Untersuchung von RAS und ihren technischen Anwendungen verwendet werden, können in zwei Gruppen eingeteilt werden. Die erste umfasst Emitter-Generatoren (Pfeifen). Schwingungen in ihnen werden durch das Vorhandensein von Hindernissen auf dem Weg einer konstanten Strömung - eines Gas- oder Flüssigkeitsstrahls - angeregt. Die zweite Gruppe von Strahlern sind elektroakustische Wandler: Sie wandeln bereits gegebene elektrische Schwingungen in mechanische Schwingungen eines Festkörpers um, der akustische Wellen an die Umgebung abgibt.

Anwendung von Ultraschall

Mehrfachanwendungen des Ultraschalls, bei denen verschiedene seiner Eigenschaften zum Einsatz kommen, lassen sich bedingt in drei Richtungen einteilen. Die erste ist mit der Informationsgewinnung durch RAS verbunden, die zweite - mit aktiver Wirkung auf die Substanz und die dritte - mit der Verarbeitung und Übertragung von Signalen (Richtungen sind in der Reihenfolge ihrer historischen Entstehung aufgeführt).

Ultraschall-Reinigungsprinzipien

Die Hauptrolle bei der Wirkung von Ultraschall auf Stoffe und Prozesse in Flüssigkeiten spielt die Kavitation. Das am weitesten verbreitete ultraschalltechnologische Verfahren basiert auf Kavitation - der Reinigung von Festkörperoberflächen. Je nach Art der Kontamination können verschiedene Erscheinungsformen der Kavitation, wie Mikroschockstöße, Mikroströmungen und Erwärmung, von größerer oder geringerer Bedeutung sein. Durch die Wahl der Parameter des Schallfeldes, der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Waschflüssigkeit, ihres Gasgehalts, äußerer Faktoren (Druck, Temperatur) ist es möglich, den Reinigungsprozess in weiten Grenzen zu steuern und in Abhängigkeit von der Art der Verschmutzung zu optimieren und die Art der zu reinigenden Teile. Eine Art der Reinigung ist das Ätzen im Ultraschallfeld, bei dem die Wirkung von Ultraschall mit der Wirkung starker chemischer Reagenzien kombiniert wird. Ultraschallmetallisierung und -löten basieren eigentlich auf einer Ultraschallreinigung (auch von der Oxidschicht) der zu verbindenden oder zu metallisierenden Oberflächen. Die Lötreinigung (Abb. 2) wird durch Kavitation in der Metallschmelze verursacht. Dabei ist der Reinigungsgrad so hoch, dass Verbindungen von unter Normalbedingungen nicht lötbaren Materialien entstehen, beispielsweise Aluminium mit anderen Metallen, verschiedene Metalle mit Glas, Keramik und Kunststoffen.

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Bei den Prozessen der Reinigung und Metallisierung ist auch der schallkapillare Effekt entscheidend, der das Eindringen der Reinigungslösung oder Schmelze in kleinste Risse und Poren ermöglicht.

Reinigungs- und Waschmechanismen

Die Reinigung erfordert in den meisten Fällen, dass Verunreinigungen gelöst (bei Salzauflösung), abgekratzt (bei unlöslichen Salzen) oder sowohl gelöst als auch abgekratzt werden (wie bei unlöslichen Partikeln, die in einer Fettfilmschicht fixiert sind) . Die mechanischen Wirkungen der Ultraschallenergie können sowohl zur Beschleunigung der Auflösung als auch zur Abtrennung von Partikeln von der zu reinigenden Oberfläche nützlich sein. Ultraschall kann auch beim Spülvorgang effektiv eingesetzt werden. Rückstände von Reinigungsmitteln können durch Ultraschallspülung schnell entfernt werden.

Beim Entfernen von Verunreinigungen durch Auflösen muss das Lösungsmittel mit dem Schmutzfilm in Kontakt kommen und diesen zerstören (Abb. 3, a). Wenn das Lösungsmittel die Kontamination auflöst, entsteht an der Schnittstelle Lösungsmittel – Kontamination eine gesättigte Lösung der Kontamination im Lösungsmittel, und die Auflösung stoppt, da keine frische Lösung an die Kontaminationsoberfläche geliefert wird (Abb. 3, b).

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Die Einwirkung von Ultraschall zerstört die gesättigte Lösungsmittelschicht und gewährleistet die Zufuhr frischer Lösung an die Kontaminationsoberfläche (Abb. 3, c). Dies ist besonders effektiv bei der Reinigung von „unregelmäßigen“ Oberflächen mit einem Labyrinth aus Nebenhöhlen und Oberflächenreliefs, wie zum Beispiel Leiterplatten und Elektronikbaugruppen.

Einige Verunreinigungen sind eine Schicht unlöslicher Partikel, die durch die Kräfte der Ionenbindung und Adhäsion fest an der Oberfläche haften. Es genügt, diese Partikel nur von der Oberfläche abzutrennen, um die Anziehungskräfte zu brechen und in das Volumen des Reinigungsmediums zur späteren Entfernung zu übertragen. Kavitation und akustische Ströme reißen Verunreinigungen wie Staub von der Oberfläche, waschen sie ab und entfernen sie (Abb. 4).

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Die Verschmutzung ist in der Regel mehrkomponentig und kann sowohl lösliche als auch unlösliche Komponenten in einem Komplex enthalten. Ultraschall bewirkt, dass er alle Bestandteile emulgiert, dh in ein Waschmedium überführt und zusammen mit diesem von der Produktoberfläche entfernt.

Um Ultraschallenergie in das Reinigungssystem einzubringen, sind ein Ultraschallgenerator, ein Wandler der elektrischen Energie des Generators in Ultraschallstrahlung und ein Schallleistungsmesser erforderlich.

Ein elektrischer Ultraschallgenerator wandelt elektrische Energie aus dem Netz in elektrische Energie mit einer Ultraschallfrequenz um. Dies erfolgt nach bekannten Methoden und hat keine Spezifität. Es ist jedoch vorzuziehen, eine digitale Erzeugungstechnik zu verwenden, wenn die Ausgabe rechteckige Impulse mit wechselnder Polarität sind (Fig. 5). Der Wirkungsgrad solcher Generatoren liegt nahe 100 %, wodurch das Problem des Energieverbrauchs des Prozesses gelöst werden kann. Die Verwendung einer rechteckigen Wellenform führt zu einer oberwellenreichen Schallabstrahlung. Die Vorteile eines Multifrequenz-Reinigungssystems bestehen darin, dass sich in den Störknoten im Volumen des Reinigungsmediums keine "toten" Zonen bilden. Die Mehrfrequenz-Ultraschallbestrahlung ermöglicht es daher, das Reinigungsobjekt praktisch in jeder Zone des Ultraschallbades zu lokalisieren.

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Eine andere Technik, um die "toten" Zonen loszuwerden, besteht darin, einen Sweep-Generator zu verwenden (Abb. 6). Dabei bewegen sich die Knoten und Bäuche des Störfeldes an unterschiedliche Stellen des Reinigungssystems, ohne Bereiche zur Reinigung ohne Bestrahlung zu verlassen. Der Wirkungsgrad solcher Generatoren ist jedoch relativ gering.

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Es gibt zwei allgemeine Arten von Ultraschallwandlern: magnetostriktive und piezoelektrische. Beide erfüllen die gleiche Aufgabe, elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln.

Magnetostriktive Wandler (Abb. 7) nutzen den Effekt der Magnetostriktion, bei der einige Materialien in einem magnetischen Wechselfeld ihre linearen Abmessungen ändern.

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Die elektrische Energie des Ultraschallgenerators wird zunächst durch die Wicklung des Magnetostriktors in ein magnetisches Wechselfeld umgewandelt. Das magnetische Wechselfeld wiederum erzeugt aufgrund der Verformung des magnetischen Kreises im Takt der Frequenz des magnetischen Feldes mechanische Schwingungen der Ultraschallfrequenz. Da sich magnetostriktive Materialien wie Elektromagnete verhalten, ist die Frequenz ihrer Verformungsschwingungen doppelt so hoch wie die des magnetischen und damit des elektrischen Felds.

Elektromagnetische Wandler zeichnen sich durch mit zunehmender Frequenz zunehmende Energieverluste für Wirbelströme und Ummagnetisierung aus. Daher werden leistungsstarke magnetostriktive Wandler selten bei Frequenzen über 20 kHz verwendet. Piezo-Wandler hingegen können gut im Megahertz-Bereich emittieren. Magnetostriktive Wandler sind im Allgemeinen weniger effizient als ihre piezoelektrischen Gegenstücke. Dies liegt vor allem daran, dass ein magnetostriktiver Wandler eine doppelte Energieumwandlung benötigt: von elektrisch auf magnetisch und dann von magnetisch auf mechanisch. Bei jeder Umwandlung treten Energieverluste auf. Dies verringert die Effizienz von Magnetostriktoren.

Piezowandler (Abb. 8) wandeln elektrische Energie direkt in mechanische Energie um, indem sie den piezoelektrischen Effekt nutzen, bei dem einige Materialien (Piezoelektrika) ihre linearen Abmessungen ändern, wenn ein elektrisches Feld angelegt wird. Früher verwendeten piezoelektrische Emitter piezoelektrische Materialien wie natürliche Quarzkristalle und synthetisiertes Bariumtitanat, die zerbrechlich und instabil und daher unzuverlässig waren. In modernen Wandlern kommen haltbarere und hochstabilere piezoelektrische Keramikmaterialien zum Einsatz. Die allermeisten Ultraschallreinigungssysteme nutzen heute den piezoelektrischen Effekt.

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Ultraschall-Reinigungsgeräte

Das Spektrum der eingesetzten Ultraschall-Reinigungsgeräte ist sehr breit: von kleinen Tischmodulen in der Zahnmedizin, Juweliergeschäften, der Elektronikindustrie bis hin zu riesigen Anlagen mit Volumen von mehreren tausend Litern in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen.

Richtige Wahl notwendige Ausrüstung ist von größter Bedeutung für den Erfolg der Ultraschallreinigung. Die einfachste Ultraschall-Reinigungsanwendung erfordert möglicherweise nur erhitzte Waschflüssigkeit. Komplexere Reinigungssysteme erfordern eine Vielzahl von Bädern, wobei letztere mit destilliertem oder entionisiertem Wasser gefüllt werden müssen. Die größten Systeme verwenden tauchfähige Ultraschallwandler, deren Kombination Bäder nahezu jeder Größe bestrahlen können. Sie bieten maximale Flexibilität sowie Benutzer- und Wartungsfreundlichkeit. Ultraschallbäder erhitzte Reinigungsmittellösung wird am häufigsten in Labors, Medizin und Schmuck verwendet.

Die in der Großserienfertigung eingesetzten Linien der Ultraschallreinigung (Abb. 9) vereinen in einem Gebäude elektrische Ultraschallgeneratoren, Ultraschallwandler, ein Transportsystem zum Bewegen der Behandlungsobjekte in den Bädern und eine Steuerung.