Ultraschallreinigungsgeräte werden häufig zur Reinigung von kleinen, komplexen und feinstrukturierten Bauteilen eingesetzt, zum Beispiel verwenden Juweliere, Goldschmiede, Zahntechniker, Uhrmacher und Augenoptiker Ultraschall-Reinigungsbäder zum Reinigen ihrer Erzeugnisse.

Aufbau

Die Anlage besteht aus einer mit Flüssigkeit gefüllten, eventuell beheizbaren Wanne, einem oder mehreren Ultraschallwandlern beziehungsweise Ultraschallschwingern und einem Generator, der den oder die Wandler mit hochfrequenter elektrischer Energie versorgt. Sowohl direkt außen an den Wänden und unter dem Boden der Wanne können Schallschwinger angeklebt werden, allerdings nur wenn die Materialstärke von Wand beziehungsweise Boden nicht zu stark ist. Bei dieser Bauweise wird der Ultraschall dann direkt über Wände und/oder Boden in die Flüssigkeit eingeleitet. Eine andere Variante sind so genannte Tauchschwinger, die in die Flüssigkeit gehängt beziehungsweise an Gestellen im Becken befestigt werden. Schließlich gibt es noch Plattenschwinger, die an eine entsprechende Öffnung in der Beckenwand angeflanscht werden.

Die Geräte werden üblicherweise in nichtrostender Ausführung hergestellt. Die Anordnung und Verteilung der Schallschwinger muss so erfolgen, dass ein gleichmäßig starkes, nicht statisches Schallfeld entsteht. Einige Hersteller modulieren daher die Frequenz um stehenden Wellen vorzubeugen. Auch eine Funktion zum Entgasen der Reinigungsflüssigkeit ist nicht unüblich. Hierbei wird die Abgabeleistung des Gerätes gepulst, um eventuellen Gasblasen den Aufstieg zur Oberfläche zu ermöglichen. Hintergrund ist die schlechte Ausbildung von Kavitationsblasen bei Anwesenheit von Gasblasen, da diese die Leistung absorbieren würden. Die für ein gutes Reinigungsergebnis mindestens erforderliche Schallleistung liegt bei etwa 35 bis 40 W pro Liter Reinigungsflüssigkeit. Die Schallerzeuger benötigen einen Mindestabstand von 1 bis 2 cm, um ein homogenes Schallfeld auszubilden. Ein Kontakt der Anwender mit einem aktiven Ultraschallbad führt zu einem Angriff der Zellstruktur und sollte vermieden werden.

Technik

Zur Erzeugung der Ultraschallschwingungen kommen piezokeramische Wandlersysteme zum Einsatz. Diese werden an die Schwingwanne geklebt und enthalten eine piezokeramische Scheibe, die sich beim Anlegen einer Spannung ausdehnt bzw. zusammenzieht. Zur Erzeugung von Ultraschall wird ein Hochfrequenz-Generator eingesetzt, der die Netzfrequenz von 50 Hz auf mindestens 20 kHz wandelt. Die Resonanzfrequenz eines Ultraschallschwingsystems wird durch die Baugröße definiert und ist nach der Herstellung nicht veränderbar.

Frequenzen

Verwendet werden üblicherweise Frequenzen von 20 kHz bis 400 kHz. Niedrige Frequenzen um 20 kHz erzeugen Bläschen größeren Durchmessers mit kräftigen Druckstößen, demgegenüber sind höhere Frequenzen um 35 kHz besser zur intensiven und schonenden Reinigung von Oberflächen geeignet. Die aktuell übliche Frequenz beträgt für Partikel mit einem Durchmesser größer als 1 µm etwa 200 kHz (Ultraschall, „US“). Der Frequenzbereich oberhalb 400 kHz bis 1–2 MHz wird in der Fachliteratur auch als Megaschall („MS“) bezeichnet. Hier werden Partikel mit einem Durchmesser kleiner als 1 µm optimal abgelöst.

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

Anwendung

Der Einsatz von Lösungsmitteln, Säuren oder Laugen unterstützt wesentlich den Reinigungseffekt von Ultraschallbädern. Insbesondere die Oberflächenspannung des Wassers muss mit einem geeigneten Reinigungspräparat für eine effektive Ultraschallreinigung reduziert werden. Es werden keine brennbaren Flüssigkeiten als Reinigungsmittel eingesetzt, da durch den Ultraschall immer auch ein Wärmeeintrag in die Flüssigkeit erfolgt, welcher bei einer Überschreitung der Zündtemperatur zu einer Entzündung der Badflüssigkeit führen könnte.

Ultraschallbäder werden auch in der Probenvorbereitung benutzt, um biologische Substanzen im analytischen Labor zu zerreißen, also zu fragmentieren. Man benutzt Ultraschallbäder zum Zellaufschluss oder um DNA zu scheren.

In der Medizinbranche werden Hochleistungs-Ultraschallbäder zur Aufbereitung von chirurgischen Instrumenten eingesetzt. Dabei können Blut- und Geweberückstände effektiv aus den Gelenken der Instrumente gelöst werden. Außerdem wird durch den Ultraschall die notwendige Einwirkzeit der Desinfektionspräparate verkürzt.

In der Automobilindustrie werden Ultraschallbäder zur Reinigung von Vergasern, Zündkerzen und Einspritzdüsen genutzt. Größere, industrielle Ultraschallreinigungsanlagen werden für die Reinigung von Rohteilen z. B. für die Oberflächenveredelung (Galvanik) eingesetzt.

Siehe auch

Commons: Ultraschallreinigungsgerät – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Kathy Barker: Cold-Spring-Harbor-Laborhandbuch für Einsteiger. Elsevier, München 2006, ISBN 978-3-8274-1656-8, S. 34.
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