21 Août 2013  |  Nettoyage
Publié dans Oberflächen POLYSURFACES 03/2013

Die Kraft der Schallwellen effektiv nutzen

Doris Schulz

Wenn es darum geht, Verunreinigungen von Bauteilen zu entfernen, kann die Ultraschallreinigung Trümpfe ausspielen. Dazu zählen die exakte Anpassung der Schallwellen an das Reinigungsgut und die -aufgabe ebenso wie kurze Behandlungszeiten und ein reduzierter Einsatz von Chemie.

Quand il est nécessaire d’éliminer les impuretés des composants, le nettoyage par ultrasons peut apporter certains atouts. Il s’agit, notamment, de l’ajustement exact de la longueur d’onde au produit et au mode de nettoyage, mais aussi des temps courts de traitements et de la réduction de l’utilisation de produits chimiques.

Ultraschall wird als Reinigungsverfahren seit knapp einem Jahrhundert genutzt und hat sich wie kaum eine andere Technologie bei unterschiedlichsten Anwendungen in der Fertigung durchgesetzt. Dies liegt an der Wirkweise des Verfahrens. Sie ermöglicht die effiziente, materialschonende und schnelle Entfernung teilchenförmiger Verschmutzungen, zum Beispiel von Partikeln, Spänen und Staub, sowie von filmischen Rückständen, beispielsweise von Bearbeitungsmedien wie Ölen und Emulsionen. Und dies ist auch bei Teilen mit komplexen Geometrien sowie schwer zugänglichen Bereichen wie Sacklöchern, Ritzen und Hinterschneidungen der Fall. Gleichzeitig sorgt die Kraft der Schallwellen dafür, dass sich der Einsatz von Reinigungschemie verringern lässt.
 
Bei dieser Anlage, die für die Reinigung mit Lösemittel und wässrigen Medien ausgelegt ist, trägt Ultraschall zu optimalen Reinigungsergebnissen bei (Bild: EMO).
 
Zum Verfahren
Die Schallwellen werden durch einen Generator erzeugt, der die normale Netzfrequenz von 50 bis 60 Hz in hochfrequente Schwingungen umwandelt. Die elektromagnetischen Schwingungen werden dann durch so genannte Schallwandler in mechanische Schwingungen gleicher Frequenz umgesetzt und in ein Flüssigkeitsbad abgegeben. Dort kommt es dann zu einem physikalischen Effekt, der Kavitation: Durch die hohe Intensität des Schallwechseldrucks in der Zugphase der Schwingung «reisst» die Flüssigkeit auf. Dadurch bilden sich Millionen mikroskopisch kleine Bläschen. In der anschliessenden Druckphase werden die Kavitationsblasen instabil, fallen in sich zusammen (implodieren) und erzeugen hydraulische Stösse mit erheblichen Energiedichten, die in der Flüssigkeit Mikroströmungen auslösen. Treffen diese auf eine Oberfläche, sprengen sie dort sitzende Verunreinigungen ab und spülen den «Schmutz» weg.
Die Schwingsysteme stehen als Stab-, Tauch- und Plattenschwinger zur Verfügung. Eine Alternative stellen Ultraschalleinheiten dar, die mit Einzelelementen arbeiten.
 
Die Reinigungswirkung von Ultraschall basiert auf Kavitation. Je niedriger die Ultraschallfrequenz ist, desto grösser und energiereicher sind die Kavitationsblasen (Bild: Bandelin).
 
Richtige Reinigungschemie und optimal abgestimmte Frequenz
Bei der Auswahl des richtigen Reinigungsmediums gilt der Grundsatz «Gleiches löst Gleiches». Dies bedeutet: Wird mit einem mineralölbasierten (unpolaren) Kühlschmiermittel gearbeitet, beispielsweise Bearbeitungsöle, Fette und Wachse, ist meisenst ein Lösemittel die richtige Wahl. Späne und Partikel verlieren durch die Entfernung des Öls die Haftung zur Oberfläche und werden durch den Ultraschall abgereinigt.
Für wasserbasierte (polare) Verunreinigungen wie Kühl- und Schmieremulsionen, Polierpasten, Additive, Salze, Abrieb und andere Feststoffe kommen üblicherweise wässrige Reiniger zum Einsatz. Sie stehen als pH-neutrale, alkalische und saure Medien zur Verfügung. Um sicherzustellen, dass es durch den Reiniger zu keinem Werkstoffangriff kommt, empfehlen sich Reinigungsversuche beim Medien- oder Anlagenhersteller.
Ein weiteres Kriterium für den erfolgreichen Einsatz der Ultraschallreinigung ist die Frequenz. Generell gilt: Je niedriger diese ist, desto grösser sind die Kavitationsblasen und die von ihnen freigesetzte Energie. Dies bedeutet, dass eine niedrige Frequenz einerseits zu grossen Reinigungskräften an der Teileoberfläche führt und andererseits die Tiefenwirkung, die erforderlich ist, um in Grenzflächen wie Poren, Bohrungen und Strukturen einzudringen, gering ist. Daher wird bei Werkstücken mit komplexer Geometrie und/oder hohen Sauberkeitsanforderungen Ultraschall mit unterschiedlichen Frequenzen eingesetzt.
Dafür waren bis vor einigen Jahren verschiedene Bäder erforderlich. Inzwischen ermöglichen Multi- oder Mischfrequenz-Ultraschallsysteme, dass die Flüssigkeit in einem Bad mit mehreren Frequenzen, beispielsweise 25 und 40 kHz, beschallt werden kann. Durch die gemischte Anzahl grösserer und kleinerer Kavitationsblasen werden optimale Reinigungskräfte an der Oberfläche und in Grenzflächen erreicht. Gleichzeitig lassen sich damit platzsparende Ultraschall-Reinigungssysteme realisieren.
 
Stab- und Tauchschwinger sind die am häufigsten in der industriellen Teilereinigung eingesetzten Schwingsysteme (Bild: Weber Ultrasonics).
 
Ausreichende Leistung sicherstellen
Beeinflusst wird das Reinigungsergebnis darüber hinaus durch die Anzahl und Positionierung der Schwingelemente im Reinigungsbad. Um eine ausreichende Reinigungswirkung zu gewährleisten, werden üblicherweise 8 bis 10 W Ultraschallleistung pro Liter Badvolumen veranschlagt. Dies bedeutet, dass bei einem Reinigungsbad mit 100 l eine Ausgangsleistung von 800 bis 1000 W erforderlich ist. Sind sehr hartnäckige Verunreinigungen zu entfernen oder ist ein sehr hoher Sauberkeitsgrad gefordert, kann die Ultraschallleistung entsprechend höher liegen. Reinigungsversuche mit original verschmutzten Teilen sind eine zuverlässige Methode, um die benötigte Ultraschallleistung festzustellen.
 
Damit die Schallwellen ihre Reinigungskraft voll entfalten können, ist eine gute Zugänglichkeit zu den Teilen erforderlich (Bild: Dürr Ecoclean).
 
Die Schallwellen breiten sich im Flüssigkeitsbad von der schallabstrahlenden Fläche in Längsrichtung (longitudinal) aus. Dadurch entstehen schalltote und schallaktive Zonen. Die Anordnung der Schwingelemente hat daher einen grossen Einfluss auf das Reinigungsergebnis. Werden Schwinger beispielsweise nur am Boden der Arbeitskammer oder des Reinigungsbeckens angebracht, wirkt der Schall senkrecht nach oben zur Badoberfläche und reflektiert von hier wieder zurück zum Boden. Dies hat Auswirkungen bei der Reinigung von Teilen mit Hohlräumen und Sacklöchern: Haben sich darin Luftblasen gebildet, ist die Luft für den Schall ein Hindernis und es findet keine Reinigung statt. Daher ist sicherzustellen, dass alle Hohlräume mit Reinigungsflüssigkeit gefüllt sind. Dazu sollten die Teile im Bad oszilliert oder gedreht werden. Zahlreiche Ultraschallgeneratoren verfügen auch über eine so genannte Sweep-Funktion für eine Frequenzmodulation, welche die Ultraschallschwingungen gleichmässiger in der Reinigungsflüssigkeit verteilt. Darüber hinaus sind bei der Reinigung von Bauteilen mit komplexen Geometrien heute immer mehr Ultraschall-Reinigungsanlagen mit mehrseitiger Beschallung – Boden und Seitenwände – ausgestattet.
 
Mit wässrigen Medien betriebene Mehrkammer-Ultraschall-Reinigungsanlagen kommen häufig für die Feinstreinigung zum Einsatz. Die modulare Bauweise ermöglicht eine exakte Anpassung auf die Reinigungsaufgabe (Bild: Amsonic).

Gute Zugänglichkeit der Schallwellen zum Reinigungsgut
Neben Luft gibt es weitere Hindernisse, die einer uneingeschränkten Zugänglichkeit der Schallwellen zum Reinigungsgut und damit einem optimalen Ergebnis im Wege stehen. Dazu zählen Reinigungsbehältnisse, die vollständig geschlossen sind oder aus Lochblech bestehen. Ideal sind Werkstückträger und Schüttgutkörbe aus rostfreiem Runddraht. Sie ermöglichen sowohl dem Ultraschall als auch dem Reinigungsmedium eine gute Zugänglichkeit von allen Seiten. Bei der Beladung der Werkstückträger oder Schüttgutkörbe sollten die zu beschallenden Flächen nicht grösser als die schallabstrahlenden Flächen sein und die Masse des Teils oder der Teile nicht mehr als 50% des Badvolumens betragen. Eine zu kompakte Beladung, beispielsweise dicht übereinander gestapelte Teile und grosse Mengen Schüttgut, kann verhindern, dass der Ultraschall alle zu reinigenden Werkstückflächen erreicht. Das Resultat sind eine ungenügende Reinigungsqualität und lange Behandlungszeiten.
Durch den richtigen Einsatz von Ultraschall in Kombination mit einem auf die Verschmutzung abgestimmten Reinigungsmedium lässt sich die Reinigungszeit um bis zu 90% reduzieren. Gleichzeitig lässt sich der Verbrauch von Reinigungschemie verringern.

parts2clean
Vom 22. bis 24. Oktober 2013 findet auf dem Messegelände Stuttgart die «parts2clean», die internationale Leitmesse für industrielle Teile- und Oberflächenreinigung statt. Sie informiert umfassend über Reinigungssysteme, alternative Reinigungstechniken, Reinigungsmedien, Qualitätssicherungs- und Prüfverfahren, Reinigungs- und Transportbehältnisse, Entsorgung und Wiederaufbereitung von Prozessmedien, Handling und Automatisierung, Dienstleistung, Beratung, Forschung und Fachliteratur. Darüber hinaus bieten die verschiedenen Vorträge des Fachforums viel Wissen rund um die industrielle Teile- und Oberflächenreinigung.
 
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23 Juillet 2019  |  Nettoyage

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Les produits de masse tels que les vis sont habituellement nettoyés en vrac selon des procédés par charges. Le nettoyage des pièces représente alors souvent un goulot d’étranglement de la production. Pour éviter cette situation, la société Weber Ultrasonics, conjointement avec un constructeur de machines, a mis au point un concept d’installation intégré à la fabrication, destiné au nettoyage des pièces en vrac, permettant ainsi d’accroître la productivité, la qualité et la rentabilité.
16 Juillet 2019  |  Nettoyage

Bauteilreinigung sichert Wertschöpfung

Les pièces décolletées destinées aux systèmes automobiles critiques imposent les plus hautes exigences en termes de précision, de qualité et de propreté. Dans une usine de décolletage française, pour atteindre l’objectif d’un taux de rebut d’un ppm pour près de huit millions de pièces fabriquées par mois, les machines haut de gamme pour la fabrication et le contrôle qualité ne suffisent pas. Des solutions de nettoyage taillées sur mesure sont également nécessaires.
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