Ultraschallreinigung

Bei der Reinigung mit Ultraschall werden die zu reinigenden Teile in ein mit einem geeigneten Reinigungsmittel gefülltes Becken gehängt, in das Ultraschall eingebracht wird. Die dabei entstehenden Kavitationsbläschen lösen Verunreinigungen von der Bauteiloberfläche.

Bei der Reinigung mit Ultraschall werden die zu reinigenden Teile in ein mit einem geeigneten Reinigungsmittel gefülltes Becken gehängt. Durch am Boden bzw. an der Seitenwand des Reinigungsbeckens angebrachte Schwingungserzeuger wird Ultraschall eingebracht, der sich in Form von Longitudinalschwingungen im Reinigungsmittel ausbreitet. Durch das lokale Unterschreiten des Dampfdrucks während der Schwingungsphase geringeren Drucks entstehen an der Bauteiloberfläche dampfgefüllte Bläschen, sogenannte Kavitationsbläschen. Diese implodieren in der darauf folgenden Phase erhöhten Drucks wieder und erzeugen dabei Aufschlagdrücke von ca. 1000 bar. Durch diese kurzzeitig auftretenden hohen Implosionsdrücke werden die Verunreinigungen von der Bauteiloberfläche abgesprengt und im Reiniger gelöst bzw. dispergiert. Nach der Reinigung müssen die Teile in der Regel gespült und getrocknet werden.

Kavitationsblase zum Zeitpunkt der Implosion
Durchmesser ca. 150µm bei Frequenz 25 kHz (JOT-Oberflaeche.de)

Die Reinigung mit Ultraschall ist ein Reinigungsverfahren, mit dem höchste Reinheitsgrade erreicht werden können. Zur Anwendung kommt sie vornehmlich bei Teilen der Feinmechanik und der Feinwerktechnik, bei medizinischen, insbesondere auch chirurgischen Instrumenten, optischen Linsen, Glasgefäßen, Zahnprothesen, Schmuck und Besteckteilen, Gehäusen von Fotokameras, Fernsehbildröhren vor der Beschichtung, elektrischen Baugruppen und zu galvanisierenden Bauteilen.

Physikalischer Hintergrund

Die zu reinigenden Teile werden in ein Becken gehängt, das mit einem geeigneten Reinigungsmittel gefüllt ist. Die Reinigungsleistung des Reinigungsmittels wird durch den Einsatz von Ultraschall erhöht. Die Beschallung erfolgt durch am Boden oder den Seitenwänden des Beckens angebrachte Schwingungserzeuger.

Schematische Darstellung der Blasenimplosion

Ultraschall breitet sich in Flüssigkeiten in Form einer Longitudinalwelle aus. Beim Auftreffen einer Schallwelle auf die Oberfläche eines zu reinigenden Teiles entsteht durch die schnell wechselnden Drücke Kavitation. Dies geschieht folgendermaßen: In der Unterdruckphase wird der Dampfdruck der Reinigungsflüssigkeit lokal unterschritten und es entstehen dampfgefüllte Bläschen. Keimzellen dieser Kavitationsbläschen sind die auf der Oberfläche befindlichen Verunreinigungen und die Oberfläche selbst. Somit entstehen die Bläschen genau dort, wo sie benötigt werden. Beim Wiederansteigen des Druckes implodieren die Bläschen mit hoher Geschwindigkeit. Der dabei entstehende Aufschlagdruck von ca. 1000 bar bewirkt eine mechanische Reinigungswirkung an der Bauteiloberfläche. Die bereits vom Reinigungsmittel angelösten Verschmutzungen und sogar die Verschmutzungsbestandteile, die im Reiniger nicht oder nur schwer löslich sind, werden durch die implodierenden Kavitationsbläschen von der Bauteiloberfläche gesprengt und durch die fortwährenden Druckschwankungen in der Reinigungsflüssigkeit dispergiert.Außerdem wird so bereits mit Verunreinigungen gesättigtes Reinigungsmittel von der Bauteiloberfläche weggespült und noch unverschmutztes Reinigungsmittel herangetragen, was die Reinigungsleistung ebenfalls erhöht.

Um die Effektivität der Reinigung zu maximieren, müssen mehrere Faktoren möglichst gut aufeinander abgestimmt werden: Zum einen muss die Art des Reinigungsmittels und dessen Temperatur auf die zu entfernenden Verunreinigungen und auf das zu reinigende Material abgestimmt sein. Zum anderen muss die Frequenz und die Amplitude des Ultraschalls an das vorliegende Problem angepasst werden. So ist beispielsweise die Verwendung einer niedrigen Frequenz (großen Schwingungsamplitude) und der daraus resultierenden großen Kavitationsbläschen besonders gut für größere Bauteile und grobe Verschmutzungen geeignet, während eine hohe Frequenz (kleine Schwingungsamplitude, kleine Kavitationsbläschen) eher für kleine, empfindliche Bauteile und leichte Verschmutzungen geeignet ist. Bisweilen ist es darüber hinaus günstiger, bei einem geringen Unterdruck zu beschallen, da dann kleinere Schallstärken benötigt werden und die Luft aus konstruktiv bedingten Hohlräumen gesaugt wird.

Haupteinsatzgebiete

Mit der Ultraschallreinigung können höchste Reinheitsgrade bei kurzen Reinigungszeiten erreicht werden. Die starke mechanische Wirkung der durch den Ultraschall hervorgerufenen Kavitation sorgt auch bei kompliziert geformten Bauteilen sowie in Spalten und Bohrungen für eine sehr gründliche Reinigung. Dennoch handelt es sich um ein schonendes Reinigungsverfahren, mit dem auch empfindliche Oberflächen beschädigungsfrei gereinigt werden können. Einen Vergleich der erzielbaren Reinigungsqualitäten unterschiedlicher Verfahren zeigt die folgende Tabelle:

Verfahren	Restschmutz
Abspritzen	86 %
kräftige Bewegung in der Reinigungsflüssigkeit	70 %
Dampfentfettung	65 %
Bürstenreinigung mit der Hand	8 %
Ultraschall	1 %

Tabelle: Handbuch der Galvanotechnik

Angewendet wird Ultraschall vornehmlich bei Teilen der Feinmechanik und der Feinwerktechnik, bei medizinischen, insbesondere auch chirurgischen Instrumenten, Schallplattenmatrizen, optischen Linsen, insbesondere vor der Vergütung, Brillengläsern und -gestellen, Glasgefäßen, Zahnprothesen, Schmuck und Besteckteilen, Gehäusen von Fotokameras, Fernsehbildröhren vor der Beschichtung, elektrischen Baugruppen, bestückten Leiterplatten, zu galvanisierenden Bauteilen und Materialien, radioaktiv kontaminierten Gegenständen und vielen anderen mehr.

Gereinigt werden können nicht nur gerade und glatte Oberflächen, sondern auch unregelmäßig gestaltete Teile mit Vertiefungen aller Art, die mit anderen Verfahren nicht oder nur sehr schwer zu reinigen sind. So können z. B. kleinere Zahnradgetriebe, wie sie in mechanischen Uhren vorkommen, ohne vorherige Demontage gereinigt werden. Problematisch sind allerdings Bauteile, die Hinterschneidungen aufweisen, so dass Abschattungen der Ultraschallwellen auftreten.

Entfernt werden können zunächst alle Verschmutzungen, die vom verwendeten Reinigungsmittel gelöst werden können. Darüber hinaus ist es möglich, auch Verschmutzungen zu entfernen, die in der Reinigungslösung nur schwer oder gar nicht löslich sind. Sie können mit Hilfe der Kavitationswirkung von der Bauteiloberfläche abgesprengt und im Reiniger dispergiert werden.

Die Reinigung dauert, je nach Dicke der Verschmutzungsschicht, 15 - 60 Sekunden. Jede zu reinigende Bauteilseite muss für diese Zeit den Ultraschallerzeugern zugewandt sein. Schüttgüter müssen dementsprechend durchmischt werden, sodass jede Seite zufriedenstellend gereinigt werden kann. Aufgrund der Rückverschmutzung verlängern sich die Reinigungszeiten hierbei jedoch erheblich. Oftmals stellt bei Schüttgütern auch die Wahl eines geeigneten Reinigungsbehälters ein Problem dar. Üblicherweise werden Schüttgüter in Reinigungskörben in das Ultraschallbecken eingehängt. Dabei gilt: Je grobmaschiger der Korb, desto besser erreicht der Ultraschall die zu reinigenden Teile (geringere Reflexionen am Korb) und desto besser ist die erzielbare Reinigungsleistung. Als Alternative zu sehr feinmaschigen Körben können auch Wannen aus Thermoplasten verwendet werden. Thermoplaste weisen dem Wasser ähnliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten für Schallwellen auf und besitzen daher relativ hohe Durchgangskoeffizienten.

Nach der Reinigung werden die Teile gespült und getrocknet, da so Korrosion vorgebeugt und das Reinigungsergebnis gesichert wird. Werden wässrige Reiniger verwendet, so werden die gereinigten Teile aus dem beschallten Becken in mehrere aufeinanderfolgernde Spülbecken getaucht oder mit Leitungswasser abgespült. Wird Fleckenfreiheit nach der Trocknung gefordert, erfolgt zumindest der letzte Spülvorgang mit vollentsalztem Wasser. Die Trocknung erfolgt meist durch Warmluft oder im Trockenschrank. Bei temperaturempfindlichen Teilen sollte die Trocknung im Vakuum erfolgen. Wird ein organisches Lösungsmittel verwendet, so werden die gereinigten Teile in ein Becken getaucht, das mit demselben, aber unverbrauchten, unbeschallten Reiniger gefüllt ist. Wenn danach in einer Dampfzone getrocknet werden soll, wird das Bauteil im Spülbecken zusätzlich gekühlt und dann über einem siedenden Lösungsmittel einer Kondensatspülung unterzogen (Auf der kalten Oberflächen kondensiert reines Lösungsmittel und tropft ab). Zugleich erwärmt sich das Teil und trocknet nach dem Verlassen der Dampfzone durch die gespeicherte Eigenwärme.

Umwelt- und Arbeitsschutz

Bei der Verwendung von Ultraschallanlagen ist in Bezug auf Arbeits- und Umweltschutzmaßnahmen auf die Auflagen der jeweils verwendeten Reiniger zu achten.

Vgl. hierzu: Umwelt- und Arbeitsschutz:

Anlagen und Kosten

Eine Ultraschallreinigungsanlage besteht aus einer Wanne, in der sich die Reinigungsflüssigkeit befindet, den Schwingungserzeugern und einem Hochfrequenzgenerator, der die Netzfrequenz von 50 Hz auf die benötigte Resonanzfrequenz der Schwinger umwandelt. Hinzu kommen diverse Hilfsgeräte, die zum Eintauchen der zu reinigenden Teile benötigt werden, eine Heizung zum Erwärmen des Reinigungsbades, Spülbecken und evtl. eine Vorrichtung zur Trocknung der gereinigten Teile. Außerdem kann, je nach verwendetem Lösungsmittel, eine Absaugvorrichtung für die aufsteigenden Dämpfe erforderlich sein. Bei häufiger Nutzung und bei der Reinigung von stark verschmutzten Bauteilen ist ein Aufbereitungskreislauf für die Reinigungsflüssigkeit empfehlenswert.

Reinigungswannen sind in verschiedensten Größen erhältlich und werden überwiegend aus Edelstahl, seltener aus Kunststoff gefertigt. Für die gelegentliche Reinigung kleinerer Teile werden von vielen Herstellern sogenannte Standard-Schwingwannen mit Fassungsvermögen von 2 - 48 l angeboten. Für größere Teile werden meist geschweißte Reinigungsbecken mit entsprechend großem Fassungsvermögen eingesetzt.

Bild: Standard-Schwingwannen (elma-ultrasonic.com)

Die Kosten für eine Reinigungsanlage variiert je nach Fassungsvermögen und Ausstattung. Standardschwingbecken mittlerer Größe mit integrierter Badheizung, Zeitschaltuhr und einhängbarem Warenkorb sind ab ca. 1000 Euro erhältlich. Neben den Standardschwingbecken sind auf spezifische Anwendungsfälle abgestimmte Komplettanlagen erhältlich.

Beispiele für Ultraschall-Komplettanlagen

Einkammer Vollautomat	Gerätetechnik Brieselang	Wässrige Ultraschallreinigung Waschen und Trocknen in einer Kammer Herausnehmbare Körbe Ölabscheidung Taktzeit 30 min Programmsteuerung Bosch CL200 Verschiedene Waschprogramme
Zweikammer Handanlage mit Trocknung	Gerätetechnik Brieselang	Wässrige Ultraschallreinigung Herausnehmbare Körbe 50 mm Hubbewegung der Körbe Ölabscheidung Temperaturregelung Filterkreisläufe
Einkammer Vollautomaten	Gerätetechnik Brieselang	Elektroanschluss: 400 V (3 polig) , 13,5 kVA Druckluft: 6 bar Waschbehälter: 80 Liter (500x400x400) Vorratstank:140 Liter Filterkreislauf: 30 Liter/min. Ultraschall: 30 kHz, 1800 W eff. Programmsteuerung: Moeller PS4/Siemens S7 Ölabscheidung: Kreislauf, Pumpe 1,5 L/Min.
Reinigungsautomat für Gestell- oder Korbware mit Transportsystem	Erdmann GmbH	Beladestation 1. Ultraschallreinigungskammer 2. Ultraschallreinigungskammer Spülkammer (Stadtwasser) Spülkammer 1 mit VE-Wasser Spülkammer 2 mit VE-Wasser Trocknungsstufe Entladestation
Reinigungsanlagen für Drähte und Rohre bei starker Verschmutzung	Gerätetechnik Brieselang	Reinigung im Durchlauf Maße: 2000x750x1800 Schallschutzhaube Maße der Tanks: 1000x1000x800 500 Liter Tanks außerhalb der Anlage
Reinigungsanlagen für Drähte und Rohre für den Dauerbetrieb	Dr. Hielscher GmbH	Reinigung im Durchlauf zwei Reinigungstanks und 2 Spültanks automatische Umschaltung Schnittstelle zur SPS Textdisplay Maße: 2000x1000x1800 Schallschutzhaube

Im Allgemeinen handelt es sich bei der Ultraschallreinigung um ein relativ preiswertes Reinigungsverfahren, mit dem höchste Reinheitsgrade erreicht werden können. Dabei ist zu beachten, dass Schwingungserzeuger und Generatoren für tiefe Frequenzen (20 bis 40 kHz) wesentlich billiger, betriebssicherer und für größere Flächenleistungen einfacher herzustellen sind, als diejenigen für hohe Frequenzen (400 bis 800 kHz).

Referenzen

H. W. Dettner, J. Elze, E. Raub
Handbuch der Galvanotechnik
Band 1: Grundlagen, Einrichtungen, Vorbehandlungen
Carl Hanser Verlag München, 1963

H. Kuttruff
Physik und Technik des Ultraschalls
S. Hirzel Verlag Stuttgart, 1988

J. Matauschek
Einführung in die Ultraschalltechnik
2. Auflage, VEB Verlag Technik Berlin, 1962

R. Sewig
Neuartige Fertigungsverfahren in der Feinwerktechnik
Carl Hanser Verlag München, 1969

Name des Autors: team