-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Reinigung oder Oberflächenmodifizierung
eines Gegenstandes nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
-
Es
ist bekannt, die Oberfläche
von Gegenständen
in geeigneten Reinigungsbädern
unter Einwirkung von Ultraschall zu reinigen. Weiterhin sind Verfahren
bekannt, bei denen eine chemische Modifizierung von Oberflächen, beispielsweise
zur Beschichtung oder Entschichtung derselben, unter Zufuhr von
Ultraschallenergie durchgeführt
wird. Problematisch ist jedoch die Behandlung der Oberfläche eines
Gegenstandes, wenn dieser wie auch immer geartete Vertiefungen aufweist.
Je geringer der Durchmesser und je tiefer die entsprechende Vertiefung
ausgestaltet ist, desto schwieriger gestaltet sich ein ungehinderter
Zutritt der Schallwellen zu den Oberflächenbereichen innerhalb der
Vertiefung.
-
Innerhalb
der Vertiefungen bilden sich sogenannte Stehwellen aus, da die einlaufenden
Schallwellen am Lochgrund reflektiert werden. In Abhängigkeit
von der Größe des Querschnitts
der Vertiefung bilden sich ebene oder mehrdimensionale Stehwellen
in den Vertiefungen aus. Dies begrenzt die Reinigungswirkung der
Beschallung auf die Bereiche maximaler Druckamplitude innerhalb
der Vertiefung. Eine Veränderung
der Position des Gegenstandes bzw. eine konstante Bewegung desselben
führen
innerhalb der Vertiefung zu keiner Verlagerung der Bereiche maximaler
Druckamplitude. Somit sind diejenigen Bereiche der Vertiefung, die
einem Druckknoten des Schallfelds zuzuordnen sind, der Einwirkung
des Schallfelds entzogen.
-
Zur
Verbesserung der Reinigungsleistung von Ultraschallbädern ist
es bekannt, die zu reinigenden Bauteile in einem stehenden Schallfeld
zu bewegen. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, anstatt einer Ultraschallquelle zwei phasengesteuerte
Ultraschallwandler einzusetzen, wobei das resultierende Schall-
bzw. Kavitationsfeld relativ zum Teil bewegt wird. Auch diese Methoden
führen
im Bereich von Bauteilvertiefungen zu keinen befriedigenden Reinigungsleistungen,
sondern verbessern lediglich die Reinigungsleistung auf den Außenflächen der
Bauteile.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, die die Reinigung und/oder Oberflächenmodifizierung
eines Gegenstandes ermöglicht,
der mindestens eine Vertiefung aufweist.
-
Vorteile der
Erfindung
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Reinigung oder Oberflächenmodifizierung
eines Gegenstandes, der eine von Seitenwänden umgebene, einseitig verschlossene
Vertiefung aufweist, bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche
hat den Vorteil, dass die Reinigung und/oder Oberflächenmodifizierung
eines Gegenstandes auch im Bereich von Oberflächenvertiefungen ermöglicht wird.
-
Das
Verfahren beruht auf einer Ultraschallbehandlung, wobei der Gegenstand
in ein Reinigungsmedium eingetaucht und der Einwirkung eines Ultraschallfeldes
ausgesetzt wird. Dabei wird der Gegenstand so positioniert, dass
in die Vertiefung des Gegenstandes ein Medium eingeführt werden
kann, das mit dem Reinigungsmedium nicht mischbar ist und dessen
spezifische Schallimpedanz sich ausreichend von der des Reinigungsmediums
unterscheidet. An der Phasengrenze zwischen dem Reinigungsmedium
und dem Medium kommt es zu einer Reflexion der Schallwellen und
es entsteht innerhalb der Vertiefung eine stehende Schallwelle.
Somit können
in vorteilhafter Weise allein durch die Wahl der Menge an zugeführtem Medium
die Bereiche maximaler Kavitation innerhalb der Vertiefung vorbestimmt
werden. Wird die Menge an zugeführtem
Medium während
der Ultraschallbehandlung variiert, so können die Bereiche maximaler
Kavitation und somit Reinigungswirkung innerhalb der Vertiefung
so verschoben werden, dass möglichst
große
Oberflächenbereiche
der Vertiefung nacheinander von der Reinigungswirkung erfasst werden.
-
Mit
den in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung möglich.
-
So
ist es von Vorteil, wenn als Medium Luft oder ein Festkörper verwendet
wird, da diese Medien einfach zugänglich sind. Weiterhin ist
bei der Verwendung von Luft als Medium keine Nachreinigung erforderlich
und eine einfache Dosierung möglich.
Die Verwendung eines Festkörpers
als Medium hat den Vorteil, dass auch hoch korrosionsempfindliche
Bauteile gereinigt werden können.
-
Ein
weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass die genannte Vertiefung
auch eine Durchbrechung sein kann, wobei diese vor dem Einbringen
des Mediums temporär
verschlossen wird.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird der Vertiefung
zunächst
eine bestimmte Menge an Medium zugeführt und dieses während der Behandlung
mit Ultraschall durch Absaugen verringert.
-
Zeichnung
-
Zwei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert. 1 und 2 zeigen
schematisch zwei Ausführungsbeispiele
der dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugrundeliegenden Vorrichtung, 3 zeigt
schematisch den Druckverlauf des Schallfelds innerhalb eines Sacklochs
a) ohne Medium, b) nach Zufuhr eines Mediumpolsters mit Dicke λ/2 und zum
Vergleich ohne Medium und c) nach Zufuhr eines Mediumpolsters mit
Dicke λ/24
und zum Vergleich ohne Medium. 4a und 4b zeigen
Versuchsergebnisse, die mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gewonnen wurden.
-
Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
der dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugrunde liegenden Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung 10 ist
als Anlage zur Reinigung bzw. Oberflächenmodifizierung von Gegenständen ausgeführt, wobei
die Anlage einen Behälter 12 aufweist, an
den ein vorzugsweise piezoelektrischer Ultra- oder Megaschallwandler 14 angeschlossen
ist. Der Ultra- oder Megaschallwandler wird vorzugsweise über einen
nicht dargestellten Schallgenerator angesteuert.
-
Der
Behälter 12 ist
mit einer Flüssigkeit,
beispielsweise einem Reinigungsmedium gefüllt. Das Reinigungsmedium kann
dabei wässrig
oder auf Basis organischer Lösungsmittel
ausgeführt
sein. Auch Mischungen von Wasser mit organischen Lösungsmitteln,
wie beispielsweise Alkoholen können
als Basis des verwendeten Reinigungsmediums dienen. In die Flüssigkeit
taucht ein zu reinigenden Gegenstand 22 ein, der eine Vertiefung 24 aufweist.
Die Vertiefung 24 kann bspw. als Sackloch, als Furche,
Schlitz oder Senke ausgeführt
sein; sie kann darüber
hinaus eine oder mehrere Durchbrechungen kleineren Durchmessers
aufweisen und somit beispielsweise als Bestandteil eines Düsenkörpers ausgeführt sein.
-
Beim
Anliegen des Schallfelds an das Reinigungsmedium bildet sich im
Bereich der Vertiefung 24 wie auch im gesamten Reinigungsmedium
eine stehende Welle aus. Ein Beispiel für ein sich dabei ausbildendes
Schallfeld ist in 3a dargestellt. Dabei ist die
relative Druckamplitude einer ebenen stehenden Welle über dem
Abstand vom Lochgrund aufgetragen. Der eingestrahlte Schall hat
dabei eine Frequenz von 30 kHz. Erkennbar ist, dass sich am Lochgrund
eine Zone maximaler Druckamplitude ausbildet; es handelt sich somit
um eine schallharte Reflexion am Lochgrund der Vertiefung 24.
Die schallharte Reflexion bestimmt die Druckverteilung in der Vertiefung 24 unabhängig von
dem umgebenden Schallfeld. Eine Bewegung des Gegenstandes 22 verändert die
Verteilung der Druckamplitude in der Vertiefung 24 nicht,
sondern beeinflusst lediglich das Druckniveau innerhalb der Vertiefung.
Das sich bei einem bestimmten Abstand vom Lochgrund einstellende
Druckniveau ist im Fall einer ebenen stehenden Welle über den
jeweiligen gesamten Querschnitt der Vertiefung 24 annähernd konstant.
-
Die
Reinigungswirkung beim Anlegen eines Schallfelds an das Reinigungsmedlium
ist besonders ausgeprägt
in Bereichen maximaler Druckamplitude, da die dort auftretende Kavitationswirkung
besonders groß ist.
Dieser Effekt führt
innerhalb der Vertiefung 24 zu einer lokal auf Bereiche
maximaler Druckamplitude begrenzten Reinigungswirkung, während die
Zwischenbereiche weitgehend unberücksichtigt bleiben.
-
Um
dennoch eine Reinigung bzw. Oberflächenbehandlung möglichst
der gesamten Oberfläche der
Vertiefung 24 zu erreichen, wird in den Bereich des Lochgrundes 26 der
Vertiefung 24 ein Medium 28 eingebracht. Das Medium 28 kann
bspw. Luft oder ein geeigneter Festkörper sein, wobei als einzige
Voraussetzung gilt, dass ein ausreichender Schallimpedanzunterschied
zum umgebenden Reinigungsmedium existiert, wobei die Schallimpedanz
für den
Fall einer ebenen Stehwelle als Produkt aus der Dichte eines Mediums
mit der medienspezifischen Schallgeschwindigkeit definiert ist.
-
Bei
Verwendung von Luft als Medium 28 ist darauf zu achten,
dass der Gegenstand 22 innerhalb des Reinigungsmediums
so platziert wird, dass die Vertiefung 24 möglichst
vertikal ausgerichtet ist, wobei der Lochgrund 26 der Vertiefung 24 nach
oben zeigt. Die Luft kann nach geeigneter Positionierung des Gegenstandes 22 einmalig,
in vorzugsweise regelmäßigen Abständen mehrmalig
oder kontinuierlich mit einer nicht dargestellten Zufuhrvorrichtung während der
Ultraschallbehandlung zugeführt
werden. Die Zufuhr eines definierten Luftvolumens kann alternativ
durch Eintauchen des zu reinigenden Gegenstandes in einem definierten
Winkel zwischen der Vorzugsrichtung der Vertiefung zur Oberfläche des Reinigungsmediums
erfolgen.
-
Weiterhin
ist es möglich,
während
der Ultraschallbehandlung die Menge an eingeführtem Medium 28 nicht
nur zu vergrößern, sondern
auch einen Teil des Mediums 28 abzusaugen oder zumindest phasenweise
ganz zu entfernen. Dies kann bspw. durch Drehung des Gegenstandes 22 um
360° um eine
horizontale Drehachse auf einfache Weise geschehen.
-
Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, als Medium 28 einen Festkörper zu
verwenden. Dieser weist vorzugsweise in seiner Querschnittsfläche die Geometrie
der Vertiefung 24 zumindest weitgehend auf. Es besteht
die Möglichkeit,
während
der Reinigungs- bzw. Oberflächenbehandlung
einen oder mehrere weitere Festkörper
der Vertiefung 24 zuzuführen.
Der Vorteil einer Verwendung eines Festkörpers als Medium 28 besteht darin,
dass eine vertikale Ausrichtung der Vertiefung 24 nicht
zwingend erforderlich ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der
Gegenstand 22 mehr als eine Vertiefung 24 aufweist,
wobei die Vertiefungen 24 nicht parallel oder wenn sie
auf verschiedenen Seiten des Gegenstandes 22 existieren.
Hier besteht die Möglichkeit,
vertikal ausgerichtete Vertiefungen 24 mit Luft als Medium 28 zu
beaufschlagen und weitere, nicht vertikal ausgerichtete Vertiefungen 24 mit
einem Festkörper als
Medium 28 zu versehen.
-
Grundsätzlich ist
auch die Verwendung geeigneter Flüssigkeiten oder von Gelpolstern
als Medium 28 möglich,
sofern der Impedanzunterschied zwischen dem Medium 28 und
dem Reinigungsmedium gewahrt bleibt und die als Medium verwendeten
Flüssigkeit 28 eine
separate Phase im Reinigungsmedium bildet.
-
In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel der
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugrunde liegenden Vorrichtung in einem Ausschnitt dargestellt, wobei
die Bezugszeichen der bereits im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen
Komponenten beibehalten werden.
-
Der
in 2 dargestellte Gegenstand 22a ist beispielsweise
als Düsenkörper ausgeführt, der
eine Vertiefung 24 aufweist, die einen kreisförmigen Querschnitt
aufweist und an einem Ende durch eine Düsenplatte 30 begrenzt
ist, die vorzugsweise mehrere Aussparungen 32 umfasst.
Zur Reinigung bzw. Oberflächenbehandlung
des Gegenstandes 22a wird dieser in das in 2 nicht
dargestellte Reinigungsmedium eingetaucht und vorzugsweise vertikal
positioniert, wobei die Düsenplatte 30 nach
oben weist. Um zu verhindern, dass die als Medium 28 verwendete Luft
aus der Vertiefung 24 entweichen kann, wird der Gegenstand 22a an
seiner Oberseite vorzugsweise mit einem geeigneten Verschluss 34 so
abgedichtet, dass die Aussparungen 32 der Düsenplatte 30 weitgehend
gasdicht verschlossen sind. Daraufhin erfolgt die Zufuhr des Mediums 28 in
Form von Luft. Alternativ zur Verwendung von Luft können beispielsweise bei
korrosionsempfindlichen Gegenständen 22, 22a auch
synthetische Gase wie Stickstoff, Argon u. a. verwendet werden.
-
Die
Veränderungen,
die sich beim Einbringen von Luft als Medium 28 in einem
sich in der Vertiefung 24 ausbildenden Schallfelds ergeben,
sind in 3b und 3c dargestellt, wobei
der bei den abgebildeten Messungen verwendete Ultraschall eine Schallfrequenz
von 30 kHz aufweist.
-
Dem
in 3b dargestellten Schallfeld liegt ein Luftpolster
mit der Dicke λ/2
zugrunde. Aus 3b ist ersichtlich, dass sich
das ursprünglich
in der Vertiefung 24 vorhandene Schallfeld, das mit durchgezogener
Linie dargestellt ist, nach der Zufuhr des Mediums 28 verschoben
hat, und dass es an der Oberfläche
des Mediums 28 zu einer schallweichen Reflexion des Schalls
kommt. Die Verschiebung des Schallfelds beträgt erwartungsgemäß λ/4, allerdings erst
nach dem zweiten Druckmaximum vom Lochgrund aus betrachtet.
-
Mittels
der Zufuhr des Mediums 28 sind aber nicht nur Verschiebungen
des Schallfelds um definierte Anteile der Wellenlänge zu erreichen,
sondern es lassen sich auch sämtliche
Zwischenwerte realisieren. Ein Beispiel dafür ist in 3c dargestellt. Dort
wird ein Luftpolster mit einer Schichtdicke von λ/24 erzeugt, was zu einer Verschiebung
des Schallfelds um λ/24
+ λ/4, also
nahezu λ/4
führt.
-
Die 4a und 4b zeigen,
dass mit der Zufuhr eines Mediums 28 in eine Vertiefung 24 nicht nur
eine Verschiebung des Schallfelds sondern auch eine Verlagerung
der Zonen größter Reinigungswirkung
verbunden ist. So zeigt 4a den
Ausschnitt einer Aluminiumfolie, die während einer Ultraschallbehandlung
auf die Seitenfläche
einer Vertiefung 24 aufgebracht war, wobei die linke Begrenzung
der abgebildeten Aluminiumfolie am Lochgrund der Vertiefung 24 angeordnet
war. Die mit Kreisen hervorgehobenen während der Ultraschallbehandlung
ohne Zufuhr eines Mediums 28 in der Aluminiumfolie entstandenen
Löcher
zeigen Zonen maximaler Kavitations- und somit maximaler Reinigungswirkung.
-
4b zeigt
zum Vergleich eine auf identische Weise positionierte Aluminiumfolie,
wobei die Vertiefung 24 während der Ultraschallbehandlung
mit einem Medium 28 versehen wurde. Es ist anhand der mit
Kreisen markierten Löcher
in der Aluminiumfolie zu beobachten, dass sich die Zonen maximaler
Kavitationswirkung nach rechts verlagert haben, wobei die ursprünglich am
Lochgrund auftretende Kavitationszone, die in 4a nicht
erfasst wurde, in 4b als am weitesten links positioniertes
Loch erstmalig zu sehen ist.