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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes sind in der
DE 10 2015 106 343 A1 und der
DE 10 2016 101 313 A1 offenbart. Ein Ultraschallgenerator erzeugt Ultraschallschwingungen, welche über eine sogenannte Sonotrode in ein Ultraschallübertragungsmedium eingeleitet werden, welches die Schwingungen auf den zu behandelnden Gegenstand überträgt. Weiterhin relevant sind die
DE 31 00 342 A1 und die
US 2018 / 0 369 880 A1 .
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In Flüssigkeiten (und Gasen) breitet sich Schall nur in Form von longitudinalen Druckwellen aus, d.h. durch abwechselnde Bereiche höheren und niedrigeren Drucks. Wenn dabei lokal der Dampfdruck der Flüssigkeit unterschritten wird, erfolgt spontan die Bildung von Blasen. Dies wird als Kavitation bezeichnet. Erhöht sich der Umgebungsdruck, so schrumpft die Blase und kann implodieren, wodurch dann eine Stoßwelle in der Flüssigkeit erzeugt wird. Trifft diese Stoßwelle auf eine Festkörperoberfläche so kann dort Kavitationserosion auftreten.
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Festkörper weisen spezifische Zugfestigkeiten auf. Werden sie darüber hinaus belastet, so brechen sie. Mit der Anzahl der Belastungen sinkt die Zugfestigkeit. Ein Versagen tritt noch früher ein, wenn Vorschädigungen wie z.B. Kerben vorliegen. Dies ist am Übergang zwischen einem Grat und der Oberfläche eines Bauteils der Fall. Ultraschall schwingt im Kilohertzbereich und eine durch Ultraschall angeregte Schwingung belastet solche Sollbruchstellen an Graten mehrere Tausendmal pro Sekunde und führt nach geeigneter Dauer und Stärke der Schwingung zu einem Abbrechen des Grates.
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Wesentliche Kriterien für den Entgrateffekt der Vorrichtung nach der
DE 10 2016 101 313 A1 sind gemäß [Direkt2017 = http://trends.directindustry.de/weber-ultrasonics/project-22604-144007.html; abgerufen am 06.10.2019] die Amplitude, Leistung und Frequenz des Ultraschalls sowie die Entfernung zum Werkstück und die Behandlungszeit. Die Einstellung dieser betriebsspezifischen Parameter ermöglicht, das gesamte Spektrum von der Mikro- bis zur Grobentgratung an Bauteilen aus Aluminium- oder Zinklegierungen durchzuführen.
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Eine Entgratung hochfester Werkstoffe (mit einer Mindeststreckgrenze > 500 N /mm2) ist auf solche Art jedoch nicht ohne Weiteres möglich wie eigene Untersuchungen zeigten.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes anzugeben, welche das Anwendungsspektrum des Ultraschallentgratens auf weitere Werkstoffe, insbesondere hochfeste Werkstoffe, erweitern.
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Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes bei dem Ultraschall über einen Ultraschallgenerator erzeugt und über eine in einem Ultraschallübertragungsmedium befindliche Sonotrode in einen zu entgratenden Gegenstand eingeleitet wird, wobei die Sonotrode in einem definierten Abstand zwischen der Sonotrodenspitze und der Oberfläche des Gegenstandes angeordnet wird,
erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes definiert ausgerichtet wird, derart, dass die Längsachse der Sonotrode unter einem vorgebbaren Winkel auf die Oberfläche des Gegenstandes ausgerichtet wird, bei dem Rayleighwellen in der Oberfläche des Gegenstandes erzeugt werden.
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Ein solches erfindungsgemäßes Verfahren zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes ermöglicht durch die definierte Ausrichtung der Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes bei einer Ultraschallbehandlung ansonsten nach dem Stand der Technik eine wesentliche Verbesserung des Entgrateffektes, wodurch insbesondere bislang nicht entgratbare hochfeste Werkstoffe nun entgratet werden können.
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Der Winkel, unter dem eine von der Sonotrodenspitze ausgestrahlte Schallwelle auf die Oberfläche des Gegenstandes trifft, hat nämlich entscheidende Bedeutung für die in den Gegenstand eingebrachte Schwingungsenergie und für die sich in dem Gegenstand ausbreitenden Schallwellen:
- Tritt eine Schallwelle schräg auf die Grenzfläche zweier Medien, so wird ein Teil an der Grenzfläche in das erste Medium reflektiert und der andere Teil dringt in das zweite Medium ein. Die eindringende Schallwelle wird gebrochen. In Festkörpern wird auf Grund der bei der Durchschallung auftretenden Torsionskräfte durch die longitudinale Schallwelle (auch Druck- genannt) auch eine transversale Schallwelle (auch Schub- oder Scherwelle genannt) erzeugt. Abhängig von der Art des Festkörpers tritt ab einem spezifischen Auftreffwinkel Totalreflexion auf, so dass sich im Festkörper dann nur noch Transversalwellen ausbreiten. In einem Übergangsbereich können sich an der Oberfläche fester Körper sog. Rayleighwellen ausbreiten (Erdbebenwellen). Deren Bewegung entspricht einer ellipsenartigen Überlagerung transversaler und longitudinaler Schwingungskomponenten. Die Intensität von Rayleighwellen nimmt mit der Eindringtiefe exponentiell ab. An der Oberfläche bewirken Rayleighwellen jedoch starke Spannungen.
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Die Stärke der Rayleighwellen hängt wie vorstehend genannt maßgeblich von einem materialspezifischen Auftreffwinkel der Schallwellen auf die Oberfläche des Gegenstandes ab, wobei sowohl das Material des flüssigen Ultraschallübertragungsmediums (meist Wasser) als auch das des zu entgratenden Gegenstandes eine Rolle spielen. Das Maximum tritt auf, wenn die auftreffenden Longitunalwellen in der Oberfläche des Gegenstandes Rayleighwellen derart anregen, dass eine Resonanzkatastrophe eintritt. Dies ist der Fall bei einem materialspezifischen Auftreffwinkel α von
wobei v
L die materialspezifische Schallgeschwindigkeit der auftreffenden Longitunalwellen und v
R die materialspezifische Schallgeschwindigkeit der angeregten Rayleighwellen bezeichnet.
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Die Überlagerung von derart in der Oberfläche des zu entgratenden Gegenstandes angeregten Rayleighwellen mit den aus dem Stand der Technik bekannten longitudinalen Druckwellen und implosionsinduzierten Stoßwellen in der Ultraschallübertragungsflüssigkeit führt zu einer deutlich erhöhten Belastung der Oberfläche pro Zeiteinheit und ermöglicht dadurch erstmals auch das Ultraschallentgraten von hochfesten Werkstoffen.
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Die Schallgeschwindigkeit beträgt in Wasser bei 15°C circa 1.440 m/s. Die Geschwindigkeit von Rayleighwellen beträgt in einem hochfesten Werkstoff wie TiAl
6V
4 circa 2.900 m/s. Damit ergibt sich als materialspezifischer Auftreffwinkel, bei dem Rayleigh-Resonanz auftritt, für TiAl
6V
4 ein Winkel α(TiAl
6V
4) von 29,8°. Für andere Werkstoffe (z.B. Kupfer und Feinkornbaustahl) ergeben sich andere Werte:
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Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahrens zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes, wenn die definierte Ausrichtung der Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes derart erfolgt, dass die Sonotrode relativ zu dem zu entgratenden Gegenstand angeordnet wird, und/oder der zu entgratende Gegenstand relativ zur Sonotrode angeordnet wird.
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Dies ermöglicht eine große Flexibilität in Hinsicht auf die zu entgratenden Gegenstände und die Gestaltung und Anordnung der einzelnen bei dem Verfahren zu verwendenden Komponenten.
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Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die definierte Ausrichtung der Sonotrode mittels eines elektrischen Antriebs einer geeigneten Einrichtung eingestellt wird.
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Dies ermöglicht eine einfache Handhabung und gute Reproduzierbarkeit.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn der elektrische Antrieb für die Einstellung der Ausrichtung der Sonotrode elektronisch gesteuert oder geregelt wird, vorzugsweise mittels eines geeignet eingerichteten Computers.
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Dadurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung der Handhabung und Verbesserung der Reproduzierbarkeit.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich das erfindungsgemäße Verfahrens zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes, wenn als Winkel, unter dem die Längsachse der Sonotrode auf die Oberfläche des Gegenstandes ausgerichtet wird, ein Winkel eingestellt wird, bei dem Rayleighwellen in der Oberfläche des Gegenstandes maximal erzeugt werden. Dies ist der Fall, wenn Rayleigh-Resonanz auftritt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes kann weiter verbessert werden, indem die von der Sonotrode ausgestrahlte Ultraschallwelle fokussiert wird (beispielsweise durch eine konkave Ausgestaltung der Sonotrodenspitze oder durch akustische Linsen) und/oder die ausgestrahlte Ultraschallwelle verstärkt wird (durch geeignete konstruktive Gestaltung der Sonotrode, insbesondere des Längen-Breiten-verhältnisses) und oder die Anregung der Rayleighwellen verstärkt wird (z.B. durch eine Verbreiterung der Sonotrodenspitze).
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Darüber hinaus kann eine weitere Verbesserung erzielt werden, wenn zusätzlich die Kavitation gefördert wird, z.B. indem geeignete Kavitationskeime dem Ultraschallübertragungsmedium beigefügt werden.
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Als besonders geeignet hat sich dabei erwiesen, wenn eine Suspension aus einer Flüssigkeit und darin schwebenden Feststoffpartikeln als Ultraschallübertragungsmedium verwendet wird, wobei die Suspension Feststoffpartikeln mit Durchmessern zwischen 500 nm und 10 µm enthält und die Beladungsdichte der Suspension zwischen 1.000 und 100.000 solcher Feststoffpartikeln pro Milliliter Flüssigkeit beträgt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung von Feststoffpartikeln, die zu weniger als 100 mg Feststoff pro Liter Flüssigkeit in der Flüssigkeit löslich sind. Besonders geeignete Feststoffpartikeln sind solche aus einem Erdalkalimetall-Karbonat (insbesondere Kalziumkarbonat (CaCO3) oder Magnesiumkarbonat (MgCO3) aber auch Strontiumkarbonat (SrCO3) oder Bariumcarbonat (BaCO3)) oder auch aus Kalkseifen.
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Solche Suspensionen ermöglichen bei einer Ultraschallbestrahlung eine geeignete heterogene Bildung von Kavitationskeimen, welche das Auftreten von Kavitation und damit auch von implosionsinduzierten Stoßwellen erhöhen und im Zusammenwirken mit den anderen vorgenannten Faktoren die Belastung der zu entgratenden Oberfläche pro Zeiteinheit erhöhen und so die Entgratung zusätzlich fördern.
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Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes umfassend einen Ultraschallgenerator, eine Sonotrode, eine Einrichtung zur Aufnahme eines zu entgratenden Gegenstandes sowie eine Einrichtung zur definierten Einstellung des Abstandes zwischen der Sonotrodenspitze und der Oberfläche des Gegenstandes erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie zusätzlich umfasst eine Einrichtung zur definierten Ausrichtung der Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes, derart, dass die Längsachse der Sonotrode unter einem vorgebbaren Winkel auf die Oberfläche des Gegenstandes ausrichtbar ist. Dies führt im Betrieb der Vorrichtung dazu, dass eine von der Sonotrodenspitze ausgestrahlte Schallwelle unter einem vorgebbaren Winkel auf die Oberfläche des Gegenstandes auftrifft, bei dem im Betrieb der Vorrichtung Rayleighwellen in der Oberfläche des Gegenstandes erzeugt werden.
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Eine solche erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes ermöglicht durch die definierte Ausrichtung der Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes in einer Ultraschallbehandlungsvorrichtung ansonsten nach dem Stand der Technik eine wesentliche Verbesserung des Entgrateffektes, wodurch insbesondere bislang nicht entgratbare hochfeste Werkstoffe nun entgratet werden können.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes, wenn die Einrichtung zur definierten Ausrichtung der Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes derart ausgestaltet ist, dass die Sonotrode bewegbar relativ zu der Einrichtung zur Aufnahme des zu entgratenden Gegenstandes angeordnet ist, und/oder dass Einrichtung zur Aufnahme des zu entgratenden Gegenstandes bewegbar relativ zur Sonotrode angeordnet ist.
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Dies ermöglicht eine große Flexibilität in Hinsicht auf die zu entgratenden Gegenstände und die Gestaltung und Anordnung der einzelnen in der Vorrichtung enthaltenen Komponenten.
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Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur definierten Ausrichtung der Sonotrode einen elektrischen Antrieb für die Einstellung der Ausrichtung umfasst.
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Dies ermöglicht eine einfache Handhabung und gute Reproduzierbarkeit.
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Weiter vorteilhaft ist es, wenn der elektrische Antrieb für die Einstellung der Ausrichtung der Sonotrode elektronisch steuerbar oder regelbar ausgestaltet ist, vorzugsweise mittels eines geeignet eingerichteten Computers.
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Dadurch ergibt sich eine weitere Vereinfachung der Handhabung und Verbesserung der Reproduzierbarkeit.
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Als besonders vorteilhaft erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes, wenn die Längsachse der Sonotrode unter einem Winkel auf die Oberfläche des Gegenstandes ausrichtbar ist, bei dem im Betrieb der Vorrichtung Rayleighwellen in der Oberfläche des Gegenstandes maximal erzeugt werden. Dies ist der Fall, wenn Rayleigh-Resonanz auftritt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes kann weiter verbessert werden, wenn sie Mittel zur Fokussierung der von der Sonotrode ausgestrahlten Ultraschallwelle umfasst (beispielsweise durch eine konkave Ausgestaltung der Sonotrodenspitze oder durch akustische Linsen) und/oder Mittel zur Verstärkung der Ultraschallwelle (durch geeignete konstruktive Gestaltung der Sonotrode, insbesondere des Längen-Breiten-Verhältnisses) und Mittel zur Verstärkung der Anregung der Rayleighwellen (z.B. durch eine Verbreiterung der Sonotrodenspitze).
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Darüber hinaus kann eine weitere Verbesserung der Entgratung erzielt werden, wenn zusätzlich Mittel zur Förderung der Kavitation beigestellt werden, z.B. indem geeignete Kavitationskeime dem Ultraschallübertragungsmedium beigefügt werden.
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Als besonders geeignet hat sich dabei erwiesen, wenn eine Suspension aus einer Flüssigkeit und darin schwebenden Feststoffpartikeln als Ultraschallübertragungsmedium verwendet wird, wobei die Suspension Feststoffpartikeln mit Durchmessern zwischen 500 nm und 10 µm enthält und die Beladungsdichte der Suspension zwischen 1.000 und 100.000 solcher Feststoffpartikeln pro Milliliter Flüssigkeit beträgt. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung von Feststoffpartikeln, die zu weniger als 100 mg Feststoff pro Liter Flüssigkeit in der Flüssigkeit löslich sind. Besonders geeignete Feststoffpartikeln sind solche aus einem Erdalkalimetall-Karbonat (insbesondere Kalziumkarbonat (CaCO3) oder Magnesiumkarbonat (MgCO3) aber auch Strontiumkarbonat (SrCO3) oder Bariumcarbonat (BaCO3) ) oder auch aus Kalkseifen.
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Solche Suspensionen ermöglichen bei einer Ultraschallbestrahlung eine geeignete heterogene Bildung von Kavitationskeimen, welche das Auftreten von Kavitation und damit auch von implosionsinduzierten Stoßwellen erhöhen und im Zusammenwirken mit den anderen vorgenannten Faktoren die Belastung der zu entgratenden Oberfläche pro Zeiteinheit erhöhen und so die Entgratung zusätzlich fördern.
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Nachfolgend werden anhand eines Ausführungsbeispiels die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes näher erläutert:
- Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird Ultraschall über einen Ultraschallgenerator erzeugt und über eine in einem Ultraschallübertragungsmedium befindliche Sonotrode in einen zu entgratenden Gegenstand eingeleitet wird, wobei die Sonotrode in einem definierten Abstand zwischen der Sonotrodenspitze und der Oberfläche des Gegenstandes angeordnet wird und erfindungsgemäß wird die Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes derart definiert ausgerichtet wird, dass die Längsachse der Sonotrode unter einem vorgegeben Winkel auf die Oberfläche des Gegenstandes ausgerichtet wird.
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Die Ausrichtung der Sonotrode erfolgt, indem die Sonotrode relativ zu dem zu entgratenden Gegenstand bewegt wird und/oder der zu entgratenden Gegenstand relativ zur Sonotrode bewegt wird. Dabei erfolgen die jeweiligen Bewegungen mittels eines elektrischen Antriebs einer handelsüblichen Positioniereinrichtung. Dabei wird der elektrische Antrieb für die Einstellung der Ausrichtung der Sonotrode elektronisch mittels eines Computers gesteuert oder geregelt.
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Die Sonotrode wird derart auf die Oberfläche des Gegenstandes ausgerichtet, dass die von ihr ausgestrahlten Ultraschallwellen unter einem Neigungswinkel zur Oberfläche in die zu entgratende Oberfläche des Implantats eingebracht werden, bei dem Rayleighwellen maximaler Stärke in der Oberfläche des Gegenstandes erzeugt werden. Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird als Ultraschallübertragungsmedium Wasser und als Material des zu entgratenden Gegenstandes wird der hochfeste Werkstoff TiAl6V4 verwendet. Für diese Kombination ergibt sich Rayleigh-Resonanz bei einem Winkel von 30°.
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Der zu entgratende Gegenstand ist ein medizinisches Implantat aus dem hochfesten Werkstoff TiAl6V4. Dessen Oberfläche muss sehr sauber sein und darf keine Grate aufweisen damit keine Verunreinigungen und/oder Grate in den Körper eines Patienten gelangen und dort Irritationen auslösen können.
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Über das Ultraschallübertragungsmedium wird Ultraschall mit einer Frequenz von 20 kHz und einer effektiven Leistung der Sonotrode von 70 W und einem Sonotrodenabstand von 2,5 mm über eine Prozessdauer von 3 min und unter dem vorgegebenen Neigungswinkel zur Oberfläche von 30° in die zu entgratende Oberfläche des Implantats eingebracht.
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Dabei wir als Ultraschallübertragungsmedium eine Suspension aus Wasser und darin schwebenden Feststoffpartikeln verwendet, wobei die Suspension Feststoffpartikeln mit Durchmessern zwischen 500 nm und 10 µm enthält. Die Beladungsdichte der Suspension beträgt circa 30.000 solcher Feststoffpartikeln pro Milliliter der Flüssigkeit.
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Die Temperatur des Wassers beträgt 15° C und es weist einen pH-Wert von 7 auf. Die Feststoffpartikeln bestehen aus Kalziumkarbonat (CaCO3), welches bei dieser Temperatur und diesem pH-Wert eine Löslichkeit von 4 mg/L in Wasser aufweist.
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Die vorstehend beschriebene Vorrichtung und das Verfahren zum Entgraten von Gegenständen ermöglichen durch die definierte Ausrichtung der Sonotrode relativ zur Oberfläche des Gegenstandes unter einem vorgegeben Winkel, bei dem Rayleighwellen in der Oberfläche des Gegenstandes erzeugt werden, eine Förderung der Entgratungsleistung, welche nun auch die Entgratung hochfester Werkstoffe wie TiAl6V4 ermöglicht.
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Dadurch erweisen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Ultraschallentgraten eines Gegenstandes als besonders geeignet für die Entgratung von medizinischen Implantaten, insbesondere von Knochenschrauben, die eine große Zahl feinster Bohrungen und Gewinde aufweisen und höchste Anforderungen bezüglich der Freiheit von und Graten aufweisen.
