DE4407866A1 - Ultraschallintensivverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallintensivverfahren, das zur Beschallung von unterschiedlichen Objekten (1) mit verschiedenen Geometrien im Nahfeld einer Sonotrode verwen­ det wird. Dabei versteht man unter Nahfeld der Sonotrode im Folgenden einen Abstand Sonotrode-Objekt bis zum 1-2fachen des Sonotrodendurchmessers, hier ca. 2-20 mm. Als Über­ tragungsmedium wird eine beliebige Flüssigkeit verwendet. Die Erfindung kann insbesondere zur intensiveren Reinigung sowie zum oberflächlichen Materialabtrag von Werkstücken Anwendung finden.

Bekannte Anlagen, wie z. B. Reinigungsbäder arbeiten der­ zeit mit Tauchschwingern, wobei bei größtmöglicher Ver­ meidung von Kavitation an den Sonotroden, maximale Schall­ leistungsdichten von etwa 3 W/cm² erreicht werden. Die Tauchschwinger können am Boden oder auch seitlich ange­ bracht sein. Eine neuere Ausführung entsprechend dem Stand der Technik sind Stabschwinger. Diese Schwinger arbeiten nach dem Prinzip der Druckschwingung und strahlen die Ultraschalleistung radial ab. Die dabei erreichten Schall­ leistungsdichten liegen ebenfalls im Bereich von ca. 3 W/cm². Auch wird dabei das zu beschallende Gut in einem Abstand von ca. 10-30 cm von der Sonotrode gehalten. Ein großer Teil der eingebrachten Leistung geht jedoch durch Absorption im Gesamtsystem verloren. Der zu erwartende Reinigungseffekt ist gering. Die o. g. Schalleistungsdichte und die damit verbundene Intensität läßt sich auch durch Veränderung des Abstandes zum zu beschallenden Objekt nicht wesentlich erhöhen (DE-OS 38 16 567, DE-OS 39 33 519, DE-OS 41 33 727, DE-PS 41 36 897, DE-OS 41 38 713).

Der Nachteil entsprechend dem bekannten Stand der Technik ist, daß die Schallintensität und dadurch der Reinigungs­ effekt auch bei Verringerung des Abstandes nicht wesentlich zunimmt und damit der Anwendungsbreite Grenzen gesetzt sind.

Diese Eigenschaften stehen einer Miniaturisierung von leistungsfähigen Ultraschallanlagen entgegen. Für viele An­ wendungsfälle, die eine wesentlich intensivere Stoffbear­ beitung, als sie bei üblichen Reinigungsbädern der Grund sind, verlangen, ist die erreichte Kavitationsintensität zu gering.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, durch den Einsatz eines Ultraschallintensivverfahrens diese Nach­ teile auszuschließen und damit die Voraussetzungen für hochintensive und voll in bestehende Produktionslinien in­ tegrierbare Beschallungsanlagen zu schaffen, die auch unter Wasser eingesetzt werden können.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnen­ den Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Überraschenderweise zeigte sich, daß beim Einsatz von Hoch­ leistungssonotroden, die Schalleistungsdichten von 20 W/cm² bis 500 W/cm² erzeugen, im Nahfeld eine besonders intensive Kavitation entsteht, die auf eine Wolke von implodierenden Bläschen zurückzuführen ist. Das Nahfeld der Sonotrode ist dabei zu definieren als ein Abstand Sonotrode-Objekt bis etwa zum 2fachen des Sonotrodendurchmessers.

Diese überproportionale Erhöhung der Wirkung läßt sich nicht durch die einfache Zunahme der Schallintensität am Objekt bei Verringerung des Abstandes Schallerzeuger (Sonotrode)-Objekt erklären. Es handelt sich hierbei also um einen neuen, überraschenden Effekt.

Die Intensität der Kavitation im Nahfeld, die den Bear­ beitungseffekt erzeugt, ist dabei ca. 50fach größer, als bei dem oben beschriebenen Stand der bekannten Technik. Diese überproportionale Wirkung im Nahfeld der Hoch­ leistungssonotrode im Vergleich zum Stand der Technik zeigt Fig. 5. Als Nahfeld ist dabei der Fig. 6 darge­ stellte Bereich anzusehen.

Der Beschallungs- und damit der Reinigungseffekt, wesent­ lich bestimmt durch die Kavitationsintensität am zu be­ schallenden Objekt, erhöht sich dabei im Nahfeld von Hoch­ leistungssonotroden um ca. das 50fache gegenüber herkömm­ lichen Systemen bei einer 5-6fachen Erhöhung des Energie­ verbrauches.

Daraus resultieren wesentliche Vorteile bei der Projek­ tierung von Beschallungsanlagen. Die Anlagen werden kosten­ günstiger durch geringe Größen, höhere Produktivität und geringeren Energie- und Chemikalieneinsatz.

Erfindungsgemäß ist nach Anspruch 2 durch Steuerung des Schallenergieeintrages an beliebigen Stellen des zu be­ schallenden Objektes mittels Variation des Abstandes, der Ultraschalleistung und der Verweildauer eine individuelle Bearbeitungstechnologie möglich.

Besonders gut geeignet ist die erfinderische Lösung für das intensive Reinigen und Entfetten der Oberflächen von Bändern, Platten, das Entfernen der Lötrückstände von elek­ tronischen Baugruppen, das Entfernen von Oxidschichten auf metallischen Oberflächen bis hin zum Entfernen von Lackmasken u. ä.

Ebenfalls läßt die erfinderische Lösung die intensive Bear­ beitung von Durchbrüchen in Bauteilen zu.

Es lassen sich aber auch im kontinuierlichen Durchlaufver­ fahren Kleinschüttgut wie Normteile, Nahrungsgüter oder an­ dere Massenwaren intensiv beschallen.

Beschleunigend wirkt sich das Verfahren auch auf bestimmte Prozesse für die Behandlung von Oberflächen z. B. beim An­ ätzen von Oberflächen aus.

Bei Schüttgut, Platten und Bändern ist es vorteilhaft, das zu behandelnde Gut an der Sonotrode vorbeizuführen. Eine solche Anordnung zeigt Fig. 3. Das Gut wird durch beweg­ liche Elemente in einer Richtung transportiert. Für große Werkstücke, wie z. B. Platten, Blöcke u. a. ist es vorteil­ haft, die Hochleistungssonotrode in die erforderlichen Po­ sitionen zu bewegen. Eine solche Anlage zeigt Fig. 4.

Die Fig. 1-6 zeigen folgendes im Einzelnen:

In Fig. 1 ist eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungs­ gemäßen Lösung der Beschallung eines Objektes 1 im Nahfeld 2, d. h. im direkten Kavitations- und Schalldruckfeld der Sonotrode 3 dargestellt.

In Fig. 2 ist eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungs­ gemäßen Lösung nach Anspruch 2 der Beschallung eines Objek­ tes 1 im Nahfeld 2 der Sonotrode 3 durch Integration der Sonotrode in ein Bewegungssystem 6. Das Objekt steht dabei fest.

In Fig. 3 ist eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungs­ gemäßen Lösung nach Anspruch 3 der Beschallung eines Objek­ tes 1 im Nahfeld 2 der Sonotrode 3 durch Integration des Objektes 1 in ein Bewegungssystem 6, wobei die Sonotrode 3 feststeht.

In Fig. 4 ist eine vorteilhafte Ausbildung der erfindungs­ gemäßen Lösung nach Anspruch 4 der Beschallung eines Objek­ tes 1 im Nahfeld 2 der Sonotrode 3 durch Integration der Sonotrode 3 in ein Bewegungssystem 6. Die Sonotrode wird, geschützt durch wasserdichte Gerätetechnik, unter Wasser durch ein Bewegungssystem über das zu beschallende Objekt geführt.

In Fig. 5 wird die überproportionale Erhöhung der Kavitationsintensität im Nahfeld der Hochleistungssonotrode im Vergleich zum Stand der Technik gezeigt.

In Fig. 6 wird der Nahfeldbereich von Hochleistungssono­ troden dargestellt.

Claims (5)

1. Das Ultraschallintensivverfahren, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschallende Gut durch das Nahfeld einer Hoch­ leistungssonotrode (3) geführt wird, welches dem Abstand Sonotrode-Objekt bis etwa zum 2fachen des Sonotrodendurch­ messers entspricht, in dem überraschenderweise eine über­ proportionale Steigerung der Wirkung des Kavitations- und Schalldruckfeldes entsteht.

2. Das Ultraschallintensivverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, die über einem beliebigen Punkt des zu beschallenden Objektes eingebrachte Schallenergie definiert steuerbar ist.

3. Das Ultraschallintensivverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, das die Sonotrode (3) in einem Gestellsystem (4) in­ tegriert wird und durch eine oder mehrere Bewegungsein­ heiten (5) exakt zum Objekt (1) positioniert wird, so daß der Abstand (a) der Sonotrode (3) innerhalb des Nahfeldes zum zu beschallenden Objekt (1) konstant gehalten wird.

4. Das Ultraschallintensivverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß, das Objekt (1) durch Bewegungseinheiten (5) in mindestens zwei oder mehreren Richtungen unter der Sonotrode (3), bei Einhaltung des Abstandes (a) innerhalb des Nahfeldes, exakt positioniert und kontinuierlich wei­ tergeführt wird, wobei die Sonotrode (3) dabei fest steht.

5. Das Ultraschallintensivverfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß, die Sonotrode (3) in definierten Abstand (a) inner­ halb des Nahfeldes unter Wasser über das zu beschallende Objekt (1) geführt wird und durch wasserdichte Geräte­ technik (6) geschützt ist.