EP3620238B1 - Ultraschallbehandlungsvorrichtung zum behandeln eines bauteils - Google Patents

Ultraschallbehandlungsvorrichtung zum behandeln eines bauteils

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EP3620238B1
EP3620238B1 EP19190500.9A EP19190500A EP3620238B1 EP 3620238 B1 EP3620238 B1 EP 3620238B1 EP 19190500 A EP19190500 A EP 19190500A EP 3620238 B1 EP3620238 B1 EP 3620238B1
Authority
EP
European Patent Office
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sensor element
liquid treatment
treatment medium
treatment device
ultrasonic treatment
Prior art date
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Active
Application number
EP19190500.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP3620238A1 (de
Inventor
Reinhard Sobotta
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elma Schmidbauer GmbH
Original Assignee
Elma Schmidbauer GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Elma Schmidbauer GmbH filed Critical Elma Schmidbauer GmbH
Publication of EP3620238A1 publication Critical patent/EP3620238A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3620238B1 publication Critical patent/EP3620238B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B08—CLEANING
    • B08B—CLEANING IN GENERAL; PREVENTION OF FOULING IN GENERAL
    • B08B3/00—Cleaning by methods involving the use or presence of liquid or steam
    • B08B3/04—Cleaning involving contact with liquid
    • B08B3/10—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration
    • B08B3/12—Cleaning involving contact with liquid with additional treatment of the liquid or of the object being cleaned, e.g. by heat, by electricity or by vibration by sonic or ultrasonic vibrations

Definitions

  • the invention relates to an ultrasonic treatment device for treating at least one component immersed in a liquid treatment medium by means of pressure wave-induced cavitation according to the preamble of claim 1, comprising at least one receiving trough containing a liquid treatment medium, which includes at least one inner surface bounding the liquid treatment medium and an outer surface arranged on the opposite side, and into which the at least one component can be immersed in the liquid treatment medium, with ultrasonic generating means arranged in operative connection to at least one sound-emitting surface, with electrical control means for supplying and/or controlling the ultrasonic generating means for generating pressure waves propagating in the liquid treatment medium in order to treat the at least one component immersed in the liquid treatment medium by means of pressure wave-induced cavitation, and with a sensor element for at least indirectly detecting the cavitations induced in the liquid treatment medium.
  • Ultrasonic treatment devices that enable the mechanical cleaning and/or surface treatment of a component immersed in a liquid treatment medium based on ultrasound-induced cavitation are well known.
  • the known treatment devices comprise a receiving trough containing a liquid bath of a liquid treatment medium, wherein the at least one component to be treated can be immersed manually or automatically by means of a handling device into the liquid bath.
  • ultrasound generating means are activated by electrical control means and The system is controlled in such a way that ultrasonic waves propagate through the liquid treatment medium.
  • the ultrasonic waves generated by the ultrasonic generator propagate through the liquid treatment medium as pressure waves, resulting in the frequency-dependent formation of overpressure and underpressure zones.
  • Ultrasonic waves with a frequency range between 20 kHz and 1 MHz are suitable for efficient treatment.
  • Cavitation can be transient or stable, with the transitions between the two being gradual.
  • Transient, or hard, cavitation occurs when the static pressure in the low-pressure areas falls below the vaporization pressure of the liquid treatment medium. This results in the formation of transient gas bubbles with a high erosive effect, which then implode abruptly in the subsequent rising pressure phase, potentially generating pressure surges of up to 1000 bar.
  • local flows known as jets, are also generated with such energy that even metallic components can be eroded.
  • the treatment process of the component can be further influenced by the composition of the liquid treatment medium.
  • other active ingredients such as a chemically active cleaning and/or treatment substance, can also be added.
  • cavitations depends on both the temperature and the gas content of the liquid treatment medium. Excessive cavitation can negatively affect the component being treated and/or the... In order for the intake tub to be used, a controlled procedure for the treatment process is necessary.
  • Prior art methods for determining the intensity of cavitation during a treatment process are generally known and based on a secondary effect. These methods, particularly in a preliminary test run, determine the mechanical damage by summing the effects over time on an aluminum foil clamped in a frame. However, this method is complex, especially due to the additional test run, allows only a rough characterization of the treatment process, and also leads to contamination of the liquid treatment medium. Furthermore, such summation measurement methods cannot be used to directly influence the treatment process.
  • the WO 2018/093 958 A1 This text describes a method for removing material residue from an object produced using a 3D printing process by means of ultrasound.
  • the vibration excitation of the component to be cleaned is monitored by sensors, and the emitted or coupled ultrasonic vibrations are adjusted in amplitude and frequency depending on the excitation, such that a resonant vibration of the component is achieved.
  • the DE 103 41 274 A1 relates to a method and a device for the design of an ultrasonic cleaning system, wherein it is provided that a measuring probe is positioned and/or can be positioned within a cleaning bath in the area of the respective measuring point via a positioning device.
  • the DE 10 2013 014 539 A1 shows a device for measuring cavitation in a liquid medium using two sound pressure sensors that detect collapsing cavitation bubbles to varying degrees depending on the distance to the sensors.
  • the US 4,442,852 A Disclosing a cleaning bath with a sound transducer on a bottom side of the cleaning bath, wherein recesses in the bottom side promote the propagation of ultrasonic waves within the cleaning bath.
  • the invention is based on the objective of providing a generic ultrasound treatment device with regard to the control and To improve controllability in order to optimize the treatment process of a component.
  • the invention is based on the idea of arranging a sensor element designed for at least indirect detection of cavitations in a liquid treatment medium in a fixed position relative to the receiving tray containing the liquid treatment medium and/or to ultrasound generating means and/or to at least one sound-emitting surface in operative communication with the ultrasound generating means, in order to at least indirectly detect the cavitation during a treatment process of a component to be treated (item to be treated) for surface treatment and/or cleaning.
  • the sensor element is designed as a hydrophone to detect the alternating pressure (pressure waves) of the sound waves propagating in the treatment bath at a fixed and/or constant position in the receiving tray.
  • a piezoelectric effect is used in the sensor element to convert the pressure waves of the sound field within the liquid treatment medium into an equivalent to convert electrical voltage, which can then be measured and evaluated.
  • the sensor element can also be designed as a fiber-optic hydrophone, whereby the refractive index of the fiber is pressure-dependent, which is why the pressure within the liquid treatment medium can be measured using the sensor element.
  • an embodiment is also advantageous in which the sensor element detects cavitation noise in the liquid treatment medium.
  • This method takes advantage of the fact that, after cavitation forms in the liquid treatment medium, i.e., immediately before the collapse (implosion) of the gas bubbles, an increased subharmonic develops, which can be measured. This effect also allows for the measurement of cavitation, although a detailed statement about the intensity of the cavitation is not possible.
  • the invention provides for an ultrasonic treatment device comprising a liquid treatment medium and a receiving trough with a stationary sensor element.
  • the sensor element is arranged in a fixed position in or on the receiving trough and/or is fixed relative to the ultrasonic generating means and/or the sound-emitting surface in order to detect, at least indirectly, the cavitations forming in the liquid treatment medium due to the generated ultrasonic waves.
  • This has the advantage that the cavitations forming in the liquid treatment medium can always be detected, at least indirectly, at the same position by the sensor element during the treatment process.
  • the measurement process can be carried out continuously during the treatment process. These tests are carried out in order to directly influence the cavitations produced.
  • the sensor element is formed as an integral part of the receiving tray by means of a hard and/or low-damping connection.
  • this connection is designed as an opening or recess provided in the receiving tray, wherein the sensor element is partially received by the receiving tray, i.e., only an end face of the sensor element comes into contact with the liquid treatment medium.
  • an embodiment in which the sensor element comprises a sound-receiving surface that is at least partially formed by the receiving basin is also advantageous in this context.
  • This enables a simple, robust, and reliable implementation of the stationary sensor element.
  • the recess and/or the opening reduces the mechanical stress on the sensor element due to induced cavitation and/or the chemical stress from the liquid treatment medium, since, according to the invention, only one end face of the sensor element comes into direct contact with the liquid treatment medium. This further prevents and/or at least delays damage or failure of the sensor element that would negatively affect the measurement result.
  • the sensor element is arranged on the outside of the receiving tray in a material-bonded manner, thereby enabling a damping-free coupling of the sensor element via at least a partial area of the receiving tray.
  • the material-bonded arrangement can be achieved by a bonded and/or vulcanized connection.
  • a connection type with the same effect is also advantageous if, in the cured material, A certain degree of hardness and/or strength is achieved to enable a damping-free or at least low-damping coupling of the sensor element to the receiving tray.
  • a key advantage in this context is that the sensor element does not come into contact with the liquid treatment medium, thus completely preventing damage to or negative influence of the sensor element by the liquid treatment medium or by cavitation generated within it.
  • a suitably designed sensor element allows for reliable and cost-effective implementation, as the influence of the liquid treatment medium and/or ultrasound-induced cavitation does not need to be considered when selecting materials. Furthermore, there is no risk of leakage in the receiving tray at a penetration point intended for the sensor element, particularly through a porous sealing element, which would result in a loss of the liquid treatment medium.
  • the sensor element is provided to include piezoelectric means, and it is more preferred that the piezoelectric means are designed to be oscillating for detecting the pressure waves propagating in the liquid treatment medium.
  • a piezoelectric effect can be used to convert the alternating pressure generated in the liquid treatment medium by the pressure waves into an equivalent alternating electrical voltage, which can then be measured and evaluated.
  • the sensor element includes an analog-to-digital converter (ADC) to sample the analog output signal, in particular an output voltage signal, generated by the sensor element and convert it into an analog signal. The digital measurement value is converted, enabling reliable transmission of the digital measurement value to a designated communication partner at the end.
  • ADC analog-to-digital converter
  • ADC analog-to-digital converter
  • the ultrasound generating means and the sensor element are formed by a single functional unit.
  • Such an integrated design is made possible by a clocked operation of the functional unit with two operating modes, wherein in a first operating mode ultrasound waves are generated and transmitted to the liquid treatment medium via a designated (sound-emitting) surface, and in a second operating mode ultrasound waves in the liquid treatment medium are detected by means of the same (sound-receiving) surface, which are then evaluated using suitable measurement techniques.
  • both operating modes can be activated alternately, and a corresponding time weighting between the two modes can be advantageously taken into account as needed.
  • This allows for cost advantages, particularly through a reduced number of individual components. Furthermore, this leads to reduced assembly effort.
  • the functional unit is materially bonded to the outside of the receiving tray. whereby the sound-emitting or sound-receiving surface is formed at least partially by the receiving tray.
  • the ultrasonic treatment device include at least two sensor elements in order to determine, at least indirectly, the sound-induced cavitations in the liquid treatment medium at two spaced-apart positions in the treatment bath. Suitable evaluation allows for higher measurement resolution, since the at least two sensor elements also enable area and/or volume measurements.
  • the sensor element or the two sensor elements are connected to evaluation means by means of data transmission means in order to evaluate the data determined by means of the sensor elements, to draw conclusions about the pressure waves forming in the liquid treatment medium or to determine the (ultrasound-)induced cavitations.
  • the ultrasonic treatment device includes control means that are operatively connected to the evaluation means via data transmission. Since the control means are designed to actuate and/or influence the electrical control means, the pressure waves or sound-induced cavitations forming in the liquid treatment medium can be directly influenced. In other words, this creates a closed control loop in which the (mechanical) treatment process carried out by means of the induced cavitations can be continuously monitored and directly influenced.
  • control variables such as the frequency of the ultrasound waves generated by the ultrasound generating means, their amplitude and/or frequency modulation, or also by means of the temperature of the liquid treatment medium, the chemical composition of the liquid treatment medium and/or by means of the gas content in the liquid treatment medium.
  • the control means are further developed such that, depending on the measured values acquired by the sensor elements and/or the measurement data determined therefrom and/or user interaction, at least one process can be triggered and/or influenced and/or terminated.
  • a process is understood in particular to mean the generation of cavitation with a specific intensity.
  • a process can also be realized by the insertion and/or removal of the component to be treated from the liquid treatment medium by an automated handling device (robot arm).
  • a treatment phase in which the frequency of the generated ultrasound waves is varied over a defined range can also be understood as a process.
  • control means are designed to control peripheral devices.
  • the peripheral devices are preferably a speed-controlled feed pump for conveying the liquid treatment medium, and more preferably a cooling and/or heating device for temperature-controlling the liquid treatment medium.
  • the peripheral devices can also be implemented as a handling device designed for immersing and removing at least one component from the treatment bath.
  • the peripheral devices can also be implemented as automatically operated cover devices for the receiving tank to close the receiving tank before the start of a treatment process.
  • the ultrasonic treatment device for recording and storing operating parameters comprises a logging unit with storage means, which is operatively connected to all sensor elements and/or to the ultrasonic generating means and/or to the peripheral means.
  • a comprehensive and customizable evaluation process of the treatment procedure in order to provide for further optimizations.
  • the storage means enable comprehensive documentation of a treatment procedure, which serves as proof of quality in industrial cleaning or allows for subsequent analysis of the treatment procedure, in particular to identify the cause of certain problems and/or effects.
  • a particularly preferred embodiment of the invention is one in which the sensor element comprises a housing element made of stainless steel and/or ceramic.
  • the housing element is advantageous not only because it allows for low-damping coupling due to its high material hardness, but also because it is robust against the potentially chemically active liquid treatment medium and/or against the mechanical stress caused by cavitation induced in the liquid treatment medium.
  • the housing element includes level sensors for measuring the fill level of the liquid treatment medium in the receiving tray and/or condition sensors for measuring the temperature and/or electrical conductivity of the liquid treatment medium. This advantageous design of the stationary sensor element allows for further optimization of the component treatment through the additional measurement data acquired.
  • the receiving tank of the ultrasonic treatment device has a covering material, and it is further preferred if the closed and/or open state of the covering material can be detected by means of a sensor unit. This prevents, firstly, the unintentional removal and/or addition of the component to be treated into the treatment bath. Furthermore, the covering material also provides a safety precaution, as it prevents the component from being removed from the liquid treatment medium without authorization before the completion of a full treatment process.
  • the stationary sensor element and/or the evaluation means for acquiring and processing calibration data comprise calibration means.
  • the calibration data are determined by a measurement carried out in the liquid treatment medium using a mobile hydrophone or a sensor element acting in the same way, wherein, In particular, wired communication means are used to enable the transmission of the recorded measured values to the calibration equipment.
  • wired communication means are used to enable the transmission of the recorded measured values to the calibration equipment.
  • the recorded measured values and/or the calibration data derived from them are manually transmitted by measurement personnel to the calibration equipment for the calibration of the stationary sensor element, in particular via designated input and/or connection means.
  • the Fig. 1 shows a perspective view of an ultrasonic treatment device 1 designed according to the invention for treating at least one component 3 immersed in a liquid treatment medium 2, which is not in the Fig. 1
  • the illustrated ultrasonic treatment device 1 comprises a receiving tray 4, which receives a treatment bath consisting of a liquid treatment medium 2.
  • the receiving tray 4 has an inner surface 5 that defines the liquid treatment medium 2 and an outer surface 6 located on the side facing away from the inner surface.
  • the ultrasonic treatment device 1 comprises two-part ultrasonic generating means 7, which are arranged in the bottom region of the receiving tray 4 and on a side surface of the receiving tray 4, which is why they are shown in the perspective view in the Fig.
  • the ultrasound generating means 7 are each in operative communication with a sound-radiating surface 8 and can be supplied and controlled by electrical control means 9 such that ultrasound waves propagate as pressure waves in the liquid treatment medium 2.
  • the pressure waves create areas in which the static pressure of the liquid treatment medium 2 is undershot, which leads to the formation of cavitation. This cavitation implodes under the influence of the rising pressure, thereby enabling the mechanical cleaning and/or surface treatment of the at least one component 3 immersed in the liquid treatment medium 2.
  • the ultrasound treatment device 1 includes a sensor element 10 for at least indirectly detecting the [something] in the The invention involves cavitation induced in a liquid treatment medium 2 by means of the two-part sound-generating means 7, wherein the sensor element 10, comprising a housing element 17 made of steel and/or ceramic, is arranged in a fixed position relative to the receiving trough 4 by means of a low-damping connection 11.
  • the ultrasound-generating means 7, and thus also the sensor element 10 are arranged in a fixed position relative to the two sound-emitting surfaces 8 and the receiving trough 4.
  • the sensor element 10 comprises calibration means 25, including storage means, for influencing the measured values acquired by the sensor element 10 based on calibration data stored in the storage means by measurement personnel, which enables an improvement in the measurement.
  • At least one component 3 to be treated is first immersed in the treatment bath until it is completely surrounded by the liquid treatment medium 2. This can be done manually or using a handling device not shown graphically.
  • the receiving tray 4 is closed by means of provided covering means 23, which prevents unauthorized removal of at least one component 3 during an active treatment process.
  • the electrical control means 9 are energized and thus activated in order to generate ultrasonic waves by means of the ultrasonic generating means 7, which can be coupled into the liquid treatment medium 2 via the sound-emitting surface 8.
  • the generated ultrasonic waves penetrate the liquid treatment medium 2 in the form of pressure waves, which causes the This results in the formation of areas with differing pressure conditions. In the areas of low pressure, gas bubbles, known as cavitation, can form. These bubbles implode under the force of rising pressure. This effect enables the mechanical treatment of at least one component 3, as it allows dirt particles and/or film residues to be removed from the surface of at least one component 3.
  • the sensor element 10 which according to the invention is fixed to the receiving trough 4, allows the pressure waves propagating in the liquid treatment medium 2 to be continuously detected, thereby enabling conclusions to be drawn about the number and intensity of the cavitations forming. This makes it possible to monitor the generated cavitations during the treatment process. Furthermore, this has the advantage that damage to the at least one component 3 due to excessive cavitation intensity can be prevented.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of another ultrasonic treatment device 1.
  • the receiving tray 4, containing the liquid treatment medium 2 defines the treatment bath with its inner surface 5.
  • the component 3 to be treated is completely immersed in the treatment bath, thus being fully enclosed by the liquid treatment medium 2.
  • the ultrasonic generating elements 7 are arranged on the underside of the receiving tray 4. These elements are operatively connected to a sound-emitting surface 8, and the ultrasonic waves generated by the ultrasonic generating elements 7 via the electrical control means 9 are coupled into the liquid treatment medium 2 through these generating elements.
  • the covering means 23 are used to completely or partially close the receiving trough 4.
  • the sensor element 10 is bonded to the outer surface 6 of the receiving trough 4 on one side surface.
  • the sensor element 10 comprises piezoelectric means 12, which are designed to detect the pressure waves propagating in the liquid treatment medium 2 and convert them into a correspondingly evaluable voltage signal.
  • the voltage signal can be read out at a designated tap 13 by means of data transmission means 14.
  • the sensor element 10 includes an analog-to-digital converter 15, thereby enabling digital data transmission via the means of data transmission 14.
  • the evaluation equipment 18 is assigned a logging unit 22, which includes storage medium 21 and thus enables the recorded measured values to be securely stored for documentation and evaluation purposes. Furthermore, it is also possible to store data recorded and determined using the evaluation equipment 18 in the logging unit 22 using storage medium 21 for verification purposes and/or to make this data available via a suitable interface.
  • FIG. 3 A schematic representation of another preferred ultrasound treatment device 1 is shown.
  • the one in the Fig. 3 The illustrated ultrasound treatment device 1 comprises a receiving tray 4 for receiving a treatment bath of the liquid treatment medium 2, into which at least one component 3 can be immersed.
  • the illustrated embodiment of the ultrasonic treatment device 1 comprises ultrasonic generating means 7, which are arranged in the bottom region of the receiving trough 4 and are operatively connected to a sound-radiating surface 8, which is connected to the receiving trough 4 via a bonded connection with low attenuation. Furthermore, each ultrasonic generating means 7 is assigned an electrical control means 9 such that the generated ultrasonic waves propagate in the liquid treatment medium 2 in the form of pressure waves.
  • the sensor element 10 and the ultrasonic generating means 7 are designed as a functional unit 16.
  • the ultrasonic treatment device 1 has two sensor elements 10, which leads to a significant improvement in the acquisition and evaluation of the measured values acquired by the sensor elements 10 for the determination of cavitation.
  • the two functional units 16 allow for a significant reduction in the number of component parts of the ultrasound treatment device 1 according to the invention. This is made possible by the fact that the functional unit 16 has two operating modes. In the first operating mode, the functional unit 16 operates in accordance with the ultrasound generating means 7, whereby ultrasound waves can be generated by the piezo-electronic means 12 arranged in the functional unit 16. These ultrasound waves can be coupled into the liquid treatment medium 2 and propagate there as pressure waves to cause the formation of cavitations for the treatment process to be carried out.
  • the sound-emitting surface 8 is not actively excited to generate ultrasound; instead, the sound-emitting surface 8 is repurposed as a sound-receiving surface in order to detect and measure the pressure waves propagating in the liquid treatment medium 2 using the piezoelectric means 12.
  • evaluation means 18 are provided, which are connected to the two functional units 16 via independently designed data transmission means 14.
  • the illustrated ultrasound treatment device 1 includes control means 19, which are in operative communication with the evaluation means 18, whereby it is possible to influence the electrical control means 9 by means of the control means 19 in such a way that the ultrasound waves generated by means of the ultrasound generating means 7 can be influenced.
  • the treatment process is monitored and optimized, whereby the generation of the ultrasound waves can be influenced in such a way as to enable an optimal treatment process.
  • the control means 19 are designed to start and/or monitor further processes, particularly depending on the measured values acquired by the sensor elements 10 and/or user interaction, thereby further improving the treatment process and also ensuring the best possible monitoring.
  • control means 19 are designed to control additional peripheral means 20, for example, a speed-controlled pump and/or a heating and/or cooling unit for the liquid treatment medium.
  • additional peripheral means 20 for example, a speed-controlled pump and/or a heating and/or cooling unit for the liquid treatment medium.
  • the covering means 23 are secured against unauthorized operation by a locking unit operable via the control means 19.
  • the covering means 23 include a sensor unit 24, which makes the open and/or closed state of the receiving tray 4 measurably detectable and monitorable. This enables comprehensive documentation of the treatment process using the logging means 22, which allow for the secure storage of the recorded measured values and the determined data in the storage means 19.
  • the ultrasound treatment device enables the optimization of a treatment process in a surprisingly simple manner, since it can not only be continuously monitored by means of stationary measuring technology, but also directly influenced and, in particular, optimized. Furthermore, this enables, in particular, seamless monitoring with corresponding documentation of the treatment process, which, through subsequent evaluation, leads to a significant improvement of the treatment process using the ultrasound treatment device designed according to the invention.

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  • Cleaning By Liquid Or Steam (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Ultraschallbehandlungsvorrichtung zum Behandeln von wenigstens einem in ein flüssiges Behandlungsmedium eingetauchten Bauteil mittels durch Druckwellen induzierter Kavitation nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, mit mindestens einer ein flüssiges Behandlungsmedium vorhaltender Aufnahmewanne, die wenigstens eine das flüssige Behandlungsmedium begrenzende Innenseite sowie eine auf der abgewandten Seite angeordnete Außenseite umfasst und in die das wenigstens eine Bauteil in das flüssige Behandlungsmedium eintauchbar ist, mit Ultraschallerzeugungsmitteln, die in Wirkverbindung zu wenigstens einer schallabstrahlenden Fläche angeordnet sind, mit elektrischen Ansteuermitteln zum Versorgen und/oder Ansteuern der Ultraschallerzeugungsmittel zum Erzeugen von sich in dem flüssigen Behandlungsmedium ausbreitenden Druckwellen, um das wenigstens eine in das flüssige Behandlungsmedium eingetauchte Bauteil mittels druckwelleninduzierter Kavitation zu behandeln und mit einem Sensorelement zum zumindest mittelbaren Erfassen der in dem flüssigen Behandlungsmedium induzierten Kavitationen.
  • Ultraschallbehandlungsvorrichtungen, die auf Basis von ultraschallinduzierter Kavitation eine mechanische Reinigung und/oder Oberflächenbehandlung eines in einem flüssigen Behandlungsmedium eingetauchten Bauteils ermöglichen, sind hinlänglich bekannt. Die bekannten Behandlungsvorrichtungen umfassen eine Aufnahmewanne, in der ein Flüssigkeitsbad aus einem flüssigen Behandlungsmedium vorgelegt ist, wobei das wenigstens eine zu behandelnde Bauteil händisch oder automatisiert mittels einer Handhabungsvorrichtung in das Flüssigkeitsbad eingetaucht werden kann. Nach dem vollständigen Eintauchen des wenigstens einen Bauteils in das flüssige Behandlungsmedium werden durch elektrische Ansteuermittel Ultraschallerzeugungsmittel aktiviert und derart angesteuert, dass sich in dem flüssigen Behandlungsmedium Ultraschallwellen ausbreiten. Die mittels der Ultraschallerzeugungsmittel generierten Ultraschallwellen breiten sich in dem flüssigen Behandlungsmedium als Druckwellen aus, was die frequenzabhängige Ausbildung von Überdruck- und Unterdruckbereichen zur Folge hat. Dies führt zur Ausbildung von als Kavitation bezeichneten Gasblasen und Hohlräumen im flüssigen Behandlungsmedium, die für die Reinigung und/oder zur Oberflächenbehandlung des Bauteils genutzt werden können. Für eine effiziente Behandlung eignen sich Ultraschallwellen mit einem Frequenzbereich zwischen 20 kHz bis 1 MHz.
  • Kavitationen können transient oder stabil sein, wobei hierbei die Übergänge fließend sind. Transiente oder auch harte Kavitation entsteht, wenn in den Unterdruckbereichen der statische Druck unter den Verdampfungsdruck des flüssigen Behandlungsmediums fällt, was die Entstehung der transienten Gasblasen mit hoher Erosionswirkung zur Folge hat, die in der folgenden ansteigenden Druckphase schlagartig implodieren, wobei Druckstöße in einer Größenordnung von bis zu 1000 bar entstehen können. Ferner entstehen auch als Jets bezeichnete lokale Strömungen von solcher Energie, dass selbst metallische Bauteile erodiert werden können.
  • Der Behandlungsvorgang des Bauteils kann durch die Zusammensetzung des flüssigen Behandlungsmediums zusätzlich beeinflusst werden. Neben Wasser als Basisflüssigkeit lassen sich auch weitere Wirkstoffe, wie etwa eine chemisch wirkende Reinigungs- und/oder Wirksubstanz, beimischen.
  • Zudem ist die Entstehung der Kavitationen sowohl von der Temperatur als auch von dem Gasgehalt des flüssigen Behandlungsmediums abhängig. Da es bei einer zu starken Ausbildung der Kavitationen zu einer negativen Beeinflussung des zu behandelnden Bauteils und/oder der Aufnahmewanne kommen kann, ist ein kontrollierter Ablauf des Behandlungsvorgangs erforderlich.
  • Aus dem Stand der Technik sind auf einem Sekundäreffekt basierende Nachweisverfahren zur Bestimmung der Intensität der Kavitation während eines Behandlungsvorgangs allgemein bekannt. Hierbei wird, insbesondere in einem vorgelagerten Testlauf, die mechanische Zerstörung durch eine zeitliche Summation einer in einem Rahmenelement eingespannten Aluminiumfolie ermittelt. Allerdings ist dieses Nachweisverfahren, insbesondere aufgrund des zusätzlichen Testlaufs, aufwändig, erlaubt lediglich eine grobe Charakterisierung des Behandlungsvorgangs und führt ferner zu einer Verunreinigung des flüssigen Behandlungsmediums. Zudem lassen sich solche Summationsmessverfahren nicht für eine unmittelbare Beeinflussung des Behandlungsvorgangs nutzen.
  • Alternativ ist es aus dem Stand der Technik auch bekannt, die sich in dem flüssigen Behandlungsmedium ausbreitenden Ultraschallwellen (Druckwellen) händisch durch eine akustische Messung mittels eines tragbaren Hydrophons oder gleichwirkenden Sensorelements zu erfassen, was die mittelbare Bestimmung der sich in dem flüssigen Behandlungsmedium ausbreitenden Druckwellen ermöglicht. Das tragbare Hydrophon wird während dem Behandlungsvorgang durch entsprechend geschultes Messpersonal in der Aufnahmewanne an unterschiedliche Positionen geführt, um die erzeugten Druckwellen im flüssigen Behandlungsmedium zu erfassen, was Rückschlüsse auf die Intensität der Kavitation ermöglicht. Nachteilig bei diesem händischen, den Primäreffekt erfassenden Messverfahren sind Messungenauigkeiten, die sich aus dem manuellen Positionieren des Hydrophons in dem Behandlungsbad resultieren. Ferner ist die Aufnahmewanne bei vielen aus dem Stand der Technik bekannten Ultraschallbehandlungsvorrichtungen nicht frei zugänglich, was ein solches Vorgehen erschwert bzw. vollständig ausschließt.
  • Die WO 2018/093 958 A1 lehrt ein Verfahren zur Entfernung von Materialresten von einem Gegenstand der in einem 3D-Druckverfahren erzeugt wurde mittels Ultraschalleinwirkung. Dabei wird die Schwingungsanregung des zu reinigenden Bauteils mittels Sensoren überwacht und in Abhängigkeit der Anregung die emittierten oder eingekoppelten Ultraschallschwingungen in Amplitude und Frequenz derart angepasst, dass eine resonante Schwingung des Bauteils erreicht wird.
  • Die DE 103 41 274 A1 betrifft eine betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Auslegung einer Ultraschall-Reinigungsanlage, wobei vorgesehen ist, dass eine Messsonde über eine Positioniervorrichtung innerhalb eines Reinigungsbades im Bereich des jeweiligen Messpunkts positioniert wird und/oder positioniert werden kann.
  • Die DE 10 2013 014 539 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Messung einer Kavitation in einem flüssigen Medium mittels zweier Schalldrucksensoren, die kollabierende Kavitationsblasen in Abhängigkeit eines Abstandes zu den Sensoren unterschiedlich stark detektieren.
  • Die US 4,442,852 A offenbart ein Reinigungsbad mit einem Schallwandler an einer Bodenseite des Reinigungsbads, wobei Aussparungen in der Bodenseite eine Ausbreitung von Ultraschallwellen innerhalb des Reinigungsbads begünstigt.
  • Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine gattungsbildende Ultraschallbehandlungsvorrichtung im Hinblick auf die Steuerung und Regelbarkeit zu verbessern, um den Behandlungsvorgang eines Bauteils zu optimieren.
  • Hinsichtlich der Ultraschallbehandlungsvorrichtung wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
  • Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, ein zum zumindest mittelbaren Erfassen von Kavitationen in einem flüssigen Behandlungsmedium ausgebildetes Sensorelement ortsfest zu der das flüssige Behandlungsmedium vorhaltenden Aufnahmewanne und/oder zu Ultraschallerzeugungsmitteln und/oder zu wenigstens einer mit den Ultraschallerzeugungsmitteln in Wirkverbindung stehenden schallabstrahlenden Fläche anzuordnen, um zumindest mittelbar die Kavitation während einem Behandlungsvorgang eines zu behandelnden Bauteils (Behandlungsgut) zur Oberflächenbearbeitung und/oder Reinigung zu erfassen.
  • Bei einer bevorzugten Ausbildung ist das Sensorelement als Hydrophon ausgebildet, um den sich in dem flüssigen Behandlungsmedium ausbildenden Wechseldruck (Druckwellen) der sich im Behandlungsbad ausbreitenden Schallwellen an einer festen und/oder konstanten Position in der Aufnahmewanne zu erfassen.
  • Weiterbildend wird in diesem Zusammenhang in dem Sensorelement ein piezo-elektrischer Effekt ausgenutzt, um die Druckwellen des Schallfeldes innerhalb des flüssigen Behandlungsmediums in eine äquivalente elektrische Spannung umzuwandeln, die anschließend messtechnisch auswertbar ist. Alternativ ist auch eine Ausbildung des Sensorelements als faseroptisches Hydrophon zweckmäßig, wobei der Brechungsindex der Faser druckabhängig ist, weshalb mittels des Sensorelements der Druck innerhalb des flüssigen Behandlungsmediums messtechnisch erfassbar wird.
  • Alternativ ist auch eine Ausführungsform zweckmäßig, in der durch das Sensorelement ein Kavitationsrauschen im flüssigen Behandlungsmedium erfasst wird. Hierbei wird sich vorteilhaft zu Nutze gemacht, dass sich nach dem Ausbilden von Kavitation in dem flüssigen Behandlungsmedium, also unmittelbar vor dem Kollaps (Implosion) der Gasblasen, eine erhöhte Subharmonische ausbildet, die messtechnisch erfassbar ist. Auch dieser Effekt ermöglicht die Bestimmung der Kavitation messtechnisch zu erfassen, wenn hierbei auch keine detaillierte Aussage über die Intensität der Kavitationen möglich ist.
  • Zusammenfassend ist es erfindungsgemäß vorgesehen, eine Aufnahmewanne mit einem flüssigen Behandlungsmedium umfassende Ultraschallbehandlungsvorrichtung mit einem ortsfesten Sensorelement auszustatten, wobei das Sensorelement in einer festen Position in oder an der Aufnahmewanne angeordnet ist und/oder ortsfest zu den Ultraschallerzeugungsmitteln und/oder der schallabstrahlenden Fläche angeordnet ist, um zumindest mittelbar die sich in dem flüssigen Behandlungsmedium durch die erzeugten Ultraschallwellen ausbildenden Kavitationen zu erfassen. Dies hat den Vorteil, dass die sich in dem flüssigen Behandlungsmedium ausbildenden Kavitationen während des Behandlungsvorgangs durch das Sensorelement stets an der gleichen Position zumindest mittelbar erfassen lassen. Ferner kann der Messvorgang kontinuierlich während des Behandlungsvorgangs durchgeführt werden, um insbesondere unmittelbar Einfluss auf die erzeugten Kavitationen zu nehmen.
  • Erfindungsgemäß ist das Sensorelement durch eine harte und/oder dämpfungsarme Verbindung als integraler Bestandteil der Aufnahmewanne ausgebildet. Hierbei ist die Verbindung erfindungsgemäß als in der Aufnahmewanne vorgesehener Durchbruch oder als Vertiefung ausgebildet, wobei das Sensorelement teilweise von der Aufnahmewanne aufgenommen wird, also lediglich eine Stirnfläche des Sensorelements in Kontakt zu dem flüssigen Behandlungsmedium kommt.
  • Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang auch eine Ausführungsform zweckmäßig, in der das Sensorelement eine Schallaufnahmefläche umfasst, die wenigstens bereichsweise durch die Aufnahmewanne ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine einfache, robuste und zuverlässige Realisierung des ortsfesten Sensorelements. Ferner wird durch die Vertiefung und/oder den Durchbruch die mechanische Belastung auf das Sensorelement durch induzierte Kavitation und/oder die chemische Belastung durch das flüssige Behandlungsmedium verringert, da erfindungsgemäß lediglich eine Stirnfläche des Sensorelements in direkten Kontakt mit dem flüssigen Behandlungsmedium tritt, was eine das Messergebnis negativ beeinflussende Beschädigung oder einen Ausfall des Sensorelements zusätzlich verhindert und/oder zumindest verzögert.
  • In einer nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform ist das Sensorelement an der Außenseite der Aufnahmewanne stoffschlüssig angeordnet, wodurch eine dämpfungsfreie Kopplung des Sensorelements mittels zumindest eines Teilbereichs der Aufnahmewanne ermöglicht wird. Das stoffschlüssige Anordnen kann durch eine geklebte und/oder vulkanisierte Verbindung realisiert sein. Alternativ ist auch eine gleichwirkende Verbindungsart zweckmäßig, falls im ausgehärteten Zustand eine gewisse Härte und/oder Festigkeit realisiert wird, um eine dämpfungsfreie oder zumindest dämpfungsarme Kopplung des Sensorelements mit der Aufnahmewanne zu ermöglichen. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang die Tatsache, dass das Sensorelement nicht mit dem flüssigen Behandlungsmedium in Kontakt kommt, weshalb auch eine Beschädigung und/oder negative Beeinflussung des Sensorelements durch das flüssige Behandlungsmedium oder durch die im flüssigen Behandlungsmedium erzeugte Kavitationen vollständig verhindert werden kann. Ein entsprechend ausgebildetes Sensorelement ermöglicht eine zuverlässige sowie kostengünstige Realisierung, da bei der Materialauswahl der Einfluss des flüssigen Behandlungsmediums und/oder der ultraschallinduzierten Kavitationen nicht berücksichtigt werden muss. Ferner besteht auch nicht die Gefahr einer Leckage in der Aufnahmewanne an einem für das Sensorelement vorgesehenen Durchbruch, insbesondere durch ein poröses Dichtungselement, was einen Verlust des flüssigen Behandlungsmediums zu Folge hätte.
  • Weiterbildend ist es vorgesehen, dass das Sensorelement piezo-elektronische Mittel umfasst, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn die piezoelektrischen Mittel zum Erfassen der sich in dem flüssigen Behandlungsmedium ausbreitenden Druckwellen schwingfähig ausgebildet sind. Hierbei kann sich ein piezo-elektrischer Effekt zu Nutze gemacht werden, um den sich im flüssigen Behandlungsmedium durch die erzeugten Druckwellen ausbildenden Wechseldruck in eine äquivalente elektrische Wechselspannung umzuwandeln, die dann geeignet messtechnisch erfassbar und auswertbar ist. Dies ermöglicht eine kostengünstige Umsetzung des Sensorelements bei gleichzeitig geringem Wartungsaufwand. In diesem Zusammenhang ist es weiter bevorzugt, wenn das Sensorelement einen Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler) umfasst, um das vom Sensorelement erzeugte analoge Ausgangssignal, insbesondere ein Ausgangsspannungssignal, abzutasten und in einen digitalen Messwert umzuwandeln, wodurch eine zuverlässige Übertragung des digitalen Messwertes zu einem endseitig vorgesehenen Kommunikationspartner ermöglicht wird. Weiterbildend ist hierbei eine Realisierung des AD-Wandlers aus einem standardisierten Bauteilgehäuse zweckmäßig, was die technische Realisierung zu geringen Anschaffungskosten ermöglicht, da etablierte und zudem auch erprobte Technik genutzt werden kann. Ferner sind Kommunikationsleitungen zum Übermitteln von digitalisierten Signalen wesentlich robuster gegenüber sich einkoppelnden Störgrößen (insbesondere elektromagnetischen Störfeldern), wodurch die Fehler- und Ausfallrate reduziert werden kann.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Ultraschallerzeugungsmittel sowie das Sensorelement durch eine einzige Funktionseinheit ausgebildet. Eine solche Integralbauweise wird durch einen zwei Betriebsmodi aufweisenden getakteten Betrieb der Funktionseinheit ermöglicht, wobei in einem ersten Betriebsmodus Ultraschallwellen erzeugt werden, die über eine vorgesehene (schallabstrahlende) Fläche an das flüssige Behandlungsmedium übertragen werden und in einem zweiten Betriebsmodus Ultraschallwellen in dem flüssigen Behandlungsmedium mittels der gleichen (schallaufnehmenden) Fläche erfasst werden, die dann geeignet messtechnisch ausgewertet werden.
  • Beim Betrieb der Ultraschallbehandlungsvorrichtung lassen sich beide Betriebsmodi alternierend aktivieren, wobei bedarfsabhängig auch eine entsprechende zeitliche Gewichtung zwischen beiden Betriebsmodi vorteilhaft berücksichtigt werden kann. Hierdurch lassen sich, insbesondere durch eine reduzierte Anzahl an Einzelbauteilen, Kostenvorteile realisieren. Ferner führt dies zu einem reduzierten Montageaufwand. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, wenn die Funktionseinheit stoffschlüssig an der Außenseite der Aufnahmewanne angeordnet ist, wodurch die schallabstrahlende bzw. schallaufnehmende Fläche zumindest bereichsweise durch die Aufnahmewanne ausgebildet ist.
  • Weiterbildend ist es vorgesehen, dass die Ultraschallbehandlungsvorrichtung wenigstens zwei Sensorelemente umfasst, um wenigstens mittelbar die in dem flüssigen Behandlungsmedium schallinduzierten Kavitationen an zwei voneinander beabstandeten Positionen im Behandlungsbad zu ermitteln. Durch eine geeignete Auswertung erlaubt dies eine höhere Messauflösung, da durch die wenigstens zwei Sensorelemente auch eine Flächenmessung und/oder auch eine Volumenmessung durchführbar ist.
  • Weiterbildend ist es vorgesehen, dass das Sensorelement oder dass die beiden Sensorelemente mittels Datenübertragungsmittel mit Auswertemitteln verbunden sind, um die mittels der Sensorelemente ermittelten Daten auszuwerten, Rückschlüsse auf die sich im flüssigen Behandlungsmedium ausbildenden Druckwellen zu gewinnen oder die (ultraschall-)induzierten Kavitationen zu bestimmen.
  • Weiterbildend ist es vorgesehen, dass die Ultraschallbehandlungsvorrichtung Steuermittel umfasst, die mit den Auswertemitteln datentechnisch in Wirkverbindung stehen. Da die Steuermittel zum Ansteuern und/oder Beeinflussen der elektrischen Ansteuermittel ausgebildet sind, können die sich in dem flüssigen Behandlungsmedium ausbildenden Druckwellen oder die in dem flüssigen Behandlungsmedium schallinduzierten Kavitationen unmittelbar beeinflusst werden. Mit anderen Worten wird hierdurch ein geschlossener Regelkreis realisiert, in dem der mittels der induzierten Kavitationen durchgeführte (mechanische) Behandlungsvorgang kontinuierlich überwacht und unmittelbar beeinflusst werden kann.
  • Hierbei ist es möglich den Behandlungsvorgang durch bestimmte Stellgrößen, wie etwa die Frequenz der mittels der Ultraschallerzeugungsmittel erzeugten Ultraschallwellen, deren Amplituden- und/oder Frequenzmodulation, oder auch mittels der Temperatur des flüssigen Behandlungsmediums, der chemischen Zusammensetzung des flüssigen Behandlungsmediums und/oder mittels des Gasgehalts im flüssigen Behandlungsmedium zu beeinflussen.
  • Weiterbildend sind die Steuermittel so ausgebildet, dass in Abhängigkeit der mittels der Sensorelemente erfassten Messwerte und/oder der daraus bestimmten Messdaten und/oder einer Benutzerinteraktion wenigstens ein Prozess auslösbar und/oder beeinflussbar und/oder beendbar ist. Im Rahmen der Erfindung wird unter einem Prozess insbesondere das Erzeugen der Kavitation mit einer bestimmten Intensität verstanden. Alternativ kann ein Prozess auch durch das Einführen und/oder Entfernen des zu behandelnden Bauteils aus dem flüssigen Behandlungsmedium durch eine automatisierte Handhabungsvorrichtung (Roboterarm) verwirklicht sein. Ferner kann als Prozess auch eine Behandlungsphase verstanden werden, in der die Frequenz der erzeugten Ultraschallwellen über einen festgelegten Bereich variiert wird.
  • In einer Weiterbildung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuermittel zum Ansteuern von Peripheriemitteln ausgebildet sind. Die Peripheriemittel sind bevorzugt durch eine drehzahlregelbare Förderpumpe zur Förderung des flüssigen Behandlungsmediums ausgebildet, weiter bevorzugt durch ein Kühl- und/oder Heizgerät zum Temperieren des flüssigen Behandlungsmediums ausgebildet. Ferner können die Peripheriemittel auch durch eine Handhabungsvorrichtung realisiert sein, die zum Eintauchen und zur Entnahme des wenigstens einen Bauteils aus dem Behandlungsbad ausgebildet ist. Weiterbildend können die Peripheriemittel auch durch automatisiert bedienbare Abdeckmittel der Aufnahmewanne realisiert sein, um vor dem Start eines Behandlungsvorgangs die Aufnahmewanne zu verschließen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Ultraschallbehandlungsvorrichtung zum Erfassen und Abspeichern von Betriebsparametern eine Speichermittel aufweisende Protokollierungseinheit, die datentechnisch mit sämtlichen Sensorelementen und/oder mit den Ultraschallerzeugungsmitteln und/oder mit den Peripheriemitteln in Wirkverbindung steht. Dies ermöglicht einen umfangreichen und beliebig gestaltbaren Auswertprozess des Behandlungsvorgangs, um zusätzliche Optimierungen vorzusehen. Ferner ermöglichen die Speichermittel eine umfangreiche Dokumentation eines Behandlungsvorgangs, was bei der industriellen Reinigung als Qualitätsnachweis dient oder eine nachträgliche Analyse des Behandlungsvorgangs ermöglicht, insbesondere um die Ursache von bestimmten Problemen und/oder Effekten zu identifizieren.
  • Besonders bevorzugt ist auch eine Ausgestaltung der Erfindung, bei der das Sensorelement ein Gehäuseelement aus Edelstahl und/oder Keramik umfasst. Eine solche Materielauswahl bietet den Vorteil, dass nicht nur eine dämpfungsarme Kopplung aufgrund der hohen Materialhärte des Gehäuseelements realisierbar ist, sondern auch dass das Gehäuseelement robust gegenüber dem gegebenenfalls chemisch wirkenden flüssigen Behandlungsmedium und/oder gegenüber einer mechanischen Belastung der in dem flüssigen Behandlungsmedium induzierten Kavitationen ist. Ferner ist es zweckmäßig, wenn das Gehäuseelement zum Messen des Füllstandes des flüssigen Behandlungsmedium in der Aufnahmewanne Füllstanderfassungsmittel und/oder zum Messen der Temperatur und/oder des elektrischen Leitwerts des flüssigen Behandlungsmediums Zustandserfassungsmittel umfasst. Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung des ortsfesten Sensorelements kann durch die zusätzlich erfassten Messwerte die Behandlung des Bauteils weiter optimiert werden.
  • Ganz besonders bevorzugt ist es zudem auch, wenn die Aufnahmewanne der Ultraschallbehandlungsvorrichtung Abdeckmittel aufweist, wobei es weiter bevorzugt ist, wenn mittels einer Sensoreinheit der geschlossene und/oder der geöffnete Zustand der Abdeckmittel erfassbar ist. Dies verhindert zum einen eine ungewollte Entnahme und/oder Zugabe des zu behandelnden Bauteils in das Behandlungsbad. Ferner stellen die Abdeckmittel auch eine Schutzvorkehrung dar, da verhindert wird, dass das Bauteil vor dem Abschluss eines vollständigen Behandlungsvorgangs unberechtigt aus dem flüssigen Behandlungsmedium entfernt wird.
  • Weiterbildend ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das ortsfest angeordnete Sensorelement und/oder die Auswertemittel zum Erfassen und Verarbeiten von Kalibrierungsdaten Kalibrierungsmittel umfassen. In diesem Zusammenhang ist es weiterbildend vorgesehen, dass die Kalibrierungsdaten durch eine in dem flüssigen Behandlungsmedium durchgeführte Messung mittels eines mobilen Hydrophons od. gleichwirkenden Sensorelement ermittelt werden, wobei durch, insbesondere kabelgebundene, Kommunikationsmittel die Übertragung der erfassten Messwerte an die Kalibrierungsmittel ermöglicht wird. Alternativ ist es auch zweckmäßig, wenn die erfassten Messwerte und/oder die daraus abgeleiteten Kalibrierungsdaten für die Kalibrierung des ortsfesten Sensorelements manuell von Messpersonal, insbesondere durch vorgesehene Eingabe- und/oder Anschlussmittel an die Kalibrierungsmittel übermittelt werden.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
  • Die zeigen in:
    • Fig. 1
    eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Ultraschallbehandlungsvorrichtung in perspektivischer Ansicht,
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ultraschallbehandlungsvorrichtung aufweisend Ultraschallerzeugungsmittel sowie ein eigens ausgebildetes und ortsfest zur Aufnahmewanne angeordnetes Sensorelement zum mittelbaren Erfassen der schallinduzierten Kavitationen und in
    Fig. 3
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Weiterbildung der Ultraschallbehandlungsvorrichtung, wobei das Sensorelement sowie die Ultraschallerzeugungsmittel als integrale Funktionseinheit in einem monolithischen Bauteilkörper realisiert sind.
  • Gleiche Elemente sowie Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 zum Behandeln von wenigstens einem in ein flüssiges Behandlungsmedium 2 eingetauchten Bauteil 3, das nicht in der Fig. 1 abgebildet ist. Die dargestellte Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 umfasst eine Aufnahmewanne 4, die ein Behandlungsbad aus einem flüssigen Behandlungsmedium 2 aufnimmt. Die Aufnahmewanne 4 weist eine das flüssige Behandlungsmedium 2 begrenzende Innenseite 5 sowie eine auf der zur Innenseite abgewandten Seite angeordnete Außenseite 6 auf. Ferner umfasst die Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 zweiteilig ausgebildete Ultraschallerzeugungsmittel 7, die im Bodenbereich der Aufnahmewanne 4 sowie an einer Seitenfläche der Aufnahmewanne 4 angeordnet sind, weshalb sie in der perspektivischen Ansicht in der Fig. 1 von den Verkleidungselementen verdeckt werden und daher lediglich schematisch mittels gestrichelten Linien in der Fig. 1 dargestellt sind. Die Ultraschallerzeugungsmittel 7 stehen jeweils mit einer schallabstrahlenden Fläche 8 in Wirkverbindung und können mittels elektrischen Ansteuermitteln 9 derart versorgt und angesteuert werden, dass sich in dem flüssigen Behandlungsmedium 2 Ultraschallwellen als Druckwellen ausbreiten. Durch die Druckwellen entstehen Bereiche in denen der statische Druck des flüssigen Behandlungsmediums 2 unterschritten wird, weshalb es zur Ausbildung der Kavitation kommt, die unter Einwirkung des wieder ansteigenden Drucks implodieren, wodurch das mechanische Reinigen und/oder Oberflächenbehandeln des wenigstens einen in das flüssige Behandlungsmedium 2 eingetauchten Bauteils 3 ermöglicht wird.
  • Zudem umfasst die Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 ein Sensorelement 10 zum zumindest mittelbaren Erfassen der in dem flüssigen Behandlungsmedium 2 mittels der zweiteiligen Schallerzeugungsmittel 7 induzierten Kavitationen, wobei erfindungsgemäß das ein Gehäuseelement 17 aus Stahl und/oder Keramik umfassende Sensorelement 10 ortsfest zur Aufnahmewanne 4 mittels einer dämpfungsarmen Verbindung 11 angeordnet ist. In der dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Ultraschallerzeugungsmittel 7 und somit auch das Sensorelement 10 auch ortsfest zu den beiden schallabstrahlenden Fläche 8 und der Aufnahmewanne 4 angeordnet. Ferner umfasst das Sensorelement 10 Speichermittel umfassende Kalibrierungsmittel 25 zum Beeinflussen der mittels des Sensorelements 10 erfassten Messwerte anhand von in den Speichermitteln von Messpersonal hinterlegten Kalibrierungsdaten, was eine Verbesserung der Messung ermöglicht.
  • Im Betrieb wird zunächst wenigstens ein zu behandelndes Bauteil 3 in das Behandlungsbad eingetaucht, bis es vollständig von dem flüssigen Behandlungsmedium 2 umschlossen wird. Dies kann manuell (händisch) oder mittels eines nicht grafisch dargestellten Handhabevorrichtung erfolgen.
  • Nach dem vollständigen Eintauchen des wenigstens einen Bauteils 3 wird die Aufnahmewanne 4 durch vorgesehene Abdeckmittel 23 verschlossen, wodurch eine unberechtigte Entnahme des wenigstens einen Bauteils 3 während eines aktiven Behandlungsvorgangs verhindert werden kann.
  • Zum Starten des Behandlungsvorgangs werden die elektrischen Ansteuermittel 9 bestromt und somit aktiviert, um mittels der Ultraschallerzeugungsmittel 7 Ultraschallwellen zu erzeugen, die über die schallabstrahlende Fläche 8 in das flüssige Behandlungsmedium 2 einkoppelbar sind. Die erzeugten Ultraschallwellen durchdringen das flüssige Behandlungsmedium 2 in Form von Druckwellen, was die Entstehung von Bereichen mit unterschiedlichen Druckverhältnissen zur Folge hat. In den Bereichen mit einem tiefen Druck kann es somit zur Ausbildung von als Kavitation bezeichneten Gasblasen kommen, die in Folge des wieder ansteigenden Drucks unter der Entstehung von großen Kräften implodieren. Durch diesen Effekt wird das mechanische Behandeln des wenigstens einen Bauteils 3 ermöglicht, da sich hierdurch von der Oberfläche des wenigstens einen Bauteils 3 Schmutzpartikel und/oder Filmreste lösen lassen.
  • Durch das erfindungsgemäß ortsfest zur Aufnahmewanne 4 vorgesehene Sensorelement 10 können die sich im flüssigen Behandlungsmedium 2 ausbreitenden Druckwellen kontinuierlich erfasst werden, wodurch sich Rückschlüsse auf die sich ausbildenden Kavitationen in Bezug auf die Anzahl sowie die Intensität ziehen lassen. Dies ermöglicht es, während dem Behandlungsvorgang die erzeugten Kavitationen zu überwachen. Ferner hat dies den Vorteil, dass die Beschädigung des wenigstens einen Bauteils 3 aufgrund von einer zu starken Intensität der Kavitationen verhindert werden kann.
  • In der Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 dargestellt. Die das flüssige Behandlungsmedium 2 beinhaltende Aufnahmewanne 4 begrenzt mit ihrer Innenseite 5 das Behandlungsbad. In das Behandlungsbad wird das zu behandelnde Bauteil 3 vollständig eingetaucht, wodurch es von dem flüssigen Behandlungsmedium 2 vollständig umschlossen wird. An der Unterseite der Aufnahmewanne 4 sind die Ultraschallerzeugungsmittel 7 angeordnet, die in Wirkverbindung zu einer schallabstrahlenden Fläche 8 angeordnet sind und durch die die mittels der elektrischen Ansteuermittel 9 mit den Ultraschallerzeugungsmitteln 7 erzeugten Ultraschallwellen in das flüssige Behandlungsmedium 2 eingekoppelt werden.
  • Ferner zeigt die Fig. 2 die Abdeckmittel 23 zum vollständigen oder teilweisen Verschließen der Aufnahmewanne 4. An einer Seitenfläche der Aufnahmewanne 4 ist an der Außenseite 6 der Aufnahmewanne 4 das Sensorelement 10 stoffschlüssig angeordnet. Das Sensorelement 10 umfasst piezo-elektronische Mittel 12, die dazu ausgebildet sind, die sich im flüssigen Behandlungsmedium 2 ausbreitenden Druckwellen zu erfassen und in ein entsprechend auswertbares Spannungssignal umzuwandeln. Das Spannungssignal kann an einem vorgesehnen Abgriff 13 durch Datenübertragungsmittel 14 ausgelesen werden. In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn das Sensorelement 10 einen AD-Wandler 15 umfasst, wodurch eine digitale Datenübertragung mittels der Datenübertragungsmittel 14 ermöglicht wird. Dies bietet den Vorteil, dass mittels des Sensorelements 10 erfasste Messwerte digitalisiert an die Auswertemittel 18 übertragbar sind, um dort die sich in dem flüssigen Behandlungsmedium 2 ausbildenden Druckwellen und somit auch die induzierten Kavitationen zu erfassen und/oder zu bestimmen. Den Auswertemitteln 18 ist eine Protokollierungseinheit 22 datentechnisch zugeordnet, die Speichermittel 21 umfasst und es somit ermöglicht, die erfassten Messwerte für Dokumentations- und Auswertezwecke sicher abzuspeichern. Ferner ist es auch möglich, Daten, die mittels der Auswertemittel 18 erfasst und bestimmt wurden, auch in der Protokollierungseinheit 22 mittels der Speichermittel 21 für Nachweiszwecke anzulegen und/oder diese über eine geeignete Schnittstelle zur Verfügung zu stellen.
  • In der Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 abgebildet. Die in der Fig. 3 dargestellte Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 umfasst eine Aufnahmewanne 4 zur Aufnahme eines Behandlungsbad aus dem flüssigen Behandlungsmedium 2, in das wenigstens ein Bauteil 3 eintauchbar ist.
  • Ferner weist die in der Fig. 3 gezeigte Ausführungsform der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 Ultraschallerzeugungsmittel 7 auf , die im Bodenbereich der Aufnahmewanne 4 angeordnet sind und die in Wirkverbindung zu einer schallabstrahlenden Fläche 8 stehen, die über eine stoffschlüssige Verbindung dämpfungsarm mit der Aufnahmewanne 4 verbunden sind. Ferner sind den Ultraschallerzeugungsmitteln 7 jeweils elektrische Ansteuermittel 9 so zugeordnet, dass sich in dem flüssigen Behandlungsmedium 2 die erzeugten Ultraschallwellen in Form von Druckwellen ausbreiten.
  • Zudem sind bei der in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 das Sensorelement 10 sowie die Ultraschallerzeugungsmittel 7 als Funktionseinheit 16 ausgebildet. Somit verfügt die Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 über zwei Sensorelemente 10, was zu einer wesentlichen Verbesserung bei der Erfassung und Auswertung der mittels der Sensorelemente 10 erfassten Messwerte zur Bestimmung der Kavitationen führt.
  • Durch die beiden Funktionseinheiten 16 kann die Anzahl der Bauteilkomponenten der erfindungsgemäßen Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 deutlich reduziert werden. Ermöglicht wird dies, da die Funktionseinheit 16 über zwei Betriebsmodi verfügt. In dem ersten Betriebsmodus arbeitet die Funktionseinheit 16 im Sinne der Ultraschallerzeugungsmittel 7, weshalb durch die in der Funktionseinheit 16 angeordneten piezo-elektronischen Mittel 12 Ultraschallwellen erzeugbar sind, die in das flüssige Behandlungsmedium 2 einkoppelbar sind und sich dort als Druckwellen ausbreiten, um die Entstehung der Kavitationen für den durchzuführenden Behandlungsvorgang zu bewirken.
  • In dem zweiten Betriebsmodus der Funktionseinheit 16 wird die schallabstrahlende Fläche 8 nicht aktiv zur Ultraschallerzeugung angeregt, sondern es wird vielmehr die schallabstrahlende Fläche 8 als schallaufnehmende Fläche umfunktioniert, um mittels den piezoelektrischen Mitteln 12 die sich im flüssigen Behandlungsmedium 2 ausbreitenden Druckwellen wieder zu erfassen und messtechnisch auszuwerten. Hierfür sind Auswertemittel 18 vorgesehen, die datentechnisch mit den beiden Funktionseinheiten 16 über jeweils eigenständig ausgebildete Datenübertragungsmittel 14 verbunden sind.
  • Ferner umfasst die in der Fig. 3 dargestellte Ultraschallbehandlungsvorrichtung 1 Steuermittel 19, die mit den Auswertemitteln 18 datentechnisch in Wirkverbindung stehen, wobei es möglich ist, mittels den Steuermitteln 19 die elektrischen Ansteuermittel 9 derart zu beeinflussen, dass die mittels den Ultraschallerzeugungsmitteln 7 erzeugten Ultraschallwellen beeinflusst werden können.
  • Dies ermöglicht es bei der, in der Fig. 3 dargestellten Ausführungsform den Behandlungsprozess zu überwachen und zu optimieren, wobei die Entstehung der Ultraschallwellen so beeinflusst werden kann, dass ein optimaler Behandlungsvorgang ermöglicht wird. Ferner sind die Steuermittel 19 dazu ausgebildet, insbesondere in Abhängigkeit der von den Sensorelementen 10 erfassten Messwerte und/oder einer Benutzerinteraktion weitere Prozesse zu starten und/oder zu überwachen, wodurch der Behandlungsvorgang weiter verbessert werden kann und ferner auch eine möglichst gute Überwachung gegeben ist.
  • Schließlich sind die Steuermittel 19 dazu ausgebildet, zusätzliche Peripheriemittel 20 anzusteuern, um beispielsweise eine drehzahlregelbare Pumpe und/oder eine Heiz- und/oder Kühleinheit für das flüssige Behandlungsmedium anzusteuern. Alternativ ist es auch möglich, dass die Abdeckmittel 23 durch eine mittels der Steuermittel 19 bedienbare Sicherungseinheit gegen eine unberechtigte Bedienung gesichert werden. Ferner ist es weiterbildend vorgesehen, dass die Abdeckmittel 23 eine Sensoreinheit 24 umfassen, die den geöffneten und/oder geschlossenen Zustand der Aufnahmewanne 4 messtechnisch erfassbar und überwachbar machen. Dies ermöglicht eine umfassende Dokumentation des Behandlungsvorgangs mittels der Protokollierungsmittel 22, die ein sicheres Abspeichern der erfassten Messwerte und der ermittelten Daten in den Speichermitteln 19 ermöglichen.
  • Zusammenfassend ermöglicht die erfindungsgemäße Ultraschallbehandlungsvorrichtung auf überraschend einfache Weise einen Behandlungsvorgang zu optimieren, da dieser durch ortsfest vorgesehene Messtechnik nicht nur kontinuierlich überwacht werden kann, sondern auch unmittelbar beeinflusst und insbesondere optimiert werden kann. Ferner ermöglicht dies insbesondere eine lückenlose Überwachung mit entsprechender Dokumentation des Behandlungsvorgangs, was durch entsprechend nachgelagerte Auswertearbeiten zu einer wesentlichen Verbesserung des Behandlungsvorgangs mittels der erfindungsgemäß ausgebildeten Ultraschallbehandlungsvorrichtung führt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Ultraschallbehandlungsvorrichtung
    2
    flüssiges Behandlungsmedium
    3
    Bauteil
    4
    Aufnahmewanne
    5
    Innenseite
    6
    Außenseite
    7
    Ultraschallerzeugungsmittel
    8
    schallabstrahlende Fläche
    9
    elektrische Ansteuermittel
    10
    Sensorelement
    11
    dämpfungsarme Verbindung
    12
    piezo-elektronische Mittel
    13
    Abgriff
    14
    Datenübertragungsmittel
    15
    AD-Wandler
    16
    Funktionseinheit
    17
    Gehäuseelement
    18
    Auswertemittel
    19
    Steuermittel
    20
    Peripheriemittel
    21
    Speichermittel
    22
    Protokollierungseinheit
    23
    Abdeckmittel
    24
    Sensoreinheit
    25
    Kalibrierungsmittel

Claims (10)

  1. Ultraschallbehandlungsvorrichtung (1) zum Behandeln von wenigstens einem in ein flüssiges Behandlungsmedium (2) eingetauchten Bauteil (3) mittels durch Druckwellen induzierter Kavitation, mit mindestens einer ein flüssiges Behandlungsmedium (2) vorhaltender Aufnahmewanne (4), die eine das flüssige Behandlungsmedium (2) begrenzende Innenseite (5) sowie eine auf der abgewandten Seite angeordnete Außenseite (6) umfasst und in die das wenigstens eine Bauteil (3) in das flüssige Behandlungsmedium (2) eintauchbar ist, mit Ultraschallerzeugungsmitteln (7), die in Wirkverbindung zu wenigstens einer schallabstrahlenden Fläche (8) stehen, mit elektrischen Ansteuermitteln (9) zum Versorgen und/oder Ansteuern der Ultraschallerzeugungsmittel (7) zum Erzeugen von sich in dem flüssigen Behandlungsmedium (2) ausbreitenden Druckwellen, um das wenigstens eine in das flüssige Behandlungsmedium (2) eingetauchte Bauteil (3) durch mittels der Druckwellen induzierter Kavitation zu behandeln, und mit einem Sensorelement (10) zum zumindest mittelbaren Erfassen der in dem flüssigen Behandlungsmedium (2) schallinduzierten Kavitationen, wobei das Sensorelement (10) ortsfest zu der Aufnahmewanne (4) und/oder den Ultraschallerzeugungsmitteln (7) und/oder der schallabstrahlenden Fläche (8) angeordnet ist und dadurch gekennzeichnet,
    dass das Sensorelement (10) durch eine harte und/oder dämpfungsarme Verbindung (11) als integraler Bestandteil der Aufnahmewanne (4) ausgebildet ist, wobei die Verbindung (11) als in der Aufnahmewanne (4) vorgesehener Durchbruch oder als Vertiefung ausgebildet ist, wobei das Sensorelement (10) teilweise von der Aufnahmewanne (4) aufgenommen wird, also lediglich eine Stirnfläche des Sensorelements (10) in Kontakt zu dem flüssigen Behandlungsmedium (2) kommt und wobei das Sensorelement (10) eine Schallaufnahmefläche umfasst, die wenigstens bereichsweise durch die Aufnahmewanne (4) ausgebildet ist.
  2. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Sensorelement (10) piezo-elektronische Mittel (12) umfasst, wobei die piezo-elektronischen Mittel (12) zum Erfassen der sich in dem flüssigen Behandlungsmedium (2) ausbreitenden Druckwellen bevorzugt schwingfähig ausgebildet sind.
  3. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Sensorelement (10) an einem vorgesehenen Abgriff (13) ein, insbesondere mittels Datenübertragungsmittel (14) datentechnisch auslesbares Sensorausgangssignal bereitstellt und/oder dass das Sensorelement (10) zur Digitalisierung eines analogen Messsignals einen AD-Wandler (15) umfasst.
  4. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ultraschallerzeugungsmittel (7) und das Sensorelement (10) als eine Funktionseinheit (16) ausgebildet sind.
  5. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ultraschallbehandlungsvorrichtung (1) wenigstens zwei Sensorelemente (10A) zum zumindest mittelbaren Erfassen der in dem flüssigen Behandlungsmedium (2) schallinduzierten Kavitationen umfasst, wobei die wenigstens zwei Sensorelemente (10A) bevorzugt an zwei zueinander beabstandeten Positionen angeordnet sind.
  6. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Steuermittel (19) zum Ansteuern von Peripheriemitteln (20) ausgebildet sind.
  7. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Ultraschallbehandlungsvorrichtung (1) zum Erfassen und Abspeichern von Daten eines Speichermittels (21) umfassende Protokollierungseinheit (22) umfasst.
  8. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Sensorelement (10) ein Gehäuseelement (17) aus Edelstahl und/oder Keramik umfasst, wobei in dem Gehäuseelement (17) neben dem Sensorelement (10) insbesondere auch Füllstanderfassungsmittel zur Erfassung des Füllstandes des flüssigen Behandlungsmediums in der Aufnahmewanne und/oder Zustandserfassungsmittel zum Erfassen von Parametern, insbesondere der Temperatur und/oder des elektrischen Leitwerts des flüssigen Behandlungsmediums angeordnet sind.
  9. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Aufnahmewanne (4) Abdeckmittel (23) zum vollständigen oder teilweisen Verschließen der Aufnahmewanne (4) umfasst, wobei mittels einer Sensoreinheit (24) der geschlossene Zustand datentechnisch erfassbar ist.
  10. Ultraschallbehandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Sensorelement (10) und/oder die Auswertemittel (18) Kalibrierungsmittel (25) umfassen, zum Erfassen und Verarbeiten von, insbesondere mittels einem tragbaren Hydrophon erfassten Kalibrierungsdaten des flüssigen Behandlungsmediums (2).
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