Industrieller Ultraschall kurz erklärt

Ultraschall dürfte wohl am bekanntesten aus der Diagnostik sein, wo Bilder von ungeborenen Kinder damit gemacht werden. In der Industrie wird Ultraschall in unzähligen Verfahren eingesetzt, z.B. zum Reinigen, Schweissen von Kunststoffen und Metallen, Schneiden, Umformen, Prüfen von Werkstoffen, Separieren, Mischen, Entgasen, Zerstäuben, Orten, Messen, und vielem mehr.

Unter Ultraschall versteht man Schall im für Menschen nicht hörbaren Bereich. Schall stellt die Ausbreitung von kleinsten Druck- und Dichteschwankungen in einem elastischen Medium (Gase, Flüssigkeiten, Festkörper) dar. Die Anzahl der Schwingungen innerhalb einer Sekunde wird als Frequenz bezeichnet und hat die Einheit Hertz (Hz). Der vom Menschen hörbare Frequenzbereich liegt zwischen 16 Hz und 20.000 Hz. Der Bereich über 20.000 Hz wird als Ultraschall bezeichnet.

Vorteile der Ultraschall-Technologie für die Industrie

+ umweltfreundlich – Elektrische Energie wird direkt über den piezoelektrischen Effekt in hochfrequente, mechanische Schwingungen umgewandelt. Diese Schwingungen wirken direkt im Zielbereich (Schweissnaht, Sieb, Reinigungsmedium, etc.).

+ energiesparend – Ultraschall bedingt keine Zusatzstoffe und Verbrauchsteile. Durch den fokussierten Energieeintrag im Zielbereich (Schweissnaht, Sieb, Reinigungsmedium, etc.) sind die Energieverluste minimal.

+ schnell – Durch den fokussierten Energieeintrag gleichzeitig über den ganzen Zielbereich läuft der Ultraschallprozess schnell ab. So werden in der Verbindungstechnik typische Prozesszeiten von Zehntelsekunden (Kunststoff) bis ca. 3 Sekunden (Metall) erreicht.

+ rationell Der Verschleiss der Ultraschall-Werkzeuge ist vergleichsweise gering. Dadurch halten sich Unterhalts- und Wartungsarbeiten gering. In vielen Bereichen werden die Ultraschall-Anlagen im Schichtbetrieb rund um die Uhr eingesetzt.

+ kostengünstig Durch den schnellen und rationellen Prozess und den geringen Energieaufwand sind Einsparungen vom ersten Moment an realisierbar.

Ultraschall Technische Grundlagen

Um den Ultraschall zu erzeugen wird der piezoelektrische Effekt von sogenannter PZT-Keramik genutzt. Durch Anlegen einer Spannung an der PZT-Keramik ändert sich ihre Länge. Wird nun eine (hochfrequente) Wechselspannung angelegt, so verlängert und verkürzt sich die PZT-Keramik abhängig von der aktuellen Spannung – die PZT-Keramik schwingt.

Die Schwingungen der PZT-Keramik werden über akustisch abgestimmte Komponenten in den Zielbereich übertragen, z.B. in die Schweissfläche, einen Siebrahmen oder in das Reinigungsmedium. Damit die Übertragung der Schwingungen effizient erfolgt, wird das ganze Schwingsystem akustisch so abgestimmt, dass seine Komponenten in Resonanz schwingen.

Das Schwingsystem besteht aus den folgenden Komponenten:

Der Konverter enthält die PZT-Keramik welche die elektrische Energie in eine mechanische Schwingungen umwandelt
Der Booster erhöht oder reduziert die Schwingweite des Konverters so, dass sie optimal zur Sonotrode passt. Es wird nicht für alle Anwendungen ein Booster benötigt.
Die Sonotrode ist das Werkzeug das die Schwingungen in den Zielbereich überträgt

Arten von Schwingsystemen

Longitudinale Schwingsysteme

Longitudinale Schwingsysteme werden in vielen Bereichen eingesetzt, so zum Beispiel zum Schweissen von Kunststoffen und Buntmetallen oder zum Reinigen.

Torsionale Schwingsysteme

Das torsionale Verfahren bietet den Vorteil, dass die Schwingungen nur wenig in den die Schweissnaht umgebenden Bereich eingeleitet werden. Dadurch werden einerseits empfindliche Bauteile und Oberflächen geschont, und anderseits im Schweissbereich höhere Energiedichten erzielt.

Transversale Schwingsysteme

Zur Anregung von Sieben werden transversale Schwingsysteme eingesetzt.

Abbildung 1: Sontrode für lineares Metallschweissen

Abbildung 2: Sonotrode für lineares Kunststoffschweissen

Abbbildung 3: Sonotrode PowerWheel

Abbildung 4: Siebresonator