Noch sauberer mit Ultraschall

Wie gut ist mein Ultraschallbad? Wie viel Leistung ist nötig, ab wann nimmt das Reinigungsgut Schaden? Herstellern und Anwendern standen bisher keine objektiven Parameter zur Qualitätssicherung solcher Reinigungsbäder zur Verfügung, weil die zugrunde liegenden physikalischen Mechanismen schwer zu bestimmen sind. PTB-Wissenschaftler haben nun Testverfahren entwickelt, die in der Praxis leicht anwendbar sind. Mit ihnen können Reinigungs- und Reaktionswirkungen quantitativ abgeschätzt und die Betriebsparameter optimiert werden.

Ultraschallreinigungsbäder finden sich in nahezu allen Gewerbe- und Industriezweigen, da sie sehr vielseitig einsetzbar sind. Sie reinigen so unterschiedliche Dinge wie Motorenteile, Mikrochips, optische Gläser oder Chirurgenbesteck, dienen aber auch als Reaktionsbeschleuniger beispielsweise bei der Biodieselherstellung und werden zur Vorbehandlung von Klärschlämmen im Klärwerk eingesetzt. Sie reinigen selbst kompliziert geformte Werkstücke gründlich, ohne Bürsten und Pinsel. Die Reinigungswirkung basiert auf Kavitation – der kurzfristigen Bildung kleinster schwingender Gasbläschen, die beim Zusammenfallen lokal sehr hohe Drücke und Temperaturen erzeugen können. Die dabei entstehenden Kräfte und Mikroströmungen bewirken eine intensive und schonende Ablösung von Schmutzpartikeln. Doch Kavitationsvorgänge sind kompliziert und schwer vorhersagbar.

Wissenschaftler der PTB haben nun einheitliche und objektive Messverfahren ermittelt, die sich zur Charakterisierung von Ultraschallbädern eignen. Als erstes ist in der PTB ein Messplatz aufgebaut worden, an dem alle wesentlichen Umgebungsparameter wie z.B. Wassertemperatur und Gasgehalt kontrolliert und gesteuert werden können. In einem zweiten Schritt haben die Forscher Indikatoren entwickelt, mit denen Hersteller und Anwender die Eigenschaften eines Bades ermitteln und ihnen einen entsprechenden Zahlenwert zuordnen können. Auf diese Weise werden Angaben zur Reinigungsleistung verschiedener Bäder möglich, und der Kunde kann gezielter zu Wannen greifen, die seinem Bedarf entsprechen. Zu den Kavitationsindikatoren zählen die Erosion von Aluminiumfolie, die chemische Wirkung und die Sonolumineszenz, also die Entstehung ultrakurzer Lichtblitze in den implodierenden Bläschen. Für jeden Indikator gibt es ein entsprechendes von der PTB entwickeltes Messverfahren. Drittens wird mit den Ergebnissen der Indikatormessung ein eigens entwickeltes Berechnungsverfahren „gefüttert“, das mit Hilfe statistischer Methoden nach Zusammenhängen sucht und Größen identifiziert, die als ‚Stellschraube‘ genutzt werden können, um ein Ultraschallbad gezielt auf eine bestimmte Anwendung hin zu optimieren.

Schließlich gingen die PTB-Wissenschaftler noch der Frage nach, wie sich die Schallfelder im Bad verändern, wenn verschieden geformte Werkstücke darin platziert werden – wo entsteht noch Kavitation und wo nicht mehr? Alle diese von der PTB entwickelten Verfahren zur Charakterisierung von Ultraschall-Reinigungsbädern stehen nun der Industrie zur Verfügung.

Die Untersuchungen der PTB fanden im Rahmen eines Projektes der AiF-Forschungsvereinigung DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. statt und wurden über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert. if/ptb

Ansprechpartner
Dr. Christian Koch, PTB-Fachbereich 1.6 Schall, Tel.: (0531) 592-1600, E-Mail: christian.koch@ptb.de