Fragen Sie drei Anbieter, wie Ultraschallreinigung funktioniert, und Sie hören dreimal denselben Satz über Schallwellen und winzige Bläschen. Technisch richtig, in der Praxis wenig hilfreich. Denn damit ist nicht erklärt, warum die Anlage ein Bauteil einwandfrei reinigt und das nächste verschmutzt zurücklässt. Genau diese Frage zählt, sobald die Anlage im eigenen Betrieb steht.
Hier erfahren Sie, was dabei tatsächlich passiert – und welche vier Größen darüber entscheiden, ob das Verfahren bei Ihrem Bauteil funktioniert.
Die Kurzfassung für alle, die das Prinzip der Ultraschallreinigung vor den Einzelheiten verstehen möchten: Ein Generator treibt Schwinger an, die Schwinger versetzen die Wanne in Schwingung, dadurch entstehen mikroskopisch kleine Hohlräume in der Flüssigkeit, und diese implodieren an der Bauteiloberfläche. Die Implosionen leisten die Reinigungsarbeit. Im weiteren Verlauf geht es darum, unter welchen Bedingungen dieser Mechanismus Ihr Bauteil erreicht – und wann er dort nicht wirkt.
Der Ablauf im Einzelnen
Jedes Ultraschallreinigungsgerät führt dieselben vier Schritte aus:
- Ein Generator wandelt Netzstrom in ein hochfrequentes elektrisches Signal um – bei industriellen Anwendungen mit 20.000 bis 120.000 Schwingungen pro Sekunde.
- Schwinger, die an der Wannenwand verklebt oder auf einer Platte im Inneren montiert sind, wandeln dieses Signal in mechanische Schwingungen um. Die piezoelektrische Keramik dehnt sich mit der angelegten Spannung aus und zieht sich zusammen; so erfolgt die Umwandlung.
- Die Wannenwand schwingt und überträgt Druckwellen auf die Flüssigkeit: Verdichtung und Verdünnung wechseln sich mehrere Tausend Mal pro Sekunde ab.
- Kavitation entsteht während der Verdünnungsphase: Die Flüssigkeit wird schneller auseinandergezogen, als ihre Kohäsionskräfte sie zusammenhalten können. Dabei bilden sich mikroskopisch kleine Hohlräume, die bei der nächsten Verdichtung implodieren.
Diese Implosion bewirkt die Reinigung. Jede kollabierende Blase setzt einen winzigen, räumlich eng begrenzten Energieimpuls an der Oberfläche frei, die sie berührt. Pro Sekunde geschieht das millionenfach an allen Oberflächen, die von der Flüssigkeit erreicht werden.
Warum Ultraschall mehr erreicht als eine Bürste – und wo die Grenzen liegen
Zwei Eigenschaften machen Kavitation dort nutzbar, wo eine Bürste nicht weiterkommt.
Erstens wirkt sie überall dort, wo die Flüssigkeit hinkommt. Gewindegründe, Siebgewebe, Scharniere oder die Unterseite eines Grats stellen für eine Kavitationsblase kein grundsätzliches Hindernis dar. Genau darin liegt der Zweck dieser Technik: Sie reinigt Geometrien, die von Hand mechanisch nicht erreichbar sind.
Zweitens arbeitet sie ohne scheuernden Kontakt. Nichts reibt auf der Oberfläche, sodass Maße und Oberflächengüte erhalten bleiben – vorausgesetzt, Frequenz und Leistung passen zum Werkstoff.
Die Kehrseite ist ebenso entscheidend. Kavitation entsteht nur dort, wo Flüssigkeit vorhanden ist und Schallenergie ankommt. Deshalb kann dieselbe Anlage einen Drahtkorb voller Verbindungselemente einwandfrei reinigen und eine Sacklochbohrung dennoch unverändert verschmutzt lassen: Eingeschlossene Luft verhindert den Flüssigkeitskontakt und damit die Reinigung. Aus demselben Grund bleibt ein flach auf dem Wannenboden liegendes Bauteil genau an seiner Auflagefläche schmutzig.
Vier Einflussgrößen entscheiden über das Ergebnis
Der Mechanismus bleibt gleich. Die veränderbaren Prozessgrößen lassen sich diesen vier Bereichen zuordnen. Sie beeinflussen sich gegenseitig: Ändert sich eine Größe, müssen die anderen entsprechend angepasst werden.
Frequenz
Bei niedriger Frequenz entstehen weniger, dafür größere und energiereichere Blasen. Bei höherer Frequenz bilden sich deutlich mehr, wesentlich kleinere Blasen mit schonenderer Wirkung. So entfernt eine Frequenz von 28 kHz Bearbeitungsöl von Gussteilen, würde aber eine optische Beschichtung durch Grübchenbildung beschädigen. 80–120 kHz reinigen diese Beschichtung sicher, richten gegen starke Ölverschmutzungen jedoch nichts aus. Genau deshalb reicht unser Angebot von 20 kHz bei eintauchbaren Schwingstäben bis zu 950 kHz bei Megaschall-Systemen.
Reinigungschemie
Kavitation löst die Haftung zwischen Verschmutzung und Oberfläche. Die Reinigungslösung löst abgelöste Stoffe auf beziehungsweise hält sie in Schwebe, damit sie sich nicht auf dem nächsten Bauteil absetzen. In reinem Wasser entsteht durchaus Kavitation; seine Reinigungswirkung bleibt dennoch gering.
Temperatur
Wärmere Flüssigkeit senkt die Viskosität von Öl und aktiviert den Reiniger. Oberhalb einer bestimmten Temperatur – bei den meisten wässrigen Anwendungen etwa 70 °C – füllen sich die Blasen jedoch mit Dampf und kollabieren gedämpft statt heftig. Trotz steigender Badtemperatur nimmt die Reinigungswirkung dann ab. Die meisten industriellen Anwendungen arbeiten bei 50–65 °C.
Zeit
Zu Beginn schreitet die Reinigung schnell voran, danach flacht die Wirkung ab. Reichen fünf Minuten nicht aus, werden es zwanzig meistens auch nicht tun. Das ist ein Hinweis, Frequenz, Reinigungschemie oder Werkstückaufnahme anzupassen, statt einfach die Laufzeit zu verlängern.
Entgasung: Warum viele Vorführungen enttäuschen
Frisch angesetzte Flüssigkeit enthält gelöste Luft. Diese Gasanteile dämpfen die Kavitation: Die Blasen kollabieren gegen ein Gaspolster, statt ungehindert zu implodieren. Eine frisch befüllte Wanne kann deshalb in den ersten Minuten nur einen Bruchteil ihrer tatsächlichen Reinigungsleistung erreichen.
Jede von uns ausgelieferte Maschine verfügt über eine Entgasungsfunktion. Der Grund dafür: Fehlende Entgasung ist die mit Abstand häufigste Ursache, wenn neue Betreiber melden, die Reinigung sei „nicht so gut wie bei der Vorführung“. Lassen Sie die Entgasung nach dem Befüllen und nach jeder größeren Nachfüllmenge 10–20 Minuten laufen.
Chargenwannen, Tauchschwinger und Durchlaufanlagen
Das Wirkprinzip ist bei allen Bauformen identisch; unterschiedlich ist die Art der Energieeinleitung. Bei einem Tischgerät oder einer Chargenwanne sind die Schwinger am Boden und an den Seitenwänden verklebt. Das eignet sich für wechselnde Reinigungsaufgaben und kleine Stückzahlen. Tauchschwingerplatten und Schwingstäbe werden in einen vorhandenen Behälter eingesetzt – sinnvoll, wenn die Wanne bereits vorhanden oder für einen nachträglichen Schwingeranbau zu groß ist oder eine Prozessflüssigkeit enthält, die nicht umgefüllt werden kann. Inline- und Durchlaufanlagen transportieren das Bauteil auf einem Förderband durch festgelegte Prozessstufen. Sie sind gefragt, wenn den ganzen Tag dasselbe Bauteil durchläuft und die Taktzeit den Durchsatz begrenzt.
Häufig wird gefragt, welche Bauform am besten reinigt. Keine grundsätzlich besser als die andere: Alle erzeugen Kavitation nach demselben Prinzip. Entscheidend für die Auswahl sind Durchsatz, Wannengröße und ein möglicher Wechsel des Teilespektrums – nicht die Reinigungsstärke.
Warum identische Maschinen unterschiedliche Ergebnisse liefern
Zwei Kunden, dasselbe Modell, dieselbe Reinigungschemie – und völlig unterschiedliche Ergebnisse. Weshalb arbeitet dieselbe Ultraschallreinigungsanlage in zwei Betrieben so unterschiedlich? Fast immer liegt es an einem dieser Punkte:
- Beladung. Berühren sich Bauteile, liegen sie übereinander oder direkt auf dem Wannenboden, bleiben die Kontaktstellen ungereinigt. Überladene Körbe absorbieren zudem Schallenergie, bevor diese die Mitte der Beladung erreicht.
- Ausrichtung. Nach unten gerichtete Sacklochbohrungen halten Luft dauerhaft eingeschlossen. Drehen Sie das Bauteil um, funktioniert derselbe Reinigungszyklus.
- Badzustand. Ein mit Schmutz belastetes Bad führt zu erneuten Ablagerungen. Die Ergebnisse verschlechtern sich schleichend, sodass niemand den Zeitpunkt bemerkt, an dem die Reinigung nicht mehr ausreicht.
- Füllstand. Unterhalb der Füllstandsmarkierung verändert sich das Muster der stehenden Wellen. Die Reinigungswirkung ist dann über die Wanne hinweg ungleichmäßig.
Keiner dieser Punkte ist ein Maschinendefekt, und alle vier lassen sich ohne zusätzliche Kosten beheben.
Reinigt mehr Leistung immer besser?
Nein – und genau hier wird unnötig Geld ausgegeben. Ist die für eine stabile Kavitation erforderliche Leistung erreicht, erhöht zusätzliche Leistung vor allem das Risiko von Oberflächenerosion an weichen Metallen und dünnwandigen Bereichen. Aluminium ist der Werkstoff, der nach einer Reinigung mit überhöhter Leistung am häufigsten schlechter aussieht als vorher.
Die Leistung muss zu Wannenvolumen und Beladung passen: Eine große Wanne benötigt ausreichend Schwingerfläche, damit Kavitation im gesamten Bad entsteht und nicht nur in Wandnähe. Es geht um die räumliche Abdeckung, nicht um eine höhere Intensität. Deshalb sind Tauchschwingerplatten bei großen Behältern häufig die passende Lösung anstelle eines größeren Generators.
Ultraschallreinigung als Teil des Produktionsprozesses
In der Produktion reicht Ultraschallreinigung allein selten aus. In den von uns gebauten Anlagen ist sie eine Prozessstufe: Reinigen → Spülen → VE-Wasser-Spülung → Trocknen. Je nach Bauteilgeometrie kommen Bewegung, Spritzreinigung oder Vakuumtrocknung hinzu. Unsere Mehrkammer-Reinigungsanlagen gibt es deshalb, weil eine einzelne Wanne Reiniger auf dem Bauteil zurücklässt. Reinigerrückstände sind ebenso eine Verunreinigung wie Öl.
Bei welchen Bauteilen reines Eintauchen nicht genügt, lässt sich meist vorhersehen: bei tiefen Bohrungen, langen innenliegenden Kanälen, montierten Baugruppen mit Spalten sowie überall dort, wo eine schriftliche Vorgabe zur Partikelanzahl einzuhalten ist.
Der aussagekräftige Praxistest
Alles bisher Beschriebene erklärt das Wirkprinzip. Ob es bei Ihrem Bauteil funktioniert, hängt von der Verschmutzung, der Legierung, der Geometrie und davon ab, wie stark die Rückstände beim Einlegen bereits eingetrocknet sind. Diese Einflussgrößen kann kein Artikel abschließend beurteilen.
Jietai Ultrasonic baut seit 2003 Ultraschallreinigungsanlagen im eigenen Werk in Dongguan. Von den gut vierzig kundenspezifischen Anlagen, die wir bislang geliefert haben, entstanden die meisten, weil eine Standardwanne an einem bestimmten Merkmal eines konkreten Bauteils scheiterte. Schicken Sie uns Ihr Bauteil mit der tatsächlichen Verschmutzung. Wir testen es auf unseren eigenen Maschinen und nennen Ihnen anschließend die Frequenz, Reinigungschemie, Temperatur und Zykluszeit, mit denen die Reinigung gelungen ist. Wir sagen Ihnen auch, wenn Eintauchen allein nicht ausreicht. Der Reinigungstest ist kostenlos und klärt innerhalb eines Tages, worüber sich anhand von Spezifikationen wochenlang diskutieren lässt.