10.03.2011
Ultraschallbäder sind in Industrie, Gewerbe und Privatbereich weit verbreitet. Dennoch beruht die gezielte Auslegung eines Gerätes für eine bestimmte Anwendung bis heute auf langen Versuchsreihen sowie den individuellen Erfahrungswerten der Hersteller. Grund hierfür ist, dass der zugrundeliegende physikalische Effekt – die Kavitation – von Natur aus hoch stochastisch ist und von einer ganzen Reihe von Umgebungsparametern abhängt. Der PTB ist es nun gelungen, etwas Ordnung in das Chaos zu bringen.
Ultraschall hat vielfältige Anwendungen in Medizin und Technik, die in flüssigen Medien sehr häufig auf Kavitationsvorgängen beruhen. Die zahlreichen Einflussparameter und die stochastische Natur erschweren die Kontrolle, Steuerung und Optimierung aller Anwendungsprozesse außerordentlich. Dies behindert insbesondere die Hersteller, in der Regel kleine und mittlere Unternehmen, bei der Entwicklung und Auslegung von Ultraschallbädern für die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten. Vor diesem Hintergrund wurde an der PTB ein über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) gefördertes Projekt durchgeführt mit dem Ziel, die quantitative Beschreibung der Vorgänge in Ultraschallbädern der kleineren und mittleren Leistungsklasse auf der Basis von einfachen Messungen physikalischer Größen zu verbessern.
Der Schlüssel ist hierbei die Messung der Schallfeldgrößen. Im Projekt sollte dieser Ansatz weiterentwickelt und durch neu erarbeitete Messverfahren für die Bestimmung von Kavitationswirkungen erweitert werden. Dazu wurden verschiedene Modellprozesse untersucht und passende Kavitationsindikatoren erarbeitet, darunter für die Erosion (siehe Bild 1), die chemische Wirkung und die Sonolumineszenz (siehe Bild 2). Die Indikatoren dienen der quantitativen Beschreibung möglicher Anwendungen, also dem Erfassen der tatsächlichen Wirkung. Dazu wurden die Relationen der Indikatoren untereinander untersucht und ihre Abhängigkeit von den Betriebsparametern bestimmt. Ein wesentliches Arbeitselement dafür war die multivariate Datenanalyse. Unter Anwendung einer Faktoranalyse wurden statistische Analysen durchgeführt. Es wurde ein allgemeines Verfahren entwickelt, mit dem Indikatoren oder andere Ausgangsgrößen eines Kavitationsprozesses in Abhängigkeit von gut messbaren Eingangsgrößen beschrieben werden können (siehe Bild 3).
Bild 1: Kavitationsfraß an einer nur wenige Sekunden beschallten Aluminiumfolie
Bild 2: Die hellen Bereiche zeigen die Chemolumineszenz eines im Ultraschallbad platzierten Sensors und die Sonolumineszenz des umgebenden Wassers.
Bild 3: Mehrere gut messbare Eingangsgrößen an der Ultraschallreinigungswanne, die einzeln scheinbar keinen Bezug zur Kavitationswirkung haben, lassen sich zu einer fiktiven Größe zusammensetzen, die den Vorgang gut beschreibt. In diesem Beispiel bilden Wassertemperatur, der Schalldruck der Fundamentalen und der Schalldruck des Kavitationsrauschens eine verallgemeinerte Größe zc, die einen guten Zusammenhang mit der Erosionswirkung zeigt.
Einen weiteren Schwerpunkt stellte die Untersuchung eines gefüllten Reinigungsbades dar. Dazu wurden repräsentative „Werkstücke” gewählt und eine neue Steuerung des Sensors erarbeitet, die die Lage des Werkstückes während der Messung berücksichtigt. Es wurde untersucht, wie stark das Reinigungsgut die Schallfelder im Bad verändert und wo Kavitation wirkt und wo nicht.
Die entwickelten Methoden und die gefundenen Ergebnisse stellen eine große Hilfe für eine Prozessbeschreibung dar. Reinigungs- und Reaktionswirkungen können quantitativ abgeschätzt und die Betriebsparameter optimiert werden. Das ermöglicht Herstellern Ultraschallbäder gezielt für eine bestimmte Anwendung zu entwickeln und Benutzer erhalten ein Werkzeug für das Qualitätsmanagement.
Das Vorhaben „Untersuchung, Messung sowie Optimierung des Schallfeldes und seiner Wirkungen in Reinigungsbädern und Sonochemiereaktoren” der AiF-Forschungsvereinigung DECHEMA Gesellschaft für Chemische Technik und Biotechnologie e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert.
Ansprechpartner:
Matthias Jüschke, FB 1.6, AG 1.62, E-Mail: matthias.jueschke@ptb.de