Optimal reinigen mit der richtigen Frequenz

reinigen & vorbehandeln
Ultraschall
Optimal reinigen
mit der richtigen Frequenz
Für die Lösung unterschiedlicher Reinigungsaufgaben steht heute
am Markt ein breites Spektrum an Schwingern mit verschiedenen
Frequenzen zur Verfügung. Bei der Wahl des Ultraschallsystems sollten
einige wichtige Kriterien berücksichtigt werden.
_____ Bei Ultraschallanwendungen wird
üblicherweise die benötigte Ultraschallenergie mittels PZT-Elementen erzeugt
(Pb für plumbum = Blei, Z = Zirkanat,
T = Titanat).
Pro PZT-Element kann je nach Frequenz — und somit je nach Baugröße —
eine Leistung von 50 bis 100 Watt
erzeugt werden. PZT-Elemente erzeugen
aus der elektrischen Energie eine
mechanische Schwingung. Die elektrische Versorgung erfolgt über sogenannte Generatoren.
Über die Arbeitsfrequenzen 25 und 40
kHz hinaus wurden in den letzten Jahren
aufgrund stetig gestiegener Reinheitsanforderungen eine Reihe von PZT-Elementen mit weiteren Frequenzen entwickelt,
die sich wie folgt einordnen lassen (die
Auflistung der Frequenzangaben erhebt
nicht den Anspruch von Vollständigkeit,
da laufend neue Frequenzen und Kombinationen hinzukommen):
Singlefrequenzen (kHz/MHz)
25, 30, 35, 40, 45, 50, 58, 75, 80, 120,
132, 192, 250, 470, 500, 1 MHz.
Die Frequenzen 35, 45, und 50 kHz werden im Allgemeinen für UltraschallTischgeräte verwendet.
Dualfrequenz (kHz), zwei Frequenzen
umschaltbar
25/50, 25/75
50 Trialfrequenzen (kHz) drei Frequenzen umschaltbar
40/80/120
Multifrequenz
Hierbei steht je nach Anwendung eine
beliebige Anzahl von Frequenzkombinationen zur Verfügung, die stets
bei der jeweiligen Resonanzfrequenz
arbeiten.
Megaschall
470 kHz / 500kHz / 1MHz
Erläuterungen zu den einzelnen
Frequenzen
Singlefrequenzen
Hier wird immer bei einer abgestimmten
Resonanzfrequenz gearbeitet.
Dual- und Trialfrequenzen
Alle resonanten Gebilde, und somit auch
die PZT-Elemente, verfügen über Ober­
wellen, die ganzzahlige Vielfache der
Grundfrequenz sind. Technisch nutzbar
sind bei PZT-Elementen die Oberwellen
zweiter und dritter Ordnung, also das
doppelte beziehungsweise dreifache der
Grundfrequenz.
Ein Beispiel:
Basisfrequenz:
25 kHz
Oberwelle zweiter Ordnung: 50 kHz
Oberwelle dritter Ordnung:
75 kHz
Die Dual- und Trialfrequenz wird von
einer einzigen Sorte PZT erzeugt.
Nachteil der Dual- und Trialfrequenz:
Physikalisch bedingt ist die Oberwelle
zweiter Ordnung 40/80/120 an resonanten Systemen stets gering ausgeprägt und verliert somit beim Betrieb
erheblich an Wirkungsgrad, das heißt,
die in das PZT-Element eingeprägte
elektrische Leistung wird nur mit
erheblichen Verlusten in Schallenergie umgesetzt. Dagegen ist die Oberwelle dritter Ordnung vom Wirkungsgradverlust wiederum weniger be­­
troffen.
Um den Betrieb bei mehreren Frequenzen zu realisieren, werden teilweise die PZT-Elemente auf weiteren
Grundresonanzen betrieben. Dabei werden auch Resonanzen genutzt, die das
PZT-Element nicht axial auslenken, sondern eine Biege- oder Torsionsauslenkung verursachen. Die Umsetzung der
elektrischen Energie in Schallenergie
ist auch hier nur mit erheblichen Verlusten möglich, da die zur Übertragung
notwendige axiale Auslenkung nur
einen Teil der nickenden oder taumelnden Bewegung des PZT-Elementes ausmacht.
Gegenüber der Multifrequenz haben
Dual- und Trialfrequenzen den Vorteil
eines geringeren Platzbedarfs für die
PZT-Belegung.
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Multifrequenz / Feinstreinigung
Bei der Multifrequenz steht je nach
Anwendung und Platzbedarf das gesamte Spektrum der Resonanzfrequenzen
zur Verfügung. Jede zu verwendende
Ultraschallfrequenz wird durch separate
PZT-Elemente erzeugt. Nach Bedarf
kann jede einzelne Frequenzgruppe
angesteuert und zugeschaltet werden.
Betreibt man mehrere Frequenzgruppen gleichzeitig, erzeugt die niedrigere
Frequenz die Kraft und die höhere die
Tiefenwirkung. In diesem Falle ist es
auch sinnvoll, den Ultraschall einseitig
anzuordnen (Bodenschall oder Ein-Seitenschall).
Megaschall
Dieser hochfrequente Ultraschall findet seine Anwendung unter anderem in
der Einzelreinigung von Elektronikwafern im Tauchverfahren. Um Beschädigungen durch Energiespitzen (peaks) an
den zu reinigenden Oberflächen zu vermeiden, wird die Betriebsfrequenz
moduliert (Frequenzmodulation). Dieser
sogenannte „sweep“ verursacht durch
stetige geometrische Verlagerung der
Energiemaxima auf der zu reinigenden
Oberfläche eine gleichmäßige Verteilung
der Ultraschallenergie.
Ceramics
Bei höheren Frequenzen wird es
schwieriger, die mechanische Schwingung in der Prozessflüssigkeit zu erzeugen, der Wirkungsgrad von üblichen
PZT-Elementen nimmt ab. Mit PZT-Ele-
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menten, die einen speziellen, als Booster
wirkenden Keramikkern aufweisen (Verstärker), wird der Wirkungsgradverlust
erheblich vermindert.
Ergänzende Informationen
zur Ultraschallreinigung
Allgemeines
Die Reinigungswirkung der Ultraschallenergie basiert bei niedrigen Frequenzen auf Kavitation (implodierende
Vakuumbläschen in und an den zu reinigenden Bereichen). Diese wird bei höher
werdenden Frequenzen durch energiereiche Laminar-Strömungen abgelöst.
Sehr hohe Ultraschallfrequenzen sind
für die Durchlaufreinigung nicht sonderlich gut geeignet, da durch die Querströmung beim horizontalen Durchlauf die
Ultraschallenergie von der zu reinigenden Oberfläche zu stark abgelenkt wird.
Versuchsreihen im Durchlauf mit
Megaschall sind in Arbeit.
Helmholtzsches Gesetz
Beim Eintauchen eines zu reinigenden
Teils bildet sich zwischen der Teileoberfläche und der umgebenden Reinigungsflüssigkeit eine Grenzschicht. Bei der
Ultraschallreinigung muss diese Grenzschicht durch die Kavitation überwunden werden. Dies erfolgt durch die
implodierenden Vakuumblasen (Kavitation). Je niedriger die Frequenz umso
größer und energiereicher die implodierenden Vakuumblasen.
Bei dem Laminarstrom, der bei höheren Ultraschallfrequenzen dominiert,
entfällt die Grenzschicht. Somit wirkt
der Ultraschall direkt auf die zu reinigende Oberfläche. Bei groben Verschmutzungen sind höhere Frequenzen
jedoch weniger geeignet, da diese weniger energiereich sind. Hier zeigt die
Anwendung mit Multifrequenz mit mehreren Frequenzen zur gleichen Zeit wirkungsvoll Vorteile.
Oberflächenspannung
des Reinigungsmediums
Die zu hohe Oberflächenspannung bei
Reinigungsmedien in Verbindung mit
Ultraschall verhindert in vielen Fällen
ein akzeptables Reinigungsergebnis.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die
Oberflächenspannung kleiner 40 N/cm²
liegen sollte.
Die Oberflächenspannung kann durch
Zusätze von anionischen und nichtionischen Tensiden bis maximal 30 N/cm²
reduziert werden. Betriebstemperaturen
des Reinigungsmediums von 60 bis
70°C unterstützen erheblich den Reinigungsprozess.
Auswahl der Reinigungsmediums
Es gilt folgende Faustregel: Für anorganische Rückstände eignen sich saure
Reiniger plus Tenside, für organische
Rückstände kommen vor allem alkalische Reiniger mit Glykolen und Tensiden
__|
zum Einsatz.
Der Autor:
Bernd Walleser, Martin Walter Ultraschall AG,
Straubenhardt, Tel. 07082 7915-17,
[email protected],
www.walter-ultraschall.de
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