Ultraschallprozesse
Ultraschallprozesse in der Medizintechnik
In vielen Bereichen der Medizintechnik ist der Einsatz von Ultraschall etablierter Stand der Technik. Beispiele sind Aerosolerzeuger in medizinischen Inhalatoren, Dentalscaler für die Zahnprophylaxe, die Phakoemulsifikation zur Behandlung von Linsentrübungen im Auge und chirurgische Prozesse wie die Bearbeitung von Knochen und Weichgewebe. Ebenfalls in der Medizintechnik angesiedelt ist das Ultraschallschweißen von Medizinprodukten wie Atemschutzmasken.
Wie wir Sie unterstützen können:
- Neuauslegung oder Optimierung bestehender Ultraschallsysteme für medizinische Applikationen
- Messtechnische Charakterisierung zur Qualifizierung und Zulassung medizinischer Ultraschallsysteme (bspw. Messung von Schwingamplituden, Temperaturentwicklung, Leistungsabgabe, …)
- Durchführung von Applikationstests und Langzeitversuchen
- Fehleranalysen und Optimierungen von Produkten
Ultraschallschweißen von Metallen
Das Ultraschallschweißen von Metallen erfährt aktuell durch die Transformation der Automotive-Industrie vom Verbrennungsmotor zur Elektromobilität eine erstaunliche Renaissance. Die hohe Energie, die bisher durch Kraftstoffleitungen und Rohre transportiert wurde, muss künftig durch elektrische Stromleitungen fließen, und diese müssen an ihren Enden leitfähig kontaktiert werden. Die Grundlagen der Verbindungsbildung beim Ultraschallschweißen von Metallen sind seit den 1960er-Jahren gut verstanden, denn u.a. in der industriellen Halbleiterfertigung werden Feindrähte standardmäßig durch Ultraschall kontaktiert („Ultraschall-Drahtbonden“). In Elektrofahrzeugen müssen nun aber elektrische Verbindungen für sehr hohe Stromdichten und Leiterquerschnitte hergestellt werden. Dazu benötigt man Ultraschallkonverter und Sonotroden, die zuverlässig Leistungsschall im Bereich von mehreren 100 W bis über 10 kW bereitstellen können. Da die Schwingung anders als beim Kunststoffschweißen in der Richtung der Kontaktierungsebene liegt („inplane“), werden andere Aktorikkonzepte als dort benötigt. Gleichwohl werden hier wie dort extrem hohe Anpresskräfte benötigt.
Wie wir Sie unterstützen können:
- Modellbasierte Auslegung und von Hochleistungs-Ultraschallsystemen für das Metallschweißen
- Kontaktierung von Kupfer- oder Aluminiumterminals mittels Torsionsschweißen (s. Bild rechts)
- Entwicklung innovativer Konverter und -sonotroden für das Torsions- und Linearschweißen mit hoher Leistung
- Durchführung von Experimenten zur Suche günstiger Prozessfenster für gegebene Schweißaufgaben (Optimierung von Anpresskraft, Leistung, Amplitude,…)
- Auswahl geeigneter Regelungskonzepte und -parameter für Strom, Spannung, Frequenz im Ultraschallbereich
Ultraschallbearbeitung: Schneiden, Bohren, Fräsen
In vielen Bereichen der industriellen Produktion ist der Einsatz von Ultraschalltechnik seit langem etabliert. Neben klassischen Anwendungen wie dem Ultraschallschweißen von Kunststoffen wird Leistungsultraschall zunehmend auch für die Ultraschallbearbeitung etabliert. Beispielsweise werden Ultraschallmesser zum automatisierten Schneiden von CFK-Werkstoffen und in der Lebensmittelfertigung eingesetzt (Verpackungen, Backwaren, Keksriegel). Beim industriellen Bohren oder Fräsen von Metallen sowie insbesondere bei der Bearbeitung sprödharter Werkstoffe lassen sich durch ultraschallunterstützte Verfahren Prozesskräfte reduzieren und höhere Oberflächenqualitäten erzielen.
Wie wir Sie unterstützen können:
- Modellbasierte Entwicklung von Konvertern für die Ultraschallbearbeitung
- Aufbau und messtechnische Charakterisierung von Funktionsmustern und Prototypsystemen
- Analyse und Optimierung bestehender Ultraschallsysteme (bspw. Verschieben von Nebenresonanzen, Erarbeitung alternativer Aufbaukonzepte, Leistungssteigerung, Kostenreduzierung,…)
- Prozessuntersuchungen in Laborversuchen
- Signalanalyse elektrischer Ansteuerungen (DFT-Analyse) bspw. zur Optimierung von Regelalgorithmen
- Untersuchung von Lastrückwirkungen auf das Ultraschallsystem (experimentell und modellbasiert)
Ultraschallprozesse in Flüssigkeiten
Die prominenteste Anwendung von Ultraschall in Flüssigkeiten ist die Ultraschallreinigung, die bspw. in der Industrie oder beim Optiker eingesetzt wird. Auch chemische Prozesse lassen sich durch Ultraschall beschleunigen und verbessern. Diese Prozesse werden unter den Begriff Sonochemie gefasst. Der Hauptwirkmechanismus ist die durch Ultraschall erzeugte Kavitation, die lokal zu extrem Druck- und Temperaturgradienten und Mikroströmungen (Micro-Jets) führt.
Wie wir Sie unterstützen können:
- Applikationsversuche zur Untersuchung der Wirkung von Ultraschall in Flüssigkeiten (z.B. Vermeidung von Biofilm-Bildung an Rohrwänden, Zellaufschlussverfahren für medizinische und industrielle Prozesse)
- Testmöglichkeiten mittels zahlreicher bei der ATHENA vorhandener Ultraschallsysteme
- Modellierung der Schallabstrahlung in Flüssigkeiten
- Experimentelle Untersuchung kavitationsbasierter Prozesse („Kavitationsmessungen“, Ultraschallakustik)
Zerstäuben und Dispergieren mit Ultraschall
Das Zerstäuben von Flüssigkeiten durch Ultraschall kommt bspw. bei medizinischen Inhalatoren oder in der Industrie zum Einsatz. Die ultraschallbasierte Kapillarwellenzerstäubung ermöglicht die Erzeugung definierter Tröpfchengrößen. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist das Zerstäuben von Schmelzen, bspw. zur Erzeugung sphärischer Partikel für den 3D-Druck.
Auch bei der Handhabung von Pulvern, beispielsweise in der Verfahrenstechnik oder der Pharmaindustrie, bringt die Ultraschalltechnik Vorteile mit sich. Mit Hilfe von Ultraschall lassen sich verschiedenste Pulver desagglomerieren, fördern, fluidisieren und dispergieren. Durch erfolgreiche Förderprojekte in diesem Bereich besteht bei der ATHENA umfangreiches Wissen zur Handhabung von Pulvern und Flüssigkeiten mittels Ultraschall.
Wie wir Sie unterstützen können:
- Applikationsversuche zum Zerstäuben und Dispergieren mit vorhandenen Ultraschallsystemen
- Auslegung kundenspezifischer Ultraschall-Zerstäuber (bspw. mit Innenbohrung für die Flüssigkeitszufuhr)
- Aufbau und Erprobung von Funktionsmustern und Prototypsystemen
- Entwicklung von elektrischen Ansteuerungen
Erprobung neuer, innovativer Ultraschallprozesse
Die Ultraschalltechnik kann in vielen Prozessen auf unterschiedliche Art und Weise wirksam sein, wie die oben aufgeführten Beispiele zeigen. Daher kann Ultraschall in verschiedenen Applikationen nutzbringend eingesetzt werden. Beispiele sind die Reduktion von Reibung oder das Reinigen und Sauberhalten von Oberflächen. Gern unterstützen wir Sie dabei, den nutzbringenden Einsatz von Ultraschall in Ihrer Applikation zu untersuchen.
Wie wir Sie unterstützen können:
- kurzfristige Applikationsversuche in verschiedenen Prozessen durch unseren Bestand an unterschiedlichen Ultraschallsystemen (verschiedene Frequenzbereiche und Leistungsklassen) und zugehörigen elektrischen Ansteuerungen.
- Auslegung, Aufbau und Inbetriebnahme von Funktionsmustern und Prototypsystemen
Ultraschall und additive Fertigung (3D-Druck)
Im Bereich additiver Fertigungstechnologien gewinnt die Ultraschalltechnik aktuell zunehmend an Bedeutung, speziell im Bereich des 3D-Drucks von Metallen:
- Pulverförderung und Ultraschallsiebtechniken für die Ausgangsstoffe
- Vermeidung des Verklebens von Werkstück und Grundplatte
- Kombinationsverfahren mit Lasertechnologien („Laser-Ultraschall“)
- Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)
Hier geben wir in Kürze Einblicke in diese hochinteressanten Anwendungsgebiete der Ultraschalltechnik
Ultraschall und Thixotropie: Der Ketchup-Effekt
Thixotrope Gele und Pasten wie Ketchup haben ein ungewöhnliches Fließverhalten: Je schneller sie fließen, desto fließfreudiger werden sie. Tomatenketchup kommt daher nur kontrolliert aus der Glasflasche, wenn es zuvor gut geschüttelt wurde. Viele technische Substanzen zeigen dieses Verhalten ebenfalls. Aber wie kann man in einem automatisierten Prozess definiert schütteln? Der Einsatz von Ultraschalltechnik bietet sehr elegante und teils verblüffende Möglichkeiten zur genauen Dosierung thixotroper Stoffe.
Sprechen Sie uns gern an:
