Ultraschallprozesse: Schweißen, Bohren, Schneiden, Zerstäuben, Kavitation,…
Ultraschall in der Medizintechnik
In vielen Bereichen der Medizintechnik wie der Diagnose, der Therapie und der Chirurgie ist der Einsatz von Ultraschall seit langem etabliert. Die Anwendungen der Ultraschalltechnik unterscheiden sich dabei hinsichtlich der Leistung und des Frequenzbereichs teilweise stark, was zu deutlichen Unterschieden im Aufbau der Ultraschallsysteme führt. Beispiele für Anwendungen der Ultraschalltechnik im medizinischen Umfeld sind die Zerstäubung von Flüssigkeiten und Pulvern, medizinische Instrumente für die Zahnbehandlung, Phaco-Emulsifikation sowie die Bearbeitung von Knochen oder die Herstellung medizinischer Produkte wie Atemschutzmasken oder Kunststoffteile durch das Ultraschallschweißen.
Ultraschallschneiden, -bohren und -schweißen
Die Überlagerung von Schwingungen beim Schneiden führt zu deutlich reduziertem Kraftaufwand in Vorschubrichtung. Erfolgt die Schwingungsüberlagerung mit Ultraschallfrequenz, so kann auf makroskopische Säge-Bewegungen verzichtet werden, und man erreicht eine höhere Präzision beim Schneiden. Das Anwendungsfeld für das Ultraschallschneiden ist sehr breit gefächert und umfasst unter anderem das Schneiden von Gummi, Kunststoffen, Lebensmitteln (Ultraschallmesser (Video, 10 MB)), Papier und Pappe, Textilien, Verbundwerkstoffen wie Carbon- und Glasfaserwerkstoffen (CFK, GFK), Hart- und Weichgewebe im Bereich der Medizintechnik (Beispiele finden Sie in unserem SHOWROOM). Schwingungsüberlagertes Bohren und Fräsen sind weitere Beispiele für die Vorteile der Schwingungsüberlagerung bei der Materialbearbeitung. Im Bereich Ultraschallschweißen von Metallen beobachtet man seit einigen Jahren – getrieben durch die besonderen Anforderungen der Elektromobilität – einen Trend hin zu Ultraschallsystemen hoher Leistung.
Pulvermanipulation mittels Ultraschall
Bei der Handhabung von Pulvern und Feinstpulvern, beispielsweise in der Verfahrenstechnik oder der Pharmaindustrie, stoßen herkömmliche Systeme wie Rüttelförderer oder Schwingsiebe an Ihre Grenzen. Je geringer die Partikelgrößen (Nanotechnik, Nanopartikel) der Pulver sind, desto aufwendiger gestaltet sich deren Handhabung. Mittels Ultraschalltechnik lassen sich verschiedenste Pulver desagglomerieren, fördern, fluidisieren und dispergieren. Ein Anwendungsbeispiel unseres modularen Pulvermanipulationssystems finden Sie in unserem SHOWROOM.
Ultraschall und Kavitation in Flüssigkeiten
Der Flüssigkeitsschall nimmt eine gewisse Sonderstellung in der Ultraschalltechnik
ein, da nur in Flüssigkeiten Kavitation auftritt. Kavitation (“Hohlraumbildung”) beschreibt die Entstehung, das Anwachsen und den Kollaps von dampf- oder gasgefüllten Bläschen in einer Flüssigkeit. Beim Kollaps der Bläschen entstehen lokal sehr hohe Drücke und Temperaturen sowie oberflächengerichtete Flüssigkeitsstrahlen (Micro-Jets). Ultraschallinduzierte Kavitation wird daher häufig zum Reinigen eingesetzt (Ultraschallreinigung). Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Sonochemie, wo Kavitation zum Auslösen oder zur Beeinflussung chemischer Prozesse eingesetzt wird. Zur Vorhersage von Kavitationszonen in Flüssigkeiten berechnen wir das vom Ultraschallwandler erzeugte Schallfeld mittels FEM. Zudem analysieren wir Ultraschallprozesse in Flüssigkeiten experimentell, bspw. durch Schallfeldmessungen und durch die Bestimmung von Kavitationszonen (Folientests, Sonolumineszenz, akustische Messungen). In unserem SHOWROOM finden Sie ein Beispiel für eine Sonolumineszenz-Messung.
Ultraschallakustik und Prozesstechnik
Im Bereich Ultraschallakustik untersuchen wir das Abstrahlverhalten von Ultraschallwandlern für Anwendungen in Luft und Wasser (z. B. ultraschallbasierte Abstandsmesssysteme,Ultraschallreinigung, Zerstäubung von Flüsigkeiten und Pulvern). Wir analysieren Wellenausbreitungen und Schallfelder modellbasiert und mittels innovativer messtechnischer Verfahren [W. Littmann, “Making Sound and Ultrasound Visible“, InFocus 1/2010]. Darauf aufbauend lassen sich die Ultraschallwandler gezielt optimieren, so dass sie die gewünschten Abstrahlcharakteristiken erhalten. Im Bereich der Prozess-/Verfahrenstechnik werden Eigenschaften von Substanzen durch Ultraschallschwingungen verändert. Ein Beispiel ist die Verbesserung der Fließfähigkeit thixotroper Pasten und Gele durch Ultraschall.
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