Processen met ultrasoon geluid

Hoe werkt ultrasoon geluid?

Bij ultrasone processen wordt gebruik gemaakt van hoogfrequente, ultrasone, geluidstrillingen. Bij reinigingsprocessen wordt ultrasoon geluid gebruikt om vuil los te maken van producten die in een reinigingsvloeistof zijn ondergedompeld. Het vuil kan daarna gemakkelijk door de reinigingsvloeistof worden afgevoerd. Bij lassen worden ultrasone trillingen gebruikt om twee onderdelen tegen elkaar aan in trilling te brengen. Door de wrijving die optreedt op het grensvlak van de twee onderdelen wordt warmte opgewekt. Door de warmte smelt het materiaal en worden de onderdelen aan elkaar gelast. Bij snijden worden ultrasone trillingen gebruikt om gemakkelijker door materialen te snijden. In een aantal toepassingen wordt daarbij ook gebruik gemaakt van wrijvingswarmte om randen netjes af te werken.


Techniek

De frequentie van ultrasoon geluid ligt boven de 20 kHz; ultrasoon geluid is daardoor voor veel mensen niet hoorbaar. Ultrasoon geluid wordt met behulp van elektrische of magnetische velden opgewekt. Het principe van opwekking lijkt op het opwekken van geluid in een luidspreker. Hierbij worden spoelen en magneten toegepast. In de industrie wordt ultrasoon geluid opgewekt via piëzo-elektrische of piëzo-magnetische elementen.

Bij piëzo-elektrische materialen wordt een elektrisch veld in een materiaal gegenereert als er een mechanische spanning op het materiaal wordt uitgeoefend. Het elektrische veld heeft tot gevolg dat er een elektrische spanning over het materiaal komt te staan. Omgekeerd werkt de eigenschap ook. Wanneer er een elektrische spanning over een piëzo-elektrisch materiaal wordt aangebracht dan deformeert het materiaal enigszins, op dezelfde manier als wanneer het onder druk zou worden gezet. De deformatie uit zich voornamelijk in verkorting of verlenging van het materiaal. Van deze eigenschap wordt bij de ultrasone techniek gebruik gemaakt. Door een elektrische spanning van de juiste frequentie over een piëzo-elektrisch materiaal te zetten wordt ultrasoon geluid opgewekt.


Installatie

Bij het opwekken van ultrasoon geluid voor vermogenstoepassingen worden hoofdzakelijk piëzo-elektrische elementen toegepast. Bij deze elementen is de omzetting van elektrische energie in mechanische energie het meest effectief.

Bij praktisch alle generatoren wordt ultrasoon geluid elektronisch opgewekt. Normaal gesproken is de geluidsgolf sinusvormig. Maar dank zij de mogelijkheden van de elektronica worden nu ook blokgolven, gepulste golven (met pulsfrequenties van enkele honderden Hertz), gemoduleerde golven en golven met een variërende frequentie toegepast. Bij moderne geavanceerde ultrasoongeneratoren kan het type golf en zijn parameters worden ingesteld.

De frequenties die ultrasoon generatoren leveren liggen over het algemeen tussen de 20 en 80 kHz. Voor speciale toepassingen worden wel hogere frequenties, tot 130 kHz, gebruikt. De vermogens lopen van enkele honderden watt tot 10 á 15 kilowatt.

De verschillende ultrasone geluidsgeneratoren hebben de volgende algemene opbouw. Allereerst is er het hoogfrequent deel waar de spanning uit het net wordt omgezet in een hoogfrequente spanning van enkele tientallen kilohertz. Deze hoogfrequente spanning wordt aangesloten op een piëzo-elektrisch geluidselement ook wel de converter, transducer of omvormer genoemd. In het omvormerelement wordt de hoogfrequente elektrische energie omgezet in mechanische energie, die vervolgens wordt omgezet in ultrasone geluidsenergie. Daarnaast bevat ultrasoonapparatuur de nodige regelsystemen en bedieningselementen.


Voordelen

Voordelen van ultrasoon
Proces Voordelen
Reinigen producten kunnen niet worden beschadigd
  ingewikkelde vormen met holtes en uitstulpingen kunnen goed worden gereinigd
  reinigingsprocessen zijn snel, binnen enkele minuten is het product schoon
Lassen de temperatuur kan niet boven de smelttemperatuur van het te lassen materiaal uitstijgen
  kunststoffen worden snel, binnen enkele minuten, gelast
Snijden ultrasoon snijden geeft een scherpe, schone snede
  bij snijden van textiel wordt de snijrand direct versmolten, rafelen kan niet optreden
  voedingsmiddelen verkruimelen en verbrokkelen minder
  hoge snijsnelheden bij een lage snijkracht
  snijblad heeft anti-plak eigenschappen waardoor reinigingstijden afnemen


Toepassingen

De belangrijkste industriële toepassingen van ultrasoon geluid zijn:

  • reinigen
  • lassen
  • snijden en ponsen

Daarnaast zijn er nog een aantal specifieke toepassingen in de industrie en in de medische wereld.

Toepassingen van ultrasoon
Industriesector Processen met ultrasoongeluid
Metaal industrie verwijderen van vet, olie, verf, slijp- en polijstpasta's, reinigen voorafgaand aan galvaniseren, reinigen van onderdelen voorafgaand aan coaten, lassen van metalen
Rubber en kunststofindustrie reinigen van matrijzen en gietmallen, lassen van kunststoffen, snijden van ongevulcaniseerd rubber
Textielindustrie lassen van kunststofhoudend textiel, snijden van zonweringsdoek, filterdoek, vlaggen, banieren, transportbanden
Voedingsmiddelen industrie snijden van deegwaren, brood, gebak, cake, taart, pizza, sandwiches, snacks, zuivelproducten en vleeswaren
Keramische industrie slijpen en boren van gaten in combinatie met ultrasoon
Waterzuivering desintegratie van slib


Voorbeelden toepassingen

Installatie voor het reinigen van producten

Reinigingsapparatuur kan variëren van eenvoudige dompelbaden met een inhoud van 1 tot 30 liter, tot reinigingslijnen compleet met spoel- en droogsecties. De figuur geeft een beeld van een middelgroot semi-geautomatiseerd ultrasoon systeem wat badgegewijs reinigt (met dank aan Variclean, Enkhuizen). In de figuur is links de voedingskast te zien met de bedieningsmogelijkheden en signaleringspanelen. Bovenop de kast staat de ultrasoongenerator. Het systeem bevat verder een ultrasoon reinigingsbad, diverse cascade spoelbaden en een droogsectie waarin de producten vlekvrij worden gedroogd.

Apparatuur voor het ultrasoon lassen

De figuur geeft een voorbeeld van apparatuur voor het ultrasoon lassen van een kunststof fietsachterlicht (met dank aan Aeson, Huizen). Op de foto zijn links de twee onderdelen van het fietsachterlicht te zien. Rechts ligt het complete achterlicht. Op de foto in het midden is de matrijs te zien, waar het achterlicht precies in past om een goede waterdichte las te verkrijgen. Bij de opstelling op de foto moeten de producten met de hand in de installatie worden gelegd en weer worden verwijderd. Voor grote aantallen producten wordt dit proces geautomatiseerd.

Inserteren van onderdelen in producten

Naast metaal-metaal en kunststof-kunststof lassen worden ook metaal-kunststof lassen toegepast. Bijvoorbeeld om metalen delen aan een kunststofproduct te bevestigen. Dit proces wordt inserteren genoemd. De figuur geeft een beeld van een onderdeel van een centrale vergrendeling van auto's waarin inserteren is toegepast om twee metalen draadeinden ultrasoon aan het kunststofproduct vast te lassen (met dank aan Alpha bvba, Gent, België). Op de foto is te zien dat een draadeinde al geïnserteerd is, terwijl het andere nog geïnserteerd moet worden.

Ultrasoon snijden van producten

Bij ultrasoon snijden wordt een snijblad ultrasoon in trilling gebracht. Ultrasone snijbladen kunnen tot minimaal 15 cm diep en 35 cm breed snijden. Naast snijden kan ook ponsen ultrasoon worden uitgevoerd met dezelfde voordelen als snijden. De figuur geeft een voorbeeld van snijapparatuur (met dank aan Branson Ultrasonics b.v., Eemnes). Op de foto is boven het brood het snijmes te zien.