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Ultraschallgerät mit einem Kaltumformmaterial

Die Erfindung betrifft ein Ultraschallgerät zum Reinigen von Reinigungsgut mit einem Kaltumformmaterial nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ultraschall, insbesondere Leistungsultraschall, welcher über ultraschallabstrahlende Oberflächen in Flüssigkeit eingekoppelt wird, kann unter anderem dazu verwendet werden ein in dieser Flüssigkeit befindliches Reinigungsgut mit Ultraschall und ultraschallinduzierter transienter Kavitation zu beaufschlagen. Dadurch können dessen Oberflächen bearbeiten werden, wie zum Beispiel zum Reinigen, Entgraten, Aufrauen oder auch zur gezielten Schädigung beziehungsweise Desintegration. Aus dem Stand der Technik bekannte Ultraschallgeräte umfassen üblicherweise ein Wannenelement, welches einen Füllraum definiert, der mit einer Reinigungsflüssigkeit füllbar ist. In die Reinigungsflüssigkeit ist das zu bearbeitende Reinigungsgut einlegbar. Zudem weisen solche Ultraschallgeräte zumindest einen Ultraschallwandler auf. Die Ultraschallwandler wandeln hochfrequente elektrische oder magnetische Wechselfelder in mechanische Schwingungen um, die über die Funktionselemente, also die genannten Flächenbereiche und besonderen Teilflächen bzw. Emissionsabschnitte des Wannenelements, als ultraschallabstrahlenden Oberfläche in die Flüssigkeit eingekoppelt und abgestrahlt werden.

Im Falle von Systemen mit sehr hoher einzukoppelnder Ultraschallintensität über kleine ultraschallabstrahlende Flächen, z. B. zur Desintegration von Objekten in der Flüssigkeit, werden die mechanischen Schwingungen der Ultraschallwandler vor ihrer Abstrahlung mittels eines Horns zu größeren Schwingungsamplituden des Funktionselements mit - -

(gegenüber dem Ultraschallwandfer) kleinerer ultraschallabstrahlender

Oberfläche transformiert und von der kleineren Stirnfläche des Horns in die Flüssigkeit abgestrahlt. Das meist auswechselbare Endstück des Horns mit dem Funktionseiement der ultraschallabstrahlenden Stirnfläche wird als Sonotrode bezeichnet. Sn allen drei Fällen (Bereich oder Teilfläche eines Wannenelements, Tauchschwinger und Sonotrode) werden die Ultraschallschwingungen durch die Emissionsabschnitte in die Flüssigkeit eingekoppeSt und abgestrahlt. Unter dem Begriff transiente Kavitation ist eine Bildung und eine chaotische Implosion von blasenartigen transienten Hohlräumen in Flüssigkesten zu verstehen. Die transienten Blasen enthalten auch Flüssigkeitsdampf und in der umgebenden Flüssigkeit gelöste Gase. Die mittels Ultraschall oberhalb bestimmter Ultraschallintensitäten

(Schwellenwerte der Ultraschallintensität für transiente ultraschallinduzierte Kavitation) erzeugten Blasen kollabieren chaotisch - es kommt zu Implosionen. Die dabei entstehenden lokalen Stoßwellen und/oder Flüssigkeits-Mikrojets führen zur Beschädigung im Nahbereich, d. h. wenige Blasenradien von dem implodierenden Bläschen entfernt, befindlicher Oberflächen von Objekten. Es kommt daher bisher zu einer ultraschallinduzierten Kavitationserosion von Oberflächen, die mit der ultraschallbeaufschlagten Flüssigkeit in Berührung stehen.

Gerade an den Ultraschall in die Flüssigkeit abstrahlenden Flächen bzw. Emissionsabschnitten selbst entsteht eine ultraschallinduzierten Kavitationserosion. Eine solche Kavitationserosion tritt jedoch auch vermehrt in Bereichen des Wannenelements auf, an welchen sich überlagernde Ultraschallwellen benachbarter Ultraschallwandler auftreffen, bzw. an Biegewellen ausgesetzten Stellen des Wannenelements. Diese Kavitationserosion bewirkt dort einen starken Verschleiß der Wanneninnenfläche. Es handelt sich dabei meist um einen - -

mit fortdauerndem Uitraschallbetrieb oberhalb der Intensitätsschwelle sich beschleunigenden Materialabtrag. Durch Kavitationserosion abgelöste Partikel stellen Verunreinigungen in der Reinigungsflüssigkeit dar. Gerade angesichts der immer höher werdenden Qualitätsansprüche, wie zum Beispiel in den Bereichen der Waferfertigung, der Präzisionsoptik aber auch bei Feinstreinigung von medizinischen Produkten (Stents, Implantaten, Chirurgiebesteck, etc.), sind derartige Verunreinigungen ungewünscht. Das führt dazu, dass zumindest das Wannenelement bereits nach einer kurzen Anwendungsdauer ausgetauscht werden muss.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Ultraschallgerät der eingangs genannten Art bereitzustellen,

weiches eine Wanneninnenfläche aufweist, die eine im Gegensatz zum Stand der Technik höhere Kavitationserosionsfestigkeit aufweist, um die Anzahl von kavitationserosionsbedingten Feinstpartikeln in der Reinigungsflüssigkeit zu reduzieren.

Diese Aufgabe ist durch das Ultraschallgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Ultraschallgerät zum Reinigen von Reinigungsgut vorgeschlagen, umfassend ein Wannenelement mit einer einem mit Flüssigkeit füllbaren Füllraum zugewandten Wanneninnenfläche. Das Ultraschallgerät umfasst zudem zumindest einen Ultraschallwandler, welcher über einen zugeordneten Emissionsabschnitt des Wannenelements Ultraschallwellen in das Wannenelement einkoppelt. Das Wannenelement umfasst zumindest im Bereich des Emissionsabschnitts ein Kaltumformmaterial, welches eine über die Wanneninnenfläche eingebrachte definierte Menge Druckeigenspannung aufweist. - -

Die Ausbildung zumindest des stark beanspruchten Emissionsabschnitts aus einem Kaltumformmaterial, bzw. einem Material, welches mittels eines Kaltformverfahrens behandelt wurde, führt aufgrund der induzierten Druckeigenspannung in vorteilhafter Weise zu einer stark verbesserten Kavitationserosionsfestigkeit. Daraus ergibt sich zudem eine signifikante Reduktion an abgelösten Partikeln.

Diese Vorteile sind unerwartet und überraschend zugleich. Die bisher vorherrschende Meinung zur Reduzierung von eingangs genannten Problemen geht nämlich dahin, dass Beschichtungen und Materialien vorgeschlagen werden, deren Oberfläche, bzw. Wanneninnenfläche möglichst glatt ist und/oder eine glatte Beschichtung umfasst. Verfahren zur Kaltverformung können jedoch dazu führen, dass die bearbeitete Oberfläche aufgeraut wird. Daher stand zu erwarten, dass eine aufgeraute Oberfläche zu einer stärkeren Verschmutzung der Flüssigkeit führt als eine glatte Oberfläche. Es stelle sich jedoch heraus, dass genau das Gegenteil der Fall ist. Die Kaltumformung steigert die Härte des Materials.

Es ist beispielsweise denkbar, dass ein bereits geformtes Wannenelement nachträglich mit einem Kaltumformmaterial versehen wird. Dabei steht die nachträgliche Kaltumformoberflächenbearbeitung eines einteiligen Wannenelementabschnitts einem Einbringen eines kaltumformten separaten Teils in das Wannenelement gleich. Unter dem„Emissionsabschnitt" ist in diesem Kontext derjenige Abschnitt der Wanneninnenfläche zu verstehen, welcher bezogen auf die Flächennormale oberhalb des Einkopplungsabschnitts des Horns und im Fall, dass kein Horn verwendet wird, oberhalb des Wandlers liegt. Es ist denkbar, dass das Wannenelement zusätzlich im Bereich eines Überlagerungsabschnitts, auf welchen sich überlagernde Ultraschallwellen benachbarter Ultraschallwandier auflreffen, ein Kaltumformmaterial umfasst, welches eine über die Wanneninnenfläche eingebrachte definierte Menge Druckeigenspannung aufweist. Bei der Verwendung von mindestens zwei Ultraschallwandlem kommt es zwangsläufig zu sich überlagernden oder aufeinandertreffende Ultraschallwellen bzw. ultraschallinduzierten Biegewellen. Die Bereiche der Wandinnenfläche, welche aufeinandertreffenden Wellen ausgesetzt sind, sind in besonderer Weise von ultraschallinduzierter Kavitationserosion betroffen. Zur Verbesserung der Langlebigkeit des Wannenelements und zur weiteren Reduzierung von ablösbaren Partikeln führt eine Ausbildung dieser Bereiche ebenfalls aus Kaltumformmaterial.

Es hat sich in vorteilhafter Weise gezeigt, dass auch Schweißnähte des Wannenelements dadurch verbessert werden können, dass sie als kaltumformte Schweißnähte ausgebildet sind, welche eine eingebrachte definierte Menge Druckeigenspannung aufweisen. Die Schweißnähte können also mit einem geeigneten Kaltumformverfahren bearbeitet werden, um die erfindungsgemäßen Vorteile weiter zu verstärken. Zudem werden bei Schweißnähten als Nebeneffekt die Betriebsfestigkert und Lebensdauer gesteigert. Diese Schweißnähte können dem Füllraum zugewandten Schweißnähte sein.

Als besonders geeignete Kaltformverfahren haben sich Hämmern und Kugelstrahlen herausgestellt. Dadurch kann ein gehämmertes und/oder kugelgestrahltes Kaltumformmaterial ausgebildet werden. Diese Verfahren können beispielsweise nach einem Tiefziehvorgang des Wannenelements in einfacher Weise angewendet werden. Wenn eine Oberflächenbehandlung des Wannenelements oder der Wannenelementwerkstoffs mittels Kugelstrahlen durchgeführt wird, erfolgt eine plastische Verformung der Oberfläche des behandelten Werkstoffs durch das Auftreffen der Kugeln. In Folge dessen wird eine - -

Druckspannung in dem Maieria! erzeugt. Die Druckspannung ist ein Faktor, der die Festigkeit des zu behandelnden Materials bestimmt, insbesondere die Biegefestigkeit, Torsionsfestigkeit,

Biegewechselfestigkeit, Torsionswechselfestigkeit und die Verschleißfestigkeit {Abriebfestigkeit). Ein Zweck des Kugelstrahlens ist es somit, die Oberfläche lokal zu verdichten und entsprechend kalt umzuformen. Dies entspricht auch einem Kaltumformprozess durch Walzen. Dabei können unterschiedliche Größen/Materialien von Kugeln mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verwendet werden. Durch die Kaltformung der Oberfläche findet eine plastische Verformung von Metallen unterhalb der Rekristallisationstemperatur statt. Durch die daraus resultierende Kaltverfestigung steigt die Werkstofffestigkeit kontinuierlich an. Jede Kugel, die das Werkstück trifft, wirkt dabei wie ein winziger Schmiedehammer, der eine flache Kalotte auf der Oberfläche hinterlässt wodurch Druckeigenspannungen in der Einschlagrandzone induziert werden. Die Höhe der Druckeigenspannungen ist abhängig von der Zugfestigkeit des Grundmaterials und entspricht ca. 80% der Bauteilzugfestigkeit. Hierdurch werden fertigungsbedingte Eigenspannungen eliminiert und die Lebensdauer erhöht.

Sn vielen Fällen sind Zugspannungen die Ursache für entstehende Risse und Langzeitschäden. Zugspannungen versuchen nämlich eine Materialoberfläche auseinanderzuziehen, was zur Bildung von Rissen in der Oberfläche führt. Es ist durch Versuche nachgewiesen, dass Risse nie in einer Schicht von Druckeigenspannung entstehen. Die Druckspannungen drücken nämlich die Komgrenzen an der Oberfläche zusammen und verzögern dadurch erheblich die Entstehung von Ermüdungsrissen. Das Kaltformverfahren ermöglicht, die Lebensdauer, die Wartungsintervalle und vor allem die Sicherheit der mit diesem Material eingesetzten Komponenten wesentlich zu erhöhen. Die genannten Verfahren ermöglichen ein Einbringen von Druckeigenspannungen in das Material, um in vorteilhafter Weise eine höhere Beständigkeit gegen ultraschallinduzierte Kavitationserosion zu erzielen. Es ist damit vorgesehen, dass das Material, welches mit einem oder beiden oben beschriebenen Verfahren behandelt worden ist, Druckeigenspannungen aufweist, die zu einer höheren Beständigkeit gegen ultraschallinduzierte Kavitationserosion führen.

Die Verdichtung der Materialoberfläche mittels Hämmern und/oder Kugelstrahlen führt zu einer Verringerung der Schäden an dem Wannenelement, insbesondere aber in dem Emissionsabschnitt und auch in dem Überlagerungsabschnitt. Die dadurch höheren Druckeigenspannungen in der Randzone von durch Kugeln eingebrachten Kalotten führen zu einer höheren Härte der ultraschallabstrahlenden und/oder -empfangenden Oberflächen und bieten den durch Kavitation entstehenden Mikrojets und Stoßwellen mehr Widerstand.

Es ist zudem denkbar, dass das kugelgestrahlte Kaltumformmaterial ein mit Edelstahl-, Glas- und/oder Keramikkugeln kugelgestrahltes Kaltumformmaterial ist Die Nutzung eines derart bearbeiteten Materials für ein Wannenelement steigert in vorteilhafter Weise die erfindungsverbundenen Effekte. Für den Fall, dass die Kugeln eine Korngröße von 90 pm bis 1 mm haben, kann sich zudem eine vorteilhafte Anpassung an Verwendungsanforderungen des Wannenelements ergeben.

Es ist gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform denkbar, dass das Kaltumformmaterial ein kaltgewalztes, gebürstetes und/oder kugelpoliertes Kaltumformmaterial ist Auch diese Verfahren dienen einer Einbringung von Druckspannungen. - -

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in Fig. 1 ein Ultraschallgerät mit einer perspektivischen

Schnittansicht durch ein Wannenelement;

Fig. 2a eine Fotografie eines gebürsteten Materials; und Fig. 2b eine Fotografie eines kugelgestrahlten Kaltumformmaterials.

In Fig. 1 ist ein Ultraschallgerät zum Reinigen von Reinigungsgut gezeigt. Das Ultraschallgerät umfasst einen Generator 4, welcher eine von einer elektrischen Quelle, wie beispielsweise einer Steckdose bezogene elektrische Energie an zwei Ultraschallwandler 6 weiterleitet. Die Ultraschallwandler 6 sind in an einer Bodenseite eines Wannenelements 8 aus Edelstahl angeordnet. Die Ultraschallwandler 6 können jedoch auch an einem Seitenwandbereich des Wannenelements 8 angeordnet sein. In jedem Fall sollte für eine ausreichende Reinigungswirkung jedoch die die Ultraschallabstrahlende Fläche mit Reinigungsflüssigkeit bedeckt sein. Das Wannenelement 8 weist eine Materialstärke von 0,5 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise von 0,8 mm bis 2,0 mm auf und definiert einen Füllraum 18, welcher teilweise mit einer Flüssigkeit 20 gefüllt ist. In dem Wannenelement 8 ist ein Skalpell 2 abgebildet, welches ein medizinisches Produkt darstellt und als Reinigungsgut dient.

Jeder über ein Kabel 5 mit dem Generator 4 verbundene Ultraschallwandler 6 umfasst ein Horn 10, oberhalb dessen jeweils ein Emissionsabschnitt 12 einer Wanneninnenfläche 14 ausgebildet ist. Die Wanneninnenfläche 14 weist zudem Überlagerungsabschnitte 16 auf, auf welchen sich überlagernde Ultraschallwellen der beiden benachbarten - -

Ultraschallwandler 6 treffen. Die Emissionsabschnitte 12 und/oder der Überlagerungsabschnitt 16 sind jeweils mittels Kugelstrahlen kaltverformt, sodass eine definierte Menge Druckeigenspannung in das Wanneneiement 8 eingebracht ist. Die Emissionsabschnitte 12 und der Überlagerungsabschnitt 16 sind jeweils aus Edelstahl gebildet und weisen jeweils eine Materiaistärke von 0,5 mm bis 3,0 mm, vorzugsweise von 0,8 mm bis 2,0 mm auf. Obgleich die Emissionsabschnitte 12 und der Überlagerungsabschnitt 16 in Fig. 1 als abgrenzbare Bereiche der Wanneninnenfläche 14 dargestellt sind, können sich diese Abschnitte 12, 16 gegenseitig auch überlappen und/oder Bereiche einer vollständig gehämmerten und/oder kugelgestrahlten Wanneninnenfläche 14 darsteilen.

Zur Reinigung des Skalpells 2 wird der Generator 4 aktiviert, welcher die beiden Ultraschallwandler zum Wandeln von elektrischen in mechanische Schwingungen veranlasst. Die beiden Ultraschallwandler 6 koppeln über ihren jeweiligen zugeordneten Emissionsabschnitt 12 Ultraschallwellen in das Wannenelement 8 ein, welches wiederum die Wellen an die Flüssigkeit 20 überträgt zur Reinigung des Skalpells 2. Aufgrund der Kaltumformung der Emissionsabschnitte 12 und des Überlagerungsabschnitts 16 ist ein Ultraschallgerät mit einem Wannenelement 8 geschaffen, welches eine hohe Kavitationserosionsfestigkeit aufweist, wobei zudem kavitationserosionsbedingte Feinstpartikel in der Flüssigkeit 20 erheblich reduziert sind. Es ist jedoch auch denkbar, die ganze Wannen In enfläche 14 mittels Kaltumformung zu bearbeiten oder lediglich spezieile Abschnitte davon.

Fig. 2a zeigt eine Fotografie einer gebürsteten Wanneninnenfläche 14, wie sie bekannt ist. Üblicherweise werden Wannenelemente 8 in ihre - -

endgültige Form tiefgezogen oder aus gewalztem Blech abgekantet und verschweißt.

Fig. 2b zeigt eine Fotografie eines kugelgestrahlten Kaltumformmaterials. Dabei kann als Ausgangsmaterial beispielsweise das in Fig. 2a gezeigte gebürstete Matena! dienen oder aber ein zuvor ungebürstetes und kaltgewalztes Material.