Wie funktioniert ein Ultraschallreiniger?

Wie funktioniert die Reinigung mit Ultraschall?

Die Reinigung mit Ultraschall besteht aus vier Teilen: einer Wanne mit Flüssigkeit, Schallwandlern, einem Generator und dem Reinigungsgut im Korb. So beschreibt es Wikipedia. Der Ablauf hat vier Stufen:

Der Generator wandelt Netzstrom in Wechselspannung um. Der Piezo-Schwinger formt daraus mechanische Schwingungen. Die Schwingungen laufen als Schallwellen durch die Flüssigkeit. Im Druckminimum jeder Welle reißt die Flüssigkeit auseinander, und es entstehen mikroskopische Bläschen. Im folgenden Druckmaximum fallen sie in sich zusammen. Das Fachwort dafür lautet Kavitation.

Was ist Kavitation und warum löst sie Schmutz?

Kavitation ist laut Wikipedia die Bildung und Auflösung dampfgefüllter Hohlräume in einer Flüssigkeit. Sie tritt in den Druckminima der Schallschwingung auf. Fällt ein Bläschen in der Nähe einer festen Wand zusammen, entsteht ein schneller Flüssigkeitsstrahl, der Mikrojet. Die Druckstöße erreichen laut Wikipedia Größenordnungen von mehreren 100 MPa (1 MPa entspricht 10 bar), allerdings nur für Bruchteile einer Sekunde. Elma beschreibt, dass dieser Vorgang millionenfach pro Sekunde abläuft. Ein einzelnes Bläschen trägt wenig Energie, die Masse der Bläschen löst den Schmutz.

Wie stark die Reinigung von der Kavitation abhängt, zeigt ein Versuch der Fachhochschule Nordwestschweiz mit einer Industrieanlage (27 und 80 kHz, 800 W). Bei einem Kavitationsrauschpegel unter 20 dB lag die Abreinigung bei rund 10 Prozent. Über 32 dB erreichte sie 45 bis 80 Prozent. Ohne Kavitation reinigt der Schall kaum. Deshalb zählen Entgasung, Frequenz, Temperatur und Flüssigkeit mehr als die reine Wattzahl auf dem Karton.

Welche Rolle spielt der Piezo-Schwinger?

Der Piezo-Schwinger erzeugt die Schallwelle. Er nutzt den umgekehrten piezoelektrischen Effekt: Ein Material verformt sich, wenn Spannung anliegt. Eine Wechselspannung bringt den Körper bei seiner Resonanzfrequenz zum Schwingen und erzeugt so die Ultraschallwelle (Wikipedia, Piezoelektrizität). In Ultraschallbädern kommen laut Wikipedia meist piezokeramische Wandler zum Einsatz, magnetostriktive Wandler sind seltener.

Die Schwinger sind unter dem Wannenboden oder an den Seiten befestigt. Die Zahl der Schwinger bestimmt, wie sich die Leistung verteilt: Der CREWORKS 10 l hat laut Herstellerangabe 4 Wandler bei 240 W Ultraschallleistung, rechnerisch 60 W je Wandler. Bandelin nennt eine Edelstahlwanne mit definierter Materialstärke als Voraussetzung für eine gleichmäßige Schallausbreitung. Ohne Sweep-Modus verteilt sich die Kavitation ungleich. Der Arbeitskreis Dentalinstrumente schreibt, dass eine Frequenzmodulation die Verteilung gleichmäßiger macht.

Welche Frequenz ist richtig: 35 bis 40 kHz oder 45 bis 50 kHz?

Die Ultraschallfrequenz bestimmt die Größe der Bläschen. Niedrige Frequenzen erzeugen wenige, große Bläschen mit viel Energie. Hohe Frequenzen erzeugen mehr, kleinere Bläschen mit weniger Energie je Bläschen. Branson beschreibt, dass die Zahl der Hohlräume linear mit der Frequenz steigt. Elma ordnet 25 bis 40 kHz den großen, energiereichen Bläschen zu und 80 bis 130 kHz einer deutlich sanfteren Reinigung. Wikipedia nennt schon ab 35 kHz eine schonendere Reinigung von Oberflächen. Die Quellen überlappen also im Bereich um 40 kHz.

Die Einteilung in 35 bis 40 und 43 bis 50 kHz ist unsere Einordnung. Keine der Quellen misst den Unterschied zwischen 40 und 47 kHz in Zahlen. Ein Rechenbeispiel zeigt, warum er klein ausfällt: Die Wellenlänge beträgt bei 27 kHz laut einem Fachbeitrag zur Tagung der Deutschen Gesellschaft für Akustik rund 55 mm. Sie sinkt im gleichen Verhältnis, wie die Frequenz steigt, und liegt damit bei 40 kHz rechnerisch bei rund 37 mm und bei 47 kHz bei rund 32 mm. Prüfe bei jedem Gerät die Frequenz im Datenblatt. Bei vielen Kompaktgeräten fehlt die Angabe.

Welche Rolle spielen Wärme, Tenside und Entgasen?

Elma nennt vier Stellgrößen: Reinigungsmedium, Temperatur, Zeit und Frequenz. Wir fassen sie als Vier-Hebel-Regel zusammen: Flüssigkeit, Wärme, Zeit, Frequenz. Wer ein Ergebnis verbessern will, ändert einen Hebel und beobachtet, was passiert.

Wie wirken Tenside im Ultraschallbad?

Ein Tensid senkt die Oberflächenspannung der Flüssigkeit. Laut Elma fördert das die Kavitationswirkung. Wikipedia nennt Wasser mit zugesetzten Tensiden als gängigste Reinigungsflüssigkeit. Bandelin schreibt in der Gebrauchsanweisung des Modells RK 156, dass Wasser ohne jeglichen Zusatz für die Beschallung ungeeignet ist. Welche Mittel für welches Material taugen, erklärt der Ratgeber Welche Flüssigkeit für den Ultraschallreiniger?.

Wie viel Wärme hilft?

Wärme beschleunigt das Lösen von Fett und Öl. BGS technic empfiehlt für seine Teilereiniger 40 bis 60 °C und gibt an, dass die Wirkung über 70 bis 80 °C nachlässt. Bandelin nennt 50 bis 60 °C als Bereich für die besten Ergebnisse. Branson schreibt, dass die intensivste Kavitation deutlich unter dem Siedepunkt der Flüssigkeit auftritt. Ohne Heizung erwärmt sich das Wasser im Betrieb laut Emag auf etwa 30 bis 35 °C. Für Brillen gilt eine Grenze nach oben: Das Kuratorium Gutes Sehen warnt, dass zu heißes Wasser spezielle Gläserbeschichtungen beschädigen kann.

Warum muss die Flüssigkeit entgast werden?

Frisches Leitungswasser enthält gelöste Gase. Gasblasen verschlechtern laut Wikipedia die Ausbildung der Kavitationsblasen. Die Funktion Degas entgast die Flüssigkeit durch Beschallen ohne Reinigungsgut. Emag nennt 5 Minuten im Degas-Modus, Elma 5 bis 10 Minuten, Bandelin 10 Minuten bis 10 Liter Badvolumen und 30 Minuten darüber. Die Anleitung Ultraschallreiniger anwenden zeigt den Ablauf Schritt für Schritt.

Wo liegen die Grenzen der Ultraschallreinigung?

Was ist Abschattung?

Teile im Schallweg schirmen dahinterliegende Flächen ab. Bei überladenem Korb erreicht die Kavitation nicht jede Stelle. Branson begrenzt die Beladung: Die Summe der Querschnittsflächen des Reinigungsguts soll 70 Prozent der Wannenfläche nicht überschreiten. Der Arbeitskreis Dentalinstrumente verlangt, Instrumente nicht zu stapeln und Gelenke zu öffnen. BGS technic nennt für den Metallkorb eine Dämpfung von nur etwa 8 Prozent der Ultraschallenergie, ein Korb kostet also wenig Wirkung und schützt Gerät und Teile.

Warum bleibt eine Anlaufschicht manchmal?

Silber verbindet sich laut der Goldschmiede Plaar mit Schwefel aus der Luft zu Silbersulfid. Das ist eine chemische Schicht und kein loser Schmutz. Ultraschall bewegt die Flüssigkeit, ob die Schicht weicht, entscheidet die Chemie des Konzentrats. Ein Anbieter beschreibt leichtes Anlaufen an einer Silberkette nach 3 bis 5 Minuten mit alkalischem Konzentrat als behoben (Ultraschall-Welt, Emmi-Anwendungsbeispiel). Kräftige Schichten lösen Entoxidationsmittel wie das EM-100, die Oxid- und Sulfidschichten entfernen. Der Hersteller schließt ausdrücklich vergoldete und versilberte Teile sowie Perlen, Korallen, Bernstein und weiche Steine aus.

Was passiert mit Lack, Kleber und weichen Materialien?

Der Mikrojet trägt auf harten Oberflächen im Extremfall Material ab: Wikipedia beschreibt kraterförmige Materialabtragungen, die Fachleute Kavitationserosion nennen. Elma schreibt in der Bedienungsanleitung der Elmasonic-S-Reihe: „Achten Sie speziell bei empfindlichen Oberflächen auf eine angepasste Beschallungsdauer.“ Branson hält fest, dass Elastomere und nicht starre Kunststoffe Energie aufnehmen. Keine der von uns gesichteten Herstellerangaben gibt Lack oder Klebstoff frei. Wir behandeln beides deshalb als „nie“. Die Liste mit Begründungen steht im Ratgeber Ultraschallreiniger: Was darf nicht hinein?.

Mit Ultraschall oder ohne?

Ultraschall lohnt sich dort, wo Bürste und Tuch nicht hinkommen. Der Arbeitskreis Dentalinstrumente nennt als Einsatzgebiet Instrumente mit komplizierter Konstruktion, die sich durch Bürsten oder Spülen nur unsicher reinigen lassen. Bei glatten Flächen genügt oft die Handreinigung.

Grundig UC 6620

Das Grundig UC 6620 zeigt die beschriebene Technik im Kleinformat. Das Becken fasst 500 ml, der Timer bietet fünf Stufen von 90 bis 480 Sekunden. Siebeinsatz und Uhrenhalter gehören zum Lieferumfang. Der Hersteller nennt 50 W als „Leistung“, ohne sie dem Ultraschall zuzuordnen. Eine Leistungsdichte lässt sich daraus nicht berechnen. Auch die Frequenz fehlt im Listing, prüfe sie in der Anleitung. Damit lässt sich die Frequenz-Tabelle oben nicht auf das Gerät anwenden, und genau das verlangt die Vier-Hebel-Regel: Bei einem Kompaktgerät ohne Heizung und ohne Degas-Taste stellst du Flüssigkeit, Zeit und Wärme selbst ein. Nimm ein Konzentrat, lass das Gerät vor dem ersten Bad kurz leer laufen und wähle für Brille und Schmuck die kürzeste Stufe. Die Preisklasse liegt unter 40 €. Der Hersteller schließt empfindliche und poröse Steine wie Opal, Koralle, Türkis, Lapislazuli und Perlen aus, außerdem Kontaktlinsen sowie Gegenstände aus Holz, Textil und Leder. Wir haben die Geräte nicht selbst ausprobiert, sondern anhand der Herstellerangaben im Ultraschallreiniger-Vergleich eingeordnet.

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