Ultraschallhorn - Ultrasonic horn
Ein Ultraschallhorn (auch bekannt als akustisches Horn , Sonotrode , akustische Wellenleiter , Ultraschallsonde ist eine sich verjüngende Metallstab häufig verwendet zur Erhöhung der Schwingungsverschiebungsamplitude durch einen Ultraschall vorgesehen) Wandlerbetriebs am unteren Ende des Ultraschallfrequenzspektrums (üblicherweise zwischen 15 und 100 kHz). Die Vorrichtung ist erforderlich , da die Amplituden von den Wandlern vorgesehen sind , sich nicht ausreichend für die meisten praktischen Anwendungen der Leistungs Ultraschall . Eine weitere Funktion des Ultraschallhornes ist , um effizient die akustische Energie von dem Ultraschall - Übertragung Wandler in denen behandelten Medien, die fest sein können (zum Beispiel in der Ultraschall - Schweißen , Ultraschallschneiden oder Ultraschalllöten ) oder Flüssigkeit (zum Beispiel in der Ultraschall - Homogenisierung , Sonochemie , Mahlen , Emulgieren , Sprühen oder Zellaufbrechen ). Die Ultraschallbearbeitung von Flüssigkeiten beruht auf starken Scherkräften und extremen lokalen Bedingungen (Temperaturen bis zu 5000 K und Drücken bis zu 1000 atm), die durch akustische Kavitation erzeugt werden .
Beschreibung
Das Ultraschallhorn ist üblicherweise ein massiver Metallstab mit einem runden Querschnitt und einem Längsquerschnitt variabler Form - das Stabhorn . Eine weitere Gruppe umfasst das Blockhorn, das einen großen , rechteckigen Querschnitt hat und einen variable Form Längsschnitt, und komplexeren Verbund Hörner. Die Geräte aus dieser Gruppe werden mit fest behandelten Medien verwendet. Die Länge der Vorrichtung muss so sein, dass bei der gewünschten Ultraschallfrequenz des Betriebs eine mechanische Resonanz auftritt - eine oder mehrere halbe Ultraschallwellenlängen im Hornmaterial, wobei die Schallgeschwindigkeitsabhängigkeit vom Hornquerschnitt berücksichtigt wird. In einer gemeinsamen Montage wird das Ultraschallhorn starr mit dem Ultraschall verbunden Wandler einen Gewindebolzen verwendet.
Ultraschallhörner können anhand der folgenden Hauptmerkmale klassifiziert werden: 1) Längsquerschnittsform - abgestuft, exponentiell, konisch, katenoidal usw. 2) Querquerschnittsform - rund, rechteckig usw. 3) Anzahl der Elemente mit unterschiedlichen Längsschnittprofil - gemeinsam und zusammengesetzt. Ein zusammengesetztes Ultraschallhorn hat einen Übergangsabschnitt mit einer bestimmten Längsquerschnittsform (nicht zylindrisch), der zwischen zylindrischen Abschnitten positioniert ist.
Häufig hat ein Ultraschallhorn einen Übergangsabschnitt mit einem Längsquerschnittsprofil, das zum Ausgangsende konvergiert. Somit nimmt die longitudinale Schwingungsamplitude des Horns zum Ausgangsende hin zu, während die Fläche seines Querschnitts abnimmt. Ultraschallhörner dieses Typs werden hauptsächlich als Teile verschiedener Ultraschallinstrumente zum Ultraschallschweißen , Ultraschalllöten , Schneiden, Herstellen von chirurgischen Werkzeugen, zur Behandlung von geschmolzenem Metall usw. verwendet. Konvergierende Ultraschallhörner sind üblicherweise auch in Labor-Flüssigprozessoren enthalten, die für eine Vielzahl von Prozessen verwendet werden Studien, einschließlich Sonochemie , Emulgierung , Dispergierung und viele andere.
In industriellen Hochleistungs-Ultraschall-Flüssigprozessoren wie handelsüblichen sonochemischen Reaktoren, Ultraschallhomogenisatoren und Ultraschallmahlsystemen zur Behandlung großer Flüssigkeitsmengen bei hohen Ultraschallamplituden (Ultraschallmischen, Herstellung von Nanoemulsionen, Dispergieren fester Partikel, Ultraschall-Nanokristallisation usw. .) ist der bevorzugte Ultraschallhorn-Typ das Langhantelhorn. Langhantelhörner sind in der Lage, Ultraschallamplituden zu verstärken, während große Ausgangsdurchmesser und Strahlungsbereiche beibehalten werden. Es ist daher möglich, Laboroptimierungsstudien in einer kommerziellen Produktionsumgebung direkt zu reproduzieren, indem von konvergierenden zu Langhantelhörnern gewechselt wird, während hohe Ultraschallamplituden beibehalten werden. Bei korrekter Skalierung erzielen die Prozesse auf dem Werksgelände die gleichen reproduzierbaren Ergebnisse wie im Labor.
Die maximal erreichbare Ultraschallamplitude hängt in erster Linie von den Eigenschaften des Materials ab, aus dem ein Ultraschallhorn besteht, sowie von der Form seines Längsquerschnitts. Üblicherweise bestehen die Hörner aus Titanlegierungen wie Ti6Al4V, rostfreiem Stahl wie 440C und manchmal aus Aluminiumlegierungen oder Metallpulver . Die gebräuchlichsten und einfachsten Formen von Übergangsabschnitten sind konisch und katenoidal .
Anwendungen
Kunststoffe
Konsumgüter, Automobilkomponenten, medizinische Geräte und fast alle Branchen verwenden Ultraschall. Metalleinsätze können in Kunststoff befestigt werden, und unterschiedliche Materialien können häufig mit der richtigen Werkzeugkonstruktion verklebt werden. Ultraschallhörner gibt es in verschiedenen Formen und Ausführungen, aber alle müssen auf eine bestimmte Betriebsfrequenz abgestimmt sein. Am häufigsten sind 15 kHz, 20 kHz und 40 kHz.
Beim Ultraschallschweißen werden hochfrequente vertikale Bewegungen verwendet, um Wärme und den Fluss von thermoplastischem Material an der Grenzfläche der zusammengefügten Teile zu erzeugen. Der Druck wird aufrechterhalten, nachdem die Energiezufuhr gestoppt wurde, um eine erneute Verfestigung des verwobenen Kunststoffs an der Verbindung zu ermöglichen und die Teile mit einer homogenen oder mechanischen Verbindung zu sichern. Dieses Verfahren bietet im Gegensatz zu herkömmlichen Klebstoffen oder mechanischen Verbindungselementen ein umweltfreundliches Montagemittel.
Verweise
Weiterführende Literatur
- TJ Mason; J. Phillip Lorimer (2002). Angewandte Sonochemie: Die Verwendung von Leistungsultraschall in Chemie und Verarbeitung . Wiley-VCH. ISBN 3-527-30205-0.
- Yatish T. Shah; AB Pandit; VS Moholkar (1999). Kavitationsreaktionstechnik . Springer. ISBN 0-306-46141-2.