Was ist Kavitation? Wie eine implodierende Blase eine Oberfläche reinigt

Ein Ultraschallreiniger hat keine beweglichen Teile in der Flüssigkeit. Die Schwinger unter dem Beckenboden drücken und ziehen die Beckenwand zwischen 28 000 und 40 000 Mal je Sekunde, und diese Bewegung wandert als Druckwelle in die Flüssigkeit. Gereinigt wird durch das, was die Welle mit der Flüssigkeit macht, nicht durch die Welle selbst.

Die Druckwelle reißt die Flüssigkeit auf

Eine Schallwelle ist eine Folge von Überdruck- und Unterdruck-Halbwellen. In der Unterdruckphase wird die Flüssigkeit so stark auseinandergezogen, dass sich an Schwachstellen mikroskopische Hohlräume öffnen: an gelöstem Gas, an Staub, an einem Kratzer auf dem Teil. Jeder Hohlraum füllt sich mit Dampf und Gas und wächst über einige Zyklen.

Die Blase wächst und fällt dann zusammen

In der Überdruckphase des folgenden Zyklus wird die Blase zerdrückt. Weil eine Blase weit schneller zusammenfällt, als sie wächst, trifft die in ihrer Wand gespeicherte Energie in einem Bruchteil einer Mikrosekunde an einem Punkt ein. Nahe einer festen Oberfläche verläuft der Kollaps asymmetrisch: Die abgewandte Blasenwand stülpt sich nach innen und schießt einen Flüssigkeitsstrahl auf die Oberfläche. Gemessene Strahlgeschwindigkeiten reichen bis zu Hunderten Metern je Sekunde, und die örtliche Druckspitze erreicht Hunderte bar, auf einer Fläche von der Größe der Blase.

Dieser Strahl hebt einen Ölfilm ab, bricht eine Kohlenstoffschicht auf oder schlägt einen Span aus einem Sackloch. Weil Blasen überall entstehen, wo Flüssigkeit ist, entstehen sie auch in Bohrungen, unter Schraubenköpfen und in den Gewindegängen einer Mutter. Nichts muss die Stelle erreichen; die Flüssigkeit ist schon dort.

Warum die Parameter zählen

Jede Einstellung an der Anlage verändert das Verhalten der Blasen.

• Frequenz bestimmt die Blasengröße. Bei 28 kHz sind die Blasen größer und fallen härter zusammen; bei 40 kHz sind sie kleiner, zahlreicher und sanfter. Der Leitfaden 28 oder 40 kHz behandelt die Wahl.
• Temperatur verändert Dampfdruck und Viskosität der Flüssigkeit. In Wasser ist die Kavitation bei etwa 50 bis 60 °C am stärksten; oberhalb von etwa 80 °C füllen sich die Blasen mit Dampf, dämpfen ihren eigenen Kollaps und reinigen weniger, auch wenn die Chemie schneller wirkt. Unsere ST-Becken heizen bis 110 °C, doch die meisten Reinigungen laufen zwischen 45 und 65 °C.
• Gelöstes Gas dämpft den Kollaps auf dieselbe Weise. Ein frisch gefülltes Becken reinigt schlecht, bis die Luft ausgetrieben ist; genau das erledigt der Degas-Zyklus eines digitalen Generators in wenigen Minuten.
• Oberflächenspannung und Reiniger entscheiden, wie leicht sich die Hohlräume öffnen und wie der gelöste Schmutz abtransportiert wird. Reines Wasser kavitiert, aber eine kleine Menge Tensid macht das Verfahren deutlich wirksamer.
• Leistungsdichte, die Watt je Liter, bestimmt, wie viele Blasen je Sekunde im Volumen entstehen. Unsere Becken arbeiten je nach Größe mit etwa 9 bis 40 W je Liter; der Beitrag zur Leistungsdichte erklärt die Spanne.

Was Kavitation nicht kann

Eine Blase fällt an der Grenze zwischen Flüssigkeit und Festkörper zusammen. Einen Stoff, den die Flüssigkeit nicht benetzen kann, löst sie nicht; Fett auf einem aufschwimmenden Teil oder eine trockene, eingeschlossene Lufttasche bleibt schmutzig. Teile müssen deshalb vollständig eingetaucht und so ausgerichtet sein, dass Luft entweichen kann. Außerdem ist es der Kavitation gleich, was sie trifft: Weiches Aluminium, Eloxalschichten und polierte Flächen können nach langen Zyklen bei 28 kHz eine matte „Kavitationserosion“ zeigen; ein Grund, auf fertig bearbeiteten Flächen mit 40 kHz und kurzen Zyklen zu arbeiten.

Selbst sehen

Ein Blatt Haushaltsalufolie, eine Minute ins Becken gehalten, kommt dort perforiert heraus, wo die Kavitation stark ist, und unberührt, wo sie schwach ist. Der Beitrag zum Folientest erklärt, wie Sie das Muster lesen und damit eine Anlage über ihre Lebensdauer prüfen.