Ein Ultraschallwandler ist ein Energieumwandlungsgerät, das elektrische Energie in mechanische Leistung (d.h. Ultraschall) umwandelt und überträgt, wobei er selbst nur eine minimale Menge an elektrischer Leistung verbraucht.
Der Ultraschallgenerator (auch als Ultraschallstromversorgung bekannt) wandelt 220V Wechselstrom in hochfrequenten Strom um, welcher anschließend an die piezoelektrische Keramik weitergeleitet wird. Die piezoelektrische Keramik erzeugt bei Resonanz im Ultraschallbereich durch den piezoelektrischen Effekt elektrische Signale, welche in lineare mechanische Vibrationen umgewandelt werden. Diese Vibrationen werden danach mittels eines Ultraschallhorns in ihrer Amplitude verstärkt (oder abgeschwächt), bevor sie an den Werkzeugkopf zur Bearbeitung weitergegeben werden. Ultraschallwandler gibt es allgemein in zwei Ausführungen: magnetostrictive und piezoelektrische Keramik. Unser Unternehmen verwendet ausschließlich piezoelektrische Keramikwandler.
Magnetostriction: Der Effekt, bei dem Materialien unter dem Einfluss eines Magnetfeldes verformt werden oder beim Verformen ein Magnetfeld erzeugen. Diese Materialien enthalten in der Regel Nickel, das eine starke Magnetostriktion aufweist. Magnetostruktive Sensoren nutzen magnetostriktive Materialien (meist in laminierten Form). Aufgrund von Wirbelströmen weisen magnetostriktive Wandler im Vergleich zu piezoelektrischen Wandlern höhere Verluste auf, was strengere Anforderungen an die Kühlung erforderlich macht.
Die Zusammensetzung von Ultraschallwandlern
Fast alle piezoelektrischen Wandler, die für Leistungsumschaltung verwendet werden, sind vom Langevin-Typ, das heißt, ein oder mehrere Piezokeramiken werden mechanisch zwischen einem vorderen und hinteren Treiber zusammengedrückt (vorgespannt).
Ultraschallwandler bestehen hauptsächlich aus zentralen piezokeramischen Elementen, vorderen und hinteren Metallabdeckungen, vorgespannten Bolzen, Elektrodenplatten und Isolierrohren, wie in der folgenden Abbildung detailliert beschrieben. Fast alle piezoelektrischen Wandler, die für Leistungsultraschall verwendet werden, sind vom Langevin-Typ. Dabei handelt es sich um einen oder mehrere piezokeramische Wandler, die mechanisch zwischen einem vorderen und einem hinteren Treiber komprimiert (vorgespannt) sind.
Hinterer Treiber: Ein zylindrisches Element, das sich auf der Rückseite des piezoelektrischen Wandlers befindet. Der hintere Treiber liegt neben dem letzten Stück Piezokeramik und übt in der Regel eine Vorlast über gestapelte Bolzen aus.
Elektrodenplatte: Eine dünne leitfähige Scheibe, die zwischen benachbarten piezoelektrischen Keramiken in einem Wandler platziert ist. Die Ansteuerspannung des Wandlers wird über diese Elektroden angelegt.
Vorderer Treiber: Leitet die Ultraschallenergie des Wandlers an das Horn oder den Werkzeugkopf weiter. Der vordere Treiber enthält in der Regel eine Anschlusslasche, um mit dem Gehäuse verbunden zu werden.
Vorgespannte Schraube: Eine einzelne Schraube durchdringt das zentrale Loch der Keramik. Wenn diese Schraube angezogen wird, wird die Keramik zwischen dem hinteren Treiber und dem vorderen Treiber zusammengedrückt, wodurch die erforderliche Vorspannung auf die Keramik ausgeübt wird.
Piezoelektrische Keramiken: Piezoelektrische Keramiken sind das Herzstück von Wandlermodulen und wandeln elektrische Signale von Ultraschallgeneratoren in lineare mechanische Vibrationen um.
piezoelektrische Keramische Scheibe
kernkomponenten des Wandlers
Piezokeramiken werden allgemein in 'weiche' oder 'harte' unterteilt. Harte Piezokeramiken werden für elektrische Anwendungen verwendet. Es gibt zwei grundlegende Typen harter Piezokeramiken, die üblicherweise als PZT-4 und PZT-8 bezeichnet werden (PZT steht für Blei-Zirconat-Titanat, die Zusammensetzung der Piezokeramik). Alle unsere Wandlermodule verwenden PZT-8-Piezokeramiken. PZT-8-Piezokeramiken weisen einen höheren Gütefaktor Qm, eine höhere zulässige Betriebstemperatur (Curie-Temperatur) und geringere dielektrische Verluste (tanδ) auf.
Leistung von piezoelektrischen Keramiken unter Bedingungen mit schwachem elektrischen Feld
Kern der Wandlerherstellung
Aufgrund der geringen Zugfestigkeit von Piezokeramiken muss beim Ultraschallvibrationsbetrieb des Wandlers eine statische Druckvorspannung angelegt werden, um zu verhindern, dass die Piezokeramik Zugspannungen ausgesetzt wird. Zudem gewährleistet die Vorspannung einen guten Kontakt an den Grenzflächen der Piezokeramik, sodass Schallwellen mit minimalem Verlust übertragen werden können. Die Druckvorspannung muss ausreichend sein, um zu verhindern, dass die Piezokeramik während der Ultraschallschwingung Zugspannungen erfährt und um ein seitliches Gleiten der Piezokeramik zu vermeiden. Die Höhe der Vorspannung während der Fertigung von Ultraschallwandlern spielt eine entscheidende Rolle für die Qualität.
Nach dem Anziehen der vorgespannten Schrauben kann eine Vorspannung auf das Piezokeramik-Material angewendet werden. Traditionell wird ein Drehmomentschlüssel verwendet, um einen bestimmten Drehmomentwert einzustellen, bevor die vorgespannten Schrauben festgezogen werden. Allerdings wird dieser Parameter von vielen Faktoren beeinflusst und führt oft zu Abweichungen. Selbst bei gleichem Drehmoment wirkt sich das Schmiervermögen der Schrauben sowie die vordere und hintere Antriebseinheit auf die Stärke der Vorspannung aus, die auf die Keramikplatten ausgeübt wird.
der vorgespannte Zustand wird durch die Schmierfähigkeit der Schrauben beeinflusst.
Die Auswirkung der Vorspannung auf Wandler
Die Impedanz und Frequenz von Piezokeramiken stabilisieren sich mit zunehmender Vorbelastung. Eine höhere Vorbelastung kann die Impedanz des Wandlers reduzieren. Falls die Piezokeramik nicht ausreichend geklemmt wird, erhöht sich die Impedanz des Wandlers.
Ist es wahr, dass die Vorspannung des Wandlers möglichst hoch sein sollte?
Eine übermäßige Vorspannung kann die Leistung des Wandlers beeinträchtigen, hauptsächlich in folgenden Aspekten sichtbar:
1. Das Verhalten von Piezokeramiken ändert sich unter Druckbelastung. Insbesondere kann sich die höchste zulässige Betriebstemperatur des Materials erheblich verringern, und hohe Druckspannungen können die Curie-Temperatur senken.
2. Ein übermäßiger Vorspanndruck kann zu einer starken Entpolung führen und gleichzeitig eine instabile Impedanz sowie Alterung verursachen.
3. Übermäßige Vorspannung kann die Lebensdauer des Wandlers reduzieren, im Extremfall sogar Risse in den Keramikplatten des Wandlers verursachen.
4. Zu Beginn kann eine übermäßige Vorspannung im Wandler eine niedrigere Impedanz bewirken, mit der Zeit verschlechtert sich jedoch die Leistung des Wandlers, begleitet von Produkten mit hoher Impedanz.
HCSONIC Wandlerfertigung
Wir befestigten den Wandler auf der Werkbank und verbanden anschließend die positiven und negativen Elektroden der Elektrodenplatte mit dem speziellen Gerät. Nach Eingabe der entsprechenden Parameter zogen wir die vorgespannten Bolzen mit einem spezifischen Schraubenschlüssel fest. Wenn die Vorspannung den erforderlichen Wert erreicht hat, gibt das Gerät einen Hinweis zum Beenden der Arbeit, wodurch hochwertige Ultraschallwandler entstehen, die für verschiedene Arbeitsumgebungen geeignet sind. Ultraschallwandler sind die Hauptkernkomponenten bei der Herstellung von Ultraschallgeräten.
Wir können verschiedene Wandler unterschiedlicher Frequenzen gemäß den Kundenbedürfnissen anfertigen, mit Frequenzbereichen von 15 kHz bis 120 kHz. Diese werden für Ultraschallschweißen, Ultraschalltrennen, Ultraschallzerstäubung und ultraschallchemische Flüssigkeitsbehandlung sowie andere Anwendungen eingesetzt. HCSONIC-Ultraschallwandler bieten ein Jahr Garantieservice.
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