Prinzip und Einführung der Ultraschall-Metallzerstäubung

Die Ultraschallzerstäubungstechnologie ist eine effiziente und kostengünstige Methode zur Herstellung feiner Metallpulver. Die mit dieser Methode hergestellten Pulver weisen eine gute Sphärizität, kontrollierbare Partikelgröße und eine enge Größenverteilung auf, was sie zu einer vielversprechenden Technologie in der Metallpulverindustrie macht. Die Ultraschallzerstäubung von Metallen ist eine der Anwendungen der Ultraschallzerstäubungstechnologie und ihre Prinzipien ähneln denen der Ultraschallzerstäubung.

Bei der Ultraschall-Metallzerstäubung handelt es sich um den Prozess der Umwandlung von geschmolzenem Metall (Flüssigkeit) in feine Nebeltröpfchen in einer Gasphase. Hochfrequente Ultraschallschwingungen werden auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls ausgeübt, wodurch sich die Tröpfchen aufgrund der Spitzen der Ultraschallwellen ablösen und von der Oberfläche aufbrechen. Mit zunehmender Frequenz des Ultraschalls werden die zerstäubten Tröpfchen immer feiner. Durch die kontinuierliche Einwirkung der Ultraschallschwingungen können extrem feine Tröpfchen erzeugt werden.

Formen der Ultraschall-Metallzerstäubung

Bei der Ultraschall-Metallzerstäubung werden hochfrequente Ultraschallschwingungen eingesetzt, um aus geschmolzenem Metall in einer Gasphase feine Nebeltröpfchen zu erzeugen, die nach dem Abkühlen zu Metallpulver erstarren.

Die erste Form beinhaltet den direkten oder indirekten Kontakt zwischen der Metallschmelze und dem Ultraschallzerstäubungskopf. Die vom Generator erzeugten hochfrequenten elektromagnetischen Wellen werden vom Ultraschallwandler und Amplitudenmodulator umgewandelt und verstärkt, wodurch die hochfrequenten Schwingungen letztendlich auf den Fluss des geschmolzenen Metalls übertragen werden. Durch die hochfrequenten Schwingungen des Ultraschalls wird das geschmolzene Metall zerstäubt.

Bei der zweiten Form wird die durch die hochfrequenten Ultraschallschwingungen erzeugte Energie auf kleinem Raum konzentriert und der Ultraschall direkt zur Zerstäubung des geschmolzenen Metalls genutzt.

Die dritte Form kombiniert Ultraschallzerstäubung mit traditionellen Zerstäubungstechniken, um eine neue Hybridzerstäubungstechnologie zu schaffen.

Ultraschallzerstäubungsmechanismus

Für den Mechanismus der Ultraschallzerstäubung gibt es zwei Erklärungen: die Oberflächenspannungswellentheorie und die Mikroschockwellentheorie. Ein Kompromiss-Standpunkt legt nahe, dass beide Theorien bei der Ultraschallzerstäubung eine Rolle spielen.

Theorie der Oberflächenspannungswellen

Wenn die Amplitude der vibrierenden Flüssigkeit unter der Wirkung von Oberflächenspannungswellen einen bestimmten Wert erreicht, fliegen Tröpfchen aus der Wellenspitze heraus und bilden einen Nebel. Oberflächenspannungswellen erzeugen an den Wellenspitzen Tröpfchen, deren Größe proportional zur Wellenlänge der Oberflächenspannungswellen ist. Unter dem Einfluss von Oberflächenspannungswellen wird das flüssige Metall durch die Ultraschallfrequenz und die vibrierende Oberfläche der Tröpfchen von der Oberfläche zerstäubt. Bei der Ultraschall-Gaszerstäubung wird der geschmolzene Metallstrom durch mehrere Hochgeschwindigkeits-Gasimpulse beeinflusst und fragmentiert.

Mikroschockwellentheorie

Die Mikroschockwellentheorie legt nahe, dass die Ultraschallzerstäubung mit Kavitation zusammenhängt, was sich auf die Erzeugung einer großen Anzahl von Blasen bezieht, wenn hochfrequente Ultraschallschwingungen auf geschmolzenes Metall einwirken. Diese Blasen wachsen kontinuierlich und kollabieren. Beim Schließen der Blasen wird die auf die Flüssigkeit einwirkende Vibration in an den Blasen verrichtete Arbeit umgewandelt. Wenn die Blasen kollabieren, wird ein Teil ihrer Energie in Wärme und Lichtstrahlung umgewandelt, und die verbleibende Energie erzeugt Mikroschockwellenstrahlung. Diese Theorie legt nahe, dass die durch hochfrequente Ultraschallschwingungen unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche verursachte Kavitation letztendlich zur Bildung von Tröpfchen führt.

Einführung in die Ausrüstung

Ultraschallgenerator

Der Ultraschallgenerator wandelt 220 V Wechselstrom in hochfrequente elektrische Schwingungen um, um ausreichend elektrische Energie für die gesamte Zerstäubungsausrüstung bereitzustellen.

Ultraschallwandler

Der gebräuchlichste Typ ist ein piezoelektrischer Keramikwandler vom Sandwich-Typ. Seine Funktion besteht darin, hochfrequente elektrische Schwingungssignale in mechanische Schwingungen umzuwandeln und so elektrische Energie in hochfrequente Schwingungen umzuwandeln.

Amplitudenmodulator

Der Ultraschallamplitudenmodulator, auch Ultraschallkonzentrator genannt, verstärkt die Verschiebung und Geschwindigkeit der mechanischen Schwingung und konzentriert so die Ultraschallenergie auf einen kleineren Bereich.

Zerstäubungskopf

Der Ultraschallzerstäubungskopf ist das Bauteil, das direkt mit dem Material in Kontakt kommt und im Allgemeinen aus einer Legierung besteht. Der Schmelzpunkt des zerstäubten Metalls wird durch das Material des Zerstäubungskopfs begrenzt, wodurch sich diese Methode besser für die Herstellung von Metallen und Legierungen mit mittlerem bis niedrigem Schmelzpunkt eignet. Der Wandler und der Amplitudenmodulator übertragen hochfrequente Schwingungen an den Zerstäubungskopf, der auf die Metallschmelze einwirkt und diese in feine Partikel oder Pulver umwandelt.

Zerstäubungsprozess

Unter Ultraschall-Metallzerstäubung versteht man den Prozess, bei dem Hochgeschwindigkeits-Ultraschallschwingungen eingesetzt werden, um geschmolzene Metall- oder Legierungsströme aufzuprallen und zu zerstäuben, wodurch letztendlich feines Metallpulver entsteht. Bei der Ultraschallzerstäubung von Metallen wandelt der Generator Wechselstrom in hochfrequente elektromagnetische Wellen um, die dann vom Ultraschallwandler in hochfrequente Schwingungen umgewandelt werden. Über den Amplitudenmodulator werden die verstärkten Schwingungen schließlich auf den Werkzeugkopf (Zerstäubungskopf) übertragen. Wenn der Ultraschallzerstäubungskopf auf das geschmolzene Metall einwirkt, breitet sich das geschmolzene Metall unter den hochfrequenten Vibrationen zu einem Flüssigkeitsfilm aus. Wenn die Ultraschallamplitude ein bestimmtes Niveau erreicht, zerbricht das geschmolzene Metall und die fragmentierten Tröpfchen fliegen aus der vibrierenden Oberfläche und bilden einen Nebel.

Der Ultraschall-Metallzerstäubungsprozess kann grob in zwei Phasen unterteilt werden: Fragmentierung und Kondensation. In der ersten Phase wird das erhitzte und geschmolzene Metall oder die Legierung zerkleinert, was zur Bildung von Metalltröpfchen führt und sich auf die Größe des endgültigen Metallpulvers auswirkt. Die zweite Kondensationsstufe bestimmt die Bildung der endgültigen Metallpartikel, beeinflusst direkt die Form des Metallpulvers und beinhaltet hauptsächlich Wärmeleitung.