Ultraschall-Schwingungen messen - Dienstleistungen
Schwingungsmessung für die Ultraschall-Technik Entwicklung zur Erhöhung von Effizienz und Zuverlässigkeit
- kompetenter und schneller Vor-Ort-Service -Schwingungsmessung für die Ultraschalltechnik Entwicklung
Ultraschall-Schwingungen sind in vielen Bereichen des heutigen Lebens unverzichtbar. In der Medizintechnik unterstützen Ultraschallgeräte bei der bildgebenden Diagnostik aber auch beim Entfernen von Zahnstein, in der Prozess- und Anlagentechnik beim Schweißen und Fügen von Materialien, in der Verpackungsindustrie beim Verschweißen und Versiegeln von Lebensmittelverpackungen, beim Schneiden von Lebensmitteln, in der maschinellen Materialbearbeitung beim Bohren und Fräsen, und viele mehr.
Unsere Schwingungsmessungen unterstützen bei der optimalen Auslegung von Ultraschallschwingern. Mithilfe von Schwingungsanalysen sind Entwickler in der Lage, die Effizienz von Ultraschallwerkzeugen zu steigern, den Verschleiß zu minimieren und eine maximale Verfügbarkeit zu gewährleisten.
Schwingungsanalyse einer Ultraschallsonotrode flächenhaft gemessen mit Scanning Laser Vibrometer.
Unsere Messdienstleistungen für die Optimierung Ihrer Ultraschalltechnologie
Erfahren Sie hier, wie wir die Qualität Ihrer Ultraschallkomponenten verbessern können. Von der Amplitudenmessung über die Modalanalyse bis zur Qualitätsüberwachung in der Produkt - wir bieten umfassende Messdienstleistungen und Beratung.
- hochpräzise Amplitudenmessung an Ultraschall führenden Komponenten (Schwingweg und Schwinggeschwindigkeit)
- Messung der mechanischen Ausgangsamplitude von Ultraschallwandler und Komponenten
- Einschwingverhalten von Ultraschall-Transducer mit höchster zeitlicher Auflösung
- Qualitätsüberwachung von Ultraschallschwingern in der Produktion und Wareneingangskontrolle
- Bestimmung der Schwingungsformen, Eigenfrequenzen und Dämpfung mittels experimenteller Modalanalyse
- Unterwasser Amplitudenmessung z.B. für medizinische Ultraschallanwendungen
- Messung der Ultraschallwellenausbreitung in Luft und Wasser mittels Refraktovibrometrie
- Beratung zu Schwingungsmesstechnik für die Messung von Ultraschallschwingungen
Messtechnische Möglichkeiten unserer Ultraschall Schwingungsmessungen
- Schwingungsmessung im Frequenzbereich von 0 bis 24 MHz
- Hochpräzise Ultraschall Amplitudenmessung in µm- und nm-Messbereich
- Mehrkanalige simultane Erfassung von Schwingweg, Schwinggeschwindigkeit und weiteren analogen Spannungssignalen
- Weg-Zeit-Analysen
- Frequenz-Analysen
- Punktuelle Messungen mit Laser-Doppler-Vibrometer
- Flächige 2D- und 3D-Messung mit Scanning Vibrometer
- Messungen im Wasser-Bad / Aquarium ohne Beeinflussung der Abstrahlcharakteristik
Wie Sie Schwingungsmessungen in der Entwicklung und Produktion von Ultraschalltechnik einsetzen?
Der Einsatz von Schwingungsmesstechnik ist eine hilfreiche Methode und bringt für die Forschung, Entwicklung und Produktion von Ultraschall basierten Produkten signifikante Vorteile mit sich.
Schwingungsmessungen an Ultraschallkomponenten können dazu beitragen, Probleme bei der Funktionsweise von Ultraschallgeräten zu identifizieren und zu lösen. Durch die Messung der Schwingungen können beispielsweise Probleme wie ungleichmäßige Amplitudenverteilung oder ungewollte Schwingungseigenschaften erkannt werden, die zu unzureichender Leistung, mangelhafter Ultraschallqualität oder sogar zum frühzeitigen Ausfall von Komponenten führen können. Darüber hinaus können Schwingungsmessungen verwendet werden, um den optimalen Betriebspunkt von Ultraschallkomponenten zu bestimmen, was dazu beitragen kann, die Effektivität der Ultraschallanwendung zu maximieren und die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern.
Optimierung der Ultraschallleistung durch Komponentenauswahl und Konstruktion
Schwingungsmessungen ermöglichen es, die dynamischen Eigenschaften von Ultraschall-Komponenten zu messen und zu optimieren. Das damit gewonnene Wissen führt zu einer verbesserten Wirkung und Effizienz.
Ultraschall-Geräte wie z.B. eine Ultraschall-Schweißanlage bestehen aus verschiedenen Komponenten:
- Ultraschall-Generator: erzeugt eine hochfrequente Wechselspannung im Frequenzbereich von mehreren kHz bis MHz
- Konverter (Ultraschallwandler): wandelt die vom Generator bereitgestellte Wechselspannung in eine mechanische Bewegung
- Booster (Verstärkungs- oder Transformationsstück): Verstärkung der Schallenergie und des Schalldrucks
- und Sonotrode (Ultraschall-Werkzeug): Anwendungsspezifisches Ultraschall-Werkzeug für z.B. Ultraschall-Schweißen
Ein bedeutendes Entwicklungsziel ist die optimale Auslegung der gesamten Ultraschall-Kette. Denn stimmt die Eigenfrequenz einer Sonotrode nicht mit der gewünschten Arbeitsfrequenz überein, muss der Generator zusätzlichen Mehraufwand betreiben, um die Sonotrode auf die gewünschte Arbeitsfrequenz zu bringen. Dies erfordert nicht nur eine höhere Belastung des Generators, sondern auch des gesamten Systems. Daher ist die optimale Auslegung aller Ultraschallkomponenten von entscheidender Bedeutung, um die Effizienz und Lebensdauer des Ultraschallsystems zu maximieren.
- Materialauswahl: Die Wahl des richtigen Materials für die Sonotrode ist in vielerlei Hinsicht von großer Bedeutung. Bei der Auswahl des Materials sind viele Aspekte zu beachten: Härte, Dauerbelastbarkeit und Verschleiß, Zerspanbarkeit, Materialpreis, Amplitudenweite, mögliches Übersetzungsverhältnis. Eine gängige Wahl für Sonotroden ist Titan, Aluminium, Stahl.
- Geometrie: Die Form der Sonotrode sollte so gestaltet sein, dass sie eine maximale Übertragung der Schwingungen auf das Werkstück ermöglicht. Sie beeinflusst die Schwingungsverteilung und die Kontaktfläche mit dem zu schweißenden Material. Eine Sonotrode mit einer spitzen Form kann beispielsweise besser in Ecken und Kanten eindringen, während eine flachere Sonotrode besser für flache Oberflächen geeignet sein kann. Durch Nuten und Rillen kann an der Kontaktfläche die Schwingungsübertragung verbessert werden.
- Eigenfrequenz und Eigenmode: Die Eigenfrequenz einer Sonotrode wird oft auch als Resonanzfrequenz bezeichnet und ist ein wichtiger Faktor für die effektiv zu erzielende Ultraschallleistung. Es ist die Frequenz, bei der die Sonotrode am effizientesten schwingt und die größte Menge an Schwingungsenergie auf das Material überträgt. Durch die sorgfältige Abstimmung der Resonanzfrequenz der Sonotrode auf die Frequenz des Ultraschallgenerators kann die Schwingungsübertragung weiter optimiert werden, um eine präzise und zuverlässige Schweißnaht zu erzielen.
Mit unseren Messdienstleistungen der Schwingungstechnik werden Eigenfrequenzen sowie dazugehörigen Eigenmoden bereits im Prototypenbau identifiziert und mit Simulationsmodellen abgeglichen.
Qualitätskontrolle der Ultraschall-Amplitude in der Fertigung
Die Qualitätskontrolle bietet drei wesentliche Vorteile: Fehlervermeidung, Kostenreduzierung und Kundenbindung. Durch frühzeitige Erkennung und Behebung von Fehlern kann die Produktqualität und die Fertigungsprozesse nachhaltig gesteigert und Ausschuss sowie Nacharbeiten minimiert werden. Hohe Qualitätsstandards und eine ausgeprägt hohe Qualitätssicherung tragen zu einer hohen Produktqualität und einer langfristigen Kundenbindung bei.
Die nachfolgenden Methoden gelten nicht ausschließlich für den Bereich des Ultraschallschweißens, sondern können auf jegliche Anwendungen aus der Ultraschalltechnik angewandt werden. Kommen Sie mit Ihren Ideen, Wünschen und Fragen gerne auf uns zu.
Die Weg-Amplitude einer Ultraschallsonotrode ist die maximale Auslenkung der Sonotrode während eines Schwingungszyklus und hat einen direkten Einfluss auf die Qualität des Schweißprozesses. Eine zu hohe Amplitude kann dazu führen, dass das Material beschädigt wird oder das Ultraschallschweißergebnis unzureichend ist. Eine zu niedrige Amplitude kann dagegen zu einem unvollständigen Schweißergebnis führen.
Die Qualitätskontrolle und Qualitätsüberwachung in der Ultraschalltechnik kann in folgenden Bereichen eingesetzt werden:
Kontrolle der Weg Amplitude von Ultraschall-Komponenten unter vorgegebenen Prüfbedingungen
z.B. Amplitudenmessung von Konverter, Booster, Sonotrode, usw.
Durch eine präzise Amplitudenkontrolle können Qualitätsmängel vermieden und ein reibungsloser Ablauf der Fertigung gewährleistet werden. Qualitätsmanager sollten sich daher mit diesem Thema vertraut machen und sicherstellen, dass entsprechende Maßnahmen zur Amplitudenkontrolle getroffen werden. Die Amplitudenmessung kann sowohl punktuell an einem oder nur wenigen Messpunkten erfolgen oder flächig mit einer Vielzahl von Messpunkten zur Erfassung der Homogenität der Amplitudenverteilung über die Werkzeugoberfläche beitragen.
Überwachung der Schwingungsparameter von Ultraschallkomponenten unter Betriebsbedingung
z.B. Schwingungsmessung an der Ultraschallsonotrode während des Ultraschallschweißens zur Überwachung der Qualität des Schweißergebnisses.
Um die Qualität des Schweißprozesses zu gewährleisten, ist es daher wichtig, die Amplitude der Sonotrode in Echtzeit zu überwachen und gegebenenfalls anzupassen. Dazu können Ultraschallmessgeräte eingesetzt werden, die die Amplitude der Sonotrode kontinuierlich überwachen. Wenn die Amplitude außerhalb des zulässigen Bereichs liegt, wird ein Alarm ausgelöst oder der Schweißprozess wird automatisch gestoppt. Es handelt sich dabei um ein nicht zerstörendes Prüfverfahren.
Finida Messtechnik unterstützt Sie mit Machbarkeitsstudien, Auftragsmessungen und Expertise im Bereich der Ultraschall-Amplitudenmessung und -Frequenzmessung. Hierfür setzen wir etablierte optische und akustische Sensortechnik für die hochpräzise und reproduzierbare Messung von Ultraschall-Amplituden ein.
Kann die Ultraschall Qualitätskontrolle auch Ihre Produktqualität und Prozesse sichern? Wir finden es heraus! Ich unterstütze Sie persönlich auf Ihrem Weg zur eigenen 100% akustischen Qualitätsprüfung.
Mehr Informationen finden Sie hier: "Akustische Qualitätsprüfung 100% zerstörungsfrei" oder Sie kontaktieren mich am besten gleich direkt über meine Kontakt-Seite.
Messung der Ultraschall Amplitudenverteilung - Amplituden-Homogenität
Die Messung der Amplitudenverteilung an Ultraschall-Komponenten ist ein wichtiger Schritt bei der Entwicklung und der Qualitätskontrolle von Sonotroden und anderen Ultraschall-Geräten. Dabei wird die Weg-Amplitude der Ultraschall-Sonotrode an mehreren Messpunkten gemessen und in einer gemeinsamen Schwingungsanimation dargestellt. Durch die Analyse der Messdaten können Abweichungen in der Amplitudenverteilung identifiziert werden, die wiederum auf Unregelmäßigkeiten in der Sonotrode oder im Ultraschallprozess hinweisen können. Die zu messenden Messpunkte können von wenigen einzelnen bis hin zu mehreren Tausend Messpunkte betragen und liefern ein immer wieder beeindruckende Einblicke in das Schwingungsverhalten von Ultraschallkomponenten.
Für unsere Messdienstleistungen und Auftragsmessungen verwenden wir zur Erfassung der Schwingungseigenschaften von Ultraschall-Komponenten Laser-Doppler-Vibrometer. Zur flächigen Untersuchung und Visualisierung von Ultraschall-Schwingungen sind Laser Scanning Vibrometer das etablierte Werkzeug erster Wahl.
Reduzierung von Verschleiß
Schwingungsmessungen können dazu beitragen, den Verschleiß von Sonotroden zu bewerten. Durch die kontinuierliche Schwingungsüberwachung und Beobachtung der Schwingungsmuster können Anpassungen am Ultraschallprozess vorgenommen oder Komponenten rechtzeitig vor einem verschleißbedingten Ausfall getauscht werden.
Kosteneinsparungen
Schwingungsmessungen können dazu beitragen, die Kosten für die Entwicklung von Ultraschallsonotroden zu senken, indem sie helfen, Probleme frühzeitig zu erkennen und zu beheben, und die Effizienz der Sonotroden verbessern.
Finida Messtechnik unterstützt Sie mit der Durchführung von professionellen, maßgeschneiderten Messdienstleistungen. Wir messen für Sie Ultraschallschwingungen nahezu jeder Frequenz und machen diese für Sie sichtbar und quantifizierbar - punktuell, flächig, eindimensional (1d) und dreidimensional (3d).
Was ist Ultraschall?
Der Begriff Ultraschall beschreibt Wellen, deren Frequenz oberhalb des von Menschen akustisch wahrgenommen Hörbereichs liegen. Typische Arbeitsfrequenzen von Ultraschall-Applikationen bewegen sich im Bereich um 20 kHz. Darüber hinaus gibt es auch höherfrequente Ultraschallsysteme und Ultraschallanwendungen, die in Arbeitsfrequenzen von z.B. 100 kHz, 1 MHz (Megaschall) oder im Gigaherz-Bereich angesiedelt sind. Die dabei auftretenden Weg-Auslenkungen liegen für gewöhnlich im µm-Bereich, je nach Frequenz auch im Nanometer- bis Pikometer-Bereich.
Ultraschallwellen finden sowohl in Festkörpern, Gasen wie auch in Flüssigkeiten Anwendung. Sie unterliegen den gleichen physikalischen Gesetzen wie auch akustische Wellen. Bei der gezielten Führung und Formung von Ultraschallwellen sind daher Beugung, Interferenz und Brechung zu berücksichtigen. Für eine optimale Gestaltung und Auslegung von Ultraschallschwingern und Ultraschallprozessen ist die Kenntnis über die Entstehung, Kopplung und Wellenausbreitung von großer Bedeutung. Erste Erkenntnisse darüber liefern Simulationsmodelle. Für den Abgleich von Simulationen (Modellvalidierung), die Qualitätskontrolle der Amplitudenverteilung, Überwachung von Amplituden, Troubleshooting und den direkten Vergleich von Versuchsträgern werden experimentelle Messungen mit dafür geeigneter Messtechnik durchgeführt.
Finida Messtechnik unterstützt Sie mit der Durchführung von professionellen, maßgeschneiderten Messdienstleistungen. Wir messen für Sie Ultraschallschwingungen nahezu jeder Frequenz und machen diese für Sie sichtbar und quantifizierbar - punktuell, flächig, eindimensional (1d) und dreidimensional (3d).
Wie werden Ultraschallschwingungen erzeugt?
In der Unterhaltungselektronik dienen elektrodynamische Wandler, allen als Lautsprecher bekannt, zur Wandlung von elektrischen Signalen hin zu akustischen Wellen.
Die Erzeugung von Ultraschallwellen erfolgt auf Basis des magnetorestriktiven oder des inversen piezoelektrischen Effekts. In den meisten Ultraschall-Anwendungen wird das Prinzip des inversen piezoelektrischen Effekts bevorzugt, da dieser einen hohen Wirkungsgrad aufweist und auf zusätzliche Kühlung verzichtet werden kann.
Piezoelektrische Kristalle wie z.B. Keramiken wie Bariumtitanat (BaTiO ) und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) reagieren bei Deformation mit einer Ionenverschiebung und damit mit einer Ladungserzeugung. Der direkte piezoelektrische Effekt wandelt mechanische in elektrische Energie um. Dieses Prinzip wird bei piezoelektrischen Sensoren zur Schwingungsmessung verwendet.
Wird hingegen eine elektrische Spannung an eine Piezokeramik angelegt, reagiert diese aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts mit einer Längenänderung. Diese Deformation ist abhängig von der angelegten elektrischen Spannung. Der inverse piezoelektrische Effekt wandelt elektrische Energie in mechanische Energie um. Durch das Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung können Piezokeramiken hervorragend für die Erzeugung von Ultraschallwellen eingesetzt werden. Weitere Informationen über die Erzeugung von Ultraschall sind auf den beiden Themenseiten des Karlsruher Piezo-Aktor Spezialisten Physikinstrumente (PI) zu finden: Grundlagen der Piezotechnologie und Erzeugung von Ultraschall mit Piezokomponenten.
Aufgrund der geringen Weg-Amplituden und hohen Schwingungsfrequenzen ist eine Messung der Weg-Amplituden mit konventionellen Sensoren wenig erfolgreich. Finida Messtechnik setzt für die Messung von Ultraschallschwingungen hochpräzise, optische Laser-Doppler-Vibrometer modernster Bauart der Firma Polytec GmbH ein.
Mit unseren laseroptischen Messdienstleistungen unterstützen wir Kunden aus der Ultraschalltechnik bei der Entwicklung und Prüfung von Ultraschallkomponenten und Ultraschallprozessen. Informieren Sie sich über unsere messtechnischen Möglichkeiten.
Die allgemeinen Vorteile von Ultraschall als Verbindungstechnik können wie folgt zusammengefasst werden:
- Kurze Taktzeiten: Ultraschall-Schweißprozesse erfolgt sehr schnell und die Schweißzeit beträgt oft nur Bruchteile von Sekunden.
- Gute Automatisierungsmöglichkeiten: Ultraschall-Schweißeinheiten sind leicht zu integrieren und werden in Sondermaschinen oder in Verbindung mit Robotern eingesetzt.
- Geringe Kosten: Obwohl Investitionskosten gegenüber anderen Fügeverfahren höher ausfallen, ist der Betrieb von Ultraschall-Fügeprozessen auf lange Sicht wirtschaftlich, insbesondere wenn Werkzeugkosten, Energieverbrauch und Qualität des Fügeprozesses berücksichtigt wird.
- Große Bearbeitungsvielfalt: Ultraschall kann nicht nur zum präzisen Schweißen von dünnen und dickeren Materialen wie z.B. Folien, Verpackungen, Aluminium und Kupfer-Verbindungen verwendet werden, sondern auch zum Nieten, Prägen, Reinigen, Schneiden, Stanzen, Trennen, und Umformen eingesetzt werden.
- Homogene Fügezone bei gleichzeitig hoher Festigkeit der Fügezone
- Geringer Energieverbrauch: Im Vergleich zu anderen Fügetechniken wie thermischen Verfahren, Vibrations- oder Laserschweißen ist der Energieverbrauch gering.
- Umweltfreundlich: Es werden keine zusätzliche Medien wie Klebstoffe benötigt.
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