Ultraschallbearbeitung (USM): Aufbau, Prozess, Anwendungen & Vorteile – PDF-Leitfaden

Ultraschallsensoren, -durchflussmesser, -prüfung – bekannt. Heute: ein weiteres unkonventionelles Fertigungsverfahren – Ultraschallbearbeitung (USM).

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Was ist Ultraschallbearbeitung?

Bei der Ultraschallbearbeitung vibriert ein hochfrequentes Werkzeug gegen das Werkstück, wobei ein abrasiver Schlamm (Schleifmittel in Flüssigkeit) durch eine Düse zwischen Werkzeug und Werkstück gefördert wird.

Im Gegensatz zu konventionellen Maschinen (z. B. CNC) eignet sich USM für Keramik, Stahl, Edelsteine etc.

Funktionsprinzip

Ähnlich wie Abrasivstrahlbearbeitung (Abrasive Jet Machining).

Aufbau der Ultraschallbearbeitung

1. Stromversorgung
2. Hochfrequenzgenerator
3. Elektromechanischer Wandler
4. Ultraschall-Amplitudentransformer (Horn)
5. Werkzeughalter
6. Werkzeug
7. Abrasiver Schlamm
8. Pumpe

Stromversorgung

Wechselstrom erforderlich.

Hochfrequenzgenerator

Erhöht 50–60 Hz Netzfrequenz auf 20.000–40.000 Hz.

Elektromechanischer Wandler

Wandelt Strom in mechanische Schwingungen um.

Ultraschall-Amplitudentransformer (Horn)

Verstärkt die Schwingungen des Wandlers.

Werkzeughalter

Am Ende des Horns, hält Werkzeug fest während der Bearbeitung.

Werkzeug

Aus rostfreiem Stahl, Baustahl etc. Form entspricht der zu erzeugenden Kavität im Werkstück.

Abrasiver Schlamm

Gemisch aus Schleifpartikeln (Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid) in Wasser oder Öl. Partikel bewirken Erosion des Werkstücks.

Pumpe

Zentrifugalpumpe fördert Schlamm mit gewünschtem Druck auf das Werkstück.

Arbeitsweise der Ultraschallbearbeitung

Stromversorgung EIN → Wechselstrom fließt durch Hochfrequenzgenerator → Frequenzverstärkung auf 20–40 kHz. → Elektromechanischer Wandler → mechanische Schwingungen. → Verstärkung & Übertragung zum Werkzeug. → Abrasiver Schlamm wird kontinuierlich zwischen Werkzeug und Werkstück gepumpt. → Werkzeugschwingungen lassen Schlamm auf Werkstück prallen → abrasive Wirkung trägt Werkstück schichtweise ab.

Quelle: Four30, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

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Vorteile der Ultraschallbearbeitung

• Bearbeitung spröder Materialien möglich
• Gute Oberflächenqualität
• Hohe Genauigkeit
• Wirtschaftlicher Betrieb
• Leitende & nicht-leitende Materialien bearbeitbar

Auch lesenswert

• Elektroerosion (EDM)
• Mechanische Werkstoffeigenschaften
• Strangpressen (Extrusion)
• Kolbenpumpe

Einschränkungen der Ultraschallbearbeitung

• Hoher Energieverbrauch
• Niedrige Materialabtastrate
• Abrasiver Schlamm muss regelmäßig gewechselt werden
• Hohe Anfangsinvestition
• Werkzeugspitze verschleißt – kürzere Standzeit

Anwendungen der Ultraschallbearbeitung

• Bearbeitung spröder Materialien
• Schleifen spröder Materialien
• Stufenbohren
• Bohren
• Gravieren
• Feine, komplexe Formen
• Materialien wie Wolfram, Hartmetalle, Edelsteine

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Überblick Ultraschallbearbeitung. Gedanken in Kommentaren willkommen.

Nächstes Mal wieder ein spannender Artikel – bis dahin: Keep Learning!