Federdraht-Reinigung – Intensive Reinigung mit Inline-Ultraschallsystemen

Federdrähte verlassen den Ziehprozess mit hartnäckigen Oberflächenverunreinigungen, darunter Schmieröle, Ziehseifen (in der Regel Kalzium- oder Natriumstearate), metallische Abriebpartikel und Oxide. Die ultraschallunterstützte Inline-Reinigung nutzt die akustische Kavitation, um solche Verunreinigungen zuverlässig zu entfernen. – auch von begrenzten Geometrien – Dadurch werden nachgelagerte Arbeitsgänge wie Richten, Wickeln, Beschichten und Wärmebehandeln geschützt.

Die kritische Rolle der Oberflächenreinigung bei Federmaterialien

Rückstände aus dem Ziehprozess – besonders pulverförmige Seifen auf Calcium- oder Natriumstearatbasis und dünne Ölfilme – beeinträchtigen die Oberflächenhaftung, die Benetzbarkeit und die Partikelsauberkeit erheblich. Diese Oberflächenverunreinigungen können die Qualität der Beschichtung beeinträchtigen und örtlich begrenzte Spannungskonzentrationen fördern.
Umfangreiche Literatur belegt den starken Einfluss der Oberflächenbeschaffenheit – insbesondere Rauheit, Mikrodefekte und partikuläre Verunreinigungen – auf Ermüdungsleistung und Korrosionsbeständigkeit. Für Federdrähte und geformte Federn sind daher reproduzierbar saubere und partikelreduzierte Oberflächen prozesskritisch.
Je nach Konfiguration der Produktionslinie kann die Reinigung entweder auf der Drahtstufe (vor dem Wickeln) oder auf der Komponentenstufe (nach der Federbildung) erforderlich sein.
Ein häufiger Einwand betrifft eng gewickelte Federn mit engen Zwischenräumen zwischen den Windungen: Wie können verdeckte Flächen effektiv erreicht werden? Genau hier bietet die Ultraschallreinigung einen entscheidenden Vorteil.

Physikalische Wirkkräfte: Warum Ultraschall in Ritzen und Zwischenräumen so wirksam ist

Die Reinigungswirkung wird durch akustische Kavitation bestimmt. Durch periodische Druckschwankungen im flüssigen Medium werden Mikroblasen erzeugt und kollabiert. Das asymmetrische Kollabieren von Blasen in der Nähe von Fest-Flüssig-Grenzflächen erzeugt Hochgeschwindigkeits-Mikrojets und lokale Scherspannungen. Gleichzeitig wird durch die akustische Strömung ein konvektiver Massentransport ausgelöst, der den Flüssigkeitsaustausch selbst in begrenzten Geometrien fördert.
Die kombinierten Effekte führen zu einer effizienten Ablösung von Ölfilmen, Stearatrückständen, Partikeln und lose haftenden Oxiden – selbst in geometrisch schwierigen Bereichen wie den Zwischenräumen von Schraubendruckfedern.
Ein stabiles und räumlich gleichmäßiges Kavitationsfeld ist Voraussetzung für eine gleichbleibende Reinigungsleistung und eine einheitliche Oberflächenqualität.
Das Bild links zeigt die Schallströmung an einer Hielscher Ultraschallsonde. Die Effekte der Kavitation werden für die intensive Reinigung genutzt.
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Inline-Ultraschallreinigung in der Drahtproduktion: Die USCM700 als Beispiel

Für die Drahtindustrie ist eine kontinuierliche und platzsparende Integration in bestehende Produktionslinien unerlässlich. Die USCM700 erfüllt diese Anforderungen:

• Modulare Leistungskonfiguration
  Ausgestattet mit industrietauglichen Ultraschallprozessoren mit 500 W, 1 kW, 1,5 kW oder 2 kW (UIP-Serie). Amplituden bis zu 20 µm bei 20 kHz sind verfügbar und einstellbar, um unterschiedlichen Verschmutzungslasten gerecht zu werden.
• Kontaktlose Reinigung
  Eine speziell entwickelte Ultraschallsonotrode bearbeitet das kontinuierlich zugeführte Profil berührungslos mechanisch. Die Standardbohrungen sind für Drahtdurchmesser bis zu 20 mm geeignet; größere Abmessungen sind auf Anfrage erhältlich.
• Filtration von Reinigungsmedien
  Optionale Vliesfiltersysteme auf Bandbasis ersetzen die sich schnell zusetzenden Patronenfilter. Integrierte Luftdüsen sorgen für die Trocknung nach dem Spülen.
• Geringer Chemikalienverbrauch
  Die Reinigung kann häufig mit Wasser oder milden wässrigen Reinigungsmitteln erfolgen, was die Arbeitssicherheit erhöht und die Abwasserbehandlung vereinfacht.
• 24/7-Betriebsfähigkeit
  Konzipiert für den industriellen Dauerbetrieb mit minimalem Wartungsaufwand und hoher mechanischer Robustheit.

Für höhere Durchsatzanforderungen ermöglicht die modulare USCM-Serie Liniengeschwindigkeiten bis zu ca. 200 m/min (anwendungsabhängig) und unterstützt damit Hochgeschwindigkeits-Zieh- und Aufwickelprozesse.

Prozessarchitektur für Federdraht und fertige Federn

Es wurden zwei robuste Integrationsstrategien entwickelt:

1. Reinigung vor dem Wickeln (Drahtphase)
   Entfernung von Ziehseifen und -ölen unmittelbar vor kritischen nachgelagerten Prozessen wie Wickeln, Beschichten oder Abschrecken und Tempern. Die USCM700 ist speziell für die kontinuierliche Drahtverarbeitung konzipiert.
2. Reinigung nach dem Wickeln (Komponentenphase)
   Fertige Federn werden vor dem Ablängen oder der Endverpackung mit Ultraschall gereinigt. Die Ultraschallenergie dringt effektiv in die engen Spalten zwischen den Windungen ein und bietet deutliche Vorteile für eng gewickelte Geometrien.

Chemische Matrix

• Entfernung von Öl und Stearaten
  Wässrige alkalische Systeme, die Tenside enthalten, sind der Stand der Technik. Bei stark verschmutzten Oberflächen reduzieren Vorreinigungsstufen die Badüberlastung und erhöhen die Ultraschalleffizienz.
• Entfernung von Oxid und Kesselstein
  Bei oxidischen Oberflächenschichten kann die säuregestützte Ultraschallreinigung (z. B. verdünnte Phosphorsäure, gegebenenfalls in Kombination mit einer Zweifrequenzanregung) die Materialabtragsrate erheblich steigern und gleichzeitig die Integrität des Substrats erhalten.

Typische Verunreinigungen in der Drahtherstellung

• Pulverförmige Stearate werden routinemäßig als Trockenziehschmiermittel verwendet, wobei Kalzium- und Natriumstearate überwiegen. Weitere Verunreinigungen sind Restöle, Metallpartikel und Zunder.
• Die Wirksamkeit der Ultraschallreinigung zur Entfernung dieser Schadstoffklassen – einschließlich Rückstände auf Stearatbasis – ist in der industriellen Praxis umfassend validiert worden.

Ultraschall-Drahtreiniger: Überprüfte Auswirkungen auf die Oberflächeneigenschaften

Hielscher Inline-Drahtreiniger werden für die zuverlässige Tiefenreinigung von Endlosmaterialien wie Mediendrähten, Bonddrähten und Stanzbändern eingesetzt.
Mehrere Untersuchungen zeigen, dass die Ultraschallreinigung:

• Verringert die Restpartikeldichte
• Verbessert die Oberflächenbenetzbarkeit (geringere Kontaktwinkel)
• Verbessert die Haftung nachfolgender Beschichtungssysteme
• Erhöht die Gleichmäßigkeit der Oberflächenenergie

Bei metallischen Substraten hat sich gezeigt, dass die Inline-Reinigung mit Ultraschall die Anzahl der Restpartikel verringert und die Oberflächenenergie positiv verändert. Nach Prozessen wie der Lasertexturierung entfernt die Ultraschallbehandlung effektiv Mikro- und Nanopartikel und verbessert die Korrosionskennzahlen.

Für die Federherstellung bedeutet dies:

• Einheitlichere Beschichtungs- und Passivierungsprozesse
• Geringeres Risiko von partikelbedingten Beschichtungsfehlern
• Verbesserte langfristige Korrosions- und Ermüdungsbeständigkeit

Das DRS3000 ist ein hocheffizientes Ultraschall-Inline-Reinigungssystem, das für kontinuierliche Endlosprofile entwickelt wurde und maximale Oberflächenreinheit, verbesserte Prozessstabilität und zuverlässige Integration in industrielle Hochgeschwindigkeits-Produktionslinien bietet.

Wirtschaftliche und ökologische Vorteile

Hielscher Ultrasonics‘ Portfolio an Inline-Drahtreinigern bietet kleine bis große Reinigungssysteme – die alle für eine intensive Reinigung ausgelegt sind. Der Reiniger USCM700 zum Beispiel kombiniert eine minimale Stellfläche, einen reduzierten Chemikalienverbrauch und die Fähigkeit zum Dauerbetrieb. Diese Konfiguration senkt die Betriebskosten und verbessert die Leistung in den Bereichen Umwelt, Gesundheit und Sicherheit (EHS).
Die Substitution von lösungsmittelbasierten Reinigungsverfahren durch wässrige Ultraschallsysteme stellt einen umweltfreundlichen Ansatz dar, vorausgesetzt, die erforderlichen Reinheitsgrade werden validiert.

Zuverlässige Reinigung von Federdraht und Federn mit Hochleistungs-Ultraschall

Die Ultraschallreinigung löst ein bekanntes Problem bei der Herstellung von Federn und Drähten: eine zuverlässige Dekontaminierung in engen Zwischenräumen zwischen den Windungen und in anspruchsvollen kontinuierlichen Prozessen - erreicht durch skalierbare mechanische Wirkung anstelle aggressiver Chemie.
Die USCM700 zeigt, wie dieses Prinzip in einer kompakten, modularen und linienkompatiblen Konfiguration umgesetzt werden kann. Wenn die Prozessparameter - Amplitude, Verweilzeit, Hydrodynamik und Chemie - systematisch auf das spezifische Verschmutzungsprofil abgestimmt und anhand von partikelbasierten und Benetzbarkeitsmetriken validiert werden, wird ein stabiler und zukunftsfähiger Reinigungsprozess sowohl für Federdraht als auch für komplexe Federgeometrien erreicht.

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.