Ultraschalllevitation und ihre industriellen Anwendungen

Ultraschalllevitation bzw. akustische Levitation ist eine industriell bewährte Möglichkeit zur berührungslosen Lagerung leichter, empfindlicher Materialien sowie zur kontaktfreien Handhabung von Proben. Erfahren Sie mehr über Ultraschalllevitation und ihre Anwendungen in Industrie und Wissenschaft!

Anwendungen der Ultraschalllevitation

Akustische Levitation ist ein wissenschaftlich nachgewiesenes und industriell eingesetztes Verfahren zur kontaktfreien Materialhandhabung und Probenpositionierung. Als berührungsloses Handhabungsverfahren wird Ultraschalllevitation eingesetzt, um oberflächenempfindliche und zerbrechliche Werkstücke, z. B. Wafer, Mikrochips oder dünne Glasplatten, ohne mechanische Einwirkung zu bewegen. Dank der kontaktfreien Handhabung von Materialien und Proben hat die Ultraschalllevitation Eingang in industrielle, wissenschaftliche und analytische Anwendungen gefunden.
In der Industrie wird Ultraschalllevitation als zuverlässiges Verfahren zur kontaktfreien, behälterlosen Bearbeitung von Mikrochips und anderen kleinen, empfindlichen Objekten eingesetzt, die selbst durch leichte Berührungen beschädigt werden können. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Handhabung von Materialien höchster Reinheit oder chemischen Reaktanten, die durch einen Behälter beeinflusst würden.

In der Chemie können schwebende Tropfen als Miniaturreaktionsgefäße dienen. Dadurch können Forschende Reagenzien zusammenführen und Reaktionen beobachten und zugleich Verunreinigungen durch Gefäßwände reduzieren.
In der Materialwissenschaft werden schwebende Proben verwendet, um Verdunstung, Kristallisation und Partikelbildung zu untersuchen, während Forschende in der Analytik schwebende Proben mit optischen und spektroskopischen Verfahren untersuchen können.
Spezialisierte akustische Handhabungssysteme unterstützen auch den Transport zerbrechlicher Bauteile, darunter Siliziumwafer, Mikrochips und dünnes Glas, bei geringerem Risiko mechanischer Beschädigungen.
Für partikelgepanzerte Flüssigkeitsroboter (PBs) bietet die akustische Levitation einen vielversprechenden Forschungsansatz: den Transport eingekapselter Reagenzien, das Zusammenführen von Tropfen für kontrollierte Reaktionen und den Transfer von Robotern zwischen Verarbeitungsstationen bei gleichzeitiger Minimierung des Kontakts mit umgebenden Oberflächen. Erfahren Sie mehr über die akustische Levitation partikelgepanzerter Flüssigkeitsroboter!
 

Funktionsprinzip der Ultraschalllevitation

Akustische Levitation bezeichnet die Anwendung von Ultraschallwellen auf ein Fluid, meist ein Gas (z. B. Luft). Wenn sich die Ultraschallwelle durch das Gas ausbreitet, gleicht die Schallwelle die Schwerkraft aus – mit dem Ergebnis, dass Objekte ohne Unterstützung in der Luft schweben können. Dieser Effekt eines frei schwebenden Objekts in einer Schallwelle setzt das Phänomen einer stehenden Welle voraus. Eine stehende Welle entsteht, wenn sich zwei identische Wellen aus entgegengesetzten Richtungen überlagern. Deshalb wird in einem Aufbau zur akustischen Levitation ein Ultraschallwandler verwendet, um longitudinale Druckwellen zu erzeugen. Ein Reflektor auf der gegenüberliegenden Seite reflektiert die Wellen, sodass sich die identischen, aus beiden Richtungen kommenden Wellen überlagern und eine stehende Welle bilden können.

Knoten und Bäuche: Die longitudinale Druckwelle intensiven Ultraschalls ermöglicht berührungsloses Schweben in der Luft. Solche stehenden Ultraschallwellen haben definierte Knoten. Ein Knoten ist der Bereich minimalen Drucks, während ein Bauch als Bereich maximalen Drucks definiert ist. Die Knoten einer stehenden Welle spielen bei der akustischen Levitation eine zentrale Rolle.
Ultraschalllevitatoren funktionieren durch die Positionierung des stehenden Wellenfeldes über einer Ultraschallsonde (d. h. einer Sonotrode) und den Einsatz eines Reflektors.

Geräte für die Ultraschalllevitation

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige und umfassende Erfahrung in der Entwicklung, Herstellung und im Vertrieb hochwertiger, leistungsstarker Ultraschallgeräte. Für die akustische Levitation bietet Hielscher zwei Standardtypen von Levitatoren an:
 

• UP100H – ein Levitator mit 30kHz und 100 W
• UP400ST – ein Levitator mit 24kHz und 400W
• UIP500hdT – ein Levitator mit 20kHz und 500W

Der Ultraschallprozessor UP400St ist ein kompaktes System, bei dem Wandler und Generator in einem robusten Gehäuse vereint sind. Der 500 Watt starke Levitator UIP500hdT verfügt über einen separaten Wandler und Generator. Mit seinem Wandler der Schutzart IP64 eignet sich der UIP500hdT ideal für die Installation in anspruchsvollen Umgebungen.
Ultraschalllevitatoren können als einzelne Einheit oder parallel installiert werden und in Verarbeitungslinien mit hoher Geschwindigkeit und hohem Durchsatz arbeiten.
Für spezielle Anforderungen entwickelt und fertigt Hielscher Ultrasonics auch kundenspezifische und proprietäre Levitatoren.

Literatur / Quellen

• Hyobin Jeon, K. Park, j.-Y. Sun, H.-Y. Kim (2025): Particle-armored liquid robots. Science Advances Volume 11, Issue 12, 21 Mar 2025.
• Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
• Malte Junk, Jörn Hinrichs, Fritz Polt, Jonas Fechner, Werner Pauer (2020): Quantitative experimental determination of evaporation influencing factors in single droplet levitation. International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 149, 2020.
• Junk, Malte (2019): Tropfenverdunstung im akustischen Levitator. Dissertation Universität Hamburg. Fachbereich Chemie der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg 2019.