Ultrasone levitatie en de industriële toepassingen ervan

Ultrasone / akoestische levitatie is een industrieel bewezen optie voor het contactloos ondersteunen van lichte, gevoelige materialen en voor het contactloos hanteren van monsters. Lees meer over ultrasone levitatie en de toepassingen ervan in de industrie en de wetenschap!

Toepassingen van ultrasone levitatie

Akoestische levitatie is een wetenschappelijk bewezen en industrieel toegepaste methode voor het contactloos hanteren van materialen en positioneren van monsters. Ultrasone levitatie wordt als contactloze hanteringsmethode gebruikt om werkstukken met een gevoelig oppervlak en breekbare werkstukken, bijvoorbeeld wafers, microchips of dunne glasplaten, zonder mechanische impact te manipuleren. Dankzij het contactloos hanteren van materialen en monsters wordt ultrasone levitatie toegepast in industriële, wetenschappelijke en analytische toepassingen.
In de industrie wordt ultrasone levitatie gebruikt als betrouwbare methode om microchips en andere kleine, kwetsbare voorwerpen contactloos en zonder houders te verwerken, aangezien deze zelfs door licht fysiek contact beschadigd kunnen raken. Een ander toepassingsgebied is het hanteren van materialen met een zeer hoge zuiverheid of chemische reactanten die door een houder zouden worden beïnvloed.

In de chemie kunnen zwevende druppels dienen als miniatuurreactievaten, waardoor onderzoekers reagentia kunnen combineren en reacties kunnen observeren terwijl verontreiniging door de wanden van het vat wordt verminderd.
Materiaalwetenschappers gebruiken zwevende monsters om verdamping, kristallisatie en deeltjesvorming te onderzoeken, terwijl analytische onderzoekers zwevende monsters met optische en spectroscopische technieken kunnen onderzoeken.
Gespecialiseerde akoestische hanteringssystemen ondersteunen ook het transport van breekbare componenten, waaronder siliciumwafers, microchips en dun glas, met minder risico op mechanische schade.
Voor met deeltjes gepantserde vloeistofrobots (PBs) biedt akoestische levitatie een veelbelovende onderzoeksrichting: het transporteren van ingekapselde reagentia, het samenbrengen van druppels voor gecontroleerde reacties en het verplaatsen van robots tussen verwerkingsstations, waarbij contact met omringende oppervlakken tot een minimum wordt beperkt. Lees meer over akoestische levitatie van met deeltjes gepantserde vloeistofrobots!
 

Werkingsprincipe van ultrasone levitatie

Akoestische levitatie beschrijft het toepassen van ultrasone golven op een fluïdum, meestal een gas (bijvoorbeeld lucht). Wanneer de ultrasone golf zich door het gas voortplant, compenseert de geluidsgolf de zwaartekracht – waardoor voorwerpen zonder ondersteuning in de lucht kunnen zweven. Dit effect van een vrij zwevend voorwerp in een geluidsgolf vereist het verschijnsel van een staande golf. Een staande golf ontstaat wanneer twee identieke golven uit tegengestelde richtingen elkaar overlappen. Daarom wordt in een opstelling voor akoestische levitatie een ultrasone transducer gebruikt om longitudinale drukgolven op te wekken en reflecteert een reflector aan de andere kant de golven, zodat de identieke golven uit beide richtingen elkaar kunnen overlappen en een staande golf kunnen vormen.

Knopen en buiken: De longitudinale drukgolf van intens ultrageluid maakt contactloos zweven in de lucht mogelijk. Dergelijke staande ultrasone golven hebben duidelijk bepaalde knopen. Een knoop is het gebied met de minimale druk, terwijl een buik wordt gedefinieerd als het gebied met de maximale druk. De knopen van een staande golf staan centraal bij akoestische levitatie.
Ultrasone levitatoren werken door het veld van de staande golf boven een ultrasone sonde (d.w.z. sonotrode) te positioneren en een reflector te gebruiken.

Apparatuur voor ultrasone levitatie

Hielscher Ultrasonics heeft jarenlange, uitgebreide ervaring met het ontwerpen, produceren en distribueren van hoogwaardige ultrasone apparatuur met hoge prestaties. Voor akoestische levitatie biedt Hielscher twee standaardtypen levitatoren aan:
 

• UP100H – een levitator van 30kHz, 100 W
• UP400ST – een levitator van 24kHz, 400W
• UIP500hdT – een levitator van 20kHz, 500W

De ultrasone processor UP400St is een compact systeem waarbij de transducer en generator in een robuuste behuizing zijn gecombineerd. De krachtige levitator UIP500hdT van 500 watt heeft een afzonderlijke transducer en generator. Met zijn transducer met beschermingsgraad IP64 is de UIP500hdT ideaal voor installatie in veeleisende omgevingen.
Ultrasone levitatoren kunnen als afzonderlijke eenheid of parallel worden geïnstalleerd en kunnen worden gebruikt in verwerkingslijnen met een hoge snelheid en hoge verwerkingscapaciteit.
Voor specifieke eisen ontwerpt en produceert Hielscher Ultrasonics ook op maat gemaakte en bedrijfseigen levitatoren.

Literatuur / Referenties

• 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.