30.08.2023 - Mögliche Gesundheitsgefährdung durch Ultraschall in der Industrie

Schallwellen außerhalb des menschlichen Hörbereichs -

Es wird nicht viel über Ultraschall in der Arbeitswelt geredet. Nur Insider wissen, dass diese Technik schon in zahlreichen Industrieprozessen zu Hause ist. Ultraschall beschreibt Schallwellen im Frequenzbereich von größer zwanzig Kilohertz (kHz). Diese extrem hohen Töne liegen außerhalb des menschlichen Hörbereichs und sind deshalb mit gängigen Schallpegelmessern nicht zu erfassen. Über potenzielle Gesundheitsgefahren für Mitarbeiter ist sich die "Fachwelt" noch nicht richtig einig. Wohl deshalb hat es elf Jahre gedauert, bis die Richtlinie VDI 3766, die sich mit Ultraschall beschäftigt, im Jahr 2012 endlich fertig wurde. Nachfolgend werden zwei beispielhafte Arbeitsabläufe mit Ultraschall in der Industrie vorgestellt und erläutert, mit welchen Messverfahren die Lärmbelastung zu ermitteln ist. Weitere bedeutsame Anwendungen sind die Materialprüfung mit Ultraschall und die Ultraschallzerstäubung.

Beispiel 1: Reinigungsverfahren mit Ultraschall

Ultraschallreiniger nutzen hochfrequente Schallwellen zwischen 20 Kilohertz (kHz) und 400 kHz, um Schmutz, Öl, und andere Kontaminationen von Werkstücken zu entfernen. Das Hauptprinzip der Ultraschallreinigung beruht auf dem Phänomen der Kavitation (cavitare bedeutet aushöhlen), einem Prozess, bei dem in einer Flüssigkeit durch den Einfluss von Ultraschall kleine Gas- oder Dampfblasen erzeugt werden, die anschließend wieder zusammenfallen (kollabieren). Dieser Vorgang hat eine intensive mechanische Wirkung, die Verunreinigungen auf der Oberfläche von Objekten effektiv entfernt. Der Generator sendet eine hochfrequente elektrische Wechselspannung an mehrere Energieumwandler (Transducer). Diese wandeln die elektrische Energie in mechanische Schwingungen um und erzeugen Ultraschallwellen in der Reinigungsflüssigkeit.
Die Ultraschallwellen führen zu einem schnellen Druckwechsel in der Flüssigkeit, wodurch Mikroblasen entstehen. Die Blasen kollabieren fast sofort, was zu Mikroströmungen und hohen Temperaturen in ihrer unmittelbaren Umgebung führt. Die Kavitation erzeugt kleine "Schockwellen", die auf die Oberfläche des zu reinigenden Objekts einwirken.
Dies löst Verunreinigungen wie Öl, Fett, Staub und anderen Schmutz von der Oberfläche. Die Reinigungsflüssigkeit (oftmals Wasser mit einem Reinigungsmittel) hilft, diese Verunreinigungen abzulösen und von der Oberfläche zu entfernen. Die Vorteile sind vielfältig: die Technik kann auch feine Verunreinigungen entfernen und ist schneller als herkömmliche Reinigungsmethoden. Vorteilhaft für Umwelt ist die reduzierte Anwendung von "harten" Reinigungsmitteln.

Beispiel 2: Schweißen mit Ultraschall

Das Ultraschallschweißen ist ein Verfahren, bei dem hochfrequente Schallwellen zwischen 20 und 70 Kilohertz erzeugt werden, um Kunststoffe und bestimmte Metalle durch Schallenergie miteinander zu verbinden. Der Vorteil liegt in der hohen Geschwindigkeit, Energieeffizienz und Präzision. Dadurch entstehen hochwertige, reproduzierbare Schweißnähte in industriellen Anwendungen. Und so läuft der Vorgang ab: Ein Generator liefert die hochfrequente elektrische Energie, die von einem Wandler (Transducer) in mechanische Schwingungen umwandelt wird. Die sogenannte Sonotrode überträgt die mechanischen Schwingungen direkt auf die zu schweißenden Werkstücke. Die Schwingungen führen zu einer relativen Bewegung zwischen den Materialteilen auf mikroskopischer Ebene. Durch eine innere Reibung wird Wärme erzeugt. Bei Kunststoffen schmilzt das Material in der Fügezone und verbindet sich beim Erstarren wieder. Die Vorteile sind einleuchtend: Der Prozess dauert nur Sekunden, was ihn besonders für die Serienproduktion geeignet macht. Er ist zudem energieeffizient, da nur die "Fügezone" erhitzt wird, was Energie spart und eine schnelle Abkühlung ermöglicht. Die sehr präzisen Verbindungen sparen außerdem Verbindungsteile wie Schrauben oder Klebstoffe.

Mögliche Gesundheitsgefährdungen bei Ultraschallanwendungen

a) Die Interaktion von Ultraschall mit anderen Objekten oder Medien kann hörbare Geräusche erzeugen. Dieser sekundäre Lärm ist in die Gefährdungsbeurteilung mit einzubeziehen.
b) Einige Studien haben nicht-thermische Effekte von Ultraschall auf biologische Gewebe festgestellt, die zu einer erhöhten Gefäßpermeabilität und möglicherweise zu Zellschäden führen können. Die genauen Mechanismen und ihre Auswirkungen sind jedoch noch Gegenstand der Forschung.
c) Bei hohen Intensitäten kann Ultraschall zu einer Erhitzung von Gewebe führen. Obwohl dies in medizinischen Anwendungen wie der Ultraschalltherapie genutzt wird, sollte eine unkontrollierte Erwärmung vermieden werden.
d) Ultraschall kann in Flüssigkeiten Kavitationsblasen erzeugen, die bei der Kollabierung hohe Temperaturen und Drücke erzeugen können. Diese Effekte können zu Gewebeschäden führen, insbesondere wenn sie nahe an der Körperoberfläche auftreten.
e) Mitarbeiter, die in direktem Kontakt mit ultraschallführenden Geräten stehen, können Vibrationen ausgesetzt sein, die zu Muskel-Skelett-Erkrankungen führen können.
Es ist deshalb wichtig, Arbeitsplatzbewertungen durchzuführen, um sicherzustellen, dass die Ultraschallpegel sicher sind und keine gesundheitlichen Risiken für die Mitarbeiter darstellen. Unternehmen sollten auch Schulungen und Aufklärungsmaßnahmen durchführen, um ihre Mitarbeiter über die potenziellen Gefahren von Ultraschall zu informieren und Richtlinien für den sicheren Umgang mit ultraschallführenden Geräten bereitzustellen.

Messtechnik und Frequenzbereiche

Ultraschall-Schweißanlagen verursachen stark schwankende Geräuschbelastungen, wobei die höchsten Pegel jeweils zu Beginn des Schweißvorgangs beim ersten Kontakt der Sonotrode mit dem Werkstück entstehen. Für Ultraschallanlagen ist typisch, dass sich der abgestrahlte Schall aus einzelnen tonalen Anteilen zusammensetzt, die für die Gesamtbelastung maßgebend sind. Neben der Schallabstrahlung bei der Arbeitsfrequenz ergeben sich i. d. R. auch bei der Hälfte oder einem Viertel des Arbeitsvorgangs sogenannte Untertöne, die in den Hörbereich fallen und den A-bewerteten Pegel bestimmen können.
Der Schallpegelmesser sollte im Ultraschallbereich eine Terzbandanalyse bis zur Mittenfrequenz von 40 kHz ermöglichen, d. h. er muss den Frequenzbereich bis mindestens 50 kHz erfassen. Weiterhin sollte das Messgerät neben der A-Bewertung auch die sogenannte U-Bewertung ermöglichen, die die Frequenzen bis 10 kHz unverändert durchlässt, um dann zu höheren Frequenzen relativ steil abzufallen. Als zusätzliche Messgröße ist nach VDI 3766 der Z-bewertete Spitzenschalldruckpegel (LZpeak) zu bestimmen.
Als weiterer Kennwert wird der maximale 5-Minuten-Terzschalldruckpegel LZeq_Terz_5min definiert, der die Belastungssituation im jeweiligen Terzband für den lautesten fünfminütigen Zeitabschnitt der Arbeitsschicht beschreibt. Gemäß der oben genannten Definition gelten folgende Empfehlungen für die maximale Lautstärke: bei 16 kHz = 90 dB, bei 20, 25, 31,5 und 40 kHz jeweils 110 dB Lzeq_Terz_5min.

Normen und Richtlinien

VDI 3766 2012-09: Ultraschall –Arbeitsplatz – Messung, Bewertung, Beurteilung und Minderung. Berlin: Beuth Verlag 2012-09.
DIN EN 61672-1: Elektroakustik – Schallpegelmesser; Teil 1: Anforderungen. Berlin: Beuth Verlag 2014-07.
DIN EN 61012: Filter für die Messung von hörbarem Schall im Beisein von Ultraschall. Berlin: Beuth Verlag 1998-09.
DIN EN ISO 9612: Akustik – Bestimmung der Lärmexposition am Arbeitsplatz; Verfahren der Genauigkeitsklasse 2 (Ingenieurverfahren). Berlin: Beuth Verlag 2009-09.