Ultrasuoni

Il lavaggio ad ultrasuoni è un procedimento moderno, sicuro ed efficiente per ottenere nel più breve tempo possibile una completa pulizia in profondità con la garanzia di salvaguardare le superfici da attacco chimico, meccanico e di tipo abrasivo. I vantaggi consistono in una perfetta pulizia degli oggetti anche quando le impurezze sono tenaci e incollate, disposte in cavità difficilmente raggiungibili con altri macchinari a vapore, spruzzo e a pressione. Altri vantaggi degli ultrasuoni sono la eliminazione dei rischi di ferirsi o infettarsi con interventi manuali e l'utilizzo di prodotti chimici aggressivi, corrosivi, tossici e quindi con costi superiori di sicurezza ecologica e di smaltimento dopo i lavaggi.

I TRASDUTTORI Gli elementi che permettono la formazione degli ultrasuoni sono chiamati trasduttori che possono essere piezoelettrici o magnetostrittivi, Il loro compito è quello di trasformare energia elettrica in energia meccanica e viceversa. Il trasduttore magnetostrittivo di uso corrente è basato sulla proprietà di far vibrare delle lamine di nichel sottoposte ad un forte campo magnetico. Esse sono sagomate e posizionate all'interno di una bobina, attaccate ad un supporto metallico in modo da creare un unico pacco vibrante. Ciò consente la distribuzione dell'onda meccanica (generatrice degli ultrasuoni) in modo uniforme su tutta la superficie del trasduttore. I trasduttori magnetostrittivi ad alta potenza solitamente non superano i 22 Khz. Le frequenze di funzionamento intorno ai 20-22 kHz hanno effetti di cavitazione estremamente intensa quindi non sono indicate per alcune applicazioni delicate come per esempio i circuiti elettronici ed i metalli teneri come alluminio puro, ed ottone lucido (ne restano picchiettate le superfici), inoltre infastidiscono gli operatori con le onde riflesse prodotte in fase di estrazione dei pezzi dai bagni o agitando i materiali destinati al lavaggio ad ultrasuoni, perchè le onde riflesse prodotte dal movimento dei manufatti sono di frequenza percepita dall'udito umano. Una tensione elettrica applicata al trasduttore piezoelettrico genera una vibrazione ultrasonora la cui frequenza è definita come nominale o di risonanza ed è specifica di quel determinato componente piezoelettrico. Esso infatti è costituito principalmente da una sezione di cristallo oppure da un dischetto di ceramica avente caratteristiche piezoelettriche peculiari (nel secondo caso costituito da ceramiche realizzate in Titanato e Zirconato di Piombo racchiuse in due blocchi di metallo). Sulla superficie piana del materiale piezoelettrico (sugli spigoli di polarità elettrica) vengono creati due elettrodi mediante un procedimento di metallizzazione. Le dimensioni tipiche del disco piezoelettrico sono: diametro dai 5 ai 20 mm, spessore da 0,2 a 2 mm. La tensione elettrica alternata applicata agli elettrodi provoca la deformazione vibrante della sezione del cristallo o della piastrina ceramica sintetica che viene trasmessa al metallo ad essa collegato. Il disco piezoelettrico aumenta o diminuisce di spessore quando è sottoposto alla frequenza specifica del materiale. I blocchi metallici sono incollati solitamente a flange in acciaio (per l'assemblaggio si usano resine appropriate) che a loro volta vengono fissate alle pareti o applicate sul fondo della vasca di lavaggio trasmettendone l'energia meccanica prodotta. Nel settore del lavaggio industriale vengono utilizzati preferibilmente i trasduttori di tipo piezoelettrico in quanto è possibile progettarli con frequenze molto più elevate (fino a 42 KHz sinonimo di ultrasuoni molto potenti e delicati) rispetto a quelli di tipo magnetostrittivo (adatti per un lavaggio ad ultrasuoni meccanicamente più robusto) il cui massimo è intorno ai 22 KHz. IL LAVAGGIO AD ULTRASUONI L'apparecchiatura di lavaggio ad ultrasuoni è formata da una vasca munita di un trasduttore (piezoelettrico o magnetostrittivo) alimentato da un generatore di alta frequenza. Il generatore trasforma l' alimentazione 220 V a 50Hz della rete in una forma d' onda ad alta frequenza solitamente intorno ai 20KHz o ai 40 KHz, generante l'energia utilizzata nel lavaggio ad ultrasuoni. Le vibrazioni del generatore piezoelettrico producono onde elastiche di frequenza ultrasonora che sono diffuse nel bagno di lavaggio ad ultrasuoni attraverso la parete della vasca di lavoro, od anche per semplice posizionamento di un generatore ad ultrasuoni (trasduttore immerso) nella soluzione lavante della vasca. Il trasduttore, immerso o solidale con la parete della vasca di lavaggio, converte questa energia elettrica in vibrazione ad alta frequenza creando nella soluzione detergente il fenomeno della cavitazione. La cavitazione è provocata dalle onde ultrasonore che causano il formarsi repentino di zone alternate di alta pressione e immediata depressione con la creazione di piccolissime bollicine, che si espandono e implodono (raggiungendo pressioni fino a 1000 bar). Gli ultrasuoni, come tutte le onde sonore, sono formati da cicli di compressione ed espansione. La cavitazione avviene perchè dopo una rapida crescita, le bollicine prodotte non sono più in grado di assorbire energia dagli ultrasuoni per ingrandirsi, quindi la pressione dell'onda di pressione successiva condensa il vapore prodotto nella fase precedente e la bolla implode. L'energia degli ultrasuoni provoca sollecitazioni meccaniche sulle superfici da pulire a causa dell' urto meccanico generato dalle microbolle implose sulla superficie da pulire; questa azione meccanica degli ultrasuoni, unita all'azione chimica del detergente, disgrega e stacca il contaminante dalla superficie con un rendimento superiore ad ogni altro sistema, senza danneggiare la superficie sottoposta al lavaggio ad ultrasuoni. L'AGITAZIONE DEI MANUFATTI Quando il fascio degli ultrasuoni incontra un ostacolo rigido, esso è riflesso, deviato o diffratto secondo le leggi comuni a tutti i fenomeni di propagazione delle onde; è invece assorbito se incontra un ostacolo morbido o poroso. La propagazione dell'onda ultrasonora generata e la sua conseguente penetrazione nel bagno di lavaggio dipende dall'energia ad esso associata e questa è in funzione della frequenza nominale di trasmissione del cristallo utilizzato. Quando un insieme di onde di una certa frequenza generato da una sorgente incontra una superficie in movimento, viene riflesso con una frequenza diversa da quella originaria. Questa variazione può essere in incremento o in decremento a seconda che il moto della superficie sia in avvicinamento o allontanamento dalla sorgente stessa. Un esempio classico è quello del fischio di un treno che sembra maggiore quando il treno si avvicina e minore quando il treno si allontana. Le onde sonore sono portate nelle frequenze più alte quando l'ostacolo si avvicina e abbassate nelle frequenze minori quando l'ostacolo si allontana. Le onde ultrasonore riflesse possiedono quindi una frequenza leggermente diversa di quelle incidenti, e sono sfasate rispetto ad esse, anche in funzione del cammino percorso, cioè della distanza del trasduttore dai vari punti della superficie dell'oggetto da lavare. Quest'ultima considerazione, nella pratica, supporta la tecnica conosciuta da tempo dell'agitazione dei pezzi nella vasca di lavaggio ad ultrasuoni. Spesso negli impianti moderni la frequenza degli ultrasuoni emessi viene fatta oscillare continuamente intorno a quella di base (20 oppure 40 kHz) per eliminare i dannosi effetti delle onde stazionarie (con i pezzi da lavare immobili nel liquido si possono creare punti ad alta concentrazione di energia detti "nodi d'onda" ed altri di minore concentrazione). Questa tecnica di modulazione uniforma e massimizza la resa degli ultrasuoni e quindi il lavaggio migliora sensibilmente senza necessità di agitazione meccanica dei pezzi sottoposti all'azione degli ultrasuoni. LA FREQUENZA ULTRASONORA La frequenza del generatore ad ultrasuoni è importante in quanto determina il tipo di potenza e la frequenza delle onde ultrasoniche che impattano sullo sporco da eliminare sulla superficie dei pezzi meccanici. Nei moderni generatori digitali parleremo piu di gruppo di frequenze, perchè i generatori ultrasuoni di nostra produzione emettono un range intelligente in una banda estesa di pulsazioni, ma usiamo il termine frequenza per semplificare. La frequenza dunque è frequenza di onde e vibrazioni che attaccano e distaccano lo sporco, scomponendolo fisicamente e, a livello idraulico, variano la dimensione della bolle all'interno del liquido detergente sottoposto all'azione degli ultrasuoni. In genere maggiore è la frequenza del generatore (45 KHz) e minore è la dimensione della bollicina e maggiore è il loro numero prodotto, al contrario, minore è la frequenza (25 KHz) e maggiore sarà la dimensione della bollicina e minore il loro numero. Detto fenomeno è parte integrante del primo effetto che è l'urto delle onde ultra acustiche tipiche degli ultrasuoni, e si chiama cavitazione degli ultrasuoni. Chiaro che per la vibrazione sonica una forma d'onda piu bassa è piu "energetica" ma meno uniforme e che, per la cavitazione degli ultrasuoni, una bollicina più grande essendo stata generata da un'energia a bassa frequenza, avrà anche una maggiore energia d'urto, mentre una bollicina più piccola essendo stata generata con una quantità di energia piu ramificata e distribuita, avrà di conseguenza un'energia specifica su centimetro quadro con un urto inferiore. Questo in un sistema analogico digitale, perfettamente statico, avente circuito elettronico squilibrato e parità di emissione di energia nel sistema acquoso di pulizia mediante ultrasuoni. D'altra parte le frequenze alte permettono di generare nell'unità di tempo molte più microvibrazioni e più bollicine, permettendo una migliore distribuzione della onde d'urto come della cavitazione per unità di superficie ed un effetto di lavaggio più "morbido" dell'onda creata dagli ultrasuoni, il loro numero è praticamente doppio rispetto a quelle generate dai sistemi a 25 Khz. Pertanto, i sistemi a 45 Khz generano nell'unità di tempo molte più vibrazioni e bollicine di cavitazione e soprattutto di dimensioni minori, permettendo di raggiungere punti anche molto piccoli per unità di superficie ma, nello stesso tempo, avranno necessità di maggiore potenza, un generatore molto piu potente per pareggiare l'effetto disincrostante e sgrassante tipico di apparecchi ad ultrasuoni che generano frequenze basse, intorno ai 18, 20, 22 e 25 KHZ. L'impianto ad ultrasuoni è utilizzato con detergenti acquosi, in sostituzione dei solventi per la pulizia dei manufatti in immersione nelle vasche di lavaggio. La sostituzione è conveniente perchè i detergenti acquosi asportano anche il polverino e le sostanze inorganiche oltre alle sostanze grasse. Inoltre ULTRASUONI I.E. formula una serie di detergenti, protettivi, sgrassanti e decapanti che sono attentamente elaborati per le macchine di lavaggio con trasduttori di ultrasuoni sia piezoelettrici che magnetostrittivi, prodotti testati per essere ecologicamente sicuri e facilmente biodegradabili, quindi della massima sicurezza ed economicità. Gli ultrasuoni sono indicati per la pulizia di precisione di manufatti meccanici vari e di parti di lavorate e stampate di alta precisione, e sono vantaggiosi anche quando ci sia la presenza di cavità particolarmente critiche come: canali lunghi e stretti, fori filettati, tubicini capillari e cavità difficilmente raggiungibili con altri sistemi di pulizia. Le nostre macchine sono adatte a pulire perfettamente una vasta serie di componenti, parti, pezzi e stampi in ogni genere di materiale, riuscendo ad asportare residui di olio, grasso come anche contaminanti molto pesante quali le calamine, le cabonizzazioni, la ruggine, il calcare, le colle, croste e bave metalliche, vernici e coloranti a base solvente. I manufatti vengono posizionati in cestelli o su telai e portati in immersione nei vari stadi di trattamento che possono essere la vasca di lavaggio a ultrasuoni, il risciacquo demineralizzato, il risciacquo movimentato, la spruzzatura, la fase di protezione dewatering e il forno di asciugatura con ventilazione aria calda filtrata. Nel lavaggio ad immersione con ultrasuoni si sommano altre le due azioni pulenti: l'azione chimica sgrassante del detergente e quella termica del riscaldamento del liquido, oltre a quella meccanica vibrazionale dell'onda ultrasonora. Tale trattamento si rivela molto efficace nel caso di contaminanti particolarmente tenaci quali residui da lucidatura, lappatura, croste e parti metalliche ed elettroniche (schede e componenti elettrici, motori, pompe, pistoni, ruote dentate, cilindri e rulli) che sono da manutenzionare una tantum. Per migliorare l'azione pulente su manufatti posizionati in massa nei cesti, viene talvolta aggiunta la rotazione dei cestelli immersi nei bagni di lavaggio ad ultrasuoni in modo di esporre a ruota ogni pezzo all'azione intensiva della zona di emissione diretta degli ultrasuoni (i trasduttori di ultrasuoni). La pratica del rotoburatto a ultrasuoni deve essere a lenta rotazione e viene sconsigliata per la maggioranza dei lavaggi critici di componenti di elevata precisione quali parti di valvole ed elettrovalvole, superfici a specchio, stampi per alluminio e plastica, cilindri di precisione, micropezzi torniti e fresati al micron. La rotazione è quindi destinata a pezzi semigrezzi e semilavorati che urtandonsi non riportano problemi alle fasi successive e alla finitura meccanica di sbavatura, tornitura, lucidatura e lappatura automatica. IL DETERGENTE E LA TEMPERATURA E' importante che la soluzione detergente sia capace di trasferire l'onda ultrasonora senza eccessivo assorbimento, così che il fascio d'onde ultrasonore propagato nella soluzione del detersivo vada ad agire sulla superficie del manufatto da lavare. La fine pulizia superficiale effettuata, (efficace anche in minuscole cavità o porosità della superficie da trattare) è provocata dalle onde ultrasonore; questa operazione è realizzabile con i migliori rendimenti solo utilizzando uno specifico detergente per ultrasuoni che esalti il processo di cavitazione e sviluppi il massimo dell'aggressione chimica sullo sporco da disgregare (ogni contaminante necessita un detergente ad ultrasuoni diverso) ed abbia una assoluta inerzia chimica sul manufatto. La cavitazione a bassa temperatura richiede una potenza superiore ed è difficoltosa quando la temperatura del liquido è bassa, (si riduce in una minore formazione di bolle e un minor numero di implosioni). Perciò è essenziale poter scegliere il detergente opportuno che possa essere inerte sul manufatto e sviluppare, alla stessa temperatura di esercizio, la migliore cavitazione nel bagno di lavaggio ad ultrasuoni. La temperatura ottimale è compresa in una forbice fra i 50 - 70°C. L'energia richiesta per la formazione di una bollicina di cavitazione è proporzionale alla pressione di vapore del liquido ed è perciò influenzata dalla temperatura e dal valore della tensione superficiale (questa è diminuita dal prodotto detergente appropriato utilizzato per il lavaggio ad ultrasuoni). Con i detergenti acquosi gli ultrasuoni si possono impiegare efficacemente per detergere tutti i manufatti i in sostituzione dei solventi; dai grossi pezzi meccanici, come stampi per la gomma, ai manufatti con le parti più delicate come le montature per occhiali, sono efficacemente lavati con detergenti acquosi; le pastelle di burattatura e politura delle montature per occhiali sono asportate per una perfetta pulizia , anche il lavaggio delle lenti minerali od organiche si può effettuare con i detergenti acquosi. Le lenti in vetro sono liberate dalla pece e dall'ossido di Cerio, con un unico prodotto detersivo. Quelle in plastica (CR 39) sono lavate anch'esse con i detergenti acquosi. Gli ultrasuoni sono addirittura adatti anche per rimuovere il flussante dai delicatissimi circuiti stampati. Tutti i residui di olio, grasso, paste di pulitura, pigmenti coloranti, grafite, polverini di lavorazione e tracce di manipolazione ecc... sono totalmente asportati ed emulsionati dal detergente acquoso . Gli ultrasuoni raggiungono anche le zone più nascoste, comprese le cavità e l'interno dei tubi . Particolari meccanici delicati e di precisione non rischiano di essere intaccati dai prodotti detersivi aggressivi necessari negli altri sistemi di lavaggio, oppure ammaccati dai continui urti causati dal rimescolamento a volte necessario negli altri sistemi di lavaggio. Parti assemblate possono essere lavate convenientemente senza richiedere smontaggi, gli ultrasuoni penetrando uniformemente insieme al detergente disgregano il contaminante ottenendo una perfetta pulizia dei manufatti. Sono imbattibili naturalmente se utilizzati con il detergente o detersivo appropriato per rimuovere olii, grassi, paste di lucidatura, residui di lappatura, limatura, piccoli trucioli, polvere, impronte digitali ed altri contaminanti, sia in fase di produzione che in fase di manutenzione dei manufatti, anche se mostrano superfici dalla geometria più complicata e con fori ciechi.

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