|
Storia e notizie essenziali sugli ultrasuoni ed il loro corretto
utilizzo nel lavaggio.
La
storia degli ultrasuoni è parte della storia della musica e delle
onde sonore, le prime testimonianze sull'argomento risalgono addirittura
a Pitagora che nel VI secolo A.C. scoprì che le corde di differenti
lunghezze, usate negli strumenti musicali, erano la causa della
diversità dei suoni emessi. Nel 1638 anche Galileo contribuì con
i propri studi alla scienza dell'acustica.
La storia degli ultrasuoni continua nel 1822 quando un fisico
svizzero, Daniel Colladen, per cercare di calcolare la velocità
del suono nelle acque del lago di Ginevra fece uso di una campana
subacquea. I successivi tentativi di ottenere delle mappe dei
fondali oceanici tramite mezzi ecosonori non ottennero però
alcun risultato apprezzabile.
Nel
1877 Lord Rayleigh in Inghilterra pubblicò il suo famoso trattato
“La teoria del suono” in cui venivano chiaramente esposti i principi
fisici fondamentali delle vibrazioni sonore (le onde), della loro
trasmissione e rifrazione. Successivi studi portarono alla scoperta
di alcuni fenomeni particolari e da questi si ebbero gli elementi
per proseguire nella giusta direzione per lo studio degli ultrasuoni.
Il primo di tali fenomeni fu scoperto da Joule e denominato effetto
Magnetostrittivo, ossia quel fenomeno per mezzo del quale
è possibile convertire l'energia magnetica in energia meccanica
tramite la modifica dimensionale di un appropriato materiale metallico
sottoposto ad un forte campo magnetico.
Il secondo fu scoperto dai fratelli Curie nel 1880 e denominato
effetto Piezoelettrico. Essi osservarono che quando veniva
esercitata una pressione meccanica su un cristallo di quarzo od
altri cristalli, quale il sale di Rochelle (tartrato di sodio
e potassio tetraidrato) si produceva un potenziale elettrico,
e viceversa, applicando una carica elettrica si produceva una
deformazione del cristallo, inoltre se la carica elettrica era
pulsante entrava in vibrazione.
Si scoperse in sostanza un fenomeno per mezzo del quale era possibile
convertire energia elettrica in energia meccanica (viceversa,
una deformazione del cristallo, prodotta da una forza meccanica
esterna produce una tensione elettrica sulle polarità cristalline).
Tale effetto venne poi utilizzato per generare e riprodurre gli
ultrasuoni, cioè suoni non più udibili dall'orecchio
umano e capaci di trasportare energia meccanica.
Queste
due importanti scoperte suscitarono notevole interesse nei ricercatori,
che utilizzarono gli ultrasuoni per la rilevazione subacquea dopo
l’affondamento del Titanic nel 1912. Allo scoppio della Prima
Guerra Mondiale, gli ultrasuoni vennero utilizzati per localizzare
i sottomarini captando le onde ultrasonore di ritorno. Tra il
1914 ed il 1918 venne ampiamente utilizzato il "sonar"
ad ultrasuoni nell’individuazione dei sottomarini germanici. Constantin
Chilowsky, un russo emigrato in Svizzera, e Paul Langévin, eminente
fisico francese di Parigi, progettarono e costruirono un efficiente
apparecchio eco-sonoro, che chiamarono idrofono, un antesignano
degli apparecchi tipo sonar basato sugli ultrasuoni che sarebbero
stati sviluppati in seguito.
Un altro filone nel campo degli ultrasuoni che si sviluppò parallelamente
negli anni ’30 fu la costruzione di analizzatori di difetti dei
metalli ad ultrasuoni pulsati, analizzando le onde ultrasonore
riflesse dalle discontinuità dei materiali. Questa tecnica
venne utilizzata soprattutto nel valutare gli scafi di grandi
navi e le corazze dei carri armati. Il concetto alla base di tali
apparecchiature era stato elaborato dallo scienziato sovietico
Sergei Y. Sokolov nel 1928 all’Istituto Elettrotecnico di Leningrado.
Nel secondo dopoguerra, il rapido sviluppo dell'elettronica ha
reso possibile la creazione di molte apparecchiature (basate sulle
peculiari proprietà degli ultrasuoni) sempre più sofisticate
ed utilizzabili nel campo militare, medicale, industriale e domestico.
Ulteriori ricerche portarono alla scoperta dei materiali piezoceramici
che hanno favorito la costruzione di generatori ultrasonori sempre
più robusti, potenti e versatili.
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 la dimensione della bolle all'interno del liquido detergente
sottoposto all'azione degli ultrasuoni. Maggiore è la frequenza
del generatore (40 KHz) e minore è la dimensione della bollicina
e maggiore è il loro numero prodotto; al contrario, minore
è la frequenza (20 KHz) e maggiore sarà la dimensione della bollicina
e minore il loro numero. E' chiaro che una bollicina più grande
essendo stata generata da un'energia ultrasonora maggiore, avrà
anche una maggiore energia d'urto, mentre una bollicina più piccola
essendo stata generata con una quantità di energia minore,
avrà di conseguenza un'energia specifica d'urto inferiore
nel sistema ad ultrasuoni.
D'altra
parte le frequenze alte permettono di generare nell'unità di tempo
molte più bollicine, permettendo una migliore distribuzione 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 20 Khz. Pertanto, i sistemi a 40 Khz generano nell'unità
di tempo molte più bollicine e soprattutto di dimensioni minori,
permettendo di raggiungere punti anche molto piccoli per unità
di superficie.
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. Gli ultrasuoni sono indicati
per la pulizia di precisione di manufatti vari, e sono vantaggiosi
anche quando ci sia la presenza di cavità particolarmente
critiche come: canali lunghi e stretti, fori filettati, tubicini
capillari (cavità difficilmente raggiungibili con altri sistemi
di pulizia).
I manufatti vengono posizionati in cestelli o su telai e portati
in immersione nei vari stadi di trattamento.
Nel lavaggio ad immersione con ultrasuoni si sommano le due azioni
pulenti: l'azione chimica sgrassante del detergente e quella meccanica
dell'onda ultrasonora. Tale trattamento si rivela molto efficace
nel caso di contaminanti particolarmente tenaci quali residui
da lucidatura, lappatura, ecc. 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 ogni pezzo all'azione degli ultrasuoni .
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.
LA
PRATICA DEL LAVAGGIO
Quando
la soluzione detersiva è stata preparata di fresco, all'
accensione dell'apparecchiatura, gli ultrasuoni emessi provocano
in un primo momento la degasificazione della soluzione detergente,
cioè la separazione e l'eliminazione dei gas presenti in soluzione,
separandoli dal liquido sotto forma di bollicine che salgono in
superficie. La presenza dei gas nell'acqua (CO2,O,N)
a volte raggiunge valori considerevoli ed inizialmente rende i
detergenti acquosi elastici, attenuando l'energia meccanica degli
ultrasuoni.
Esaurita la separazione dei gas (il tempo è strettamente
correlato al detergente utilizzato, al suo pH, alla temperatura
del bagno di lavaggio, alla potenza ed alla frequenza degli ultrasuoni)
i trasduttori ad ultrasuoni, in condizioni ottimali, sono in grado
di trasmettere totalmente la loro energia sul manufatto da lavare
a mezzo degli ultrasuoni.
La
temperatura della soluzione acquosa in un bagno di lavaggio ad
ultrasuoni è molto importante; è bene ripetere che l'intensità
di cavitazione varia con il variare della temperatura e del detergente
utilizzato. L'intensità di cavitazione aumenta normalmente con
l'aumentare della temperatura, fino a circa 70°C per poi diminuire
e cessare completamente alla temperatura di ebollizione del liquido,
poichè con il liquido in ebollizione il vapore dell'acqua
provocato dalla cavitazione non può essere condensato dalla
soluzione lavante e le bollicine non possono implodere, viceversa
con la soluzione detersiva troppo fredda il vapore che determina
le bollicine richiede troppa energia per cui saranno prodotte
in quantità minore e con scarsa resa meccanica.
Altro parametro da considerare è la natura del materiale
con cui il manufatto (da lavare ad ultrasuoni) è realizzato,
questo condiziona la scelta del detergente utilizzato. Il detersivo
deve avere un pH appropriato per evitare attacchi alla vasca di
lavaggio ed alla superficie dei pezzi (l'attacco può essere
esaltato dall'azione della temperatura e dagli ultrasuoni).
Anche la natura chimica della sostanza da rimuovere dall'oggetto
sporco deve essere oggetto di attenzione, è necessario
scegliere il tipo di detergente ad ultrasuoni che possa asportare
il contaminante senza reagire con esso producendo composti insolubili
difficilmente emulsionabili. Il detergente acquoso deve inoltre
esaltare la cavitazione e non deprimerla, dovrà essere totalmente
solubile in acqua e possibilmente formulato con materie tensioattive
che abbiano una bassa tensione superficiale e che siano stabili
chimicamente alla temperatura di lavoro.
Altro
particolare da non trascurare per una buona resa ultrasonora e
durata del detegente, è consigliato l'utilizzo di cestelli
o sostegni dei pezzi costruiti con acciaio inox massiccio; sono
da evitare tubi che possono nascondere fori che per trascinamento
asporteranno la soluzione detergente che inquinerà le vasche
successive (o finirà nell'acqua di risciacquo) e, anche
se ben saldati e stagni, l'aria contenuta renderà elastico
il mezzo di lavaggio. Altra accortezza è quella di non
usare telai di sostegno plastificati (usati normalmente in galvanica)
il materiale di rivestimento ridurrebbe considerevolmente l'effetto
ultrasonoro.
GLI
EFFETTI AMBIENTALI DEGLI ULTRASUONI
Una
brevissima considerazione sui paventati effetti negativi degli
ultrasuoni è doverosa.
Molte ricerche sono state fatte nel campo per verificare gli effetti
delle onde ultrasonore ad utilizzo medico .
Bisogna ricordare che i risultati in campo medico si riferiscono
ad onde ultrasonore che penetrano nel corpo umano per contatto
diretto mutuate da un liquido che mette in contatto il corpo col
trasduttore, proseguendo poi attraverso i tessuti.
Il
maggior interesse delle ricerche suddette è stato rivolto
verso la pratica clinica prenatale, ovvero l'ecografia delle gestanti,
un settore di estrema delicatezza, l'unico effetto negativo potrebbe
essere legato al trasporto di energia trasformato in calore. Un'altra
breve considerazione è il recente utilizzo degli ultrasuoni
nell'uso domestico degli idromassaggi, perciò penetranti
nel corpo attraverso l'acqua. Nel nostro caso si tratta di emissioni
meccaniche che non hanno che un trascurabile trasporto di energia
attraverso l'aria; perciò hanno solo il molesto rumore
prodotto dagli impianti aperti o non ben isolati acusticamente.
|
s.r.l.