Czyszczenie ultradźwiękowe - Ultrasonic cleaning
Czyszczenie ultradźwiękowe to proces wykorzystujący ultradźwięki (zwykle 20-40 kHz ) do mieszania płynu. Ultradźwięków można używać tylko z wodą, ale użycie rozpuszczalnika odpowiedniego do czyszczonego przedmiotu i rodzaju zabrudzenia wzmacnia efekt. Czyszczenie zwykle trwa od trzech do sześciu minut, ale może również przekroczyć 20 minut, w zależności od tego, który przedmiot ma zostać wyczyszczony.
Myjki ultradźwiękowe służą do czyszczenia wielu różnych przedmiotów, w tym biżuterii , próbek naukowych, soczewek i innych części optycznych, zegarków , instrumentów dentystycznych i chirurgicznych , narzędzi , monet , piór wiecznych , kijów golfowych , kołowrotków wędkarskich , rolet okiennych , elementów broni palnej , samochodowe wtryskiwacze paliwa , instrumenty muzyczne, płyty gramofonowe , części maszyn przemysłowych i sprzęt elektroniczny. Wykorzystywane są w wielu warsztatach jubilerskich, zakładach zegarmistrzowskich , warsztatach naprawy elektroniki i laboratoriach naukowych.
Historia
Mechanizmy powierzchniowe czyszczenia ultradźwiękowego są dobrze zrozumiane, a wiele prac poświęconych tej nauce od czasu pojawienia się pierwszego komercyjnego sprzętu do czyszczenia ultradźwiękowego w latach 50. XX wieku i wprowadzenia do użytku stosunkowo niedrogich urządzeń domowych około 1970 r. Czyszczenie ultradźwiękowe jest stosowane w przemyśle od dziesięcioleci , szczególnie do czyszczenia małych, skomplikowanych części i przyspieszania procesów obróbki powierzchni.
Charakterystyka procesu
Czyszczenie ultradźwiękowe wykorzystuje pęcherzyki kawitacyjne wywołane przez fale ciśnienia (dźwiękowe) o wysokiej częstotliwości do mieszania cieczy. Mieszanie wytwarza duże siły na zanieczyszczenia przylegające do podłoży takich jak metale, tworzywa sztuczne, szkło, guma i ceramika. Działanie to penetruje również ślepe otwory , pęknięcia i wgłębienia. Celem jest dokładne usunięcie wszelkich śladów zanieczyszczeń mocno przylegających lub osadzonych na stałych powierzchniach. Można użyć wody lub rozpuszczalników , w zależności od rodzaju zanieczyszczenia i przedmiotu obrabianego. Zanieczyszczenia mogą obejmować kurz, brud, olej, pigmenty, rdzę, tłuszcz, glony, grzyby, bakterie, kamień wapienny, związki polerujące, topniki, odciski palców, wosk i środki do usuwania pleśni, zabrudzenia biologiczne, takie jak krew i tak dalej. Czyszczenie ultradźwiękowe może być stosowane do szerokiej gamy kształtów, rozmiarów i materiałów obrabianych przedmiotów i może nie wymagać demontażu części przed czyszczeniem.
Podczas procesu czyszczenia przedmioty nie mogą spoczywać na dnie urządzenia, ponieważ zapobiegnie to występowaniu kawitacji na części przedmiotu nie mającej kontaktu z rozpuszczalnikiem.
Konstrukcja i zasada działania
W myjce ultradźwiękowej czyszczony przedmiot umieszcza się w komorze zawierającej odpowiedni roztwór (w rozpuszczalniku wodnym lub organicznym, w zależności od zastosowania). W wodnych środkach czyszczących często dodaje się środki powierzchniowo czynne (np. detergent do prania), aby umożliwić rozpuszczanie związków niepolarnych, takich jak oleje i smary. Przetwornik generujący ultradźwięki wbudowany w komorę lub zanurzony w płynie wytwarza fale ultradźwiękowe w płynie, zmieniając rozmiar zgodnie z sygnałem elektrycznym oscylującym z częstotliwością ultradźwiękową. Powoduje to powstanie fal kompresji w cieczy w zbiorniku, które „rozrywają” ciecz, pozostawiając wiele milionów mikroskopijnych „pustek”/„częściowych pęcherzyków próżni” (kawitacja). Te bąbelki zapadają się z ogromną energią; osiągane są temperatury i ciśnienia rzędu 5000 K i 135 MPa; są jednak tak małe, że służą jedynie do czyszczenia i usuwania powierzchniowego brudu i zanieczyszczeń. Im wyższa częstotliwość, tym mniejsze węzły pomiędzy punktami kawitacji, co pozwala na czyszczenie bardziej skomplikowanych detali.
Przetworniki są zwykle piezoelektryczne (np. wykonane z tytanianu cyrkonianu ołowiu (PZT), tytanianu baru itp.), ale czasami są magnetostrykcyjne . Często żrące chemikalia stosowane jako środki czyszczące w wielu gałęziach przemysłu nie są potrzebne lub są stosowane w znacznie niższych stężeniach, z mieszaniem ultradźwiękowym. Ultradźwięki są wykorzystywane do czyszczenia przemysłowego, a także wykorzystywane w wielu technikach medycznych i dentystycznych oraz procesach przemysłowych.
Roztwór czyszczący
Aktywność ultradźwiękowa (kawitacja) pomaga rozwiązaniu wykonać swoją pracę; zwykła woda nie byłaby normalnie skuteczna. Roztwór myjący zawiera składniki zaprojektowane w celu zwiększenia skuteczności czyszczenia ultradźwiękowego. Na przykład zmniejszenie napięcia powierzchniowego zwiększa poziom kawitacji, więc roztwór zawiera dobry środek zwilżający ( surfaktant ). Wodne roztwory czyszczące zawierają detergenty, środki zwilżające i inne składniki i mają duży wpływ na proces czyszczenia. Prawidłowy skład roztworu jest bardzo zależny od czyszczonego przedmiotu. Roztwory są najczęściej używane na ciepło, w temperaturze około 50–65 °C (122–149 °F), jednak w zastosowaniach medycznych ogólnie przyjmuje się, że czyszczenie powinno odbywać się w temperaturze poniżej 45 °C (113°F), aby zapobiec koagulacji białek.
Roztwory na bazie wody są bardziej ograniczone pod względem zdolności do usuwania zanieczyszczeń w wyniku samego działania chemicznego niż roztwory rozpuszczalnikowe; np. do delikatnych części pokrytych gęstym tłuszczem. Wysiłek wymagany do zaprojektowania skutecznego systemu czyszczenia wodnego do określonego celu jest znacznie większy niż w przypadku systemu rozpuszczalnikowego.
Niektóre maszyny (które nie są nadmiernie duże) są zintegrowane z maszynami do odtłuszczania parą wykorzystującymi węglowodorowe płyny czyszczące: Trzy zbiorniki są używane w kaskadzie. Dolny zbiornik zawierający brudną ciecz jest podgrzewany, co powoduje odparowanie cieczy. W górnej części maszyny znajduje się wężownica chłodnicza. Płyn kondensuje się na wężownicy i wpada do górnego zbiornika. Górny zbiornik w końcu się przelewa, a czysty płyn spływa do zbiornika roboczego, w którym odbywa się czyszczenie. Cena zakupu jest wyższa niż prostszych maszyn, ale takie maszyny są ekonomiczne na dłuższą metę. Ten sam płyn można wielokrotnie wykorzystywać, minimalizując straty i zanieczyszczenia.
Zastosowania
Do czyszczenia ultradźwiękowego nadaje się większość twardych, niechłonnych materiałów (metale, tworzywa sztuczne itp.), które nie są chemicznie atakowane przez płyn czyszczący. Idealnymi materiałami do czyszczenia ultradźwiękowego są drobne części elektroniczne, kable, pręty, druty i detale, a także przedmioty wykonane ze szkła, plastiku, aluminium czy ceramiki.
Mycie ultradźwiękowe nie sterylizuje czyszczonych przedmiotów, ponieważ po czyszczeniu na przedmiotach pozostaną zarodniki i wirusy. W zastosowaniach medycznych sterylizacja zwykle następuje po czyszczeniu ultradźwiękowym jako oddzielnym etapie.
Przemysłowe myjki ultradźwiękowe są stosowane w przemyśle motoryzacyjnym, sportowym, drukarskim, morskim, medycznym, farmaceutycznym, galwanotechnicznym, podzespołach napędów dysków, maszynowym i zbrojeniowym.
Czyszczenie ultradźwiękowe służy do usuwania zanieczyszczeń z urządzeń do procesów przemysłowych, takich jak rury i wymienniki ciepła.
Ograniczenia
Czyszczenie ultradźwiękowe jest szeroko stosowane do usuwania pozostałości topnika z lutowanych płytek drukowanych. Jednak niektóre elementy elektroniczne, w szczególności urządzenia MEMS , takie jak żyroskopy , akcelerometry i mikrofony, mogą ulec uszkodzeniu lub zniszczeniu przez wibracje o wysokiej intensywności, którym są poddawane podczas czyszczenia. Brzęczyki piezoelektryczne mogą pracować w odwrotnej kolejności i wytwarzać napięcie, które może stanowić zagrożenie dla ich obwodów napędowych.
Bezpieczeństwo
Zaleca się unikanie stosowania łatwopalnych roztworów czyszczących, ponieważ myjki ultradźwiękowe podnoszą temperaturę nawet wtedy, gdy nie są wyposażone w grzałkę. Gdy urządzenie pracuje, włożenie ręki do roztworu może spowodować oparzenie z powodu temperatury; może również wystąpić dyskomfort i podrażnienie skóry.