O poder do som: Explorando Limpadores Ultrassônicos em Aplicações Industriais

Guia rápido:

1 Introdução

2 Introdução à máquina de limpeza ultrassônica

3 Aplicações da lavadora ultrassônica

4 Estudos de caso: Usos específicos de máquinas de limpeza ultrassônica em indústrias

5 Conclusão

1 Introdução

As ondas ultrassônicas são ondas mecânicas com comprimentos de onda extremamente curtos, assim denominadas porque o limite inferior de sua faixa de frequência excede o alcance da audição humana. Devido ao seu efeito de cavitação, as ondas ultrassônicas no meio líquido farão com que o líquido forme microbolhas ocas. Essas bolhas se expandem e se fecham rapidamente, resultando em uma enorme pressão. Isso leva à emulsificação e pode quebrar algumas impurezas duras, por isso é frequentemente usado em aplicações de limpeza. Os limpadores ultrassônicos são amplamente utilizados na vida cotidiana, em experimentos de pesquisa científica e na produção industrial devido ao seu excelente efeito de limpeza. Neste artigo, discutiremos o princípio das máquinas de limpeza ultrassônica e as aplicações industriais, a fim de fornecer uma referência para a sua compra.

2 Introdução à máquina de limpeza ultrassônica

2.1 A natureza do ultrassom e o princípio de funcionamento da máquina de limpeza ultrassônica

No ar, as ondas ultrassônicas referem-se a um comprimento de onda inferior a 2 cm e a uma frequência superior a 20 kHz de ondas mecânicas. Esses comprimentos de onda são muito curtos e estão abaixo do limite inferior geral da audição humana (2 cm), por isso as pessoas chamam essas ondas mecânicas inaudíveis de ultrassom.

O ultrassom segue as mesmas leis no meio de reflexão, refração, difração, dispersão e outras propagações, assim como o infrassom e as ondas sonoras audíveis, sem nenhuma diferença fundamental. Mas o comprimento de onda do ultrassom é muito curto, apenas alguns centímetros, ou até mesmo alguns milésimos de milímetro.

Fig. 1 Faixa de frequência do ultrassom

Em comparação com outras ondas, o ultrassom tem muitas características:

Características de propagação - O comprimento de onda do ultrassom é muito curto; normalmente, os obstáculos são muitas vezes maiores do que o comprimento de onda do ultrassom. Consequentemente, a penetração do ultrassom é ruim, sua capacidade de difração é inferior e ele se espalha facilmente. As ondas ultrassônicas se propagam em linha reta em um meio uniforme, mas são difíceis de difratar. Quanto menor o comprimento de onda, mais significativa é essa característica. Além disso, de acordo com a lei de espalhamento de Rayleigh, a intensidade da onda espalhada é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda. Como o comprimento de onda ultrassônico é extremamente curto, a dispersão será muito grave e a penetração não será boa.

Cavitação - Quando as ondas ultrassônicas se propagam por um meio, há um ciclo alternado positivo e negativo. Na fase positiva, as ondas ultrassônicas comprimem as moléculas do meio, alterando e aumentando a densidade original do meio. Na fase negativa, as moléculas se tornam esparsas, dispersando-as ainda mais e reduzindo a densidade do meio. Quando os ultrassons de intensidade suficientemente alta atuam em um meio líquido, a distância média entre as moléculas excede o que é necessário para manter a distância molecular crítica do meio, fazendo com que o meio se frature e forme microbolhas. Essas pequenas cavidades se expandem e se fecham rapidamente, fazendo com que as partículas líquidas ocorram entre o impacto violento, gerando assim milhares a dezenas de milhares de pressões atmosféricas. Essa interação violenta entre as partículas desempenha um bom papel na mistura, de modo que a emulsificação de dois líquidos imiscíveis (como água e óleo) acelera a dissolução de solutos. O estouro de bolhas gerado pelas pequenas, mas poderosas, ondas de choque e microjatos também pode remover com eficácia a sujeira e os poluentes da superfície do objeto. Esse tipo de ação ultrassônica no líquido é causado por vários efeitos conhecidos como cavitação ultrassônica, que também é a máquina de limpeza ultrassônica que pode desempenhar um papel na limpeza do princípio.

Fig. 2 Cavitação

2.2 Estrutura da máquina de limpeza ultrassônica

1. Gerador ultrassônico

O gerador ultrassônico é um dos principais componentes da máquina de limpeza ultrassônica, sendo o principal responsável pela geração de energia elétrica de alta frequência. Ele converte a corrente alternada em energia elétrica de alta frequência (geralmente entre 20kHz e 40kHz) e a transmite para o transdutor ultrassônico.

2. Transdutor ultrassônico

O transdutor ultrassônico geralmente é feito de materiais piezoelétricos (como cerâmica piezoelétrica), por isso também é conhecido como transdutor piezoelétrico. Ele consiste em um sistema de transformador de potência e retificador, oscilador, propulsor, amplificador de taxa dinâmica e transformador de saída. Ele converte a energia elétrica de alta frequência gerada pelo gerador ultrassônico em vibração mecânica. O transdutor é fixado no fundo ou na parede lateral do tanque de limpeza, convertendo a energia elétrica em vibração mecânica de alta frequência.

3. Tanque de limpeza

O tanque de limpeza é usado para conter o fluido de limpeza e os itens de limpeza a serem limpos no recipiente. Geralmente é feito de aço inoxidável e outros materiais resistentes à corrosão para evitar a corrosão do fluido de limpeza e da sujeira no tanque. O tanque também pode ser instalado nos dispositivos de aquecimento e controle de temperatura para controlar a temperatura da solução de limpeza, tanques de aço inoxidável e almofadas de estrutura de caixa entre o dispositivo de amortecimento de vibração. O tamanho e o formato do tanque de limpeza podem ser personalizados de acordo com as diferentes necessidades de limpeza.

4. Placa vibratória

A placa vibratória geralmente é fixada no fundo ou na parede lateral do tanque de limpeza, conectada ao transdutor ultrassônico. A placa transmite a vibração mecânica gerada pelo transdutor uniformemente para o fluido de limpeza, criando um efeito de cavitação.

5. Fluido de limpeza

O fluido de limpeza é o meio do processo de limpeza, geralmente composto de água e a quantidade adequada de detergente. A escolha do fluido de limpeza depende do material a ser limpo e da natureza da sujeira. O fluido de limpeza correto pode melhorar o efeito da limpeza ultrassônica.

6. Painel de controle

O painel de controle regula e controla os parâmetros de trabalho da máquina de limpeza ultrassônica, inclusive a frequência ultrassônica, a potência, o tempo de limpeza e a temperatura. Os limpadores ultrassônicos modernos geralmente são equipados com visor digital e funções de programação para que os usuários possam controlar com precisão o processo de limpeza. O painel é equipado com um soquete de entrada de energia e um fusível na parte traseira. A fonte de alimentação da lavadora ultrassônica deve ser instalada com um circuito de proteção contra sobrecorrente para garantir a segurança do uso.

7. Sistema de aquecimento (opcional)

Algumas lavadoras ultrassônicas são equipadas com um sistema de aquecimento para aquecer a solução de limpeza. O aquecimento pode melhorar a eficiência da limpeza, especialmente no caso de sujeira gordurosa, pois a solução de limpeza aquecida pode dissolver e remover a sujeira com mais eficácia.

8. Sistema de filtragem (opcional)

O sistema de filtragem é usado para remover as impurezas da solução de limpeza e manter a limpeza da solução de limpeza. O sistema pode prolongar a vida útil da solução de limpeza e melhorar o efeito de limpeza.

9. Sistema de drenagem

O sistema de drenagem é usado para esvaziar o fluido de limpeza no tanque de limpeza, o que facilita a substituição do fluido de limpeza e a limpeza do tanque de limpeza. Geralmente, ele inclui uma válvula de drenagem e uma tubulação.

Fig. 3 Estrutura e princípio da máquina de limpeza ultrassônica

3 Aplicações do limpador ultrassônico

3.1 Aplicações industriais

As máquinas de limpeza ultrassônica são amplamente utilizadas em vários setores.

lA indústria de manufatura para o tratamento de limpeza da superfície do produto geralmente usa a limpeza ultrassônica para atingir o objetivo de remover completamente pequenas impurezas .

lNa indústria eletrônica, as máquinas de limpeza por ultrassom são usadas principalmente para limpar componentes eletrônicos e placas de circuito. Os componentes eletrônicos no processo de fabricação são facilmente contaminados por uma variedade de poeira minúscula e poluentes. A limpeza ultrassônica pode remover com eficácia essas partículas minúsculas, para garantir a limpeza e a qualidade dos componentes.

lNo processo de fabricação de automóveis, muitas peças, como componentes do motor, componentes da transmissão, sistemas de injeção de combustível etc., precisam manter um alto grau de limpeza. As máquinas de limpeza ultrassônica podem remover completamente essas peças do óleo, aparas de metal e outras impurezas, para melhorar a qualidade da montagem e o desempenho do veículo.

lNo campo da fabricação de máquinas de precisão, muitas peças exigem um grau muito alto de limpeza. Os limpadores ultrassônicos podem remover pequenas impurezas da superfície e do interior dessas peças para garantir sua precisão e desempenho.

lNa fabricação de lentes e instrumentos ópticos, as lavadoras ultrassônicas são usadas para remover poeira e impressões digitais das lentes para garantir clareza e precisão .

lNo processo de fabricação de aço, a superfície do aço geralmente apresenta pele oxidada, graxa e outros poluentes. Os limpadores ultrassônicos podem remover esses contaminantes de forma rápida e eficiente, melhorando a qualidade da superfície do aço.

Em cenários de aplicação que exigem precisão e limpeza extremamente altas, as lavadoras ultrassônicas podem atender a requisitos de limpeza mais elevados.

lAs lavadoras ultrassônicas são amplamente usadas no setor médico para limpar instrumentos cirúrgicos e outros equipamentos médicos. Sua capacidade de limpeza eficiente e completa pode garantir a esterilidade dos equipamentos médicos e evitar a ocorrência de infecções. Os equipamentos e recipientes farmacêuticos exigem padrões de limpeza rigorosos. Os limpadores ultrassônicos podem limpar com eficiência reatores, agitadores e outros equipamentos para garantir um processo de produção farmacêutica seguro e livre de poluição.

lNa limpeza de equipamentos de processamento de alimentos, uma máquina de limpeza ultrassônica pode remover com eficiência resíduos e manchas de alimentos, para garantir a limpeza dos equipamentos e a segurança dos alimentos .

lO setor aeroespacial tem requisitos extremamente altos para a limpeza de peças. As máquinas de limpeza ultrassônica podem ser usadas para limpar uma variedade de formas e estruturas complexas de peças de aviação para garantir sua confiabilidade em ambientes agressivos.

lAlém dos setores acima, as máquinas de limpeza ultrassônica também são amplamente utilizadas em relojoaria, processamento de joias, laboratórios químicos e outros campos. Qualquer necessidade de ocasiões de limpeza eficientes e precisas pode usar a tecnologia de limpeza ultrassônica.

No setor de fabricação, o uso de máquinas de limpeza ultrassônica para a limpeza de produtos pode aumentar a produtividade e melhorar a qualidade do produto. A limpeza ultrassônica pode penetrar em pequenas fendas e estruturas complexas para atingir um grau mais alto de limpeza. Ao mesmo tempo, as peças de precisão podem garantir a integridade de sua superfície e reduzir a perda de peças. Além disso, as máquinas de limpeza ultrassônica usam fluido de limpeza à base de água, reduzem o uso de produtos químicos e diminuem a poluição ambiental. Portanto, a limpeza ultrassônica tornou-se um importante método de limpeza na produção industrial. A Stanford Advanced Materials (SAM) oferece uma ampla variedade de limpadores ultrassônicos para aplicações industriais em larga escala e pode fornecer a escolha certa de equipamentos com base no tamanho do seu setor, na área ocupada e nos requisitos de eficiência. A Fig. 4 mostra uma lavadora ultrassônica de cinco tanques com sistema de transferência semiautomatizado.

Fig. 4 Lavadora ultrassônica de cinco tanques com sistema de transferência semiautomatizado

3.2 Aplicações para a vida útil

A lavadora ultrassônica não é apenas amplamente utilizada nas indústrias, mas também tem muitas aplicações importantes na vida cotidiana. Ele usa o efeito de cavitação das ondas ultrassônicas para limpar de forma eficiente e completa uma variedade de itens, economizando tempo e esforço.

lAs máquinas de limpeza ultrassônica podem limpar com eficiência a sujeira e a graxa em joias, relógios e outros acessórios para restaurar o brilho original e penetrar em pequenas fendas para remover completamente a sujeira que é difícil de limpar à mão .

lEle também pode limpar completamente as lentes e armações de óculos para evitar arranhões e danos à superfície da lente .

lAs máquinas de limpeza ultrassônica podem ser usadas para limpar louças e utensílios de cozinha, especialmente os itens com formas complexas e fendas minúsculas, como facas, garfos, colheres e coadores. A limpeza ultrassônica remove a gordura persistente e os resíduos de alimentos e garante a higiene.

lOs aparelhos odontológicos usados em casa, como cabeças de escovas de dente, dentaduras e aparelhos ortodônticos, são propensos a acumular bactérias e sujeira. Os limpadores ultrassônicos podem limpar esses aparelhos com eficiência, proporcionando melhor higiene bucal.

lOs aparelhos de fisioterapia usados em casa, como cabeçotes de massagem, dispositivos de ventosas e almofadas de eletrodos de fisioterapia, podem ser limpos por ultrassom para remover resíduos após o uso, mantendo os aparelhos higiênicos e seguros.

lAs ferramentas de beleza, como lâminas de barbear, tesouras de barbeiro, pincéis de maquiagem e ferramentas de manicure, podem ficar mais limpas e higiênicas após a limpeza ultrassônica, reduzindo o risco de infecções de pele .

lRecipientes de cosméticos, como paletas de sombras, estojos de pó, tubos de batom, etc., podem ser limpos com um limpador ultrassônico para remover cosméticos residuais e sujeira e manter os recipientes limpos .

lAs lavadoras ultrassônicas também podem ser usadas para limpar coleções de artefatos, etc., para manter a aparência original e o valor dos itens.

Além do maior poder de limpeza, a vantagem mais significativa da limpeza ultrassônica na aplicação da vida é reduzir o uso de agentes químicos de limpeza potentes que têm um certo grau de perigo, melhorar a segurança e, ao mesmo tempo, reduzir a poluição do meio ambiente.

Fig. 5 Um tipo de máquina de limpeza ultrassônica de óculos

3.3 Aplicações de pesquisa científica

Os limpadores ultrassônicos têm uma ampla gama de aplicações no campo da pesquisa científica, principalmente para apoiar uma variedade de pesquisas e experimentos usando suas características de alta eficiência, precisão e limpeza não destrutiva.

lVidraria de laboratório, aparelhos de plástico, ferramentas de metal etc. precisam manter um alto grau de limpeza para não contaminar os resultados dos experimentos. Os limpadores ultrassônicos podem remover com eficácia resíduos, produtos químicos e partículas presos a esses utensílios para garantir a limpeza do aparato experimental.

lNa pesquisa em ciência de materiais e biociência, o processo de preparação de amostras geralmente precisa remover os contaminantes da superfície. Os limpadores ultrassônicos podem ser usados para limpar a superfície da amostra para garantir a pureza da amostra e a precisão dos resultados experimentais.

lEm experimentos de análise química, a etapa de pré-tratamento da amostra requer um processo de limpeza eficiente. Os limpadores ultrassônicos podem limpar rapidamente frascos de amostras, reatores e outros recipientes experimentais, reduzindo a interferência de contaminantes nos resultados analíticos.

lNa pesquisa de metalurgia e materiais, a limpeza de amostras de metal é uma etapa muito importante. Os limpadores ultrassônicos podem remover com eficácia graxa, óxidos e outras impurezas das superfícies metálicas, garantindo amostras limpas e resultados precisos.

lOs componentes eletrônicos usados em pesquisas científicas, como chips microeletrônicos, sensores e placas de circuito, precisam ser mantidos altamente limpos. Os limpadores ultrassônicos podem remover partículas minúsculas e contaminantes da superfície desses componentes para garantir seu desempenho e confiabilidade.

lEm experimentos ópticos, as lentes, os prismas, a fibra óptica e outros componentes ópticos precisam manter um alto grau de transparência e limpeza. Os limpadores ultrassônicos podem remover com eficiência a poeira e as impressões digitais da superfície desses componentes para garantir a precisão dos experimentos ópticos. A preparação e o processamento de nanomateriais exigem a remoção de impurezas e não reagentes de suas superfícies para garantir a precisão de suas propriedades e dos resultados da pesquisa. Os limpadores ultrassônicos podem penetrar profundamente na microestrutura dos nanomateriais e remover completamente as impurezas.

lNa biologia e na pesquisa médica, os aparelhos de cultura de células, as lâminas de microscópio e outras amostras biológicas exigem uma limpeza rigorosa. Os limpadores ultrassônicos removem resíduos e contaminantes da superfície das amostras biológicas, garantindo a confiabilidade dos resultados experimentais. Os chips microfluídicos são amplamente utilizados em análises biomédicas e químicas, e suas microestruturas são facilmente contaminadas. Os limpadores ultrassônicos podem limpar com eficiência os minúsculos canais e estruturas desses chips para garantir sua função e desempenho.

lNa pesquisa arqueológica, os artefatos antigos e as amostras de fósseis precisam ser limpos com muito cuidado para evitar danos. Os limpadores ultrassônicos removem o solo e os sedimentos da superfície dessas amostras de forma suave, mas eficaz, preservando sua condição original.

O uso de limpadores ultrassônicos em pesquisas científicas permite a limpeza completa de objetos complexos em um curto período sem danos mecânicos a instrumentos e amostras delicados, preservando sua integridade. O uso de controle de máquina para o trabalho de limpeza facilita a automação do processo de limpeza, reduz o erro humano e melhora a eficiência do experimento. Ao mesmo tempo, reduz a dependência de produtos de limpeza químicos fortes, o uso de fluidos de limpeza à base de água, a proteção ambiental e a segurança.

Fig. 6 Limpadores ultrassônicos de laboratório para limpeza de instrumentos

4 Estudos de caso: Usos específicos de máquinas de limpeza ultrassônica em indústrias

Aqui estão alguns estudos de caso do uso de limpadores ultrassônicos na fabricação industrial.

4.1 Melhoria da manutenção de PCBs com limpeza ultrassônica no setor de eletrônicos

A limpeza de placas de circuito impresso é comumente usada para limpeza ultrassônica. A placa de circuito impresso ( PCB ) é um dos componentes indispensáveis dos equipamentos eletrônicos, usada para suportar mecanicamente e conectar eletricamente os componentes eletrônicos. A placa de circuito impresso é formada por caminhos condutores em um substrato não condutor, conectividade e outros gráficos de circuito para estabelecer a conexão entre os componentes eletrônicos e a comunicação.

O fluxo de soldagem de componentes de PCB é dividido em três categorias: solúvel em água, tipo colofônia e tipo sem limpeza. Os dois primeiros tipos são usados com mais frequência e geralmente exigem limpeza ultrassônica, embora a escovação com álcool também seja comum. Em princípio, o fluxo no-clean não deveria exigir limpeza. No entanto, a maioria dos fabricantes em todo o mundo ainda limpa os componentes eletrônicos soldados com fluxo do tipo no-clean. Especialmente no caso de PCBs e pinos de CI de alta densidade, se não forem limpos ou se a limpeza ultrassônica não for usada, poderá haver acúmulo de poeira entre as linhas e os pinos de alta densidade. Esse acúmulo pode levar a curtos-circuitos quando o ambiente se torna úmido, e essas falhas podem se resolver e desaparecer por conta própria quando secam, dificultando sua detecção. Portanto, a maioria dos fabricantes de produtos eletrônicos usa consistentemente a limpeza ultrassônica para PCBs a fim de evitar esses problemas.

Fig. 7 Máquina de limpeza ultrassônica para limpar PCB

4.2 Aumento da eficiência da limpeza com a tecnologia ultrassônica no setor de hardware

Em comparação com uma variedade de outros métodos de limpeza, a máquina de limpeza ultrassônica mostra grande superioridade, especialmente na especialização, empresas de produção em grupo. Essas empresas têm usado gradualmente as máquinas de limpeza ultrassônica para substituir a imersão tradicional, a escovação, a lavagem sob pressão, a limpeza por vibração, a limpeza a vapor e outros processos. As máquinas ultrassônicas oferecem alta eficiência e um alto grau de limpeza devido à propagação da onda sonora no meio, que resulta dos efeitos de penetração e cavitação. Isso facilita a limpeza de peças e componentes com formas complexas, cavidades internas e furos finos. Além disso, as máquinas de limpeza ultrassônica são versáteis e adequadas para cubos de rodas automotivas, peças banhadas e banhadas a vácuo, peças de motor, rolamentos, peças fundidas, peças estampadas, óculos, louças de aço inoxidável, compressores, peças de relógio, equipamentos têxteis de precisão, moldes de precisão, engrenagens, virabrequins e outros componentes de precisão. Moldes de precisão, engrenagens, virabrequins, válvulas, radiadores e outras peças de precisão são eficientemente limpos de óleo, cera e detritos durante o processo de produção usando a limpeza ultrassônica. Essa tecnologia também é amplamente utilizada para a limpeza de placas de circuito eletrônico, peças de rolamentos, lentes ópticas, peças automotivas, componentes de revestimento de íons a vácuo, peças de revestimento de hardware, cabeçotes magnéticos de áudio, peças de hardware de precisão, equipamentos médicos, telas de cristal líquido e maquinário de aviação, o que a torna essencial em várias aplicações de limpeza especializadas do setor.

4.3 Aprimorando os processos de pré e pós-tratamento no setor de galvanização com a limpeza ultrassônica

A limpeza ultrassônica é usada principalmente no setor de galvanização para uma ampla gama de componentes, incluindo peças de galvanoplastia, peças de galvanização a vácuo, fechaduras, peças de motor, rolamentos, peças fundidas, peças de estampagem, caixas e pulseiras de relógio, armações de óculos, louças de aço inoxidável, compressores, equipamentos têxteis de precisão, moldes de precisão, engrenagens, virabrequins, válvulas, radiadores e outras peças de metal de precisão. Ele remove com eficácia o óleo, a cera e os resíduos de todos os tipos de peças metálicas durante a produção e o processamento. A limpeza ultrassônica nesse setor é categorizada em dois tipos principais: limpeza pré-tratamento e pós-tratamento. O pré-tratamento envolve a limpeza de várias peças de hardware para remover a cera de polimento, os óleos de processamento e os detritos. O pós-tratamento se concentra na remoção de soluções de galvanização residuais e vários resíduos do processo de galvanização.

5 Conclusão

A tecnologia de limpeza ultrassônica demonstrou um valor de aplicação significativo no setor, na vida e na pesquisa científica devido às suas características de limpeza eficiente, profunda e suave. Essa tecnologia utiliza o efeito de cavitação gerado pelas ondas ultrassônicas para remover com eficácia a sujeira, a graxa e outras impurezas da superfície e da estrutura interna sem danificar o item que está sendo limpo, o que é especialmente adequado para a limpeza de itens com formas complexas e pequenas fendas. Na fabricação industrial, a máquina de limpeza ultrassônica melhora a eficiência da produção e a qualidade do produto, reduz o uso de produtos químicos de limpeza e diminui a poluição ambiental. Na vida cotidiana, ela oferece às pessoas uma forma segura, ecológica e eficiente de limpeza. No campo da pesquisa científica, a tecnologia de limpeza ultrassônica garante os altos requisitos de limpeza de aparelhos e amostras experimentais, apoiando a pesquisa científica precisa. Portanto, seja do ponto de vista do aumento da eficiência da limpeza, da proteção do desempenho de produtos e equipamentos ou da proteção e segurança ambiental, uma máquina de limpeza ultrassônica é uma ferramenta de limpeza avançada que merece ser amplamente promovida e aplicada.

Referências:

[1] Fabricação e testes de desempenho de um sistema de limpeza ultrassônica para wafers de células solares [J]. Jornal da Sociedade Coreana de Engenheiros de Tecnologia de Manufatura, 2019, 28(4).

[2] Escrig J, Woolley E, Rangappa S, et al. Monitoramento de limpeza no local de diferentes materiais de incrustação de alimentos usando medições ultrassônicas [J]. Controle de Alimentos,2019,104.

[3] M S K . Pesquisa: Garantindo a Cavitação em um Limpador Ultrassônico de Dispositivos Médicos [J]. Biomedical instrumentation & technology,2019,53(4).