La limpieza ultrasónica es un proceso que utiliza ultrasonidos (normalmente de 20 a 40 kHz ) para agitar un fluido, con un efecto limpiador . Los limpiadores ultrasónicos vienen en una variedad de tamaños, desde pequeñas unidades de escritorio con un volumen interno de menos de 0,5 litros (0,13 gal EE.UU.) hasta grandes unidades industriales con volúmenes cercanos a los 1000 litros (260 gal EE.UU.).
El principio de la máquina de limpieza ultrasónica es convertir la energía sonora de la fuente de frecuencia ultrasónica en vibración mecánica a través del transductor. La vibración generada por la onda ultrasónica se transmite al líquido de limpieza a través de la pared del tanque de limpieza para que las microburbujas en el líquido del tanque puedan seguir vibrando bajo la acción de la onda de sonido, destruyendo y separando la adsorción sucia en la superficie. del objeto.
Dependiendo del objeto que se limpie, el proceso puede ser muy rápido y limpiar completamente un artículo sucio en minutos. En otros casos, la limpieza puede ser más lenta y superar los 30 minutos. [1]
Los limpiadores ultrasónicos se utilizan para limpiar muchos tipos diferentes de objetos, incluidas piezas industriales, joyas , muestras científicas, lentes y otras piezas ópticas, relojes , instrumentos dentales y quirúrgicos , herramientas , monedas , plumas estilográficas , palos de golf , carretes de pesca , persianas , componentes de armas de fuego , inyectores de combustible para automóviles , instrumentos musicales, discos de gramófono , piezas mecanizadas industriales y equipos electrónicos, lentes ópticas, etc. Se utilizan en numerosos talleres de joyería, establecimientos de relojería , talleres de reparación electrónica, [2] y laboratorios científicos.
La limpieza ultrasónica se utiliza industrialmente desde hace décadas, [ ¿cuándo? ] particularmente para limpiar piezas de formas complejas y/o que tienen pequeños orificios/galerías intrincadas, y para acelerar los procesos de tratamiento de superficies. [3]
Parece que los limpiadores ultrasónicos se desarrollaron como una evolución natural de varios inventos anteriores que utilizaban vibraciones para agitar y mezclar sustancias y, por lo tanto, no existe un "inventor" claro de la limpieza ultrasónica. La patente estadounidense 2815193, expedida en diciembre de 1954 , es la primera patente registrada que utiliza específicamente el término "limpieza ultrasónica", aunque patentes anteriores se refieren al uso de ultrasonido para "agitación intensa", "tratamiento" y "pulido", por ejemplo, US 2651148 .
A mediados de la década de 1950 había al menos tres fabricantes de limpiadores ultrasónicos establecidos en los Estados Unidos y dos en el Reino Unido; y en la década de 1970 los limpiadores ultrasónicos estaban ampliamente establecidos para uso industrial y doméstico. [4] [5]
La limpieza ultrasónica utiliza burbujas de cavitación inducidas por ondas de presión (sonido) de alta frecuencia para agitar un líquido. La agitación produce altas fuerzas sobre los contaminantes que se adhieren a sustratos como metales, plásticos, vidrio, caucho y cerámica. Esta acción también penetra en agujeros ciegos , grietas y huecos. La intención es eliminar completamente todos los rastros de contaminación fuertemente adheridos o incrustados en superficies sólidas. Según el tipo de contaminación y la pieza de trabajo se puede utilizar agua u otros disolventes . Los contaminantes pueden incluir polvo, suciedad, aceite, pigmentos, óxido, grasa, algas, hongos, bacterias, cal, compuestos de pulido, agentes fundentes, huellas dactilares, cera de hollín y agentes desmoldantes, suciedad biológica como sangre, etc. La limpieza ultrasónica se puede utilizar para una amplia gama de formas, tamaños y materiales de piezas de trabajo, y es posible que no requiera el desmontaje de la pieza antes de la limpieza. [6]
No se debe permitir que objetos reposen en el fondo del dispositivo durante el proceso de limpieza, ya que esto evitará que se produzca cavitación en la parte del objeto que no esté en contacto con el disolvente. [2]
En un limpiador ultrasónico, el objeto a limpiar se coloca en una cámara que contiene una solución adecuada (en un disolvente acuoso u orgánico, según la aplicación). En los limpiadores acuosos, a menudo se añaden tensioactivos (por ejemplo, detergentes para ropa) para permitir la disolución de compuestos no polares como aceites y grasas. Un transductor generador de ultrasonido integrado en la cámara, o sumergido en el fluido, produce ondas ultrasónicas en el fluido cambiando de tamaño junto con una señal eléctrica que oscila a una frecuencia ultrasónica. Esto crea ondas de compresión en el líquido del tanque que "desgarran" el líquido, dejando muchos millones de "huecos" microscópicos o "burbujas de vacío parcial" (cavitación). Estas burbujas colapsan con enorme energía; se alcanzan temperaturas y presiones del orden de 5.000 K y 135 MPa; [7] [8] sin embargo, son tan pequeños que no hacen más que limpiar y eliminar la suciedad y los contaminantes de la superficie. Cuanto mayor es la frecuencia, más pequeños son los nodos entre los puntos de cavitación, lo que permite limpiar detalles más complejos.
Los transductores suelen ser piezoeléctricos (por ejemplo, fabricados con titanato de circonato de plomo (PZT), titanato de bario , etc.), pero a veces son magnetoestrictivos . Los productos químicos a menudo agresivos que se utilizan como limpiadores en muchas industrias no son necesarios o se utilizan en concentraciones mucho más bajas con agitación ultrasónica. Los ultrasonidos se utilizan para la limpieza industrial y también se utilizan en muchas técnicas y procesos industriales médicos y dentales.
En algunas circunstancias, los limpiadores ultrasónicos se pueden usar con agua corriente, pero en la mayoría de los casos se usa una solución limpiadora . Esta solución está diseñada para maximizar la eficacia de la limpieza ultrasónica. El disolvente principal puede ser agua o un hidrocarburo (históricamente, los disolventes tóxicos como el tetracloruro de carbono y el 1,1,1-tricloroetano se utilizaban industrialmente, pero se han eliminado progresivamente [9] [10] ). Existen varias formulaciones, dependiendo del artículo que se limpia y del tipo de contaminación (por ejemplo, desengrasado de metales, limpieza de placas de circuito impreso , eliminación de material biológico, etc.).
La reducción de la tensión superficial aumenta la cavitación, por lo que la solución suele contener un buen agente humectante ( surfactante ). Las soluciones de limpieza acuosas contienen detergentes , agentes humectantes y otros componentes que tienen una gran influencia en el proceso de limpieza. La composición correcta de la solución depende en gran medida del artículo que se limpie. Cuando se trabaja con metales, proteínas y grasas, se puede recomendar específicamente una solución de detergente alcalino . Las soluciones generalmente se calientan, a menudo entre 50 y 65 °C (122 y 149 °F); sin embargo, en aplicaciones médicas, generalmente se acepta que la limpieza debe realizarse a temperaturas inferiores a 45 °C (113 °F) para evitar la coagulación de proteínas que puede complicar la limpieza.
Algunos limpiadores ultrasónicos están integrados con máquinas desengrasantes de vapor que utilizan fluidos de limpieza de hidrocarburos: Se utilizan tres tanques en cascada. El tanque inferior que contiene fluido sucio se calienta provocando que el fluido se evapore. En la parte superior de la máquina hay un serpentín de refrigeración. El líquido se condensa en el serpentín y desciende al tanque superior. El tanque superior eventualmente se desborda y un fluido relativamente limpio corre hacia el tanque de trabajo donde se lleva a cabo la limpieza. El precio de compra es más alto que el de las máquinas más simples, pero estas máquinas pueden resultar más económicas a largo plazo. El mismo fluido se puede reutilizar muchas veces, minimizando el desperdicio y la contaminación.
La mayoría de los materiales duros y no absorbentes (metales, plásticos, etc.) que no son atacados químicamente por el líquido de limpieza son adecuados para la limpieza por ultrasonidos. Los materiales ideales para la limpieza por ultrasonidos incluyen pequeñas piezas electrónicas, cables, varillas, alambres y objetos detallados, así como objetos de vidrio, plástico, aluminio o cerámica. [11]
La limpieza ultrasónica no esteriliza los objetos que se limpian, porque las esporas y los virus permanecerán en los objetos después de la limpieza. En aplicaciones médicas, la esterilización normalmente sigue a la limpieza ultrasónica como un paso separado. [12]
Los limpiadores ultrasónicos industriales se utilizan en las industrias automotriz, deportiva, de impresión, marina, médica, farmacéutica, galvanoplastia, componentes de unidades de disco, ingeniería y armas.
La limpieza ultrasónica se utiliza para eliminar la contaminación de equipos de procesos industriales, como tuberías e intercambiadores de calor.
La limpieza ultrasónica se utiliza ampliamente para eliminar residuos de fundente de placas de circuitos soldadas. Sin embargo, algunos componentes electrónicos, en particular los dispositivos MEMS como giroscopios , acelerómetros y micrófonos, pueden dañarse o destruirse debido a las vibraciones de alta intensidad a las que están sujetos durante la limpieza. Los zumbadores piezoeléctricos pueden funcionar a la inversa y producir voltaje, lo que puede suponer un peligro para sus circuitos de accionamiento.
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