La limpieza ultrasónica es un proceso que utiliza ultrasonidos (generalmente de 20 a 40 kHz ) para agitar un fluido y lograr 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 galones estadounidenses) hasta grandes unidades industriales con volúmenes que se acercan a los 1000 litros (260 galones estadounidenses).
El principio de funcionamiento de la máquina de limpieza por ultrasonidos 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, de modo que las microburbujas del líquido del tanque puedan seguir vibrando bajo la acción de la onda sonora, 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 por completo 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 de automóviles , instrumentos musicales, discos de gramófono , piezas mecanizadas industriales y equipos electrónicos, lentes ópticas, etc. Se utilizan en muchos talleres de joyería, establecimientos de relojería , talleres de reparación electrónica, [2] y laboratorios científicos.
La limpieza ultrasónica se ha utilizado industrialmente durante décadas, [ ¿cuándo? ] particularmente para limpiar piezas de formas complejas y/o que tienen pequeños orificios/galerías intrincados, y para acelerar los procesos de tratamiento de superficies. [3]
Parece que los limpiadores ultrasónicos se desarrollaron como una evolución natural de varias invenciones anteriores que utilizaban vibraciones para agitar y mezclar sustancias, y por lo tanto no hay un "inventor" claro de la limpieza ultrasónica. La patente estadounidense 2815193, emitida en diciembre de 1954 , es la patente más antigua registrada que utiliza específicamente el término "limpieza ultrasónica", aunque las patentes anteriores se refieren al uso de ultrasonidos para "agitación intensa", "tratamiento" y "pulido", por ejemplo, la patente estadounidense 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 adheridos a sustratos como metales, plásticos, vidrio, caucho y cerámica. Esta acción también penetra agujeros ciegos , grietas y huecos. La intención es eliminar por completo todos los rastros de contaminación fuertemente adheridos o incrustados en superficies sólidas. Se puede utilizar agua u otros disolventes , según el tipo de contaminación y la pieza de trabajo. Los contaminantes pueden incluir polvo, suciedad, aceite, pigmentos, óxido, grasa, algas, hongos, bacterias, sarro, 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 que la pieza se desmonte antes de la limpieza. [6]
No se debe permitir que los objetos descansen en el fondo del dispositivo durante el proceso de limpieza, ya que eso evitará que se produzca cavitación en la parte del objeto que no está en contacto con el solvente. [2]
En un limpiador ultrasónico, el objeto que se va 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 surfactantes (por ejemplo, detergente para ropa) para permitir la disolución de compuestos no polares como aceites y grasas. Un transductor generador de ultrasonidos integrado en la cámara, o sumergido en el fluido, produce ondas ultrasónicas en el fluido al cambiar de tamaño en conjunto 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 atrás muchos millones de "vacíos" microscópicos/"burbujas de vacío parcial" (cavitación). Estas burbujas colapsan con una energía enorme; se alcanzan temperaturas y presiones del orden de 5000 K y 135 MPa; [7] [8] sin embargo, son tan pequeñas que no hacen más que limpiar y eliminar la suciedad y los contaminantes de la superficie. Cuanto mayor sea la frecuencia, más pequeños serán 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 zirconato 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 médicas y dentales y procesos industriales.
En algunas circunstancias, los limpiadores ultrasónicos se pueden utilizar con agua corriente, pero en la mayoría de los casos, se utiliza una solución de limpieza . 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 gradualmente [9] [10] ). Hay varias formulaciones, dependiendo del elemento que se limpie y del tipo de contaminación (por ejemplo, desengrasado de metal, limpieza de placas de circuitos impresos , 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 elemento que se limpie. Cuando se trabaja con metales, proteínas y grasas, se puede recomendar específicamente una solución de detergente alcalino . Las soluciones normalmente se calientan, a menudo alrededor de 50–65 °C (122–149 °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 a vapor que utilizan líquidos limpiadores a base de hidrocarburos: se utilizan tres tanques en cascada. El tanque inferior, que contiene el líquido sucio, se calienta para que 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 finalmente se desborda y el líquido relativamente limpio se dirige al tanque de trabajo donde se realiza la limpieza. El precio de compra es más alto que el de las máquinas más sencillas, pero estas máquinas pueden resultar más económicas a largo plazo. El mismo líquido se puede reutilizar muchas veces, lo que minimiza 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 ultrasónica. Los materiales ideales para la limpieza ultrasónica incluyen piezas electrónicas pequeñas, cables, varillas, alambres y elementos detallados, así como objetos hechos de vidrio, plástico, aluminio o cerámica. [11]
La limpieza ultrasónica no esteriliza los objetos que se limpian, ya que 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, de galvanoplastia, de componentes de unidades de disco, de ingeniería y de 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 los residuos de fundente de las placas de circuitos soldadas. Sin embargo, algunos componentes electrónicos, en particular los dispositivos MEMS como giroscopios , acelerómetros y micrófonos, pueden resultar dañados o destruidos por las vibraciones de alta intensidad a las que están sometidos durante la limpieza. Los zumbadores piezoeléctricos pueden funcionar en sentido inverso y producir voltaje, lo que puede suponer un peligro para sus circuitos de control.
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