Bagno a Ultrasuoni: Funzionamento e Applicazioni

I bagni a ultrasuoni sono strumenti utilizzati in diversi settori per una vasta gamma di applicazioni, come nei laboratori farmaceutici o chimici, negli ospedali o nelle industrie meccaniche. Questi apparecchi sfruttano la tecnologia degli ultrasuoni per pulire gli oggetti, eliminando qualsiasi impurità in tempi rapidi. In alcune occasioni occorre procedere a una pulizia profonda e accurata di utensili o altri oggetti particolari: in questi casi si utilizzano i bagni a ultrasuoni, particolari strumenti impiegati in diversi settori per molteplici applicazioni.

Come Funzionano i Bagni a Ultrasuoni

Il processo consiste nella creazione di onde ad alta frequenza in una vasca di varie dimensioni contenente acqua e detergente. Sostanzialmente i bagni ad ultrasuoni sono costituiti da una vasca piena di liquido che viene esposto a onde sonore ad alta frequenza in grado di provocare il cosiddetto effetto cavitazione, ossia la formazione di milioni di bolle a bassa pressione che praticano una pulizia molecolare riuscendo a raggiungere qualsiasi punto della superficie degli oggetti immersi nel liquido stesso. In questi apparecchi un apposito generatore elettronico ultrasonoro unito a un trasduttore montato sotto al fondo della vasca, solitamente costruita in acciaio inox, produce energia elettrica ad alta frequenza, tra i 28 e i 50 Khz. Le onde vibranti si propagano omogeneamente per tutta la vasca fino ad arrivare sulla superficie dell’oggetto da pulire. Questa energia meccanica si trasferisce nel liquido contenuto nella vasca producendo milioni di microscopiche bolle che, implodendo a causa delle variazioni di pressione generate dagli ultrasuoni, causano flussi di liquido ad alta energia che rimuovono tutte le impurità dalle superfici degli oggetti trattati. In questo modo ogni più piccola traccia di impurità viene eliminata.

I bagni ad ultrasuoni si possono trovare nei laboratori farmaceutici o chimici, negli ospedali o nelle industrie meccaniche. Esistono bagni ad ultrasuoni analogici, utilizzati per impieghi più semplici, e bagni ultrasuonici digitali che garantiscono maggiore accuratezza. Si possono trovare, inoltre dei bagni ultrasuonici costruiti appositamente per determinati impieghi, come la rimozione dei biofilm dalle protesi ospedaliere o la pulizia delle pipette da laboratorio.

Il Fenomeno della Cavitazione

La pulizia ad ultrasuoni utilizza un fenomeno chiamato cavitazione. La cavitazione si verifica quando le onde sonore ad alta frequenza vengono introdotte in un corpo liquido provocando la formazione di milioni di minuscole bolle. Quando queste bolle si espandono e si contraggono, raggiungono una certa soglia e collassano. Questo collasso genera una temperatura elevata, in un punto microscopico, con corrente a getto ad alta velocità, impiegato per eliminare i contaminanti dalla superficie dell'oggetto da pulire.

Quale Frequenza Utilizzare

La pulizia ad ultrasuoni avviene all’interno di una vasca d'acqua in cui viene generata una serie costante di onde che si espandono e si comprimono alternativamente per creare bolle microscopiche. Le bolle implodono, provocando un'azione di lavaggio non abrasiva con efficacia superiore ai metodi di pulizia tradizionali. Onde d’acqua e onde sonore sono la componente chiave del sistema di pulizia ad ultrasuoni.

Per misurare la frequenza o i cicli al secondo si impiegano gli hertz. Quindi 1 Hz corrisponde a un ciclo di un'onda sonora al secondo, 20 Hz corrispondono a 20 cicli, e così via. L’orecchio umano può percepire quando la frequenza aumenta o diminuisce in base all'altezza del suono emesso. Maggiore è la frequenza, maggiore è il tono. Più bassa è la frequenza, più bassa è la tonalità.

Ciò che è veramente unico nella processo di pulizia ad ultrasuoni, è l’impiego di frequenze troppo alte per essere udite dalle persone. Ciò che è udibile per gli esseri umani è compreso tra 20 Hz e 20 kHz (1 kilohertz equivale a 1000 hertz). Nella pulizia ad ultrasuoni, le frequenze utilizzate possono variare da 15 kHz a 400 kHz. È raro, tuttavia, trovare parti che necessitino di essere pulite a frequenze estreme: la frequenza tipica utilizzata per le applicazioni di pulizia ad ultrasuoni si avvicina a 40 kHz.

In generale, per capire quale frequenza possa funzionare meglio per una specifica applicazione di pulizia, è possibile seguire le indicazioni di seguito riportate. Le frequenze più basse (20-25 kHz) sono le migliori per la pulizia a ultrasuoni delle parti più grandi. È possibile ad esempio utilizzare queste frequenze per pulire materiali automobilistici di grandi dimensioni. Per applicazioni di pulizia più sensibili e delicate, è meglio usare frequenze più alte. Nelle frequenze più alte, le onde sono in grado di penetrare più facilmente attraverso piccoli fori e fessure.

All'aumentare della frequenza, la dimensione della bolla di cavitazione diminuisce e diventa meno aggressiva. Il risultato potrebbe essere l'incapacità di rimuovere alcuni contaminanti. A 25 kHz, le bolle di cavitazione sono molto più grandi ed aggressive, ideali per pulire parti più massicce come blocchi motore e stampi con sporco tenace. Tuttavia questa aggressività può danneggiare la finitura superficiale della parte, se non si presta attenzione. Parti con finitura lucida, ad esempio, non possono essere lavate a 25 kHz.

Le frequenze più alte (da 68 kHz a 170 kHz) dovrebbero essere usate su oggetti che necessitano di una pulizia particolarmente delicata, di livello inferiore al micron. Ciò include l'elettronica e l'ottica di precisione. Queste frequenze più alte producono bolle di cavitazione di dimensioni inferiori al micron che possono navigare nelle fessure più piccole. Frequenze più elevate vengono spesso utilizzate per pulire apparecchiature farmaceutiche, impianti medici, componenti in titanio, elettronica delicata e ottiche di precisione.

Per la maggior parte delle applicazioni, 40 kHz è la scelta migliore perché rappresenta il miglior equilibrio tra potenza e dimensione della bolla di cavitazione. Questo è il motivo per cui viene utilizzata in oltre il 90% di tutti i sistemi di pulizia a ultrasuoni industriali. Le bolle di cavitazione a 40 kHz hanno una dimensione di circa un micron, abbastanza piccole da entrare in piccole fessure e fori ciechi. È anche abbastanza potente da rimuovere contaminanti ostinati ma abbastanza delicata per tutti i materiali, tranne i più fragili.

Scelta della Soluzione Detergente

All'interno della camera vengono utilizzati solventi specifici per l'applicazione, in grado di rendere solubili quei particolari contaminanti che sporcano l’oggetto. Per risultati di pulizia ottimali, occorre scegliere la soluzione detergente per lavatrice ad ultrasuoni appropriata, pulire alla giusta temperatura per il tempo corretto e utilizzare il tipo di pulitore ad ultrasuoni più adatto, con la dimensione più opportuna.

Una soluzione di pulizia ad ultrasuoni contiene vari ingredienti progettati per ottimizzare il processo. Bisogna tener presente che gli effetti negativi del detergente sul materiale da pulire sono potenzialmente intensificati dagli ultrasuoni stessi.

Le soluzioni detergenti da evitare sono infiammabili o hanno bassi punti di infiammabilità. L'energia rilasciata dalla cavitazione, infatti, viene convertita in calore ed energia cinetica, la quale genera elevati gradienti di temperatura nella soluzione e può creare condizioni pericolose in presenza di liquidi infiammabili.

Gli acidi, la candeggina e i sottoprodotti della candeggina dovrebbero essere generalmente evitati; acido e candeggina, inoltre, danneggiano i serbatoi in acciaio inossidabile e/o creano condizioni pericolose.

Una volta che la soluzione detergente è visibilmente sporca o l'azione pulente è compromessa, è necessario cambiare la soluzione. Non serve necessariamente una soluzione fresca per ogni sessione di pulizia.

Sistema di Riscaldamento

I pulitori a ultrasuoni in genere sono dotati di un sistema di riscaldamento integrato ed in alcune applicazioni le temperature della vasca possono essere anche di 82°C. Nella maggior parte dei sistemi ad ultrasuoni, vengono montate una o più piastre riscaldanti sul lato del serbatoio di pulizia. Queste piastre trasferiscono nel mezzo di pulizia l'output di semplici elementi riscaldanti, alimentati elettricamente attraverso la parete d'acciaio del serbatoio.

Le temperature di funzionamento sono generalmente tra 54 °C e 82 °C, sebbene alcuni processi funzionino a partire da 32 °C. La temperatura migliore per la pulizia dipende da tre fattori: la soluzione detergente, l'elemento da pulire e gli agenti contaminanti da rimuovere.

Il calore ha tre ruoli principali nel processo di pulizia:

• Aumentare l'efficacia dell'ammollo: in generale, i liquidi più caldi sono più efficaci nel rimuovere un'ampia varietà di contaminanti
• Rimozione del gas: l'aria disciolta e altri gas inibiscono la cavitazione; una soluzione più calda aiuta la fuoriuscita di questi gas, aumentando l'efficacia della pulizia
• Viscosità ridotta: i liquidi più caldi sono meno viscosi e una viscosità inferiore significa una cavitazione più efficace

In alcuni modelli di pulitori ad ultrasuoni esistono sistemi di controllo semplici da impostare, con programmi settimanali che riscaldano automaticamente le soluzioni prima della sessione di pulizia. Ciò consente di risparmiare tempo e fatica. Inoltre, le capacità avanzate di raccolta dati consentono agli operatori di analizzare le prestazioni di tutti i sottosistemi puliti per determinare come ottenere il miglior profilo termico per una pulizia ottimale.

Pulitori a Ultrasuoni vs Idropulitrici Tradizionali

Il processo di pulizia che si basa sul fenomeno della cavitazione ultrasonica è un radicale cambiamento (e miglioramento) rispetto ad altri metodi di pulizia. Quando le onde ultrasoniche si muovono attraverso un liquido, comprimono e rilasciano le molecole nel mezzo. Ciò si traduce in milioni di bolle microscopiche che si formano sulla superficie dell'articolo da pulire e queste bolle si formano e implodono costantemente. Quando implodono, il liquido che scorre veloce per riempire lo spazio, crea un potente getto che sbatte sulla superficie del pezzo, rimuovendo i contaminanti. Questo crea un'azione di lavaggio delicata e assolutamente completa.

Un pulitore ad ultrasuoni è molto meglio di un sistema di pulizia tradizionale a spruzzo o idropulitrice. Le bolle create dalla cavitazione raggiungono ovunque il mezzo liquido. Non importa quanto sia complessa la geometria di una parte o quanto siano profonde le fessure: le bolle microscopiche creano getti di pulizia in ogni punto e su ogni superficie.

Inoltre, poiché la cavitazione è creata dall'energia acustica e l'energia acustica si propaga attraverso i metalli, le parti posizionate una accanto all'altra non sono un problema da pulire, come avviene invece per le idropulitrici. L'eliminazione dei solventi dal processo di pulizia può comportare risparmi significativi. Il problema è che alcuni contaminanti non possono essere facilmente spruzzati o eliminati senza una buona dose di solvente. Un pulitore ad ultrasuoni toglie il contaminante dalla superficie dell’oggetto sporco grazie all'azione meccanica e termica che si verifica quando le bolle di cavitazione implodono. I pulitori a ultrasuoni sono dotati di trasduttori che producono una gamma specifica di frequenze adattate al materiale da pulire.

La pulizia a ultrasuoni rimuove da qualsiasi superficie lo sporco comune, il grasso del motore, le sostanze chimiche oleose che possono impedire alle vernici e ad altri rivestimenti di aderire ai prodotti finiti, i lubrificanti, il grasso in generale, i composti per lucidatura, oli da taglio, ecc.

Precauzioni d’Uso

Per utilizzare le macchine pulitrici a ultrasuoni in modo che abbiano prestazioni ottimali, è opportuno rispettare delle precauzioni:

• Non collocare parti o contenitori direttamente sul fondo del serbatoio di pulizia: utilizzare un vassoio per sospendere gli oggetti
• Non lasciare che il livello della soluzione detergente scenda più di un pollice sotto la parte superiore del serbatoio
• Non utilizzare mai alcol, benzina o soluzioni infiammabili. Ciò potrebbe causare un incendio o un'esplosione. Utilizzare solo soluzioni a base d'acqua
• Non usare mai acidi. Questi potrebbero danneggiare il serbatoio

Il mancato rispetto di queste precauzioni potrebbe danneggiare il sistema e invalidare la garanzia dell’apparecchiatura, nel caso fosse ancora in corso di validità.

Si può verificare una riduzione della cavitazione o dell'azione di pulizia se:

• Il dispositivo non è abbastanza pieno (seguire sempre le indicazioni riportate nelle sepecifiche del costruttore)
• Si utilizza acqua o altro detergente non adatto come soluzione di pulizia a ultrasuoni. Inoltre, anche una buona soluzione detergente deve essere degassata facendo funzionare il detergente per circa 10 minuti prima dell'uso altrimenti si riduce anche la cavitazione

E’ possibile consultare la guida fornita con il sistema di pulizia ad ultrasuoni per comprendere le azioni che possono causare una riduzione della cavitazione.

Applicazioni dei Bagni a Ultrasuoni

Il numero di oggetti che possono beneficiare della pulizia ad ultrasuoni è vasto. La ragione? Ci sono solo due "requisiti di idoneità" perché un pezzo possa essere pulito in questo modo:

1. La cavitazione che alimenta la pulizia ad ultrasuoni e rimuove i contaminanti dalle parti, si verifica solo in un ambiente liquido. L’oggetto da pulire quindi deve essere adatto all'immersione. Anche un certo tipo di elettronica può essere messo sotto acqua se vengono utilizzate tecniche di asciugatura adeguate
2. Il secondo requisito è che la parte possa essere asciugata in modo relativamente facile. Gli oggetti assorbenti non possono quindi essere sottoposti a pulizia ultrasonica, tuttavia la maggior parte dei pezzi può essere semplicemente asciugato all'aria con un soffiatore

La pulizia ad ultrasuoni viene utilizzata per rimuovere materiali indesiderati da qualsiasi cosa, dai gioielli ai parti meccaniche, dalle lenti ottiche super delicate alle parti di un motore, dagli strumenti chirurgici alle schede madri.

La pulizia ad ultrasuoni è perfettamente sicura anche per vetro e ceramica. Gli agenti contaminanti che potrebbero richiedere applicazioni dispendiose in termini di tempo, possono invece essere rimossi in pochi minuti.

Una delle poche cose che la pulizia ad ultrasuoni non rimuove sono le spore e i virus. Gli strumenti medici possono essere puliti col sistema ad ultrasuoni, ma poi sarà necessario sterilizzarli adeguatamente.

Pulizia dei Componenti Aerospaziali

In un campo in cui le aspettative di qualità e i costi di produzione/riparazione sono stratosferici, la pulizia ad ultrasuoni funziona bene. Che si tratti di pulire l'olio da taglio dai componenti appena lavorati, di rendere le parti in acciaio inossidabile senza macchie prima che vengano passivate o di eliminare lo sporco da una parte idraulica prima della ristrutturazi...

Strumenti Dentali

Ad esempio gli strumenti dentali riutilizzabili come specchi, sonde, frese, escavatori e pinze devono essere sottoposti a rigorose procedure di pulizia e sterilizzazione. Lo stesso vale per la pulizia degli stampi e la rimozione di intonaco e cemento utilizzati nella costruzione di ponti, protesi ibride implantari e procedure di restauro simili. I pulitori ad ultrasuoni dentali forniscono una pulizia preliminare rapida e accurata come primo passo verso la conformità con la preparazione dell'attrezzatura per il riutilizzo.

L'utilizzo di un pulitore a ultrasuoni può essere considerato una "migliore pratica" per rimuovere questi contaminanti. È di gran lunga superiore alla pulizia manuale.

Uso in Laboratorio

In laboratorio sono ampiamente impiegati per degassare solventi, disperdere nanoparticelle ed emulsionare, sciogliere, disperdere e altrimenti preparare campioni di laboratorio.

Esempi di Bagni a Ultrasuoni Argolab

Ecco alcuni esempi di bagni a ultrasuoni Argolab disponibili sul mercato, con le relative caratteristiche e prezzi:

tag: #Bagno

Leggi anche:

• Fare il bagno con la febbre: scopri quando è sicuro
• Bagno Venezia: recensione completa
• Costumi da bagno taglie forti Decathlon: la nostra recensione
• Rubinetteria bagno in ottone spazzolato: scopri di più
• Informazioni su Ciccone Idraulica
• Guida alla manutenzione della frizione idraulica moto