Pulizia ad ultrasuoni

È un processo di pulizia profonda delle superfici che utilizza gli ultrasuoni per agitare un fluido con effetto cavitante pulente. Le vasche ad ultrasuoni sono disponibili in diverse dimensioni, dalle piccole unità portatili o da banco con un volume interno inferiore a 0,5 litri, alle grandi unità industriali con volumi che si avvicinano a 1.000 litri, integrabili con sistemi di lavaggio multistadio automatizzati.

Il principio di questi apparecchi ad ultrasuoni è convertire l'energia sonora della sorgente di frequenza ultrasonica in vibrazioni meccaniche attraverso un trasduttore. I trasduttori sono generalmente piezoelettrici (ad esempio realizzati con titanato di zirconato di piombo, titanato di bario, ecc.), ma talvolta sono magnetostrittivi. La vibrazione generata dall'onda ultrasonica viene trasmessa al liquido detergente tramite la parete del serbatoio di lavaggio in modo che le microbolle nel liquido contenuto possano continuare a vibrare sotto l'azione dell'onda sonora, distruggendo e separando lo sporco adsorbito sulla superficie dell'oggetto. Le bolle collassano con enorme energia, raggiungendo temperature e pressioni elevate sulle superfici coinvolte.

Le frequenze più basse (20-25 kHz) sono le migliori per la pulizia di grossi manufatti, ad esempio componenti automobilistici e hanno una forza tale da rimuovere grasso e sporco ostinato, presenti ad esempio nei blocchi motore e negli stampi. Non sono chiaramente adatte per superfici delicate o con particolari finiture.

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.

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. 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.

A seconda della morfologia dell'oggetto e dal tipo di sporco da rimuovere, il processo può essere molto rapido, conferendo pulizia ottimale in pochi minuti; in altri casi, sono necessari tempi più lunghi o ripetizioni del trattamento. Il processo ad ultrasuoni è rapido ed efficace, per contro ha un considerevole costo energetico e un investimento iniziale impiantistico maggiore rispetto un normale tunnel di lavaggio.

Ricapitolando, il trattamento ad ultrasuoni viene utilizzato con successo per pulire una moltitudine di manufatti, tra cui parti industriali, gioielli e monili, componenti meccaniche, utensili, minuterie, armi da fuoco, iniettori di carburante, eccetera. La maggior parte dei materiali duri, non assorbenti (metalli, plastica, ecc.) e non attaccati chimicamente dal liquido detergente, sono adatti alla pulizia ad ultrasuoni.

I contaminanti adatti alla rimozione includono polvere, sporco, olio, pigmenti, ruggine, grasso, alghe, funghi, batteri, calcare, composti lucidanti, agenti fondenti, impronte digitali, cera, fuliggine, agenti distaccanti, terreno biologico come sangue e così via.

Gli oggetti non devono appoggiarsi sul fondo del dispositivo durante il processo di pulizia, poiché ciò impedirebbe la cavitazione sulla parte dell'oggetto non a contatto con il fluido.

Le soluzioni detergenti

In alcune circostanze, i pulitori a ultrasuoni possono essere utilizzati con acqua semplice, ma nella maggior parte dei casi viene utilizzata una soluzione detergente. Questa soluzione deve essere pensata per massimizzare l'efficacia della pulizia ad ultrasuoni, garantendo velocità di dissoluzione, penetrazione e abbassamento di tensione superficiale per adiuvare la cavitazione.

Per la pulizia dei metalli si lavora spesso con soluzioni detergenti alcaline per consentire la rimozione dei contaminanti tipici di questo settore, ovvero oli e grassi ostinati. Le soluzioni vengono generalmente riscaldate, anche attorno intorno ai 50–65 °C. I tensioattivi preposti per questa applicazione dovranno avere un buon grado di etossilazione nonché una stabilità adatta a temperature medio-alte, evitando quindi il galleggiamento delle particelle surfattanti. La schiumosità è generalmente un problema secondario poiché le onde ultrasoniche andranno automaticamente a perturbare in continuo la soluzione rompendo le bolle e mantenendo sotto controllo qualsiasi genere di schiuma (fino a una certa percentuale di utilizzo).

Dato l'alto livello di evaporazione e di vapori sviluppati durante il processo, bisogna considerare un'altra caratteristica per la scelta del tensioattivo, ovvero la sua eco-compatibilità e la atossicità nei confronti dell'operatore.

Oltre alle soluzioni detergenti e ai tensioattivi possono venire impiegate miscele di acqua e idrocarburi solubili a basso grado di volatilità o soluzioni al 100% di idrocarburi (storicamente, solventi tossici come il tetracloruro di carbonio e il tricloroetano venivano utilizzati a livello industriale, ma sono stati gradualmente eliminati). L'uso di miscele a base di soli idrocarburi (come glicoli ad alto peso molecolare, carbonati etilenici o propilenici) limitano l'evaporazione e riducono al minimo la possibilità di ossidazione dei pezzi, per contro, dopo il trattamento sarà necessario un maggiore impiego di energia per l'asciugatura dei pezzi.

In maniera opposta, possono venire usate soluzioni acide per decapare i metalli, qualora i trattamenti tradizionali non fossero sufficienti, ad esempio per ossidazioni troppo estese o particolari depositi all'interno di tuberie e manufatti complessi. L'acido amplificherà moltissimo l'azione decapante e ossidante, occorrerà quindi una percentuale minima e idonea a non riossidare il pezzo subito dopo l'estrazione dal bagno; pressoché obbligatori inibitori di corrosione, acidi tamponati o miscele di acidi organici.

Anche per la sverniciatura il sistema ad ultrasuono risulta vantaggioso in quanto con un minimo consumo di prodotto chimico è possibile avere una rapida rimozione del film verniciante, anche su tenaci multistrato. Grazie alla potenza delle onde, potranno essere impiegate soluzioni debolmente acide o alcaline, contenenti piccole aliquote di co-solventi e tensioattivi. 

Sicurezza

I pulitori ad ultrasuoni emettono rumori irritanti ad alta frequenza e anche in caso di esposizione temporanea occorrono protezioni per l'udito.

Evitare l'uso di soluzioni detergenti infiammabili, la temperatura aumenta durante il processo anche se non viene somministrato calore (alcune unità industriali sono specificamente certificate come antideflagranti).

Quando l'unità è in funzione, il contatto con la soluzione detergente potrebbe causare lesioni termiche o chimiche; l'azione degli ultrasuoni è relativamente benigna per i tessuti viventi ma può causare disagio e irritazione della pelle.

Gli apparecchi sono alimentati elettricamente, l'operatore dovrà quindi stare attento ad operare con i liquidi (soprattutto durante l'estrazione o la movimentazione dei pezzi) per evitare fuoriuscite e creare corto circuiti indesiderati.