Gli ultrasuoni nel lavaggio industriale (parte 11 ) Una panoramica completa, teorica e pratica, sullo "stato dell arte" di una tecnologia che presenta ancora molti lati sconosciuti e che è caratterizzata da esperienze empiriche a volte controverse A cura della Redazione Anno XXII - n.89 - Gennaio - Febbraio - Marzo 2017 Metal Cleaning & Finishing 13
Ottimizzazione del lavaggio Si è dunque visto che per ottenere un lavaggio efficace, occorre che la potenza trasmessa al liquido sia distribuita nella maniera più uniforme possibile. Questo aspetto della questione non può essere disgiunto però da un altro aspetto importante, cioè quello della sinergia tra i parametri fondamentali per questa applicazione: tempo, temperatura, chimica, apporto meccanico. Per ottimizzazione del lavaggio si intendono dunque tutti gli accorgimenti che possono essere adottati, sia in termini di dispositivo ad ultrasuoni che in termini di processo, al fine di ottenere il grado di pulizia richiesto per i pezzi trattati. In molti casi, forse la maggior parte, il grado di pulizia richiesto non è così spinto e la sua valutazione si basa su metodi empirici o semiempirici di facile esecuzione: la scelta di un dispositivo ad ultrasuoni o di un processo di lavaggio risulta di conseguenza meno vincolata e più flessibile e quindi, per certi versi, più semplice, ma anche più arbitraria. Fig.35 - Verifica mediante foglio di alluminio degli effetti della cavitazione Sempre più spesso però, e soprattutto in certi ambiti quali il settore ottico, quello dei microprocessori, eccetera, il lavaggio incontra richieste di maggior qualità di pulizia sia in termini di quantità di sporco residuo ammesso, ma anche di dimensioni del contaminante residuo; ciò significa dover scegliere la giusta combinazione delle varie componenti e di conseguenza il dispositivo ad ultrasuoni più adatto allo scopo. Fatta questa doverosa premessa, è il caso di introdurre un ulteriore importante parametro, prima di entrare nel merito delle soluzioni adottabili. Questo parametro è l efficienza di lavaggio, che si può definire in termini di quantità di sporco residuo, presente sul pezzo pulito; essa vie ne così definita: Quantità residua = λq Q prima - Q dopo = 100% Q prima 14 Metal Cleaning & Finishing Anno XXII - n.89 - Gennaio - Febbraio - Marzo 2017
Fig.38 - Mappatura dell'energia acustica presente in una vasca Il problema che sorge nell introduzione di questo parametro risiede nel fatto che esso, avendo la potenzialità di discriminare (per confronto) le effettive prestazioni di differenti dispositivi ad ultrasuoni, deve poter essere misurato con una certa precisione ed affidabilità. Purtroppo, ad oggi, non è stata ancora definita una metodologia standard da adottarsi, almeno in certi ambiti applicativi, e quindi l utilizzatore può solo confidare sull esperienza e sull affidabilità del proprio fornitore, verificando in proprio la bontà del sistema solo ad impianto acquisito. Tale problematica va di pari passo con l altra questione, anch essa irrisolta soddisfacentemente, relativa alla determinazione dell effettiva potenza trasmessa al liquido dal sistema generatore/trasduttore. Una specifica strumentazione precisa ed affidabile sembra non essere ancora presente in commercio e le valutazioni in proposito vengono effettuate con il cosiddetto metodo del foglio di alluminio, in cui la verifica visiva della distribuzione e dell entità dei danni prodotti dalla cavitazione su di una lastra di alluminio, fornisce un indice qualitativo dell intensità di cavitazione e della uniformità del lavaggio (Fig. 35). Lo strumento che invece dovrebbe servire allo scopo è quello che comunemente nel settore viene chiamato cavitometro, il quale dovrebbe essere in grado di fornire un valore, espresso in W/l o in altri parametri consoni, che sia proporzionale alle sollecitazioni cui viene sottoposto nel liquido in cavitazione e rapportabile alla potenza ed alla frequenza erogata dal generatore. Alcune società americane propongono dei misuratori di energia ultrasonora in grado di testare l efficienza di un dispositivo ad ultrasuoni. Dei due riportati in Fig. 36 e Fig. 37, entrambi con il sensore in quarzo, il primo dovrebbe essere in grado di misurare la densità di energia ultrasonora e di cavitazione. La misura è puntuale, cioè riferita al punto in cui viene posizionata la sonda, anche se probabilmente in realtà è la media rilevata sull area occupata dalla sonda stessa. Lo strumento effettua 3 rilievi ogni 2 secondi ed il dato viene immagazzinato in memoria. A seconda della metodologia usata per il campionamento, è possibile ottenere due differenti parametri di misura: mantenendo fissa la sonda in un certo punto della vasca per un certo intervallo di tempo, è possibile ottenere la variazione temporale di energia in quel punto dello spazio; muovendo la sonda su un piano parallelo alla superficie radiante ad una certa distanza dalla stessa, è possibile effettuare la mappatura energetica della vasca (Fig. 38). Non avendo avuto l opportunità di testare uno di questi strumenti, non è possibile confermare la precisione e l attendibilità dei dati rilevabili, nè l effettiva utilità dello strumento, anche se la bontà dell eventuale risultato sembrerebbe poter essere viziata da quella che sembra essere una eccessiva complessità nell eseguire la Anno XXII - n.89 - Gennaio - Febbraio - Marzo 2017 Metal Cleaning & Finishing 15
mappatura.. Riportiamo infine, per completezza di informazione, una terza metodologia utilizzabile (con qualche riserva) per la stima dell energia ultrasonora presente all interno di una vasca di lavaggio. E il metodo dell incremento della temperatura del bagno, il quale fornisce un valore di W/l riferito alla specifica vasca testata ed alle condizioni operative del test. L operazione è assai banale: consiste nel misurare l incremento di temperatura del bagno (prendendo la temperatura ambiente come riferimento) che si produce con dispositivo in funzione in un certo intervallo di tempo non eccessivamente lungo. L energia media E, misurata in Watt/gallons, è data dalla relazione E = 264 x La difficoltà di questo metodo risiede nella misura della temperatura del bagno: una misura effettuata in un unico punto della vasca potrebbe non essere rappresentativo della temperatura dell intero volume di liquido; una misura effettuata in più punti della vasca con un unica sonda, potrebbe interferire negativamente sulla misura, favorendo la dispersione del calore. Infine, al fine di ottenere un dato significativo, occorre che le perdite dovute ad evaporazione del liquido siano minimizzate; ciò può essere ottenuto, ad esempio, coprendo la vasca con apposito coperchio. L applicazione degli ultrasuoni per il lavaggio di superfici non è una operazione semplice e priva di possibili effetti negativi; diverse sono le problematiche ad essi connesse e vanno tutte trattate con molta considerazione, agendo sia sulle caratteristiche del sistema generatore/trasduttore, sia su altri parametri caratteristici del ciclo di lavoro. Fig.39 - Erosione di una unità radiante 16 Metal Cleaning & Finishing Anno XXII - n.89 - Gennaio - Febbraio - Marzo 2017
Innanzi tutto occorre tenere sempre in considerazione il fatto che un errato dimensionamento e/o un errata applicazione del dispositivo ad ultrasuoni possono provocare danni anche irreparabili alla superficie da pulire, come ad esempio l erosione, la rottura o il distacco di rivestimenti superficiali. Effetti dannosi ed effetti benefici sono strettamente correlati alla tipologia del dispositivo prescelto; poiché le due problematiche viaggiano di pari passo, devono per forza di cose essere trattate parallelamente. Normalmente i danni sono causati da una intensità di cavitazione troppo elevata che, come si è visto, dipende da una moltitudine di variabili, tra cui la frequenza di vibrazione della perturbazione. Ma anche la distribuzione delle bolle di cavitazione nel liquido riveste un ruolo importante, sia in termini di prestazioni di lavaggio, sia in termini negativi di possibili danni ai materiali. Alle basse frequenze, il numero di bolle che vengono generate nell unità di tempo è inferiore rispetto al numero generato alle alte frequenze, poiché sono in minor numero le onde di rarefazione che si susseguono in una data zona; ed anche in termini di distribuzione spaziale il risultato è analogo, poiché a basse frequenze corrispondono lunghezze d onda maggiori e quindi risulta maggiore la distanza tra due picchi di rarefazione consecutivi, in prossimità dei quali sono generate le bolle. Generalmente parlando, si possono individuare tre principali effetti dannosi: l erosione da cavitazione troppo intensa; l erosione da onda stazionaria; i danni da risonanza. L erosione è quel fenomeno che consiste nella perdita di materiale da una superficie, causata da forze esterne in grado di rompere le forze di legame tra le molecole del materiale (si veda ad esempio, la parte destra della Fig. 35). Nel caso di lavaggio con ultrasuoni, queste forze esterne sono fornite dai getti di liquido e dalle onde d urto che si sviluppano dall implosione delle cavità nelle vicinanze della superficie da pulire. Le condizioni operative che favoriscono l erosione sono strettamente legate al tipo di liquido usato, alla potenza ed alla frequenza dell onda ultrasonora, nonché al materiale di cui è costituita la superficie. I materiali ad elevata energia di legame superficiale e ad elevata durezza e resistenza meccanica sono i più resistenti all erosione; i materiali più morbidi come l alluminio, il piombo, il silicio, sono maggiormente inclini a questo fenomeno. Occorre precisare che il fenomeno dell erosione non coinvolge solamente i pezzi che devono essere puliti, ma a n - che la stessa unità radiante, essendo anch essa a contatto con il liquido in cui avviene la cavitazione. La corrosione dell unità radiante è sempre presente, anche se con intensità diverse a seconda della potenza specifica erogata, indipendentemente dallo spessore dell unità stessa; alcuni costruttori ritengono che la presenza della corrosione sia indice dell effettiva attività del sistema, poiché una superficie perfettamente integra potrebbe essere conseguenza di anomalie nel fissaggio degli elementi all unità radiante. Un esempio di corrosione dell unità radiante è riportato in Fig. 39. INDICE DELLE PUNTATE PRECEDENTI: I ) Introduzione e "stato dell'arte" II ) Cenni di acustica III) Gli ultrasuoni IV) I trasduttori magnetostrittivi V) I trasduttori piezoelettrici (1) VI) I trasduttori piezoelettrici (2) VII) I trasduttori piezoelettrici (3) VIII) Il generatore IX) La cavitazione (1) X) La cavitazione (2) Anno XXII - n.89 - Gennaio - Febbraio - Marzo 2017 Metal Cleaning & Finishing 17