حمام اولتراسونیک که به آن «دستگاه تمیز کننده اولتراسونیک» (Ultrasonic Cleaner Machine) نیز میگویند، فرآیندی انجام میگیرد که از فراصوت (معمولاً از 20 تا 40 کیلوهرتز) برای تحریک یک مایع استفاده میشود. فراصوت را میتوان فقط همراه با آب استفاده کرد، اما استفاده از یک حلال مناسب برای تمیز کردن اجسام موجود در دستگاه تمیز کننده اولتراسونیک اثر تمیزکنندگی آن را تقویت میکند. تمیز کردن معمولاً بین سه تا شش دقیقه طول میکشد، اما بسته به اینکه نوع جسم مورد نظر که باید تمیز شود، ممکن است زمان کار دستگاه از ۲۰ دقیقه نیز فراتر رود.
از پاک کنندههای اولتراسونیک برای تمیز کردن انواع مختلفی از اشیا، از جمله جواهرات، لنزها و سایر وسایل اپتیکی، ساعت، ابزارهای جراحی و دندان پزشکی، انواع ابزارهایی که نیاز به تمیز بودن دارند، سکه، نوک قلمهای روان نویس، کلوپهای گلف، قرقرههای ماهیگیری، پرده کرکره، اجزای سلاح گرم، انژکتور سوخت خودرو، آلات موسیقی، گرامافون، قطعات ماشین آلات صنعتی و تجهیزات الکترونیکی استفاده میشود. از دستگاههای تمیز کننده اولراسونیک در بسیاری از کارگاههای جواهرات، ساعت سازی و کارگاههای تعمیر الکترونیکی مورد استفاده قرار میگیرند.
تاریخچه استفاده از دستگاههای تمیز کننده فراصوت
به دلیل قدمتی که استفاده از فراصوت برای تمیز کردن سطوح دارد، امروز مکانیسمهای تمیز کردن سطح اجسام به روش اولتراسونیک به خوبی درک شده است. اولین تجهیزات تمیز کردن اولتراسونیک در دهه ۱۹۵۰ به صورت تجاری وارد بازار شد و در حدود ۱۹۷۰ به عنوان وسایل خانگی نسبتاً ارزان قیمت مورد استفاده قرار گرفت. حمامهای التراسونیک برای دههها به صورت صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است. این دستگاه به ویژه برای تمیز کردن قطعات کوچک و پیچیده و سرعت بخشیدن به فرآیندهای عملیات تیمار کردن سطوح به کار گرفته میشود.
نحوه انجام فرایند تمیز کردن با حمام اولتراسونیک
حمام اولتراسونیک از حبابهای کاویتاسیون ناشی از امواج فشار فرکانس بالا (صدا) برای تحریک یک مایع استفاده میکند. این تحریک نیروهای شدیدی را بر روی آلایندههای چسبنده به بسترهایی مانند فلزات، پلاستیک، شیشه، لاستیک و سرامیک ایجاد میکند. این عمل همچنین به حفرهای کوچک، ترکها و شکافهای سطح اجسام نیز نفوذ میکند. هدف از این عمل در حمام اولتراسونیک این است که تمام آثار آلودگی کاملاً چسبنده یا جاسازی شده روی سطوح جامد از بین بروند. بسته به نوع آلودگی و قطعه مورد نظر، میتوان از آب یا حلالهای دیگر در حمام اولتراسونیک استفاده کرد.
آلایندههای روی سطوح مختلف میتوانند شامل گرد و غبار، خاک، روغن، رنگدانهها، زنگ زدگی، گریس، جلبک، قارچ، باکتریها، آهک، ترکیبات پولیش، روغن لحیم، اثر انگشت، موم دوده و مواد جدا شده از قالب، مواد بیولوژیکی مانند خون و غیره باشند. تمیز کننده اولتراسونیک میتواند برای طیف گستردهای از اجسام با اشکال، اندازه و ترکیبات مختلف میتواند مورد استفاده قرار گیرد.
در هنگام تمیز کردن اجسام نباید اجازه دهید در کف دستگاه استراحت کنند، زیرا این امر مانع از ایجاد حباب در قسمتی از جسم که در تماس با حلال نیست، میشود.
اصل طراحی و عملکرد
در یک حمام اولتراسونیک، جسم مورد نظر برای تمیز کردن در یک محفظه حاوی محلول مناسب (در یک حلال آبی یا آلی بسته به کاربرد) قرار میگیرد. در پاک کنندههای آبی اغلب سورفکتانتها (به عنوان مثال مواد شوینده لباسشویی) برای حل مشکل انحلال ترکیبات غیرقطبی مانند روغنها و گریسها اضافه میشوند.
مبدل تولید كننده اولتراسوند یا فراصوت درون محفظه قرار گرفته یا درون مایع داخل آن قرار داده میشود، با تغییر اندازه در هماهنگی با نوسان سیگنال برقی در فرکانس اولتراسونیك، امواج مافوق صوت را در مایعات ایجاد میكند. امواج مافوق صوت، امواج فشردهای را در مایع مخزن ایجاد میکند که مایع را از هم جدا میکند و میلیونها حباب یا حفره میکروسکوپی خلاء جزئی را به جای میگذارند.
این حبابها با انرژی عظیم از بین میروند زمانی که دما و فشار به ترتیب K ۵۰۰۰ و MPa ۱۳۵ یجاد شود. با این حال، آنها به قدری کوچک هستند که کاری بیشتر از تمیز کردن و از بین بردن آلایندهها و آلودگیهای سطحی انجام نمیدهند. هرچه فرکانس امواج بالاتر باشد، گرهها بین نقاط کاویتاسیون کوچکتر میشوند و این امکان را برای تمیز کردن جزئیات پیچیدهتر سطوح فراهم میکند.
مبدلها معمولاً از نوع پیزوالکتریک هستند (به عنوان مثال با تیتانات زیرکونات سرب (PZT)، تیتانات باریم و غیره ساخته میشوند)، اما گاهی اوقات از مبدل مغناطیسی نیز در حمام اولتراسونیک هستند. مواد شیمیایی غالباً خشن که در بسیاری از صنایع به عنوان پاک کننده مورد استفاده قرار میگیرند، مورد نیاز نیستند یا در غلظتهای بسیار پایینتر با تحریک اولتراسونیک مورد استفاده قرار میگیرند. حمام فراصوت برای تمیز کردن صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد و همچنین در بسیاری از تکنیکهای پزشکی و دندانپزشکی و فرآیندهای صنعتی نیز به کار گرفته میشود.
محلول تمیز کننده
فعالیت امواج اولتراسونیک (کاویتاسیون) برای انجام کار خود به محلول تمیز کننده کمک میکنند. آب ساده معمولاً به عنوان محلول تمیز کنده مؤثر نخواهد بود. محلول تمیز کننده شامل ترکیباتی است که برای افزایش تاثیر امواج اولتراسونیک طراحی شدهاند. به عنوان مثال، زمانی که محلول حاوی فاکتورهایی مانند سورفکتانتها باشند، موجب میشوند که با کاهش کشش سطحی، میزان کاویتاسیون (حباب سازی) افزایش پیدا کند.
محلولهای تمیز کننده آبی حاوی ترکیبات دترجنتی یا ترکیبات شوینده، سورفکتانتها و سایر اجزای سازنده بوده و تأثیر زیادی در فرآیند تمیز کردن دارند. تهیه ترکیب صحیح محلول تمیز کننده به سطحی که قرار است تمیز شود، بستگی دارد. محلولها عمدتاً در دمای ۵۰ تا ۶۵ درجه سانتیگراد (۱۲۲ تا ۱۴۹ درجه فارنهایت) ورد استفاده قرار میگیرند، اما در کاربردهای پزشکی به عنوان یک قاعده کلی تمیز کردن باید در دماهای زیر ۴۵ درجه سانتیگراد (۱۱۳ درجه فارنهایت) انجام شود تا از انعقاد ترکیبات پروتئینی جلوگیری شود.
محلولهای مبتنی بر آب، برای حذف آلایندهها با واکنش شیمیایی نسبت به سایر محلولهای دارای ترکیبات حل شونده، توانایی محدودتر دارند. به عنوان مثال، برای قطعات ظریف پوشیده از گریس ضخیم آب به تنهایی نمیتواند موثر باشد. تلاش مورد نیاز برای طراحی یک سیستم تمیز کننده موثر آب برای یک هدف خاص بسیار بیشتر از یک سیستم حلال است.
کاربردهای حمام اولتراسونیک
بیشتر مواد سخت و غیرقابل جذب (فلزات، پلاستیک و غیره) که توسط مایع تمیز کننده مورد حمله شیمیایی قرار نمیگیرند، برای تمیز کردن با حمام اولتراسونیک مناسب هستند. مواد ایده آل برای تمیز کردن اولتراسونیک شامل قطعات الکترونیکی کوچک، کابل، میله، سیم و وسایل دقیق و همچنین اشیاء ساخته شده از شیشه، پلاستیک، آلومینیوم یا سرامیک است.
حمام اولتراسونیک اجسام تمیز شده را استریل نمیکند، زیرا اسپورها و ویروسها پس از تمیز کردن روی اجسام باقی میمانند. در کاربردهای پزشکی، فرایند استریل کردن به طور معمول بعد از مرحله قرارگیری در حمام اولتراسونیک به عنوان یک مرحله جداگانه انجام میشود.
حمامهای اولتراسونیک صنعتی در صنایع اتومبیل سازی، محصولات ورزشی، صنایع چاپی، دریایی، پزشکی، دارویی، فعالیتهای آبکاری، اجزای هارد دیسک، مهندسی و صنایع سلاح سازی استفاده میشود.
علاوه بر این، دستگاههای تمیز کننده اولتراسونیک برای از بین بردن آلودگی از تجهیزات صنعتی مانند لولهها و مبدلهای حرارتی استفاده میشود.
محدودیتها کار با حمام اولترسونیک
حمامهای اولتراسونیک به طور گستردهای برای از بین بردن باقیمانده شار از تختههای مدار لحیم به کار گرفته میشوند. با این حال، برخی از اجزای الکترونیکی، به ویژه دستگاههای MEMS مانند ژیروسکوپ، شتاب سنج و میکروفون میتوانند در اثر لرزشهای با شدت زیادی که هنگام تمیز کردن ایجاد میشوند، در معرض آسیب قرار گرفته یا از بین بروند.
ایمنی کار با حمام اولتراسونیک
توصیه میشود در هنگام کار با حمامهای اولتراسونیک از به کارگیری محلولهای تمیز کننده قابل اشتعال خودداری کنید، زیرا پاک کنندههای مافوق صوت حتی در صورت عدم استفاده از هیتر، دما را افزایش میدهند.
هنگامی که دستگاه در حال کار است، قرار دادن دست خود در محلول میتواند به دلیل گرما بالای محلول، باعث سوختگی شود که در پی آن ناراحتی و سوزش پوستی نیز ممکن است برای کاربر دستگاه به وجود آید.