Come realizzare un pulitore a ultrasuoni

Un pulitore (o lavatrice) ad ultrasuoni è un dispositivo di pulizia di alta qualità. Ha un trasduttore ad ultrasuoni posizionato nella parte inferiore del recipiente del pulitore. Il trasduttore è fissato al pavimento o alla parete di tale recipiente. Un pulitore ad ultrasuoni è un dispositivo di pulizia molto utile per pulire molti oggetti: ad esempio, occhiali, lenti a contatto, gioielli, strumenti dentali e chirurgici, vinili, etc. Dovresti comprarne uno oppure crearne uno tuo come illustrato in questo articolo. Ricorda solo di non lasciare gli oggetti nell’apparecchio troppo a lungo per prevenire la cosiddetta “erosione da cavitazione”.

La cavitazione è una parola spesso associata ai pulitori a ultrasuoni. In realtà è ciò che rende possibile la pulizia ad ultrasuoni. Diamo un’occhiata a cosa è la cavitazione e come funziona così da eseguire tutte le pulizie all’interno di un pulitore ad ultrasuoni. La cavitazione è qualcosa che è stato studiato da quando l’uomo ha iniziato a far cadere i ciottoli nei laghi. In questo articolo, noi non dobbiamo però averne un livello di comprensione a livello universitario, ma una semplice introduzione.

Per pensare meglio a come funziona la cavitazione, inizia pensando di far cadere un sassolino in un lago o un torrente calmo. Quello che vedi quando lo fai sono le onde rotonde che si irradiano dal ciottolo caduto dentro. Alla fine, se c’è un bacino o una struttura nelle vicinanze, vedrai quelle piccole onde urtare la struttura. Nella sua essenza, questo è tutto ciò che fa un pulitore ad ultrasuoni. Ora dobbiamo prendere il concetto di cui abbiamo parlato sopra e guardare cosa succede sott’acqua.

Quando si getta un sasso in uno stagno si creano dei fronti d’onda concentrici.

Quello che stai facendo quando lasci cadere il sassolino nel torrente è che sta creando un cambiamento nella pressione dell’acqua. La depressione dell’onda è la bassa pressione, il picco è l’alta pressione. Quando lo facciamo sott’acqua in tre dimensioni, creiamo in effetti delle piccole bolle nell’acqua dove si trovano le basse pressioni. Più velocemente alterniamo l’energia che immettiamo (pensiamo di far cadere più velocemente i ciottoli), più energia possiamo impartire alle bolle.

Le bolle si comprimeranno anche sotto le differenze di pressione. Mentre si comprimono, sono in grado di immagazzinare sempre più energia. La pressione all’interno di una di queste piccole bolle può arrivare fino a 500 volte la pressione che si verifica a livello del mare. Questo aumento della pressione provoca anche un enorme aumento della temperatura dell’aria all’interno della bolla. Alla fine queste bolle collasseranno e rilasceranno la loro energia. Ed è qui che svolgono la loro azione di pulizia.

Il fenomeno della cavitazione ed il collasso delle bolle.

Infatti, quando vengono a contatto con una superficie solida, creano un piccolo getto di acqua calda. L’acqua calda avrà un impatto e allenterà qualsiasi sporco, olio o contaminazione che si trova sulla superficie dell’oggetto con cui vengono a contatto. Le bolle create dal processo sono molto piccole; così piccolo, che non puoi nemmeno vederle. Questo li rende il modo perfetto per ripulire piccole aperture, angoli difficili e luoghi che non si potevano raggiungere con un pennello.

Come realizzare una piccola lavatrice a ultrasuoni

Ecco cosa serve per poter costruire un semplice pulitore a ultrasuoni:

  • Una levigatrice palmare
  • Una lattina di caffè
  • Un secchio un po’ più grande della lattina
  • Un po’ di schiuma isolante
  • Nastro adesivo
  • Acqua di rubinetto

Un esempio di levigatrice palmare utilizzabile in questo progetto. Se ne possono trovare diversi modelli ad esempio qui.

Ecco invece le istruzioni per realizzare e usare un pulitore a ultrasuoni:

  1. Attacca la schiuma sul fondo e sulla parete del secchio che ospita il recipiente. In questo modo, il secchio non vibrerà una volta che la levigatrice e la lattina di caffè vibreranno. Questo perché la schiuma assorbirà le vibrazioni.
  2. Prendi la levigatrice palmare e, senza collegarla alla presa, accendila. Il motivo per accenderla senza collegarla alla presa è che sarebbe difficile accenderla in seguito.
  3. Usa il nastro adesivo per attaccare la levigatrice sul fondo della lattina di caffè. Stringi strettamente i due materiali insieme in modo che quando vibra la levigatrice, anche la lattina di caffè vibri.
  4. Riempi la lattina di caffè con acqua per circa ¾ piena.
  5. Metti la lattina nel secchio.
  6. Inserisci la spina della levigatrice per palmare nella presa a muro.
  7. Aspetta qualche minuto. La levigatrice palmare produrrà del calore dopo che è in funzione per alcuni minuti. Non preoccuparti del calore prodotto dalla levigatrice. Non è abbastanza caldo da provocare un incendio. Il calore prodotto dalla levigatrice verrà trasmesso alla lattina.
  8. Il calore farà espandere e ridurre la lattina. Quando la lattina si riscalda, si verifica la cavitazione delle bolle. Ciò pulisce il materiale che hai inserito nel tuo pulitore fatto in casa.
  9. È possibile disattivare la levigatrice palmare quando la lattina inizia a espandersi ed a ridursi.

Cavitazione con un trasduttore piezolettrico

Un trasduttore è un tipo di materiale che converte un tipo di energia in un altro tipo di energia. Si deforma quando viene applicata una carica elettrica. Quando il trasduttore nel recipiente del pulitore ad ultrasuoni viene stimolato, le sue vibrazioni aumentano. Il trasduttore stimolato fa dunque muovere il recipiente. Quando ciò accade, vengono create delle onde ultrasoniche. Sono proprio le onde ultrasoniche che aiutano a pulire gli oggetti o gli strumenti che sono stati collocati al suo interno.

Un trasduttore ultrasonico (a destra) e il suo controller (a sinistra).

La corrente ad alta frequenza prodotta dall’elettricità fa sì che il trasduttore produca onde di rarefazione e compressione nell’acqua. Una sorta di “cavità del vuoto” viene quindi creata da queste onde. Man mano che vengono prodotte le onde, la dimensione della cavità aumenta e diminuisce. La cavità collassa quando le sue dimensioni diventano troppo grandi da non poter più mantenere la sua forma. Questo collasso produce molte bolle minuscole, che giocano un ruolo fondamentale.

Infatti, quando queste piccole bolle collassano, i contaminanti e lo sporco sugli strumenti vengono rimossi. In un pulitore ad ultrasuoni, le bolle diventano più piccole man mano che la frequenza aumenta. Collassi molto piccoli possono pulire piccoli strumenti. Il processo in cui un vuoto o una bolla in un liquido collassa rapidamente, producendo un’onda d’urto, è chiamato in gergo cavitazione inerziale. Negli oggetti artificiali, essa può verificarsi in valvole di controllo, pompe, eliche e giranti.

Esistono tre dimensioni principali di lavatrici a ultrasuoni. La dimensione più piccola sembra un giocattolo. Viene utilizzata per pulire oggetti molto piccoli, come gioielli e lenti a contatto. La misura media viene utilizzata per pulire gli strumenti dentali e chirurgici. La dimensione più grande è la dimensione industriale. È grande e pesante. Viene utilizzata per la pulizia di oggetti di grandi dimensioni, come ad esempio parti di automobili. Ti puoi facilmente creare un grande  pulitore ad ultrasuoni. Ecco come.

Un pulitore a ultrasuoni in vendita online. Ne trovi diversi tipi ad es. qui.

Come progettare un pulitore più grande

Chiunque abbia mai avuto bisogno di pulire le parti per un carburatore, un differenziale, una scatola del cambio o qualsiasi altra parte unta e complessa deve aver spesso desiderato un modo più semplice di quello tradizionale. Generalmente, infatti, immergi le parti in un contenitore di cherosene, detergente a benzina-gasolio o altro, da immergere per un po’ e poi ritorni all’attività con vari pennelli e attrezzi per raschiare via il grasso e altra sporcizia. È un compito sporco e noioso.

E se potessi rinunciare a tutta quella spazzolatura e raschiatura? Se potessi semplicemente far cadere i componenti in un serbatoio contenente un solvente adatto, premere un pulsante e poi ritornare più tardi per rimuovere le parti in condizioni di brillantezza? La maggior parte dei lettori sa che è possibile realizzare piccoli pulitori ad ultrasuoni per pulire gioielli e piccoli oggetti simili, dato che ne abbiamo appena descritto uno. Quindi, perché non realizzare una versione molto più grande?

L’apparecchio pulitore a ultrasuoni che ora illustreremo è perfetto per la pulizia di parti di automobili e altre parti meccaniche, nonché di tessuti che non possono essere lavati in lavatrice, ornamenti anticati e una miriade di altri oggetti difficili da pulire. Questo pulitore ad ultrasuoni è progettato per fare esattamente quel lavoro. Utilizza un trasduttore ultrasonico piezoelettrico ad alta potenza e un controller per eliminare letteralmente lo sporco con l’energia ad ultrasuoni.

Il solvente potrebbe essere cherosene o acqua calda e un agente bagnante come un detergente. A bassi livelli di azionamento, il solvente trasmette il segnale ultrasonico durante il bagno. A livelli di potenza più elevati, il fronte d’onda ultrasonico provoca cavitazione che provoca la formazione di bolle e il conseguente collasso. Al passaggio del fronte d’onda, viene ripristinata la pressione normale e la bolla collassa per produrre un’onda d’urto, che aiuta ad allentare le particelle dall’oggetto da pulire.

Pulizia di un circuito elettronico con un pulitore a ultrasuoni.

La dimensione delle bolle dipende dalla frequenza ultrasonica ed è più piccola con frequenze più alte. I pulitori industriali a ultrasuoni tendono ad utilizzare frequenze comprese tra 20kHz e 50kHz, mentre i pulitori per piccole parti in genere utilizzano frequenze superiori a 50kHz. La frequenza viene variata con uno schema irregolare per evitare una subarmonica a bassa frequenza costante nel bagno di pulizia: ciò riduce l’impatto delle risonanze nei piccoli oggetti, che potrebbero altrimenti disintegrarsi.

Questa variazione di frequenza previene anche le onde stazionarie nel bagno di pulizia che possono produrre cavitazione in un’area ma nessuna cavitazione in un’altra area. Ciò può comportare un’azione di pulizia irregolare di un componente. La potenza effettiva erogata dipende dalla frequenza di risonanza del trasduttore piezoelettrico. Per un pulitore ad ultrasuoni, la potenza massima erogata dal trasduttore si ha alla frequenza di risonanza del trasduttore ultrasonico piezoelettrico utilizzato.

L’elettronica di un pulitore ad ultrasuoni consiste in un alimentatore, un generatore di ultrasuoni e trasduttori. Di solito, una scheda cablata contiene tutti i componenti dell’alimentatore e del generatore di ultrasuoni. Una scheda di circuiti secondari viene utilizzata per il comando timer / riscaldatore basato su microcontrollore e contiene anche i tasti dell’interfaccia utente, gli indicatori, il pannello del display e così via. Tutta l’elettronica di un pulitore ad ultrasuoni cinese (40kHz / 100W) è mostrata in figura.

L’elettronica di un pulitore ad ultrasuoni cinese da 40 kHz e 100W.

Il controller per il nostro pulitore ad ultrasuoni è alloggiato in una piccola custodia di plastica. Esso si collega al trasduttore ultrasonico piezoelettrico usando un cavo a 2 conduttori con guaina. Il trasduttore piezoelettrico è alloggiato in un raccordo in PVC che copre e isola i terminali da contatti accidentali. Il trasduttore piezoelettrico e l’alloggiamento possono essere immersi direttamente nel bagno ad ultrasuoni o nel contenitore, oppure incollato all’esterno del bagno usando resina epossidica.

Il recipiente metallico attaccato al trasduttore concentra l’energia in una piccola area e vibra alla propria frequenza di risonanza, quindi la frequenza di risonanza dell’intero setup (trasduttore e recipiente) è una miscela dei due. Quando i trasduttori sono epossidati in un diaframma sulle pareti o sul fondo del recipiente, lo spostamento nel cristallo provoca un movimento del diaframma, che a sua volta provoca la trasmissione di un’onda di pressione attraverso la soluzione acquosa nel serbatoio.

Come realizzare il nuovo pulitore a ultrasuoni

Per realizzare concretamente un grande pulitore a ultrasuoni si può usare un contenitore o “serbatoio” in acciaio inossidabile, un timer e un trasduttore che produce onde ultrasoniche. Ad esempio, le grandi unità ospedaliere hanno più elementi piezoelettrici da alcuni centimetri di diametro incollati alla base del serbatoio in acciaio inossidabile. Tali unità hanno un circuito di driver MOSFET push pull ad alta tensione per guidare i piezo. Esso può venire acquistato o auto-costruito.

Un trasduttore a ultrasuoni da 25 kHz e 60 W in zirconato di piombo (PZT) .

I trasduttori ultrasonici piezoelettrici sono costituiti da diversi componenti. Il cristallo ceramico (di solito zirconato di piombo) è inserito tra due strisce di stagno. Quando viene applicata una tensione sufficiente attraverso le strisce, si crea uno spostamento nel cristallo, noto come effetto piezoelettrico. In linea di principio, il trasduttore ultrasonico è un circuito LC risonante in serie, in cui gli elettrodi a piastra piezoelettrica formano un condensatore e la massa risonante funge da induttanza.

È possibile, in pratica, costruire un pulitore ad ultrasuoni da 40 KHz e 100 W utilizzando una pentola spessa e alcune altre parti pronte all’uso. Due trasduttori da 40 KHz sono stati fissati sul fondo di una pentola a parete spessa con resina epossidica bicomponente. È importante mescolare le proporzioni corrette in modo che indurisca a un pezzo solido e non flessibile poiché altrimenti smorza la vibrazione.  Anche il generatore di ultrasuoni utilizzato è stato trovato nello stesso posto (Steminc).

Un pulitore a ultrasuoni realizzato con una comune pentola e due trasduttori da 40 kHz.

Questo generatore è da 100 W e ogni trasduttore è da 70 W se installato da solo o da 50 W ciascuno se installato in parallelo. È necessario collegare due trasduttori da 40 kHz in parallelo e il sistema non può essere acceso fino a quando non vengono effettuati tutti i collegamenti e il generatore non viene collegato ai trasduttori attaccati al recipiente che funge da serbatoio. In caso contrario, il generatore verrà danneggiato. Può costarvi molto non prestare attenzione a questo dettaglio!

Le connessioni sono semplici. L’elettrodo tra i due anelli piezoelettrici sul trasduttore è positivo. Dopodiché collega gli elettrodi positivi dai trasduttori (in parallelo) e connettili all’uscita positiva del generatore. Infine collega gli elettrodi negativi dai trasduttori (in parallelo) e collegali all’uscita negativa del generatore. Ho usato la colla, invece di avere dei bulloni sul fondo del serbatoio (e comunque, a seconda dello spessore della parete del contenitore, sarà necessario verificare se è possibile).

Nell’usare questo apparecchio, è necessaria attenzione perché un trasduttore è alimentato ad alta tensione che potrebbe provocare una brutta scossa se si entra in contatto con essa. Se non usi un generatore di ultrasuoni acquistato sul mercato, a meno che tu non sia un mago dell’elettronica, i circuiti ad alta tensione del controller o driver che alimenta i trasduttori saranno un notevole sforzo di sviluppo. Online, comunque, è possibile trovare numerosi circuiti di driver per un pulitore a ultrasuoni fai-da-te.

Un kit già pronto, con trasduttori e driver che li alimenta ad alta tensione, in vendita sul web. Come si può intuire dalla complessità dell’elettronica, vale la pena considerarne l’acquisto ad es. qui piuttosto che costruire un circuito simile da soli.

Per quanto riguarda, infine, la soluzione detergente, l’acqua di rubinetto normale funziona perfettamente per un pulitore ad ultrasuoni da scrivania (di livello domestico). I prodotti elettronici de i gioielli, tuttavia, necessitano di un detergente più potente. Si noti esiste anche una soluzione di pulizia ad ultrasuoni speciale idrosolubile. Conduce le onde ultrasoniche meglio dell’acqua normale. Alcune di queste soluzioni di pulizia ad ultrasuoni sono di uso generale, mentre altre sono destinate a oggetti specifici.

Anche la temperatura della soluzione ha un profondo effetto sul potenziale di pulizia ad ultrasuoni, pertanto può essere utile includere un riscaldatore aggiuntivo. Temperature più elevate comporteranno una maggiore intensità di cavitazione e una migliore pulizia. Tuttavia, se la temperatura si avvicina al punto di ebollizione della soluzione (l’acqua cavita in modo più efficace a circa 70 °C), il liquido bolle nelle aree a pressione negativa delle onde sonore, riducendo o eliminando la cavitazione.