Limpieza ultrasónica

La limpieza ultrasónica es un proceso que utiliza ultrasonidos (generalmente de 20 a 40 kHz ) para agitar un fluido y lograr una limpieza eficaz. Los limpiadores ultrasónicos vienen en una variedad de tamaños, desde pequeñas unidades de escritorio con un volumen interno de menos de 0,5 litros (0,13 galones estadounidenses ) hasta grandes unidades industriales con volúmenes que se aproximan a los 1000 litros (260 galones estadounidenses).  

El principio de funcionamiento de la máquina de limpieza ultrasónica consiste en convertir la energía sonora de la fuente de frecuencia ultrasónica en vibración mecánica mediante un transductor. La vibración generada por la onda ultrasónica se transmite al líquido de limpieza a través de la pared del tanque, de modo que las microburbujas presentes en el líquido vibran continuamente bajo la acción de la onda sonora, destruyendo y separando la suciedad adherida a la superficie del objeto.

Dependiendo del objeto que se esté limpiando, el proceso puede ser muy rápido, limpiando por completo un artículo sucio en minutos. En otros casos, la limpieza puede ser más lenta y superar los 30 minutos. ^{[ 1 ]}

Los limpiadores ultrasónicos se utilizan para limpiar muchos tipos diferentes de objetos, incluyendo piezas industriales, joyas , muestras científicas, lentes y otras piezas ópticas, relojes , instrumentos dentales y quirúrgicos , herramientas , monedas , plumas estilográficas , palos de golf , carretes de pesca , persianas , componentes de armas de fuego , inyectores de combustible de automóviles , instrumentos musicales, discos de gramófono , piezas mecanizadas industriales y equipos electrónicos, lentes ópticas, etc. Se utilizan en muchos talleres de joyería, establecimientos de relojería , talleres de reparación electrónica, ^{[ 2 ]} y laboratorios científicos.

La limpieza ultrasónica se ha utilizado industrialmente durante décadas, en particular para limpiar piezas de formas complejas y/o que tienen pequeños orificios/galerías intrincadas, y para acelerar los procesos de tratamiento de superficies. ^{[ 3 ]}

Parece ser que los limpiadores ultrasónicos se desarrollaron como una evolución natural de varios inventos anteriores que utilizaban vibraciones para agitar y mezclar sustancias, por lo que no hay un "inventor" claro de la limpieza ultrasónica. La patente estadounidense 2815193 , emitida en diciembre de 1954  , es la primera patente registrada que utiliza específicamente el término "limpieza ultrasónica", aunque patentes anteriores se refieren al uso de ultrasonidos para "agitación intensa", "tratamiento" y "pulido", por ejemplo, la patente estadounidense 2651148 . 

A mediados de la década de 1950, había al menos tres fabricantes de limpiadores ultrasónicos establecidos en Estados Unidos y dos en el Reino Unido; y para la década de 1970, los limpiadores ultrasónicos estaban ampliamente establecidos para uso industrial y doméstico. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

La limpieza ultrasónica utiliza burbujas de cavitación inducidas por ondas de presión (sonido) de alta frecuencia para agitar un líquido. Esta agitación produce fuerzas elevadas sobre los contaminantes adheridos a sustratos como metales, plásticos, vidrio, caucho y cerámica. Esta acción también penetra en orificios ciegos , grietas y huecos. El objetivo es eliminar por completo cualquier rastro de contaminación adherida o incrustada en superficies sólidas. Se puede utilizar agua u otros disolventes , según el tipo de contaminación y la pieza de trabajo. Los contaminantes pueden incluir polvo, suciedad, aceite, pigmentos, óxido, grasa, algas, hongos, bacterias, incrustaciones de cal, compuestos de pulido, agentes fundentes, huellas dactilares, cera de hollín y agentes desmoldantes, suciedad biológica como sangre, etc. La limpieza ultrasónica se puede utilizar para una amplia gama de formas, tamaños y materiales de piezas de trabajo, y puede que no requiera el desmontaje de la pieza antes de la limpieza. ^{[ 6 ]}

No se debe permitir que los objetos descansen en el fondo del dispositivo durante el proceso de limpieza, ya que esto impedirá que se produzca cavitación en la parte del objeto que no está en contacto con el disolvente. ^{[ 2 ]}

En un limpiador ultrasónico, el objeto a limpiar se coloca en una cámara que contiene una solución adecuada (en un disolvente acuoso u orgánico, según la aplicación). En los limpiadores acuosos, a menudo se añaden tensioactivos (por ejemplo, detergente para ropa) para permitir la disolución de compuestos no polares como aceites y grasas. Un transductor generador de ultrasonidos integrado en la cámara, o sumergido en el fluido, produce ondas ultrasónicas en el fluido al cambiar de tamaño en sincronía con una señal eléctrica que oscila a frecuencia ultrasónica. Esto crea ondas de compresión en el líquido del tanque que lo "desgarran", dejando millones de "vacíos" microscópicos o "burbujas de vacío parcial" (cavitación). Estas burbujas colapsan con una energía enorme; se alcanzan temperaturas y presiones del orden de 5000 K y 135 MPa; ^{[ 7 ] [ 8 ]} sin embargo, son tan pequeñas que solo limpian y eliminan la suciedad y los contaminantes superficiales. Cuanto mayor sea la frecuencia, menores serán los nodos entre los puntos de cavitación, lo que permite limpiar detalles más intrincados.

Los transductores suelen ser piezoeléctricos (por ejemplo, fabricados con titanato de zirconato de plomo (PZT), titanato de bario , etc.), pero a veces son magnetostrictivos . Los productos químicos, a menudo agresivos, que se utilizan como limpiadores en muchas industrias no son necesarios, o se utilizan en concentraciones mucho menores, con la agitación ultrasónica. Los ultrasonidos se utilizan para la limpieza industrial y también en muchas técnicas médicas y dentales, así como en procesos industriales ^{[ 9 ]} .

En algunos casos, los limpiadores ultrasónicos pueden utilizarse con agua corriente, pero en la mayoría de los casos se emplea una solución limpiadora . Esta solución está diseñada para maximizar la eficacia de la limpieza ultrasónica. El disolvente principal puede ser agua o un hidrocarburo (históricamente, se utilizaban industrialmente disolventes tóxicos como el tetracloruro de carbono y el 1,1,1-tricloroetano , pero su uso se ha ido eliminando progresivamente ^{[ 10 ]} ). Existen diversas formulaciones, que dependen del objeto que se limpia y del tipo de contaminación (por ejemplo, desengrasado de metales, limpieza de placas de circuitos impresos , eliminación de material biológico, etc.).

La reducción de la tensión superficial aumenta la cavitación, por lo que la solución suele contener un buen agente humectante ( tensioactivo ). Las soluciones de limpieza acuosas contienen detergentes , agentes humectantes y otros componentes que influyen considerablemente en el proceso de limpieza. La composición correcta de la solución depende en gran medida del objeto que se va a limpiar. Al trabajar con metales, proteínas y grasas, puede recomendarse específicamente una solución detergente alcalina . Las soluciones se suelen calentar, a menudo entre 50 y 65 °C (122 y 149 °F) ; sin embargo, en aplicaciones médicas, se suele aceptar que la limpieza debe realizarse a temperaturas inferiores a 45 °C (113 °F) para evitar la coagulación de proteínas , que puede dificultar la limpieza.    

Algunos limpiadores ultrasónicos integran máquinas de desengrase por vapor que utilizan fluidos de limpieza de hidrocarburos: se emplean tres depósitos en cascada. El depósito inferior, que contiene el fluido sucio, se calienta, provocando su evaporación. En la parte superior de la máquina hay una serpentina de refrigeración. El fluido se condensa en la serpentina y desciende al depósito superior. Este último se desborda y el fluido relativamente limpio fluye hacia el depósito de trabajo, donde se lleva a cabo la limpieza. Si bien el precio de compra es superior al de las máquinas más sencillas, a largo plazo pueden resultar más económicas. El mismo fluido puede reutilizarse muchas veces, minimizando así el desperdicio y la contaminación.

La mayoría de los materiales duros y no absorbentes (metales, plásticos, etc.) que no son atacados químicamente por el líquido de limpieza son aptos para la limpieza ultrasónica. Los materiales ideales para la limpieza ultrasónica incluyen piezas electrónicas pequeñas, cables, varillas, alambres y objetos con detalles finos, así como objetos de vidrio, plástico, aluminio o cerámica. ^{[ 11 ]}

La limpieza ultrasónica no esteriliza los objetos que se limpian, ya que las esporas y los virus permanecen en ellos después de la limpieza. En aplicaciones médicas, la esterilización normalmente se realiza después de la limpieza ultrasónica como un paso independiente. ^{[ 12 ]}

Los limpiadores ultrasónicos industriales se utilizan en las industrias automotriz, deportiva, de impresión, naval, médica, farmacéutica, de galvanoplastia, de componentes de unidades de disco, de ingeniería y de armamento.

La limpieza ultrasónica se utiliza para eliminar la contaminación de equipos de procesos industriales, como tuberías e intercambiadores de calor.

La limpieza ultrasónica se utiliza ampliamente en entornos domésticos y profesionales para el mantenimiento de artículos personales delicados. Los fabricantes de óptica la recomiendan como el método más eficaz y suave para limpiar gafas, ya que el proceso elimina de forma segura la grasa y los residuos de las lentes y los mecanismos complejos de las monturas sin abrasión mecánica. ^{[ 13 ]} Además, esta tecnología se emplea habitualmente para restaurar el brillo de joyas duraderas ^{[ 14 ]} y para limpiar eficazmente vajillas intrincadas, utilizando la cavitación para eliminar los contaminantes de las superficies metálicas. ^{[ 15 ]}

La limpieza ultrasónica se utiliza ampliamente para eliminar los residuos de fundente de las placas de circuitos soldadas. Sin embargo, algunos componentes electrónicos, en particular los dispositivos MEMS como giroscopios , acelerómetros y micrófonos, pueden dañarse o destruirse debido a las vibraciones de alta intensidad a las que se someten durante la limpieza. Los zumbadores piezoeléctricos pueden funcionar en sentido inverso y generar voltaje, lo que puede suponer un peligro para sus circuitos de control.

• Los limpiadores ultrasónicos pueden producir ruido irritante de alta frecuencia, por lo que puede ser necesario usar protección auditiva en caso de exposición continua.
• Se recomienda evitar el uso de soluciones de limpieza inflamables, ya que los limpiadores ultrasónicos aumentan la temperatura incluso cuando no cuentan con un calentador. (Algunas unidades industriales están certificadas específicamente como a prueba de explosiones ).
• Cuando la unidad está en funcionamiento, el contacto con la solución de limpieza podría causar lesiones térmicas o químicas ; la acción ultrasónica es relativamente inocua para el tejido vivo, pero puede causar molestias e irritación de la piel. ^{[ 16 ]}
• Los limpiadores ultrasónicos funcionan con electricidad, lo que significa que existe riesgo de descarga eléctrica en caso de mal funcionamiento, especialmente si la solución de limpieza entra en contacto con componentes electrificados.

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