Limpeza Por Ultra-som - Overview e Estado Da Arte

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    Relatrio Tcnico RT-ATCP-02

    Limpeza ultra-snica:

    overviewe estado da arteATCP Engenharia Fsicahttp://www.atcp.com.br / [email protected]

    So Carlos - Brasil

    Autor: Antnio Henrique Alves Pereira (Pereira A.H.A.)

    [Revisado e publicado online em cinco de abril de 2010]

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    2 ATCP Engenharia Fsicawww.atcp.com.br

    INTRODUOA necessidade de sistemas de limpeza para a remoo de contaminantes est presente em

    diversos seguimentos, desde os industriais passando pelos servios at o hospitalar, seja para amanuteno de equipamentos e dispositivos, para a preparao da superfcie de produtos para reuso oupara processos de limpeza durante os processos de manufatura. Os principais tipos de limpeza podem ser

    divididos em 08 grupos [1]:- Alcalina- Por solventes- Por emulses- Por banho de sais fundidos.- Ultra-snica- cida- Mecnica- Por decapagem

    A escolha do sistema de limpeza usualmente determinada pelas seguintes variveis [2]:- Natureza do contaminante- Natureza do objeto a ser limpo

    - Grau de limpeza necessrio- Geometria dos objetos a serem limpos.- Quantidade e freqncia- Necessidade de processos automatizados- Restries ambientais e normas- Custos e oramento disponvel

    Uma discusso pormenorizada de todos os aspectos dos processos industriais de limpeza podeser encontrada no ASM Handbook, Volume 5 - Suface Enginnering [1].

    Dos sistemas citados, a limpeza por banho de sais fundidos e por solventes tem sofrido destacadodeclnio nas ltimas dcadas nos pases desenvolvidos, devido s crescentes restries ao uso desubstncias txicas e agressivas ao meio ambiente. A principal alternativa ao uso destes processos temsido a limpeza cida, alcalina e por emulses, em conjunto com a limpeza mecnica e ultra-snica. Almde serem menos agressivas ao meio ambiente e sade, estes processos facilitam a implantao desistemas automatizados [2].

    No Brasil, at a dcada de 90, os sistemas de limpeza mais sofisticados (ultra-snicos eautomatizados) eram importados e utilizados, em sua grande maioria, por empresas multinacionais que oscompravam em seus pases de origem. Os sistemas mais simples eram desenvolvidos e utilizados porpequenas e mdias empresas, sendo muitas vezes similares as primeiras verses analgicas importadas.Com a acelerao da globalizao na dcada de 90 e com as restries ecolgicas, surgiu uma grandedemanda entre as pequenas e mdias empresas por sistemas de limpeza mais eficientes, que colaborassemcom o aumento da competitividade de seus produtos e que fossem ecologicamente corretos, tais como ossistemas ultra-snicos e automatizados e para aplicaes mdicas e hospitalares. Esse novo nicho demercado j vem sendo explorado no Brasil com sucesso por diversas empresas brasileiras e estrangeiras.

    VISO GERALA tecnologia de limpeza ultra-snica faz uso da cavitao e da transferncia de momento,

    fenmenos induzidos pela propagao de ondas acsticas de alta intensidade, com freqncia acima dolimite audvel humano ( 18 kHz) em meios lquidos [3-4]. o mais eficiente dos mtodos de limpezano abrasivos e que no utilizam dissoluo qumica do substrato [4]. Associada a outros mtodos como alimpeza alcalina, cida e por emulses, a limpeza ultra-snica capaz de remover os contaminantes maiscomplexos sem comprometer a integridade ou danificar a superfcie que est sendo limpa, sendoparticularmente eficiente na limpeza de objetos com cavidades, furos e reentrncias [2]. Atualmente extensivamente utilizada na indstria metal-mecnica, automotiva, aeronutica e ptica, para a remoode resduos metlicos e graxos de processos de usinagem, manuteno e manipulao [4,5].

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    Figura 1 - Sistema industrial de limpeza ultra-snica tpico, com dois tanques para limpeza (de 25 e 40

    kHz respectivamente) e um para enxge.

    Na Fig. 1 temos um sistema industrial de limpeza ultra-snica tpico. So trs tanques em srie:O primeiro realiza a limpeza mais grosseira (com ultra-som de 25 kHz), o segundo remove as partculasmicroscpicas que resistiram ao do primeiro (com ultra-som de 40 kHz), e o terceiro enxgua,evitando uma eventual secagem de resqucios das solues dos tanques anteriores (o que comprometeria aeficincia do processo). Neste sistema, as fontes de ultra-som so acopladas ao fundo dos tanques eexcitadas por um gerador. A automatizao desta configurao no complexa, bastando um rob com

    dois graus de liberdade para realizar o deslocamento dos cestos de peas ao longo dos trs tanques.

    Na Tabela I temos um comparativo entre os principais processos de limpeza utilizados naindstria metal-mecnica [1]. Sem dvida, a limpeza ultra-snica o estado da arte em eficincia ereprodutibilidade, e no deixa a desejar nos quesitos praticidade e custo de operao, mas a tecnologiamais cara.

    A despeito dos altos custos, a demanda por sistemas ultra-snicos est em franca expanso,motivada principalmente pelas j mencionadas restries ambientais s outras tecnologias. Os maioresfabricantes mundiais so as multinacionais Crest, Branson e Amsonic. No Brasil se destacam a CTA doBrasil e a Unique, alm de diversos fabricantes de equipamentos de pequeno porte para laboratrios eclnicas (equipamentos com apenas um tanque de at 5 litros).

    ASPECTOS MACROSCPICOS DA LIMPEZALimpeza, de uma forma geral, a remoo permanente de um contaminante de um substrato, que

    pode ser a superfcie de um objeto qualquer. Para a realizao da limpeza, preciso realizar trabalhopara afastar os contaminantes, rompendo ligaes qumicas e vencendo a fora de atrao eltrica e

    de Van der Waals, e garantir que este afastamento seja permanente, evitando que a fora atrativa

    Manual Imerso Emulso SpraySpray + Imer.

    Automatizada

    Ultra-snica

    Praticidade 2 7 7 5 9 7Grau de limpeza 4 3 5 7 7 10Reprodutibilidade 3 6 6 8 9 9Custo do equipamento 7 8 7 5 4 1Custo de operao 5 8 8 7 6 6

    Tabela I - Comparao entre os principais processos de limpeza utilizados na indstria metal-

    mecnica [1]. A escala das notas vai de 1 a 10. Quanto melhor o desempenho relativo, maior a nota.

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    eltrica re-deposite os contaminantes [6]. Portanto, a limpeza de um substrato no uma tarefa simples,principalmente se: O grau de limpeza requerido for elevado, os contaminantes forem quimicamenteinertes, o objeto a ser limpo possuir reentrncias e cavidades ou no poder sofrer abraso qumica oumecnica.

    Nos sistemas de limpeza por ultra-som, quem realiza o trabalho de remover os contaminantes ede mant-los afastados do substrato (normalmente com ajuda qumica) so dois fenmenos da propagao

    de sons de alta intensidade: A cavitao e a transferncia de momento. As manifestaes macroscpicasdestes fenmenos no processo de limpeza so as seguintes [2,5,7]:

    - Disperso e aumento da dissoluo de filmes slidos e lquidos- Eroso- Fadiga e ruptura de contaminantes folheados- Remoo de bolhas de ar de pequenas cavidades e reentrncias

    A cavitao o efeito principal em sistemas que operam com freqncias de at 100 kHz, e atransferncia de momento, em sistemas que operam com freqncias prximas a 1 MHz (conhecidoscomo sistemas Megasnicos).

    Disperso e aumento da dissoluo de filmes slidos e lquidosNa Fig. 2 temos a condio inicial e evoluda de um substrato submerso em um banho qumico

    esttico. Como a ao do banho ocorre somente na interface, via dissoluo, medida que o banho reagecom os contaminantes forma-se uma camada saturada, que leva reduo da velocidade de dissoluo ouat mesmo estagnao do processo, tornando indispensvel ao mecnica. Quando o objeto a serlimpo possui uma geometria complexa, com cavidades e reentrncias, muitas vezes a agitao mecnicagerada por borbulhas de ar, hlices ou agitadores, no suficiente, tornando obrigatrio o uso do ultra-som.

    Figura 2 - Condio inicial e evoluda de um sistema de limpeza onde o substrato a ser limpo e o banho

    qumico se encontram estticos.

    Com a presena de um campo ultra-snico de alta intensidade no meio liquido, ocorre ofenmeno da cavitao, que resumidamente poderamos descrever como o surgimento de bolhas de vaporque colapsam gerando grandes diferenciais pontuais de presso e temperatura. Na Fig. 3 temos umarepresentao pictrica da atuao da cavitao na disperso da camada de banho saturado e na remoo

    mecnica do contaminante.

    Figura 3 - Inibio da camada saturada e remoo mecnica do contaminante pela cavitao.

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    ErosoDentre a infinidade de tipos de contaminantes, temos os quimicamente inertes, que so os mais

    difceis de serem removidos devido obrigatoriedade de se utilizar vigorosa ao mecnica. Para estasaplicaes os sistemas de limpeza por ultra-som so particularmente convenientes pela eroso gerada pelacavitao, dispensando o contato direto do objeto a ser limpo com escovas ou outros agentes fsicosexternos. Vide Fig.4.

    Figura 4 - Substrato com contaminantes inertes ao banho qumico sendo removidos pela cavitao.

    Alm da cavitao, outro fenmeno da propagao de campos ultra-snicos intensos que vemsendo explorado a transferncia de momento, que se torna importante em freqncias superiores a 1MHz. Nestes sistemas os contaminantes so removidos pela fora de cisalhamento gerada por um jatoacstico (Vide Fig.5). Vale-se desse fenmeno tambm os nebulizadores ultra-snicos.

    Figura 5 - Remoo dos contaminantes do substrato via eroso gerada por jato acstico.

    Remoo de contaminantes folheados e de bolhas de arAo se propagarem, as ondas ultra-snicas geram a expanso e contrao de bolhas de ar que

    eventualmente estejam presas em orifcios e cavidades, muitas vezes impedindo a limpeza completa doobjeto por dificultarem o acesso do banho qumico. Estes ciclos levam contaminantes folheados fadiga efacilitando a remoo de bolhas presas por tenses superficiais (durante a expanso o volume aumenta, econseqentemente, a fora de empuxo no sentido de remover a bolha), vide Fig. 6. Os fenmenos dacavitao e da transferncia de momento sero detalhados e explanados posteriormente.

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    Figura 6 - Descamao de contaminantes folheados com a expanso de bolhas de ar.

    FONTES ACSTICAS PARA SISTEMAS DE LIMPEZA ULTRA-SNICOSExistem dois tipos de fontes acsticas que so utilizadas nos sistemas de limpeza ultra-snicos,

    as piezoeltricas e a magnetostrictivas. As piezoeltricas se valem da capacidade de alguns materiais dese deformarem quando submetidos a um campo eltrico, principalmente das cermicas de TitanatoZirconato de Chumbo (PZT), as magnetostrictivas se valem da capacidade de alguns materiais de sedeformarem quando submetidos a um campo magntico, principalmente de ligas especiais de nquel.Estes materiais constituem o elemento ativo dos transdutores ultra-snicos, que submetidos a camposeltricos/magnticos variveis geram campos acsticos que podem facilmente atingir 2 kW/cm2.

    Os transdutores magnetostrictivos (vide Fig.7) so mais robustos e no perdem eficincia com otempo como os piezoeltricos, mas em contrapartida, no conseguem operar em freqncias acima de 20kHz e so muito caros devido aos custos das ligas metlicas e ao tipo de gerador (para altapotncia/freqncia e baixa impedncia).

    Figura 7 - Foto de um par de transdutores magnetostrictivos. Podemos observar as bobinas enroladas no

    ncleo de nquel para aplicar o campo magntico (Blue Wave Ultrasonics).

    Os transdutores piezoeltricos, apesar de perderem eficincia com o uso devido despolarizaodas cermicas, possuem diversas vantagens que os tornam mais atrativos, como o baixo custo (relativo) ea facilidade de fabricao e de excitao. Apoiados nestes pontos fortes, estes transdutores se tornaram atecnologia mais difundida, restando aos magnetostrictivos apenas uma parcela muito pequena do mercadoem aplicaes de baixa freqncia (15 kHz). Existem diversos tipos de transdutores piezoeltricos, o maisdifundido deles o tipo Langevin (TPL), que consiste basicamente em um par de cermicas e em um parde massas metlicas unidas por um parafuso, como mostrado na Fig.8.

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    Figura 8 Exemplo de transdutor piezoeltrico tipo Langevin (Crest Ultrasonics).

    Alm do tipo Langevin, temos tambm os unimorphs e os tubulares. Os unimorphs,largamente utilizados em equipamentos de baixo custo, consistem em um disco cermico acoplado a umamembrana metlica (vide Fig. 9) sendo certamente os transdutores mais simples e baratos. J os tubulares(vide Fig.10), so utilizados em equipamentos de grande porte e volume e requerem alta tecnologia para

    fabricao tanto do transdutor em si, quanto do gerador para excitao eltrica.

    Figura 9 Exemplo de transdutor piezoeltrico tipo unimorph(CTA do Brasil).

    Figura 10 Exemplos de transdutor piezoeltrico tubular fabricados em titnio (MartinWalterUltraschalltechnik).

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    Estado da Arte dos Sistemas de Limpeza Ultra-snicosA distribuio de tamanho de partculas que um determinado Sistema de Limpeza Ultra-snico

    consegue remover com eficincia de um substrato, pea ou objeto, uma funo da freqncia do campoultra-snico. Com o objetivo de estender a distribuio de tamanho de partculas e tambm de diminuir os

    efeitos negativos da formao de ondas estacionarias nos tanques de limpeza, iniciou-se odesenvolvimento, a partir da dcada de 50, de sistemas capazes de operar em mltiplas freqncias. Hoje,estes sistemas multi-freqnciais so o estado da arte dos sistemas industriais de limpeza por ultra-som,e possuem como ncleo transdutores piezoeltricos tipo Langevin (TPL).

    Sistemas multi-freqnciaisPodemos dividir os sistemas com mltiplas freqncias disponveis no mercado em dois grupos:1-Sistemas com dois ou mais conjuntos de transdutores/geradores mono-freqenciais: So

    sistemas que possuem dois ou mais conjuntos de transdutores e geradores mono-freqenciais acopladosao mesmo tanque de limpeza. O primeiro destes sistemas foi desenvolvido na dcada de 50. A partir dadcada de 70 foram desenvolvidos sistemas comerciais de 25 e 40 kHz pela Branson CleaningEquipments, Blackstone e Zenith [8,9]. A principal desvantagem deste grupo a necessidade de se dispor

    de transdutores e geradores em dobro. Este grupo detm apenas uma pequena fatia do mercado desistemas multi-freqnciais.2-Sistemas com transdutores e geradores capazes de operar em uma banda de freqncia ao

    redor da freqncia principal e das freqncias harmnicas:Com a popularizao dos computadores eas restries ambientais ao uso de solventes, surgiu uma demanda significativa nos pases desenvolvidos edo leste asitico por sistemas de limpeza ultra-snicos capazes de atender os requisitos de limpeza evelocidade de produo da indstria microeletrnica e de semicondutores. Em resposta a esta novademanda do mercado, saram na frente duas empresas americanas: Crest e CAE-Ney-Blackstone. Estasempresas lanaram equipamentos com mltiplas freqncias na faixa de 40 a 170 kHz, capazes deremover eficientemente uma ampla faixa de distribuio de partculas (desde alguns mcrons atpartculas sub-microscpicas). Os equipamentos lanados por estas empresas deram origem a um segundogrupo de sistemas de limpeza com mltiplas freqncias: O grupo dos sistemas com transdutores egeradores capazes de operar em uma banda de freqncia ao redor da freqncia principal e das

    freqncias harmnicas [10,11]. Neste grupo, os transdutores so capazes de operar em harmnicas e soexcitados por geradores, que alm de mltiplas freqncias, conseguem gerar uma varredura (sweep) aoredor das freqncias centrais de cada modo, o que colabora com a homogeneidade da densidade depotncia e com a diminuio das ondas estacionrias. As freqncias em que estes sistemas apresentam omelhor desempenho so a fundamental (primeira harmnica), normalmente 40 kHz, e a terceiraharmnica, em torno dos 120 kHz Estes sistemas detm a maior parte do mercado de sistemas multi-freqnciais.

    Sistemas mono-freqnciais de 25 ou 40 kHzOs sistemas de 25 kHz so timos para limpezas pesadas (grande quantidade de

    contaminante/contaminantes particulados) e os sistemas de 40 kHz para limpezas mais delicadas ou parao refinamento da limpeza a 25 kHz. Normalmente estes sistemas so associados em equipamentos commltiplos estgios/tanques de limpeza (vide Fig.1).

    Os tradicionais sistemas de limpeza mono-freqnciais de 25 ou 40 kHz, apesar de h muitotempo no serem o estado da arte, detm a maior parcela do mercado de sistemas de limpeza por ultra-som, devido excelente razo custo/benefcio e eficincia na realizao de limpezas no crticas. Estessistemas so largamente utilizados na indstria metal-mecnica, automotiva, aeronutica e ptica, para aremoo de resduos metlicos e graxos de processos de usinagem, manuteno e manipulao, alm dasaplicaes na rea de sade, para a limpeza de aparatos cirrgicos. No Brasil, a demanda majoritria porestes sistemas de 25 e 40 kHz por questes econmicas e de oferta limitada de alternativas maisavanadas. Apesar de no terem recebido grandes contribuies tecnolgicas, no sentido de unificar suascaractersticas em um nico bi-freqncial na faixa de 20 a 50 kHz, ocorreram evolues, como porexemplo, o advento dos transdutores tubulares e dos geradores com varredura (sweep), que melhorarama distribuio de densidade de potncia e reduziram a formao de ondas estacionrias.

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    Expectativas e Perspectivas Tecnolgicas para os Sistemas de Limpeza por Ultra-somHoje, a maior expectativa dos usurios de sistemas de limpeza por ultra-som por equipamentos

    com uma melhor relao custo/benefcio, desejo que pode ser atendido com as seguintes inovaes:- Desenvolvimento de um mtodo normatizado para avaliar e padronizar a qualidade dos

    equipamentos de limpeza- Reduo do nvel de rudo acstico gerado pelos equipamentos de limpeza.

    - Compactao dos atuais sistemas de limpeza mantendo-se o desempenho e a produtividadeDesenvolvimento de produtos qumicos que acelerem e facilitem o processo de limpeza por ultra-som

    A importncia das cermicas piezoeltricas para os equipamentos de limpeza por ultra-somAs cermicas piezoeltricas constituem o corao dos sistemas modernos de limpeza por ultra-

    som. So elas as responsveis pela converso da energia eltrica suprida pelo gerador no ultra-som que irpromover a cavitao e a limpeza. Conseqentemente, o uso de cermicas de qualidade primordial paraque o sistema de limpeza tambm seja de qualidade.

    Alm das cermicas tambm importante o controle de qualidade rigoroso na fabricao esintonia dos transdutores (com a eletrnica) utilizando um impedncimetro ou um analisador detransdutores.

    COMPLEMENTO: MECANISMOS MICROSCPICOS DA LIMPEZA ULTRA-SNICA

    O primeiro contato com um sistema de limpeza por ultra-som sempre intrigante. Diz-se nogabinete do equipamento que a freqncia de operao 25 kHz ou 40 kHz, uma freqncia no audvel,mas mesmo assim ouve-se um chiado que lembra o de uma fritura (este chiado chega a atingir aintensidade de 90 decibis em equipamentos de mdio e grande porte). Ao observar atentamente o lquidonota-se a presena de formaes filamentosas de pequenas bolhas que se agitam incessantemente. Aosubmergir as pontas dos dedos no banho ultra-snico sentem-se pequenas pontadas na pele e observa-seum interessante desprender de gordura que turva a poro de gua ao redor. Para finalizar, pode-semergulhar uma folha de papel alumnio no banho para se observar a misteriosa perfurao e desmancheque ocorre em poucos minutos. Tudo isso com o lquido em temperatura ambiente. Um nebulizador ultra-snico tambm costuma despertar bastante curiosidade, o que vem a ser aquela espcie de vapor frio?

    Como gerado?Este complemento dedicado compreenso dos fenmenos da cavitao e transferncia de

    momento, responsveis pelo funcionamento dos sistemas de limpeza por ultra-som.

    CavitaoA cavitao induzida por diferenciais de presso tornou-se um fenmeno conhecido no final do

    sculo 19, quando a marinha britnica se deparou com o problema da perda de potncia e corroso dasps propulsoras dos cada vez mais potentes navios. Os primeiros estudos sobre a cavitao (realizadosvisando solucionar o problema dos propulsores) foram realizados por Lord Rayleigh, que criou o modelohoje conhecido como Rayleigh Cavity [12]. De uma forma geral, o fenmeno da cavitao se refere formao de cavidades vazias ou preenchidas com gases/vapores em um meio lquido, sendo que estadefinio inclui os fenmenos da ebulio e efervescncia. Na presena de som (que gera um diferencialde presso alternado) temos a cavitao acstica em que ocorre no s a formao e expanso como

    tambm o colapso de cavidades [13]. a cavitao acstica o fenmeno explorado pelos sistemas delimpeza ultra-snicos.

    Cavitao acsticaEm um lquido absolutamente puro, livre de gases diludos e inomogeneidades, a presso

    negativa necessria para induzir a formao de cavidades elevadssima, da ordem da tenso de ruptura(tensile strength) do liquido, algo em torno de 270 bar no caso da gua (1 bar 0,98 atmosfera). Masem lquidos ordinrios, alguns bares de presso negativa (facilmente proporcionados por transdutorespiezoeltricos) so suficientes para gerar cavidades a partir de micro bolhas, gases dissolvidos e nohomogeneidades [12]. Quando induzimos a propagao de uma onda mecnica (como por exemplo, ultra-som) em um meio liquido, este submetido a um diferencial de presso alternado que gera ciclos deexpanso e compresso de acordo com a freqncia e amplitude da onda. Nos ciclos de expanso(diferencial de presso negativo), micro-bolhas, gases dissolvidos e no homogeneidades podem darorigem a cavidades que passam a oscilar em tamanho, de acordo com a freqncia das compresses e

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    rarefaes que se sucedem, e que crescem por difuso retificada. Ao atingirem um tamanho crtico, ondeestas cavidades entram em ressonncia com a freqncia da onda mecnica, pode ocorrer um rpidocrescimento do volume que leva a cavidade a boiar, a imploso da cavidade ou a estabilizao dasoscilaes, dependendo de seu preenchimento (gases e/ou vapores) e dos parmetros do liquido e daexcitao mecnica.

    O fenmeno da cavitao acstica chamado de efervescncia induzida quando as cavidades

    biam, cavitao estvel quando ocorre a estabilizao das oscilaes das cavidades, e de cavitaotransiente quando ocorre a imploso das cavidades. a cavitao transiente o principal fenmenoexplorado nos processos de limpeza por ultra-som. A cavitao estvel colabora com o processo delimpeza agitando o meio liquido e a efervescncia com a desgaseificao (que aumenta a intensidade dacavitao transiente).

    A cavitao transiente subdividida em gasosa e vaporosa, na gasosa o principal preenchimentodas cavidades so gases, que anteriormente estavam dissolvidos no liquido, e na vaporosa, vapor doliquido que constitui o banho. A imploso/colapso das cavidades gasosas menos intensa devido aoefeito amortecedor dos gases, sendo a cavitao transiente vaporosa mais eficiente para os processos delimpeza. Na Fig. 10 temos uma representao da dinmica de cavidades vaporosas apresentadas paradiversas amplitudes de onda mecnica, onde as cavidades surgem, se desenvolvem via difuso retificada ecolapsam. O desenvolvimento e colapso das cavidades podem ocorrer durante vrios ciclos ou em umnico ciclo, dependendo dos parmetros da onda mecnica e do liquido. Quanto menor a freqncia da

    onda mecnica, mais tempo a cavidade tem para crescer em um ciclo de expanso e quanto maisintensa a onda mecnica maior a taxa de crescimento da cavidade.

    Figura 10 - Dinmica (raio em funo do tempo) de cavidades acsticas vaporosas formadas em um

    liquido real para diversas amplitudes de ultra-som.

    Na Fig. 11 temos uma seqncia de fotos do desenvolvimento e colapso de uma cavidadevaporosa [15] com dinmica aproximada da mostrada pela curva com diferencial de presso de 20 baresapresentada na Fig. 10.

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    Figura 11- Fotos do desenvolvimento e colapso de uma cavidade vaporosa com dinmica aproximada da

    curva com diferencial de presso de 20 bares da Fig. 10.

    Na Fig. 12 temos uma foto do momento em que a cavidade inicia seu processo de colapso, queno uma simples reduo do raio como previsto pelo modelo Rayleigh Cavity, mas sim um fenmeno

    no linear em que a superfcie da cavidade se revolve.

    Figura 12 - Foto do momento inicial do colapso de uma cavidade.

    Existem estudos que estimam os picos de presso e temperatura do preenchimento da cavidade,

    ao final do processo de colapso, em mais de 500 atmosferas e 5.000 C [12].

    Cavitao, limpeza e influncia da freqncia do ultra-som.O dimetro caracterstico de uma cavidade ressonante, tendo como meio liquido gua e sob

    condies normais de presso e temperatura, de aproximadamente 240 m para uma excitao de 25kHz e de aproximadamente 150 m para 40 kHz. Estes dimetros correspondem aos dimetros deressonncia, nos quais a cavidade ir oscilar absorvendo energia da onda mecnica de excitao atcolapsar, sendo que este colapso culmina em uma onda de choque e em um jato de alta energia de lquidoe micro-bolhas (que sero os prximos ncleos formadores de cavidades gerando uma reao em cadeia).Esta onda de choque e o jato de lquido e micro-bolhas possuem entre 5 e 10 % do dimetro deressonncia da cavidade (algo em torno de 10 20 m para freqncias na faixa de 25-40 kHz) ecostumam ser direcionados contra a superfcie mais prxima, desempenhando o papel principal dacavitao no processo de limpeza por ultra-som [16].

    De acordo com o modelo de McQueen [17], quando o jato e a onda de choque atingem asuperfcie encontram uma camada viscosa que inversamente proporcional raiz quadrada dafreqncia do ultra-som (algo em torno de 2,8 m para 40 kHz Vide Fig. 13) esta camadaresguarda as partculas com dimetros inferiores sua espessura tornando-as acusticamenteinvisveis. Partculas com dimetros superiores espessura desta camada viscosa so removidas pelasforas de cisalhamento geradas pelo jato e pela onda de choque e as partculas sub-microscpicasinvisveis s foras de cisalhamento tem a remoo facilitada pela acelerao do processo de difusodos contaminantes dissolvidos quimicamente atravs da camada viscosa, que na ausncia de ultra-somteria uma espessura de 30 m, uma ordem de grandeza acima do que na presena do ultra-som. Temos,portanto, como extremos da dependncia da limpeza da freqncia, a remoo de contaminantesparticulados e mais grosseiros com as freqncias mais baixas e a remoo dos contaminantesmicroscpicos com as elevadas.

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    0 50 100 150 200 250 300 350 400

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    400 kHz / 0,90 m170 kHz / 1,38 m

    80 kHz / 2,01 m

    40 kHz / 2,84 m

    25 kHz / 3,60 m

    18 kHz / 4,24 m

    Espessuradacamadaviscosa(m)

    Frequncia (kHz)

    Figura 13 - Espessura da camada viscosa em funo da freqncia [18]

    Na Fig. 14 temos a percentagem de partculas removidas em funo do tamanho de partcula e dafreqncia do ultra-som utilizado para induzir a cavitao. Podemos observar que para as freqnciasmais comuns (25 e 40 kHz) a eficincia converge para tamanhos de partculas superiores a 4 m (ogrfico no mostra, mas para particulados com tamanho superior a 10 m o desempenho do ultra-som de25 kHz supera a do 40 kHz), e que para tamanhos de partcula inferiores a 1 m a superioridade dosistema de 40 kHz expressiva.

    1 10

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    25 khz

    40 kHz

    80 kHz

    400 kHz%d

    epartclulasremov

    idas

    Tamanho de partcula (m)

    Figura 14 - Percentagem de partculas removidas em funo do tamanho de partcula e da freqncia do

    ultra-som [18].

    Estas diferenas na eficincia dos sistemas de limpeza mono-freqnciais em funo dafreqncia justificam a utilizao de mltiplos tanques de limpeza (vide Fig. 1) em sistemas de mdio egrande porte, e a escolha da freqncia de equipamentos de pequeno porte em funo da distribuio detamanho de partcula mdia do contaminante a ser removido. Estas diferenas de eficincia so aprincipal motivao para o desenvolvimento de sistemas de limpeza multi-freqnciais.

    Jato acstico (acoustic streaming)Diversos fenmenos associados acstica no linear, como por exemplo, os explorados pela

    sonoqumica para acelerar reaes (aumento da transferncia de massa e calor, catlise via cavitao,etc...) esto correlacionados ao jato acstico, que basicamente o fluxo de fluido induzido por um campo

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    Limpeza ultra-snica: overviewe estado da arte RT-ATCP-02

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    ultra-snico de tal intensidade que no possa ser modelado matematicamente desprezando-se termos deordem superiores para solucionar a equao da continuidade (/t+u=0), propagando-se em ummeio atenuante. Experimentalmente podemos dividir o fenmeno do jato acstico em dois tipos, umprimeiro, relacionado principalmente propagao do campo acstico em um meio atenuante, e umsegundo, relacionado principalmente a irregularidades no campo acstico e interaes com superfcies.No primeiro tipo, o fluido sofre uma fora F por unidade de volume igual a A2, sendo a densidade do

    meio, o coeficiente de atenuao do meio e A, a rea do campo acstico. No segundo tipo o jatoacstico e a fora a que o fluido ser submetido dependem das condies de contorno do meio depropagao. Na Fig. 15 podemos observar os jatos ultra-snicos gerados por uma fonte ultra-snica de400 kHz.

    Figura 15 Exemplo de um sistema megasnico operando. Neste sistema uma fonte de ultra-som de

    400 kHz gera jatos ultra-snicos (indicados pela seta branca) que chegam a saltar da superfcie do

    liquido.

    REFERNCIAS BIBLIOGRRICAS

    [1] COTELL, C.M.; SPRAGUE, J.A.; SMIDT, F.A.; ASM Handbook, Volume 5 / SurfaceEngineering: The Materials Information Society.[2] QUITMEYER, J.; Cleaning Challenges: Chemistry, Process, Testing, and Waste Treatment Cleantech Exposition 2002 Seminars. Proceedings... CD[3] Endereo eletrnico da Feira da Mecnica 2004, organizada pela Alcantara Machado Feiras deNegcios.[4] PUSKAR, A.; The use of High-intensity Ultrasonics: Elsevier Scientific Publishing Company 1982.[5] FREDERICK, J.; Ultrasonic Engineering: John Wiley & Sons, Inc. - 1965.[6] BSZRMNYI, I.; SEIP, C.; Ultrasonic Cleaning Fundamentals, Cleantech Exposition 2002Seminars. Proceedings... CD

    [7] FUCHS, J.; Ultrasonic Cleaning: Fundamental Theory and Application, Cleantech Exposition 2002Seminars. Proceedings... CD[8] PEDZIWIATR, M.P.; Ultrasonic cleaning apparatus, United States Patent 5,865,199, February 2,1999.[9] PEDZIWIATR, M.P.; Ultrasonic cleaning method in which ultrasonic energy of different frequenciesis utilized simultaneously United States Patent 6,019,852, February 1, 2000.[10]PUSKAS, W.L.;Apparatus and methods for cleaning and/or processing delicate parts, United StatesPatent 5,834,871, November 10, 1998.[11]GOODSON, J.M.;Ultrasonic transducer using third harmonic frequency, United States Patent6,653,760, November 25, 2003.[12]SUSLICK, K.S.; The Chemical Effects of Ultrasound, Scientific American February 1989.[13]NEPPIRAS, E.A.; Acoustic cavitation: an introduction, Ultrasonics January 1984.[14]MASON, W.P.; Physical Acoustics Principles and Methods, Volume 1 parte B, Academic Press1964.

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    Limpeza ultra-snica: overviewe estado da arte RT-ATCP-02

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    [15]EDMONDS, P.E.; Methods of Experimental Physics: Ultrasonics, Volume 19, Academic Press1981.[16]NEPPIRAS, E.A.; Acoustic Cavitation, Physics Reports (1980) 61 159-251.[17]MCQUEEN, D.H.; Frequency dependence of ultrasonic cleaning, Ultrasonics, 1986 vol 24 273-280.[18]LAMM, E.W.; Selecting the Ultrasonic Frequency to Match the Application , Cleantech Exposition2002 Seminars. Proceedings... CD.

    Notas: i) O contedo deste application note foi adaptado da dissertao de mestrado DESENVOLVIMENTO ECARACTERIZAO DE TRANSDUTORES ULTRA-SNICOS DE POTNCIA BI-FREQNCIAIS PARA SISTEMAS DELIMPEZA POR ULTRA-SOM, do mesmo autor, apresentada em 2005 na UFSCar pelo PPGCEM e de web sites relevantes sobreo assunto em questo. ii) A ATCP Engenharia Fsica no se responsabiliza pelo uso das informaes contidas neste relatrio eeventuais perdas e danos associados.

    Voc tem sugestes e/ou crticas para melhorar este artigo?Envie para [email protected] a/c Henrique Alves. Obrigado!

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