Ultrasonik Temizleme Tekniği ve Uygulama Alanları

02 Aralık 2019

Bilgehan Mehmet Tireli
Genel Müdür / General Manager
Amber Elektromekanik San. Tic. Ltd. Şti.

“Ultrasonik Temizleme” tekniğini açıklamadan önce ses üzerine bazı bilimsel bilgilerin bilinmesi gerekir. Bu sayede Ultrasonik temizleme’nin temel prensipleri çok daha iyi anlaşılabilecektir.

Ses

Ses katı, sıvı ve gaz ortamlarında yayılabilen mekanik dalgaların insanlar tarafından işitilme aralığındaki basınçtır. Ses farklı ortamlarda farklı süratlerle yayılırlar. Örneğin havadaki hızı 21°C’de 340m/sn’dir. Ses hızı frekanstan bağımsız olarak yayılır, sesin yayılım hızını belirleyen faktörler hava sıcaklığı, yoğunluktur. Sesi inceleyen bilim dalına akustik denir. İnsan kulağı 20Hz ile 20KHz aralığındaki ses frekanslarını duyabilir. 20Khz’in üzerindeki ses dalgaları “Ultrasonik – Ses ötesi” olarak adlandırılır. Ultrasonik yıkama terminolojisi buradan gelmektedir. Sebebi ise ultrasonik temizlemede 28Khz ve 40Khz’lik frekanslar yaygın olarak kullanıldığındandır.

Şekil 1: Bell Telphone Laboratuarı

Ultrasonik Temizleme

Ultrasonik temizleme yukarıda belirtildiği üzere yüksek frekanslı ses dalgalarının mekanik olarak üretilerek temizleme yapılacak sıvı dolu tankın içerisine uygulamak sureti ile fizik biliminde “kavitasyon” olarak isimlendirilen etkinin ortaya çıkarılmasıdır. Bu açıklamadan anlaşılacağı üzere burada önemli olan “kavitasyon” etkisidir. Ultrasonik enerji sadece ve sadece kavitasyon etkisini açığa çıkarmak için kullanılan bir enerjidir. Makalemizin devamında “kavitasyonun” ne olduğu detaylı şekilde açıklanmıştır

Şekil 2: Vakum baloncuğu

Kavitasyon

Sıvı içerisine uygulanan ardışıl mekanik darbeler sonucu mekanik darbenin şiddetine, frekansına ve sıvının yoğunluğuna bağlı olarak oluşan vakum boşluklarıdır ve bu fiziksel olay bir takım hadiseler silsilesi ile gerçekleşir. Resimler ve açıklamalarla bu olay konun devamında izah edilmiştir. Şekil 2’de görüldüğü üzere sıvı içerisine uygulanan pozitif mekanik darbe ile (bu etki cihazlarımızda kullandığımız kristaller ile sağlanır) sıvı içerisinde reaksiyonun ilk aşaması başlatılır ve vakum baloncuğu oluşturulur ve en kararsız haldedir. Bu esnada oluşan basınç yapılan çok hassas ve ileri düzeyli destlerde yaklaşık 7000 atm’ye kadar ulaştığı ölçülmüştür. Sıcaklık ise 5000oC’ye kadar yükselmektedir. Ancak bunlar mikro moleküler boyutta olduğu için sıvı içerisindeki malzemeye hiçbir zarar vermez. Bu aşamadan sonra reaksiyonun ikinci aşaması başlar. Bu negatif basınç darbesinin sıvı içerisine yollanmasıdır. Bu negatif darbe ile “kavitasyon baloncuğu” etrafındaki basınç düşer. Aynı zamanda “kavitasyon baloncuğu” stabil hale dönme döngüsüne girer ve çok çok süratli bir şekilde kendi içine çöker. Kavitasyon baloncuğunun kendi içine yüksek süratle çökmesinden sonra “mikro jeti” olarak isimlendirilen şok dalgası oluşur. Şok dalgası yapılan tesler sonucunda sıvı içindeki koşullara bağlı olarak 400Km/saat hıza varan süratle yayılır. İşta tam bu an temizlik etkisinin göndüğü andır ve malzeme yüzeyinde ürüne ait olmayan tüm yabancı maddeler atılır. Bu olay terminolojide “Ultrasonik Temizleme” olarak isimlendirilir.

Şekil 3: Kavitasyon balonunun kendi içine çökme anı.

Ultrasonik Temizleme

Kavitasyon hadisesinin detaylı açıklanmasının ardından ultrasonik temizleme üzerine daha genel bilgilere geçebiliriz. Küresel iklim değişiklikleri bağlamda Montreal Protokolü (1987), Kyoto Protokolü (1997) gibi anlaşmalar ile ülkeler sera gazları (Trikloroetan, hidrokloroflor karbonlar, hidrobromofloro karbonlar ve metil bromid vb) salınımlarını azaltmayı sağlayacak çalışmalara başlamışlardır. Temizlik konusunda iyi bir yardımcı olan bu kimyasalların doğaya zararları sonucu kullanımı azalırken, ultrasonik temizleme sistemleri hızla fabrikalarda temizlik amaçlı proseslerde kullanıma sokulmuştur. Ultrasonik temizlemeyi cazip kılan düşük yatırım maliyeti ve içerisinde kullanılan kimyasalların su bazlı olması nedeni ile atık yönetiminde firmalara büyük maliyetler çıkarmamasıdır. Ultrasonik temizleme tekniği daha önce açıklanan kavitasyon hadisesinin bir tank içerisinde yüzbinlerce vakum baloncuğu ile beraber aynı anda gerçekleşmesidir. Belirli frekanslarda gelen mekanik titreşimler sıvı içerisinde çok yüksek adetlerde vakum baloncuları oluşturur, bu baloncuklarının çapları, adetleri ve güçleri frekansa ve uygulanan sinyalin genliğine bağlıdır. Şekil 6’da gösterildiği üzere yaklaşık 28 kHz lik bir frekansta vakum baloncuğu çapı ~150-200 mikrondur. Arka arkaya süre gelen mekanik darbeler/ titreşimler sürekli bir kavitasyon enerjisi oluşturarak temizliği gerçekleştirir. Parçaların temizlik gereksinimlerine bağlı olarak frekanslarda değişiklik gösterebilmektedir. Örneğin sanayi alanında genel ve kaba temizlikler 28kHz ile 40kHz aralığındaki frekanslarda yapılabilmektedir. Ancak çok daha hassas olan malzemeler, örneğin yarı iletken diskler (wafer) 200 kHz’lik frekanslarda yıkanabilmektedir.

Şekil 4: Şok dalgasının yayılması.

Ultrasonik Temizleme Ünitelerinin Bileşenleri

Temel olarak bir ultrasonik temizleme cihazı aşağıdaki bileşenlerden oluşur;
• Ultrasonik Sinyal Jeneratörü,
• c,
• Sıvı Tankı.

Ultrasonik Sinyal Jeneratörü

İhtiyaca bağlı güçlerde imal edilir. Bu birim kristalleri sürer ve Ultrasonik enerjiye dönüştürülür. 30W başlangıç gücüdür ve KW mertebelerine kadar imal edilebilir.

Transduser

Jeneratörden gelen sinyali mekanik enerjiye dönüştüren birimdir ve cihazın kalitesini birebir etkiler. Üretimi yüksek bilgi düzeyi gerektirir ve doğru kalibre edilmemiş kristaller cihazın ömrünü doğrudan etkiler. Çeşitli frekanslarda üretilirler, bazı modeller çift frekansta çalışabilmektedir.

Şekil 9: Mekanik enerjiyi üreten ‘transducer’.

Sıvı Tankı

Temizleme işleminin gerçekleştiği sıvının depolandığı birimdir. Paslanmaz sacdan (AISI304 AISI316) imal edilir. Masaüstü ürünlerde standart ebatlar kullanılırken yüzlerce litreye varan tesislerin imalinde özel tasarımlar kullanılmaktadır.

Şekil 10: Sıvı tankı

Ultrasonik Temizleme Kullanım Alanları

Hemen hemen tüm üretim tesislerinde, fabrikalarda temizliğin ihtiyaç duyulduğu her alanda kullanılabilir, daha çok sert cisimlerin temizliğinde tercih edilir. Her temizlik prosesine uygun kimyasal tercih edilir. Sac, demir, çelik vb ürünlerin üzerindeki yağların temizlenmesi için su bazlı alkali kimyasallar, hastanelerde ameliyat sonrası ekipmanların dezenfeksiyonu için kan çözücü ve mikrop öldürücü kimyasallar kullanılır.

Ultrasonik Temizlemeyi Tercih Eden Sektörlerden Bazıları

İmalat sanayi, otomotiv sanayi, otomotiv bakım onarım atölyeleri, kuyumculuk sektörü, sağlık sektörü, savunma sanayi, gemi bakım onarım sanayi, enerji sektörü, tekstil sanayi, kaplama endüstrisi, havacılık sanayi, elektronik sanayi, gıda sanayi, madencilik sanayi.