Strumentazione per il trattamento ultrasonico

I generatori di ultrasuoni sono attualmente impiegati in molti campi, non necessariamente metallurgici: si pensi ad esempio al lavaggio dei componenti con onde ultrasoniche, al degasaggio di soluzioni in ambito chimico, oppure alle saldatrici per materie plastiche, che a volte impiegano proprio le onde ultrasoniche per unire componenti costituiti da polimeri termoplastici; gli ultrasuoni, inoltre, vengono impiegati in alcune macchine di taglio per materiali metallici. Il generatore di ultrasuoni è dunque facilmente reperibile, ma è poi indispensabile saper abbinare ad esso il sonotrodo, che è la parte più “delicata” dell'impianto. Tale componente, infatti, deve essere accuratamente dimensionato in modo tale da indurre all'interno del bagno fuso onde caratterizzate da una determinata ampiezza, necessaria per rendere efficiente il trattamento ultrasonico. Si è pensato in un primo momento di acquistare un generatore, per poi abbinare allo stesso un sonotrodo progettato ad hoc e realizzato in laboratorio. A tale scopo è stato innanzitutto realizzato un primo studio per capire il funzionamento del sonotrodo stesso e delle varie parti della macchina, per poterne definire in seguito la geometria.

7.3.1 Studio di massima di un sonotrodo stepped

Essendo un componente molto delicato, viene spesso consigliato di eseguire un primo tentativo progettuale su di una geometria non troppo complicata (Fig. 127): il sonotrodo caratterizzato da questa forma viene solitamente definito stepped.

Per procedere con un primo dimensionamento, è innanzitutto necessario conoscere l'ampiezza della vibrazione che viene fornita dal booster, ε3. A

questo punto, se si suppone che l'accoppiamento tra booster e sonotrodo sia ideale, si impone l'uguaglianza tra le relative ampiezze di vibrazione:

Si impone poi il diametro di uscita del sonotrodo D2, corrispondente alla

parte che viene immersa nel metallo fuso (questo parametro è dunque una variabile definibile in base alle esigenze dimensionali); in seguito si calcola il fattore β, ossia il rapporto tra l'ampiezza in uscita al sonotrodo, , necessaria per il trattamento ultrasonico, e l’ampiezza di ingresso:

Anche la variabile , analogamente a D2, è da imporre a seconda

dell’intensità ultrasonica che si vuole ottenere, in base al mezzo fluido che si va da elaborare, ed in base alla frequenza di lavoro del generatore.

Fig. 127: Sonotrodo stepped e sue grandezze caratteristiche [1]

Dalla precedente relazione, considerando che β è anche il rapporto tra le rispettive sezioni, è possibile calcolare il diametro necessario D1 all'ingresso

del sonotrodo:

.

Le sezioni di ingresso e di uscita sono quindi ora facilmente ottenibili come e

Ora, facendo riferimento al materiale di cui è costituito il sonotrodo (il grafico riportato in Fig. 128 riporta i dati relativi ad alluminio e titanio), è possibile ricavare le due lunghezze ed , definendo così completamente la geometria del componente.

Solitamente il raggio di curvatura R tra i due diametri è pari a 10mm, poiché per sonotrodi caratterizzati da un diametro fino a 60 mm pare essere una soluzione particolarmente efficace. Per il calcolo dell'ampiezza necessaria , è possibile utilizzare la seguente relazione, che correla l’intensità ultrasonica I alle varie grandezze in gioco:

1

2 2

in cui è la densità del mezzo (alluminio fuso), c la velocità del suono nel fluido in esame, f la frequenza ultrasonica operativa. In questo modo si ottiene l'intensità espressa dimensionalmente come ⁄10 .

È necessario ora fare riferimento ad alcune ipotesi:

Fig. 128: Grafico utilizzato per il dimensionamento di un sonotrodo

• sperimentalmente è noto che affinché si sviluppi cavitazione è necessaria un'intensità di almeno 80W/cm2; si può quindi utilizzare 100W/cm2 come valore conservativo;

• facendo riferimento ad una temperatura di 850°C, la densità dell’alluminio può essere fissata a 2.82 g/cm3, ma tale valore deve essere modificato in funzione della temperatura a cui viene operato il trattamento;

• c, la velocità del suono nell'alluminio fuso, (anch'essa funzione della temperatura e pertanto variabile), è pari a 4.58 · 103 m / s

• f = 20kHz

A partire da queste condizioni, si ricava un'ampiezza necessaria di circa 3,2 μm. Tale valore è da ottimizzare, considerando la reale temperatura di lavoro.

I materiali di cui tipicamente sono costituiti i sonotrodi sono tipicamente alluminio (escluso per ovvie ragioni), titanio e, per alcune applicazioni tipicamente metallurgiche, il niobio. Esso viene prodotto per lo più in Cina, pertanto sono stati presi contatti con diversi importatori, che hanno fornito preventivi per l'acquisto di una barra di niobio (Fig. 129) in una sua lega particolare, la C-103, tipicamente impiegata in queste applicazioni. Tale materiale è particolarmente consigliato dai produttori di tecnologie ad ultrasuoni per uso metallurgico poiché rispetto agli altri materiali di cui si è parlato precedentemente, soffre molto meno dell'attacco chimico da parte dell'alluminio fuso, e presenta usura inferiore a parità di numero di cicli di lavorazione.

Fig. 129: Barre di niobio proposte dai fornitori per la produzione di un sonotrodo

Dotato di caratteristiche eccellenti per quanto riguarda la specifica applicazione, il niobio comporta purtroppo costi elevatissimi, la sua quotazione si aggira infatti sui 1000$ / kg.

A seguito di vari contatti con aziende del settore, si è deciso di cambiare strategia: è stato infatti fortemente sconsigliato l’abbinamento di un sonotrodo auto-prodotto e di un generatore commerciale, in quanto è bene che entrambe le unità vengano accuratamente progettate per essere accoppiate. Un errato dimensionamento del sonotrodo, così come piccole imperfezioni nella sua realizzazione, potrebbero infatti comportare danni ingenti ed irreversibili al generatore. L’attenzione è quindi stata posta su pacchetti di lavoro già completi, il cui design d’insieme fosse già stato ottimizzato in fase progettuale.

7.3.2 Scelta dell’impianto

Vari sono i parametri da tenere in considerazione nella scelta della macchina, tra cui i principali sono la potenza e la frequenza di lavoro. Da studi di letteratura si è visto che i migliori risultati si ottengono lavorando alla frequenza di 20kHz, o comunque a valori poco distanti dal precedente. Per quanto riguarda invece la potenza, si tratta di un parametro da scegliere anche in base al consumo “tollerabile”. C'è da dire che, a questo proposito, alcuni studi hanno dimostrato che superare un certo valore di kW non porta ad ulteriori miglioramenti nella dispersione delle particelle (ovviamente tale valore dipende dal volume di materiale che si elabora). Poiché comunque i trattamenti da eseguire in laboratorio non avrebbero comportato la fusione di grosse quantità di alluminio (max. 8 kg circa), si è scelto di indirizzare la ricerca su di un impianto che fornisse 1÷2 kW. Considerando anche le garanzie che venivano offerte e la possibilità futura del produttore di abbinare allo stesso generatore un sonotrodo in niobio, è stata scelta la macchina VCX 1500, prodotta dall’azienda americana Sonics. In Fig. 130 vengono riportate le principali caratteristiche operative dell’impianto. Esso soddisfa completamente i requisiti identificati in precedenza, in quanto

garantisce una potenza di 1,5kW, e consente di produrre onde ultrasoniche caratterizzate dalla frequenza di 20kHz. Nel caso della macchina scelta si tratta di un parametro fisso, ma è comunque possibile variare l’intensità di trattamento variando l’ampiezza di vibrazione, che può essere scelta dall’utente. Il complesso sonotrodo-booster-piezoelettrico necessita di un raffreddamento ad aria: per questa ragione esso prevede l’allacciamento ad un circuito ad aria compressa, che consente l’utilizzo dell’attrezzatura alle alte temperature. Il sonotrodo è costituito da titanio, precisamente dalla lega Ti6Al4V, e consente di operare al massimo su 4 litri di fluido (tale valore coincide con la massima capacità del forno fusorio in dotazione al laboratorio). Il booster fornito in dotazione è differente da quello elencato in Fig. 130, infatti il suo rapporto di amplificazione è 2:1; consente cioè di raddoppiare l’ampiezza della vibrazione fornita dal piezoelettrico. Secondo quanto afferma il produttore, l’ampiezza massima di vibrazione dell’impianto, comprensivo di booster 2:1, è pari a 70 micron. Anche da questo punto di vista dunque, viene ampiamente soddisfatto il requisito relativo all’ampiezza minima necessaria per sviluppare cavitazione all’interno del fuso.

Fig. 130: Caratteristiche operative dell'impianto per trattamento ultrasonico acquistato per le attività di laboratorio [2]