Chương 2 Tổng quan về rung động siêu âm trợ giúp gia công
2.3. Một số ứng dụng siêu âm trong kỹ thuật
Khai thác rung động siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Có thể kể đến một số ứng dụng chính của rung động siêu âm trong đời sống sản xuất như dưới đây.
2.3.1. Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm
Làm sạch, tẩy rửa bằng siêu âm là biện pháp kết hợp sóng siêu âm truyền vào dung dịch làm sạch để tẩy rửa bề mặt chi tiết. Bể rửa siêu âm thường dùng nguồn sóng âm tần số dao động trong khoảng từ 40 kHz đến 200 kHz. Do chất lỏng có khả năng đi tới mọi ngóc ngách trên bề mặt chi tiết phức tạp, nguồn năng lượng của sóng siêu âm sẽ giúp loại bỏ các chất bám bẩn trên bề mặt cần làm sạch. Làm sạch bằng siêu âm có thể được sử dụng cho một loạt các hình dạng, kích cỡ và vật liệu khác nhau. Thiết bị này có thể làm sạch cả các vật phẩm kim loại, thủy tinh, gốm, nhựa, ... Một số dạng sản phẩm thường được làm sạch rất hiệu quả nhờ siêu âm như: các vi mạch điện tử, ổ đĩa cứng, thiết bị y tế; các chi tiết kim loại hình dáng phức tạp; đồ nữ trang, thiết bị quang học, gần đây ứng dụng trong xục rửa chế hòa khí, bugi của động cơ đốt trong; bóng golf; đồng hồ... Hình 2.8 minh họa nguyên lý làm sạch bằng sóng siêu âm.
Hình 2.8. Bể rửa siêu âm Hình 2.9. Hiệu quả làm sạch rửa siêu âm so với các phương pháp rửa truyền thống. a. Rửa siêu âm, b. phương pháp rửa truyền thống. a. Rửa siêu âm, b. Đánh rửa bằng tay, c. Làm sạch dầu mỡ bằng hơi nước, d. Sức chuyển động của chất lỏng, e.Tia nước
Phương pháp làm sạch này cho phép giảm thời gian làm sạch chi tiết, rửa được nhiều chi tiết có hình dáng phức tạp, hiệu quả hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống (xem hình 2.9). Ngoài ra, cách tẩy rửa này còn tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường, cho phép loại bỏ chất bẩn khử trùng cho rau củ, rửa nông sản; điều chế dược phẩm...
Có 2 nguyên tắc làm sạch bằng sóng siêu âm kết hợp với dung dịch làm sạch, bao gồm: Cơ chế tạo bóng khí (Cavitation) và dòng sóng siêu âm (Acoustic stream- ing)
Cơ chế tạo bóng khí: Làm sạch bằng siêu âm sử dụng sóng âm thanh tần số cao để tạo ra bọt khí tạo bọt trong chất lỏng. Những bọt khí tạo bọt này sau quá trình phát triển sẽ bám lên bề mặt chi tiết, khi phát nổ giải phóng năng lượng có hiệu ứng xói mòn trên các chất gây ô nhiễm dính vào các chất nền như kim loại, thủy tinh và gốm sứ. Các bọt khí cũng xâm nhập vào các lỗ hổng, các vết nứt và các khe hở, có thể loại bỏ hoàn toàn các dấu vết nhiễm bẩn dính chặt hoặc nhúng vào bề mặt rắn. Sự phát triển của các bóng khí có thể minh họa như hình 2.10 dưới đây. Dưới tác dụng của sóng siêu âm, trong dung dịch tạo ra hàng nghìn các bọt không khí rất nhỏ luân phiên xuất hiện và mất đi vô cùng nhanh chóng. Những bọt này trong chớp mắt sẽ vỡ tan ra và sinh ra những luồng sóng xung kích nhỏ rất mạnh, được gọi là “hiện tượng tạo chân không”. Sóng xung kích mà chúng sản ra giống như muôn nghìn chiếc “chổi nhỏ” vô hình rất nhanh và rất mạnh lan tới, chải quét mọi góc khuất của đối tượng cần tẩy rửa. Ở tần số 20kHz, bọt khí khi nổ có thể tạo ra các tia năng lượng với tốc độ lên đến 400 km/h; áp suất đạt 35-70 MPa và nhiệt độ có thể lên tới 50000C trong thời gian rất nhanh (tính bằng micro giây).
Hình 2.10. Quá trình hình thành và phát triển bóng khí
Ngoài cơ chế làm sạch bằng các bọt khí, các dòng sóng siêu âm còn có thể giúp lưu chuyển toàn bộ năng lượng len lỏi tới tất cả các điểm trên bề mặt cần tẩy rửa, tạo hiệu quả khác biệt so với các phương pháp tẩy rửa khác.
2.3.2. Hàn siêu âm (Ultrasonic welding)
Hàn siêu âm là một quá trình hàn áp lực, có nguyên lý tương tự hàn ma sát. Quá trình hàn sử dụng năng lượng cơ học của dao động siêu âm để nung nóng cục bộ vật liệu cần hàn đến trạng thái chảy dẻo tại vị trí bề mặt mối ghép. Dao động tương đối của các bề mặt tiếp xúc phát sinh lực ma sát nung nóng cục bộ các bề mặt này. Dưới tác dụng của lực ép các phần tử của chi tiết hàn được khuếch tán, thẩm thấu vào nhau tạo thành mối hàn. Hàn siêu âm là một phương pháp gia công tiên tiến, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp điện - điện tử, hàng không vũ trụ và cơ khí chính xác… Sơ đồ nguyên lý hàn siêu âm được minh họa trên hình 2.11.
Hình 2.11. Sơ đồ hệ thống hàn siêu âm
Trên hình 2.11, rung động siêu âm 8 được tạo ra từ bộ tạo rung 1, được truyền qua bộ khuếch đại 2 và bộ dẫn hướng 4 đến đầu hàn. Chi tiết hàn 5 được kẹp giữa các đầu kẹp 6 và 7. Khi có rung động siêu âm, bề mặt chi tiết cần hàn 5 tiếp xúc với đầu hàn có dao động gây ma sát lớn và bị nung nóng đến trạng thái chảy dẻo cục bộ. Kết hợp với tác dụng của lực ép, vật liệu chi tiết cần hàn ở vùng tiếp xúc bị ép lại tạo thành mối hàn.
Hàn siêu âm được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm chính sau đây: - Có khả năng tự phá bỏ lớp oxit bề mặt kim loại
- Hàn tốt những kim loại có điện trở nhỏ (nhôm, đồng, vàng, bạc …)
- Hàn được các lá kim loại mỏng (cỡ micromet), các kim loại khác với nhau, kim loại với phi kim, hàn chất dẻo, hàn xương,…
- Tiêu tốn ít năng lượng, dễ tự động hóa, giảm thời gian gia công…
2.3.4. Chế biến, bảo quản thực phẩm bằng siêu âm
Trong công nghệ thực phẩm,sóng siêu âm được ứng dụng để bảo quản, nâng cao chất lượng sản phẩm. Dưới tác dụng của sóng siêu âm có tần số và cường độ xác dịnh trong một thời gian phù hợp, chất lượng của một số loại thực phẩm được nâng cao rõ rệt. Ngoài ra, siêu âm còn dùng để tiệt trùng, khử bỏ hóa chất có hại giúp bảo quản lâu hơn chất lượng cao hơn. Với các thực phẩm dẻo, xốp và dính việc thái cắt cần phải giữ được vật phẩm một cách nguyên vẹn, thẩm mỹ. Các dao cắt được hỗ trợ rung động siêu âm để tạo chuyển động tương đối với thực phẩm, giảm khả năng bám dính, thuận lợi cho quá trình cắt lát, (xem hinh họa trên hình 2.12).
Cắt thực phẩm bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi trong ngành chế biến thực phẩm nhờ những ưu điểm chính sau đây:
- Không dính dao;
- Bề mặt cắt nhẵn phẳng, thẩm mỹ;
- Khả năng ứng dụng trên nhiều loại thực phẩm;
- Điều chỉnh kích thước lát cắt thuận tiện theo yêu cầu;
- Không giới hạn về kích thước đường kính, khối lượng, chiều dày vật phẩm;
- Dễ vệ sinh, bảo dưỡng;
- Khả năng tăng bề rộng cắt bằng cách ghép dao;
- Năng suất cắt cao, có thể đạt tốc độ cắt từ 60 đến 120 miếng / phút.
Trong kỹ thuật sấy khô, nhiều loại vật phẩm với vật liệu không thể sấy nóng bằng nhiệt. Vì nhiệt độ cao sẽ làm thay đổi tính chất hóa lý của vật liệu. Giải pháp sấy khô bằng công nghệ siêu âm cho thấy nhiều hiệu quả tối ưu. Sóng siêu âm với cường độ đủ mạnh làm các phần tử trong vật liệu dao động với biên độ lớn. Kết quả là các liên kết yếu bị phá vỡ, tách hơi ẩm và hơi nước dễ dàng thoát ra ngoài vật phẩm.
Trong nông nghiệp, một số khâu quan trọng nhất quyết định đến năng suất cấy trồng là việc xử lý giống. Phương pháp sử lý hạt nhờ song siêu âm cho thấy nhiều hiệu quả. Sóng siêu âm có thể làm thay đổi các thành phần của các acide amin, đồng thời lầm tăng quá trình oxy hóa hạt giống, làm tang năng suất. Ngoài ra, song siêu âm có thể xử lý trồng. Bằng cách sử dụng sóng siêu âm, tác dụng kích thích các vi sinh vật có lợi phát triển làm tang lượng mùn trong đất, tiêu diệt các ký sinh trùng gây hại cho cây trồng.
2.3.5. Kiểm tra khuyết tật sản phẩm, thăm dò bằng sóng siêu âm
Siêu âm cũng truyền được qua các vật rắn và phản xạ ở các mặt tiếp xúc giữa hai vật. Do đó, có thể dùng siêu âm để phát hiện các khuyết tật trong một vật đúc, trong một kết cấu bêtông, phát hiện các tổ mối trong đê… Sơ đồ nguyên lý mô tả cơ chế xác định khuyết tật trong lòng vật thể minh họa như hình 2.13.
(a) (b)
Hình 2.13. Kiểm tra khuyết tật nhờ siêu âm. (a) Sơ đồ nguyên lý cách xác định vết nứt gãy trong lòng vật thể. (b) Kiểm tra kết cấu lõi thép dầm bê tông.
Dụng cụ sử dụng siêu âm để thăm dò dưới biển thông dụng hiện nay thường được gọi là Sonar, hoạt động theo nguyên tắc của rađa, minh họa như hình 2.14a. Sonar gồm một máy đặt ở mặt ngoài của đáy tàu, máy này phát một chùm siêu âm hẹp, gần song song; gặp đáy biển hoặc một đàn cá, một xác tàu đắm,… sóng âm phản xạ và rọi vào máy thu (đôi khi chính là máy phát, hoạt động luân phiên theo hai chế độ), được khuếch đại rồi tác động vào một máy tự động chuyển khoảng thời gian ∆t từ lúc phát sóng tới lúc thu sóng phản xạ thành khoảng cách từ tàu tới vật phản xạ sóng. Do đó, sôna có thể dùng để phát hiện tàu ngầm, các vật trôi dạt, các đàn cá, thăm dò và lập bản đồ độ sâu của đáy biển. Thiết bị dò cá bằng siêu âm cho phép xác định vị trí, hướng di chuyển và vận tốc của đàn cá trong phạm vi hàng chục km. Ngoài ra, thiết bị này còn cho biết mật độ, mức độ trọng lượng của từng loại cá. Nhờ ứng dụng siêu âm, sản lượng khai thác thủy sản đã tăng lên đáng kể (hình 2.14b).
(a) (b)
Hình 2.14. Nguyên lý siêu âm khảo sát địa chất đáy biển và dò tìm đàn cá
2.3.6. Siêu âm trong y học
Ứng dụng trong y học siêu âm dựa trên nguyên tắc ghi lại hình ảnh bằng sóng siêu âm. Một đầu dò siêu âm phóng vào cơ thể người bệnh một chùm siêu âm song song (tần số từ 1 đến 5 MHz), chu trình rất ngắn (cỡ vài µs), rồi ghi khoảng thời gian đi và về của xung; kết hợp với một máy vi tính xử lý thông tin. Mỗi xung phản xạ cho ta một ảnh của một điểm trên vật đã phản xạ. Máy phát chừng 1000 xung/giây và được di chuyển đều đặn tạo ảnh của toàn bộ vật thể cần quan sát. Kỹ thuật này, hiện nay đã được sử dụng phổ biến trong các bệnh viện để quan sát các cơ quan nội tạng như gan, tuyến giáp, dạ dày, tuyến tiền liệt, thai nhi, thậm chí để quan sát chuyển động của van tim, nghiên cứu chuyển động của máu trong các động mạch, để phát hiện chỗ bong võng mạc,…
Do có tần số cao nên năng lượng truyền trong sóng siêu âm là khá lớn. Vật hấp thụ năng lượng này có thể bị vỡ vụn thành nhiều mảnh nhỏ. Do đó, trong y học,
người ta còn dùng siêu âm để phá vỡ các viên sỏi trong thận, các cục máu đông, mà không phải dùng phẫu thuật. Trong công nghiệp, máy đầm dùng siêu âm được sử dụng khá phổ biến để đầm bêtông, đầm đá rải đường,…
Hình 2.15. Dao mổ siêu âm
Ứng dụng kỹ thuật rung siêu âm tích hợp với dụng cụ phẫu thuật được minh họa như hình 2.15. Năng lượng điện từ máy phát sẽ được chuyển thành sóng cơ học tại thân dao nhờ các đĩa sứ piezo-electric chuyển năng lượng điện thành chuyển động cơ học dọc theo chiều dài của dao và đạt tần số trên 55.000 lần/ giây. Dụng cụ mổ phẫu thuật được tích hợp rung động siêu âm, giúp cắt các mô mềm, cứng, xương … giảm thiểu chảy máu và tổn thương đến các phần lân cận. Thời gian phẫu thuật giảm, vết mổ chóng bình phục, giảm đau đớn cho bệnh nhân.
Ngoài ra, công nghệ siêu âm còn được ứng dụng rất hiệu quả trong việc tổng hợp các loại vật liệu mới; giảm ma sát truyền động, nâng cao khả năng điền đầy kim loại lỏng cho quá trình đúc.... Các ứng dụng rung động siêu âm trong gia công cắt gọt kim loại sẽ được trình bày cụ thể trong phần 2.4 và 2.5.