La levitazione a ultrasuoni e le sue applicazioni industriali
La levitazione ultrasonica/acustica è un'opzione collaudata a livello industriale per il supporto senza contatto di materiali sensibili e leggeri e per la manipolazione di campioni senza contatto. Per saperne di più sulla levitazione a ultrasuoni e sulle sue applicazioni nell'industria e nella scienza!
Applicazioni della levitazione a ultrasuoni
La levitazione acustica è un metodo scientificamente provato e adottato a livello industriale per la manipolazione di materiali e il posizionamento di campioni senza contatto. La levitazione ultrasonica, come metodo di manipolazione senza contatto, viene utilizzata per manipolare pezzi sensibili alla superficie e fragili, ad esempio wafer, microchip o sottili lastre di vetro, senza impatto meccanico. Grazie alla manipolazione senza contatto di materiali e campioni, la levitazione a ultrasuoni è stata implementata in applicazioni industriali, scientifiche e analitiche.
Nell'industria, la levitazione a ultrasuoni è utilizzata come metodo affidabile per la lavorazione senza contatto e senza contenitore di microchip e altri oggetti piccoli e delicati, che sono soggetti a danni anche con un leggero contatto fisico. Un altro campo di applicazione è la manipolazione di materiali di altissima purezza o di reagenti chimici, che sarebbero influenzati da un contenitore.
Posizioni di levitazione di sfere di polipropilene in un levitatore acustico a singolo asse. Levitatore / sonotrodo in alto, riflettore in basso (b) H1 = 7,45 mm; (d) H3 = 21,55 mm
(studio e immagini: © Andrade et al. 2018)
- oggetti sensibili alle forze fisiche (ad esempio, microchip)
- materiali non conduttori
- materiali di elevata purezza
- reagenti chimici
- campioni biologici e analitici
- proteine per la cristallografia
Principio di funzionamento della levitazione a ultrasuoni
La levitazione acustica descrive l'applicazione di onde ultrasonore a un fluido, solitamente un gas (ad esempio l'aria). Quando l'onda di ultrasuoni attraversa il gas, l'onda sonora controbilancia la forza di gravità. – con il risultato che gli oggetti possono librarsi senza sostegno nell'aria. L'effetto di un oggetto libero di fluttuare in un'onda sonora richiede il fenomeno dell'onda stazionaria. Un'onda stazionaria si forma quando due onde identiche provenienti da direzioni opposte si sovrappongono l'una all'altra. Pertanto, in una configurazione di levitazione acustica si utilizza un trasduttore a ultrasuoni per creare onde di pressione longitudinali e un riflettore sull'altro lato riflette le onde, in modo che le onde identiche provenienti da entrambi i lati possano sovrapporsi e formare un'onda stazionaria.
Levitazione acustica di una piccola sfera rigida al nodo di pressione di un'onda stazionaria piana stabilita tra un trasduttore/levitatore e un riflettore.
(studio e immagini: © Andrade et al. 2018)
Nodi e Antinodi: L'onda di pressione longitudinale degli ultrasuoni intensi permette di librarsi senza contatto nell'aria. Tali onde ultrasonore stazionarie hanno nodi definiti. Un nodo è l'area di minima pressione, mentre un antinodo è definito come l'area di massima pressione. I nodi di un'onda stazionaria sono al centro della levitazione acustica.
I levitatori a ultrasuoni funzionano posizionando il campo di onde stazionarie su una sonda a ultrasuoni (cioè un sonotrodo) e utilizzando un riflettore.
Apparecchiature a levitazione ultrasonica
Hielscher Ultrasonics vanta una lunga esperienza nella progettazione, produzione e distribuzione di apparecchiature a ultrasuoni di alta qualità e ad alte prestazioni. Per la levitazione acustica, Hielscher offre due tipi standard di levitatori:
- UP100H – un levitatore da 30 kHz e 100 W
- UP400St – un levitatore a 24 kHz, 400 W
- UIP500hdT – un levitatore da 20kHz e 500W
Il processore a ultrasuoni UP400St è un sistema compatto, in cui trasduttore e generatore sono combinati in un robusto alloggiamento. Il potente levitatore da 500 watt UIP500hdT è dotato di trasduttore e generatore separati. Con il suo trasduttore di grado IP64, l'UIP500hdT è ideale per l'installazione in ambienti difficili.
I levitatori a ultrasuoni possono essere installati come unità singola o in parallelo e sono in grado di operare in linee di lavorazione ad alta velocità e ad alta produttività.
Per esigenze specifiche, Hielscher Ultrasonics progetta e produce anche levitatori personalizzati e proprietari.
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Letteratura / Riferimenti
- Andrade, M.A.B.; Pérez, N.; Adamowski, J.C. (2018): Review of Progress in Acoustic Levitation. Brazilian Journal of Physics 48, 2018. 190–213.
- Junk, Malte (2019): Tropfenverdunstung im akustischen Levitator. Dissertation Universität Hamburg. Fachbereich Chemie der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften, Universität Hamburg 2019.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.