Design e fabricação de transdutores de potência para aplicações em processos de limpeza

Transdutores ultrassônicos de potência são dispositivos que convertem energia elétrica em energia mecânica operando em uma banda estreita de frequência (20-60 kHz). Diversas aplicações têm sido atribuídas ao uso de transdutores de potência em indústrias, tais como, limpeza ultrassônica de tubulação, placas e cascos de navios, solda de plásticos e metais, processamentos químicos e em processos de cortes e perfuração. Neste trabalho, realizaremos um estudo teórico, computacional e experimental de fabricação de transdutores de potência para aplicações em limpeza ultrassônica. Simulações numéricas utilizando método de elementos finitos (MEF) serão realizadas para a modelagem dos transdutores. Após a modelagem, será realizado o desenho técnico das peças e posteriormente a usinagem das mesmas. Realizamos nossas simulações dos transdutores de Langevin primeiro em 2D devido a simetria do problema e por causa da nossa limitação computacional. Modelamos nossos transdutores nas frequências desejadas 20 kHz, 25 kHz e 30 kHz em 2D. Então executamos as simulações em 3D e comparamos com as simulações em 2D, acoplamos os transdutores aos tubos metálicos de diferentes diâmetros, comprimentos e espessura, onde verificamos as destruições de pressão acústicas nos tubos e avaliamos se era possível conseguir obter cavitação. Além disso, fizemos os desenhos técnicos e montamos o experimento. No decorrer deste trabalho, aprendemos a usar o COMSOL Multiphysics, entendemos como o método de elementos finitos funciona, realizamos simulações numéricas dos transdutores de Langevin. Por fim, montamos o aparato experimental e realizamos alguns testes, conseguimos visualizar o processo de limpeza em certas regiões do tubo, porém com a limitação de potência do sistema de amplificação e a falta de recursos para aquisição de material do laboratório não conseguimos avançar nos resultados.

Power ultrasonic transducers are devices that convert electrical energy into mechanical energy by operating in a narrow frequency band (20-60 kHz). Several applications have been attributed to the use of power transducers in industries, such as ultrasonic cleaning of piping, ship plates and hulls, welding of plastics and metals, chemical processing, and in cutting and drilling processes. In this paper, we will conduct a theoretical, computational, and experimental study of manufacturing power transducers for ultrasonic cleaning applications. Numerical simulations using finite element method (FEM) will be performed for modeling the transducers. After modeling, the technical design of the parts will be performed and then the machining of the parts will be done. We performed our simulations of the Langevin transducers first in 2D due to the symmetry of the problem and because of our computational limitation. We modeled our transducers at the desired frequencies 20 kHz, 25 kHz and 30 kHz in 2D. Then we ran the simulations in 3D and compared them to the 2D simulations, coupled the transducers to metal tubes of different diameters, lengths and thickness, where we checked the acoustic pressure destructions in the tubes and evaluated if cavitation could be achieved. In addition, we made the technical drawings and set up the experiment. During this work, we learned how to use COMSOL Multiphysics, we understood how the finite element method works, we performed numerical simulations of the Langevin transducers. Finally, we assembled the experimental apparatus and performed some tests, we were able to visualize the cleaning process in certain regions of the tube, but with the power limitation of the amplification system and the lack of resources for acquisition of material for the laboratory we could not advance in the results.