Что мы делаем, когда пытаемся что-то разрезать ножом?

Верно — двигаем его по разрезаемой поверхности.

А что делаем, если хотим отрезать быстрее?

Снова верно: увеличиваем скорость перемещения режущей поверхности по объекту или самого объекта по режущей поверхности (или всё сразу).

А что будет, если скорость перемещения возрастёт до ультразвуковой? И зачем это вообще нужно?

Эти и другие подробности будут описаны ниже ;-)

Предыстория

С момента открытия пьезоэлектрического эффекта (генерация электричества за счёт механического воздействия) братьями Кюри в 1880 году, прошло совсем немного времени, когда уже в следующем, 1881 году, был открыт и обратный пьезоэлектрический эффект — механическая деформация под воздействием электрического тока. 

Это второе открытие достаточно долго «пылилось» на научных полках, когда, наконец, в 1920-е годы трудами американского физика Вуда явление было исследовано с точки зрения практического воздействия ультразвука на материалы. 

Однако он исследовал больше в области фундаментальной физики и, ввиду слабого развития на тот момент пьезоэлектрических материалов, в принципе не мог применять свои экспериментальные установки для практических целей.

Качественный прорыв случился значительно позже, лишь 30 лет спустя, когда развитие материаловедения позволило создать материалы, колеблющиеся с нужной амплитудой и ультразвуковой частотой. Это дало возможность рассматривать ультразвук как средство механической обработки. Практическое применение в виде технологии резки материалов появилось уже в 1950–1960-е годы, когда многие страны практически одновременно проводили подобные исследования. Именно тогда и произошло основное становление этой технологии.

Основной причиной такого временного лага, как уже было сказано выше, стала потребность в развитии материаловедения. Первые экспериментаторы довольствовались достаточно хрупкими и неэффективными материалами, в частности кристаллами кварца. Лишь с появлением пьезокерамики (титанат бария, цирконат-титанат-свинца (PZT)) многие вещи стали возможны, так как подобная керамика механически деформировалась на большие значения при подаче электрического тока, чем предыдущие варианты.

Другими словами, она обладала «более высоким пьезоэлектрическим коэффициентом».

Скажем, для примера, если воздействовать электрическим полем на кристалл кварца, то можно получить относительное удлинение всего лишь на 0,001% от собственной длины кристалла. 

Тогда как титанат бария обеспечивает удлинение уже в 0,1%. 

Но настоящим прорывом в технологиях явилось появление PZT-керамики, которая смогла обеспечить удлинение аж до 0,15%! 

Именно с её появлением и стало возможным создавать мощные ультразвуковые генераторы механических колебаний.

Но толчком послужило не только развитие материаловедения: мощно продвинулась и сама теория колебаний, а также их передача с использованием волноводов.

Кроме того, на рубеже 1940–1950-х годов активно развивались наука и производство, и возникла потребность в способе обработки, с одной стороны, хрупких, а с другой — достаточно твёрдых материалов, которые при классических методах воздействия давали сколы и трещины. Именно поэтому учёные многих стран, независимо друг от друга, обратили внимание на ультразвук как на перспективный метод механической обработки, позволяющий «множеством мелких движений» выполнять работу более аккуратно.

В качестве таких проблемных материалов, для которых требовались новые методы обработки, можно назвать:

• полупроводники, например, пластины для будущих транзисторов;

• ферритовые компоненты (в частности, та же самая пьезокерамика);

• детали из карбида вольфрама для обработки материалов (были достаточно прочными и их нечем было обрабатывать на тот момент).

Тут сразу нужно сделать дополнительное пояснение: дело в том, что мы говорим о рубеже 1940–1950-х годов, когда лазеров ещё не было, но была в качестве альтернативы гидроабразивная резка, являющаяся слишком грубой из-за конического характера струи, а также её большого сечения (в миллиметры). 

Альтернативные ультразвуковой резке механические способы были весьма грубы и ненадёжны. 

Например, если рассмотреть процесс разрезания пластин для транзисторов или диодов, то применяли не прямое разрезание, так как просто не было подходящего инструмента, а прочерчивание линии алмазным резцом с последующим раскалыванием — по принципу того, как режут стекло, например, для окон.

Способ был очень неудобным и дорогим из-за высокого процента брака, а также получающейся весьма грубой кромки, покрытой сколами. 

Кроме того, место скола было и источником напряжений, откуда могли в дальнейшем разойтись трещины.

То есть можно сказать, что именно появление мощных средств ультразвуковой резки и послужило одним из толчков к развитию микроэлектроники как таковой (по крайней мере, в части её механической обработки), так как до этого просто не существовало способов аккуратно отрезать настолько капризные материалы!

Сферы применения ультразвуковой резки

Со времён рубежа 1940–1950-х годов прошло много времени, и ультразвуковая резка как уникальный технический приём обработки уверенно обосновался в целом ряде направлений:

• в области производства электроники: об этом уже было выше сказано, и в данный момент такая резка здесь стала фактически стандартом (резка пластин, подложек и т.д.);

• резка сверхтвёрдых волокнистых материалов: карбон, стеклопластик — всё это теперь можно резать без образования бахромы на торце и потенциальных расслоений;

• резка пищевых материалов: в этой области ультразвук позволил обрабатывать прилипающие или ломкие материалы (сыры, конфеты и т.д.);

• работа с тканями: ультразвук позволяет отрезать ткань с одновременной обработкой края, чтобы не образовывалась ненужная бахрома, или просто «шить» нетканые синтетические материалы вместо нити, сплавляя их*.

*На известном китайском сайте даже продают швейные машины, которые прямо так и называются «ультразвуковая швейная машина» и выглядят они примерно так же, как и обычные домашние швейные машинки (правда, цена кусается — в среднем от 150 000 руб.).

• Использование в медицине:

  • для разрезания костей: благодаря ультразвуку такой разрез делается очень тонким, почти не повреждая окружающие ткани;

  • в глазной хирургии: аппарат для дробления и извлечения хрусталика глаза, для его замены (факоэмульсификатор), будучи изобретённым в 1967 году, совершил настоящую революцию в медицине, предоставив врачам абсолютно новый инструмент, позволяющий заменять хрусталик глаза без повреждения окружающих тканей (делается с помощью титанового наконечника, который разрушает старый хрусталик и он извлекается через миниатюрный разрез).

Кстати говоря, в этом разделе можно сделать любопытную сноску: дело в том, что в медицине существует такая очень любопытная штука — «осцилляционная пила» (по сути, о ней уже было сказано выше, где она колебалась с ультразвуковой частотой для разрезания костей), однако существует её подвид, колеблющийся не с ультразвуковой, а с более низкой частотой. Выглядит такая пила как своеобразная «циркулярка», насаженная на устройство, наподобие Дремеля, где диск совершает возвратно-поступательные движения на несколько миллиметров с частотой до 500 Гц. 

Такая пила обычно используется для разрезания гипса на зафиксированных конечностях — руке или ноге. 

Причём, что любопытно, разрез осуществляется насквозь, а пила при этом касается мягких тканей тела и они не повреждаются! 

Почему так происходит: так как пила совершает достаточно высокочастотные колебания, а жёсткие материалы не могут колебаться с такой же частотой, то они и разрушаются. 

В противовес жёстким гибкие и упругие материалы следуют за лезвием с такой же частотой, из-за чего они и остаются невредимыми. 

Причём, что занятно, обычно врачи с деловитым видом запускают «циркулярку» и, как будто так и надо, прорезают гипс до тела. На первый взгляд это может выглядеть шокирующе для неподготовленного человека :-D

Таким образом, завершая этот раздел, можно сказать, что история ультразвука как средства для осуществления резки достаточно долгая и интересная. 

Причём здесь можно отметить интересный момент: фактически все эти разнообразные ультразвуковые «резаки» сконцентрированы в узкоспециальных сферах и не проникли в обыденную жизнь для применения обычными людьми. Собственно говоря, это, наверное, и объясняет, почему мы не видим их массово вокруг себя.

Однако из этого есть и интересные исключения — об этом будет следующий раздел.

Бытовые ультразвуковые резаки

Существующая ситуация с узкоспециальным использованием ультразвуковых режущих устройств, видимо, натолкнула кое-каких стартаперов на мысль: «А собственно, почему их нет в быту?!» В результате один за другим стали появляться такие устройства, и как минимум два из них вызвали «некоторый шум» при появлении, потому что обычные люди ранее даже не задумывались о том, что так хорошо знакомый с детства процесс резки ножом можно кардинально улучшить с помощью какого-то «почти магического» эффекта! :-)

Таким образом, ориентировочно на рубеже 2017-2018 годов и возник американский стартап Seattle Ultrasonics, на данный момент предлагающий длинный (8 дюймов = 20,32 см) поварской нож, в том числе с зарядным устройством. 

Как заявляется, он позволяет резать, прикладывая на 50% меньше усилий:

При этом частота колебаний лезвия составляет 44 кГц, и устройство имеет мощность в 10 Вт:

Компания была основана изобретателем и стартапером Скоттом Хайминдингером, который работал над этим устройством 15 лет. 

Как объясняется в официальном демонстрационном видео (см. с 2:34), нож закреплён в рукоятке с помощью цилиндрического хвостовика, к которому прикреплена «стопка пьезокерамических кристаллов». При подаче или отключении питания они сжимаются и растягиваются на малую величину, увлекая за собой лезвие ножа.

В ходе этого лезвие совершает поступательные движения «вперёд-назад» (от рукоятки ножа/к рукоятке), сдвигаясь на 10-20 микрон, существенно снижая необходимые усилия для резки. Звук работы аппарата остаётся при этом практически неслышимым для человеческого уха:

Несколько позже, в 2023 году, ещё один, уже чешский стартап 369Sonic, представил свою версию ножа более короткой длины — 12,4 см, проведя в октябре 2023 года кампанию на Кикстартер по сбору средств, которая оказалась весьма успешной и позволила превысить запрошенный уровень финансирования на 25%.

По ссылке выше, на Кикстартер, желающие могут найти множество подробностей о техническом устройстве, включая тесты на разных материалах.

Принцип действия ножа точно такой же, как и у варианта выше — высокочастотные колебания хвостовика лезвия, который соединён с ультразвуковым излучателем. 

Причём, что интересно, на главной странице проекта можно увидеть, что предлагается как кухонный нож, так и небольшое лезвие для домашнего мастера, с помощью которого, как заявляется, можно обрабатывать многие материалы:

«...Вы можете легко резать пластик, АБС, ПЛА, смолу, углеродное волокно, акрил, вспененный ПВХ, МДФ, фанеру, ПВХ, кожу, резину, печатные платы, хлопок, силикон и многое другое... без каких-либо усилий. Всё это благодаря ультразвуковой технологии и точной конструкции.»

Ну и официальное видео: 

И тест обычных людей: 

Как мы видим по всем этим представленным примерам, использование ультразвукового устройства для резки в бытовых задачах видится довольно любопытной идеей... 

Посмотрим, как устроена механическая часть устройства… 

Выше, в разборе видео от американского стартапа, я не зря заострил внимание на фразе, прозвучавшей в видео, так как она напрямую подсказывает путь решения: «стопка пьезокерамических кристаллов» — что, на мой взгляд, не совсем корректно, и здесь следовало бы сказать скорее «стопка пьезокерамических пластин». Однако оставим это на совесть автоперевода.

Тем не менее, из этого становится понятно, что представляет собой ультразвуковой излучатель в этом устройстве: обычный ультразвуковой излучатель Ланжевена.

Как видно на схеме выше, подобные излучатели представляют собой действительно стопку из пьезокерамических колец, притянутых болтом к волноводу-концентратору, и далее к целевому объекту. 

Многие сразу скажут: «Вроде, где-то это уже видели» — и так оно и есть. Примерно подобным образом устроены мощные излучатели для ультразвуковых ванн, только там волновод-концентратор имеет форму рупора:

И теперь, когда вы знаете, как выглядят мощные излучатели, для вас станет совершенно понятен следующий скриншот ниже с видео, которое мне удалось найти. 

Здесь интересно не само видео теста, а то, что тест производится на разобранном ультразвуковом ноже. 

Если вы посмотрите в правую часть картинки, то вы там увидите прелюбопытную картину: лезвие ножа с хвостовиком, на котором укреплено...что? :-) 

Верно, он самый, родимый — излучатель Ланжевена:

Можно рассмотреть даже подключение контактов питания — именно так, как они подключаются в излучателе Ланжевена. 

Видно, что он заканчивается накладкой того же диаметра, что и волновод — отражателем излучения в сторону лезвия, которая, кроме того, позволяет закрепить лезвие в рукоятке.

Как правило, параметры всех элементов системы точно рассчитываются: масса и длина отражателя, длина волновода-концентратора, а также длина и масса лезвия с целью достичь максимальной амплитуды колебаний лезвия. 

Этот расчёт является достаточно сложной задачей, так как для достижения высококачественного результата необходимо учитывать резонанс. Однако можно предварительно предположить: если взять за основу мощный излучатель от ультразвуковой ванны и вкрутить в него лезвие с резьбовым хвостовиком, подобрав его массу так, чтобы она была сходна с весом наполненной ванны, а длину ограничить примерно длиной самой ванны, то можно попытаться добиться того же эффекта, что показан в видео.

Однако следует предположить, что это будет непросто — как с механической стороны, так и с точки зрения электронной схемы, так как, возможно, придётся собрать схему с постоянной динамической подстройкой в резонанс в реальном времени в зависимости от того, какой материал разрезается.

Тем не менее, это если пытаться пойти относительно сложным путём. Но некоторые поступают гораздо проще и получают достаточно быстрый и уверенный результат: просто переделывают ультразвуковые удалители зубного камня (скалеры)!

Потому что было выявлено, что небольшое лезвие, колеблющееся с ультразвуковой частотой, является отличным средством для удаления поддержек в 3D-печати, особенно в фотополимерной!

Подобный подход позволяет очень быстро, легко и чисто удалять поддержки, практически не оставляя следов. 

Весьма подробное описание с демонстрацией работы такой переделки можно найти здесь. 

Впрочем, кому лениво даже это, на известном китайском сайте есть великое множество подобных устройств, весьма похожих на последнюю переделку выше для удаления поддержек 3D-печати, по цене примерно от 6800 руб., если искать по ключевым словам «ultrasonic knife».

Итак, подводя итог, можно сказать, что ультразвук уверенно вошёл в жизнь людей как высокотехнологичное средство для аккуратных и быстрых разрезов. Причём, что интересно, это средство уже не находится только в глубине лабораторий или на крупных производствах, а постепенно проникает в жизнь обычных людей, открывая им новые возможности.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»