Le nettoyage par ultrasons, comment ça marche ?

Sonotrode Ultratecno Sonotrode Ultratecno

Les transducteurs

 

Un transducteur est un dispositif convertissant un signal physique en un autre par exemple une énergie électrique en mouvement mécanique. Dans le cas des ultrasons ce transducteur est une sonotrode. Fabriqué en inox et céramique. Ils sont montés par série de 20 sur des plaques d'inox qui fournissent une puissance d'1kW

Le phénomène de cavitation

 

Les machines Ultratecno utilisent des générateurs à ultrasons couplés à ces sonotrodes synchronisées qui restituent cette énergie vibratoire dans le bain de nettoyage. Lorsque l'onde ultrasonique se propage dans le bain, elle crée des mouvements de pression/dépression qui génèrent des petites bulles : c’est le phénomène de cavitation. Les bulles de cavitation grossissent par cycles jusqu’à atteindre une taille critique où elles implosent.

 

Le cycle d'une bulle

Le phénomène de cavitation, formation des bulles (© BTO) Le phénomène de cavitation, formation des bulles (© BTO)

 

Le cycle d'une bulle en images

 

Formation et développement d’un microjet © Frédéric LAUGIER/ Lauterborn Formation et développement d’un microjet © Frédéric LAUGIER/ Lauterborn

La puissance des ultrasons

 

Lors de cette implosion, la température peut atteindre 4700 °C et la pression 1000 bar. Le jet de gaz et de vapeur contenu dans celles-ci peut atteindre 400 km/h [LINDAU et LAUTERBORN, 1980] !La température du liquide entourant une bulle de cavitation implosant peut atteindre 2100 K [Suslick, 1989]. À titre de comparaison la température d’une flamme d’acétylène est de 2400 K.

 

Cavitation, formation du jet © BTO Cavitation, formation du jet © BTO

Cinématique d'une bulle sous l'effet des ultrasons

Les fréquences utilisées: les basses fréquences

 

Plus la fréquence des ultrasons est basse (16 KHz à 28 kHz) plus les bulles ont le temps de grossir. Plus la fréquence est élevée (jusqu’à 70 kHz et au-delà) plus elles sont fines. Les machines Ultratecno utilisent une fréquence de 28 KHz qui est adaptée aux nettoyages de type industriels alors que les fréquences plus élevées sont dédiées au nettoyage de pièces fines, bijouterie, optique, etc.

La taille des bulles

 

La taille des bulles de cavitation dépend de la fréquence. La quantité de bulles — donc l’action nettoyante — dépend de la puissance injectée.

 

Notre technologie à 28 kHz avec la puissance standard, produit des bulles de +/- 0,012 mm de diamètre qui permettrait d’enlever des particules de 0,003 mm et +  (ratio 4 :1)

Notre technologie 38 kHz, avec la puissance standard, produit des bulles de +/- 0,009 mm qui permettraient d’enlever des particules de 0,0022 mm et + (ratio 4 :1)

 

Un bon nettoyage par ultrasons, qu'est ce que c'est?

 

Un bon nettoyage par ultrasons repose sur plusieurs paramètres :

  • Le dégazage du bain. Le dégazage d'un bain est une action extrêmement importante pour faciliter la cavitation. Un bain nouveau contient de l'air en quantité. Nos machines sont équipées d'un programme de dégazage spécial qui permet l'élimination de cet air et du temps doit être consacré à cette opération essentielle. Une quantité importante de gaz dans l'eau diminue fortement le phénomène de cavitation.

A cette première action s'ajoutent les quatre éléments de ce que l'on appelle le Cercle de Sinner. Le Dr. Herbert Sinner (1900-1988) chimiste de la société Henkel a développé en 1959 une théorie du nettoyage basés sur les actions de quatre éléments : la température, la chimie, l'action mécanique et la durée de nettoyage. Selon Sinner, pour un résultat efficace la diminution d'une des quatre actions doit être compensée par l'augmentation d'une ou plusieurs des autres. Ainsi, la réduction de la chimie doit être compensée par une augmentation de la part de l’action mécanique ou celle du temps, ou celle de la chaleur, ou d’une combinaison de ces trois autres paramètres. Chez Ultratecno, l'usage des ultrasons basse fréquence, plus dynamiques permet une diminution des produits chimiques et du temps machine, donc une réduction des coûts d'exploitation.

  • La température :  le chauffage peut être porté jusqu’à + de 80° afin d’augmenter l'efficacité des bains sur les salissures. Par ailleurs la plage de température idéal pour une cavitation de meilleure qualité est aux environs de 60-65°C. Aussi le choix de la température s'effectuera en fonction de ces deux points. Un système de gestion de l’énergie permet d’associer efficacité et économies d’énergie. 
  • Les produits chimiques, lessives, détergents : essentiels dans le nettoyage. Nous proposons sur catalogue ou nous recherchons avec notre laboratoire les produits adaptés au support à nettoyer et aux salissures. Le travail « mécanique » des ultrasons permet de réduire les produits ajoutés dans le bain, d’où des économies à l’achat et au retraitement des effluents. L’usage de produits de substitution respectueux de l’environnement est un objectif auquel nous sommes attentifs.
  • Les ultrasons : nos équipements utilisent une fréquence plutôt basse (28 kHz) synonyme de nettoyage efficace en conditions industrielles ; nos transducteurs sont synchronisés numériquement et répartis dans les parois des cuves pour une efficacité accrue. 
  • Le temps de cycle : la durée de nettoyage est réduite grâce à l’action « mécanique » des ultrasons, et en fonction de la température et des produits ajoutés. Le travail par lots ainsi que le travail en temps masqué sont un gain pour l'utilisateur.

Au Cercle de Sinner, Ultratecno ajoute une action mécanique qui nous parait indispensable dans bien des cas:

  • Le mouvement des pièces dans le bain : la plupart de nos machines utilisent un ascenseur qui permet de placer les pièces dans le bain. Celui-ci assure aussi une fonction cyclique d’agitation de la pièce dans l’eau qui produit des courants permettant l'évacuation des salissures et le nettoyage des cavités et autres trous. Ce brassage contribue aussi à une répartition plus homogène de la cavitation sur les pièces à nettoyer.

 

Sur le cercle de Sinner ci-dessous, on remarque que l'usage des ultrasons basse fréquence permettent de diminuer la proportion de produits chimiques et le temps de cycle de nettoyage.

 

 

Avantages des ultrasons

  • Une efficacité de nettoyage largement démontrée, dans tous les anfractuosités, failles, micro structures, trous aveugles, grâce à la température, la pression et la vitesse du jet issu des bulles (au niveau infinitésimal) au moment de leur implosion.
  • Nettoyage de couches dures (tartre, calamine…) et résidus d'usinage…
  • Homogénéité du nettoyage
  • Concentration des produits de nettoyage divisés par 6,
  • Diminution des effluents et de leur coût de retraitement,
  • Diminution du coût des produits,
  • Permet un travail de l’opérateur en temps masqué et en sécurité
  • Retour sur investissement très court
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