Le nettoyage par ultrasons expliqué : ondes, cavitation, générateurs, cuves et fonctions

Un nettoyage industriel de pointe

Le nettoyage est essentiel au quotidien pour préserver la santé et le bien-être. C'est aussi une opération indispensable dans de nombreux secteurs industriels.

Dans les sites industriels en particulier, le nettoyage est une étape impérative de la fabrication des produits, des pièces et des équipements. Les méthodes traditionnelles font appel au travail manuel, à des produits chimiques agressifs et au brossage mécanique, et la réglementation environnementale les rend moins attrayantes. Les produits et pièces aux formes complexes et aux interstices nombreux sont difficiles à nettoyer, et le nettoyage traditionnel peut être long et coûteux.

Le nettoyage par ultrasons est devenu une alternative répandue dans de nombreux sites de production. Il réduit efficacement le temps de nettoyage et les coûts d'exploitation. Entreprises et ateliers qui doivent nettoyer des pièces complexes l'adoptent pour sa technologie et ses avantages.

Plus de 50 ans de recherche et développement dans le nettoyage par ultrasons ont donné naissance aux nombreuses machines disponibles aujourd'hui. Bien choisir sa machine est essentiel pour obtenir le meilleur résultat. Les caractéristiques clés sont la fréquence, la puissance ultrasonore et de chauffage, le type de transducteur et la taille de cuve. Il est également essentiel de comprendre le fonctionnement des machines à ultrasons, leurs avantages et leurs applications.

Qu'est-ce que le nettoyage par ultrasons ?

Il existe aujourd'hui de nombreuses solutions de nettoyage sur le marché. L'une des plus répandues et des plus abouties est le nettoyage par ultrasons. Une machine de nettoyage par ultrasons est économique, rapide et écologique.

Les ondes ultrasonores, produites par des transducteurs et des générateurs, se propagent dans un milieu élastique comme un liquide. Les liquides se prêtent bien à ce type de nettoyage, car ils pénètrent partout dans les pièces immergées et permettent de nettoyer les surfaces, même sur des pièces complexes et difficiles d'accès.

Le transducteur crée des ondes ultrasonores à haute fréquence, qui provoquent dans le liquide des variations de pression rapides produisant des bulles microscopiques qui implosent : c'est l'effet de cavitation. Ces bulles microscopiques agitées dans la solution de nettoyage exercent une action mécanique qui enlève les contaminants de surface de la pièce immergée.

Un bain chauffé et une solution de nettoyage adaptée à la salissure améliorent encore le résultat. Cette méthode est efficace pour les machines et pièces de la construction et des ateliers automobiles, des ateliers de réparation électronique, de la fabrication de pièces aéronautiques et marines, du ferroviaire, des lignes d'assemblage et d'autres industries manufacturières.

La technologie des ultrasons

Les ondes ultrasonores

Le son est la transmission de vibrations à travers un milieu élastique, solide, liquide ou gazeux. Un son naît lorsqu'un mouvement unique ou répété, par exemple une vibration, produit une onde dans un milieu conducteur. Le mouvement de l'air produit par la membrane d'un haut-parleur est un bon exemple d'ondes sonores vibratoires produites par un mouvement mécanique.

Les ultrasons, eux, sont des ondes sonores situées au-delà des limites de l'audition humaine. La fréquence d'une onde sonore en détermine le timbre ou la hauteur. Les basses fréquences donnent les graves, les hautes fréquences les aigus. Ces fréquences jouent un rôle majeur en nettoyage par ultrasons, comme nous le verrons plus loin.

Ces ondes sonores qui traversent et agitent la solution de nettoyage provoquent la cavitation, qui érode les contaminants de surface.

L'exigence croissante de propreté a conduit à des technologies complexes, surtout au cours de la dernière décennie. Il est aujourd'hui possible d'adapter les ultrasons pour optimiser leurs effets selon l'application. Les ultrasons ont été utilisés pour la première fois en nettoyage dans les années 1950. Depuis, les fabricants n'ont cessé de développer et d'améliorer la technologie jusqu'à ce qu'elle est aujourd'hui.

La cavitation

Un élément essentiel d'un système de nettoyage par ultrasons est le générateur, qui produit des signaux électriques à haute fréquence. Ces signaux sont transmis aux transducteurs et convertis en ondes sonores. Lorsque les ondes traversent la plaque métallique du transducteur puis la solution de nettoyage, elles créent des zones de basse pression qui produisent la cavitation.

La cavitation est la formation et l'effondrement rapides de bulles de vapeur dans un liquide. Pendant la phase de dépression de chaque onde sonore, le creux, de minuscules bulles se forment et grossissent ; pendant la phase de surpression qui suit, la crête, elles sont comprimées et s'effondrent. Une bulle grossit souvent sur plusieurs cycles avant d'imploser, si bien que le bain contient à tout instant des bulles de tailles très diverses.

Enfin, l'effondrement simultané des bulles de cavitation produit des implosions, qui font rayonner des ondes de choc depuis les points d'effondrement. L'effondrement et l'implosion d'innombrables bulles dans tout le liquide activé produisent l'effet que l'on associe couramment aux ultrasons. L'effondrement produit l'action de nettoyage mécanique, souvent décrite comme un brossage qui décolle la saleté et les contaminants de la surface de la pièce.

La fréquence

En nettoyage par ultrasons, les différentes fréquences permettent d'éliminer différentes particules, ce qui rend la technologie souple dans ses usages et ses applications. Le nettoyage général, à 40 kHz, enlève les gros copeaux, les projections de soudure, les résidus d'usinage et la calamine de découpe laser. Cette fréquence est employée dans la quincaillerie, la plomberie, les biens de consommation, l'automobile et l'aéronautique.

Nos machines fonctionnent à 28 kHz, à 40 kHz ou aux deux. La fréquence basse, 28 kHz, produit des bulles moins nombreuses et plus grosses, avec plus d'énergie par implosion : plus efficace sur les salissures lourdes, et plus rude pour les surfaces tendres ou polies. Elle enlève la saleté grossière, la calamine, le sable, le tartre, la boue et les salissures routières épaisses. Les basses fréquences servent surtout à la remise à neuf d'engins tout-terrain, à la fonderie, à la chaudronnerie et à l'usinage d'ébauche.

Pour des contaminants plus fins, une fréquence plus élevée produit des bulles de cavitation plus petites, qui agissent plus en douceur et atteignent des détails plus fins. Dans la plage mégasonique, environ 400 à 800 kHz, poussière, traces de doigts et résidus de manipulation se détachent de surfaces délicates ; cette plage est employée pour les disques durs, l'optique et l'électronique. Elle se situe en dehors de la plage des machines Sonixtek, des nettoyeurs industriels à 28 et 40 kHz.

La température

La température influe sur la puissance de l'action de nettoyage par ultrasons et sur l'efficacité des solutions de nettoyage.

La température agit davantage sur l'efficacité de l'agent de nettoyage employé que sur celle du système à ultrasons. La température idéale varie selon la cuve et l'application visée. Pour les applications courantes, la machine se règle en moyenne entre 55 °C et 60 °C.

Une température élevée améliore la répartition de l'action de nettoyage dans la cuve. Elle disperse les bulles microscopiques et réduit la concentration de l'énergie de cavitation.

Même si l'action mécanique de la cavitation diminue à température élevée, le gain d'efficacité de la solution de nettoyage peut compenser cette baisse. Certaines solutions de nettoyage donnent le meilleur d'elles-mêmes à haute température. En faisant fonctionner la machine à ces températures, la solution décolle mieux la salissure de la pièce.

Chaque solution de nettoyage a une température optimale. Vérifiez la température idéale indiquée pour votre solution. Il est aussi conseillé de disposer d'un système à température réglable lorsque plusieurs solutions de nettoyage sont utilisées.

Les solutions de nettoyage

La solution de nettoyage joue le rôle de détergent et compte autant que la fréquence et la puissance ultrasonores. Les chimies les plus utilisées se répartissent en produits légèrement alcalins, alcalins, acides et neutres. Les solutions sont livrées sous forme de concentrés : il faut donc respecter le bon rapport solution/eau pour optimiser le cycle de nettoyage. Les fabricants indiquent la dilution et la température de nettoyage recommandées.

De nombreuses solutions sont formulées pour des usages différents, afin de préserver les matériaux, de réduire les coûts et d'obtenir des performances optimales. Les solutions légèrement alcalines, par exemple, se déclinent en trois types : 1) détergents universels légèrement alcalins 2) détergent spécial ammoniaqué 3) détergent spécial sans tensioactifs. Les solutions alcalines se déclinent en deux types : détergent alcalin intensif et détergent spécial démulsifiant sans silicate. Les solutions neutres comptent deux types : détergent neutre pour nettoyage doux et détergents universels neutres. Enfin, les solutions acides se déclinent en trois types : 1) détergent spécial doux 2) détergent spécial intensif 3) détergent spécial démulsifiant.

Beaucoup de liquides de nettoyage du marché sont formulés avec des ingrédients non toxiques et biodégradables, ce qui les rend écologiques et faciles à éliminer. La plupart des solutions sont aqueuses, et la rouille peut donc être une préoccupation, mais on peut y ajouter des inhibiteurs de corrosion.

Le système de nettoyage par ultrasons

Une machine de nettoyage par ultrasons industrielle repose sur trois composants principaux : un générateur, des transducteurs et une cuve. Chacun est indispensable à un système complet ; ils sont détaillés ci-dessous.

Les générateurs

Le générateur est le cœur de la technologie d'une machine à ultrasons. Il produit le signal électrique à haute fréquence nécessaire au fonctionnement du système. Il pilote la fréquence et assure le maintien de la fréquence et de la puissance de sortie choisies, deux points importants.

Comme indiqué plus haut, les bulles de cavitation se forment dans les creux de pression de l'onde sonore et s'effondrent aux crêtes, ce qui exerce une intense action de nettoyage mécanique sur les surfaces souillées des pièces immergées. Les transducteurs placés dans la cuve créent les ondes sonores par des vibrations à la fréquence ultrasonore produite par les générateurs. L'ensemble doit être cohérent en fréquence, puissance ultrasonore et de chauffage, taille de cuve et commande, dans une approche intégrée adaptée à une application de nettoyage précise. Le choix du générateur influe fortement sur les performances de tout le système.

Le générateur doit s'intégrer à l'environnement de production tout en répondant aux exigences générales de l'application. La tension d'alimentation, la taille et le type de nettoyage visé sont les facteurs à prendre en compte pour trouver le système adapté. La fréquence, la puissance ultrasonore et de chauffage et les autres commandes doivent être définies pour chaque application. Une fois les exigences de nettoyage précisées, le choix de la fréquence, des transducteurs et des cuves correspondants devient évident. Les machines de nettoyage par ultrasons Sonixtek sont livrées avec les générateurs adaptés pour une meilleure action de nettoyage.

En règle générale, les basses fréquences produisent des bulles de cavitation plus grosses, d'où une action de nettoyage intense pour les pièces ou composants aux matériaux plus complexes. Les hautes fréquences nettoient plus en douceur les pièces ou composants en matériaux tendres. Dans tous les cas, une puissance de générateur élevée est nécessaire pour remplir la cuve d'ondes ultrasonores. Le générateur doit produire un champ d'ondes homogène pour une action de nettoyage optimale.

Les transducteurs

Le deuxième composant d'un système de nettoyage par ultrasons est le transducteur. Un transducteur est un dispositif qui convertit l'énergie électrique alternative en énergie mécanique vibratoire. Les machines de nettoyage par ultrasons Sonixtek comportent le nombre de transducteurs adapté à la taille et au volume de la cuve pour un nettoyage efficace.

Un transducteur comprend une partie électrique, qui reçoit le signal du générateur, et une partie mécanique, qui vibre à haute fréquence pour produire les ondes sonores. Les machines à ultrasons transmettent ces ondes au liquide de nettoyage, qui agite les molécules d'eau et produit les bulles de cavitation. Le transducteur convertit le signal électrique du générateur en action de brossage. L'effondrement des bulles frotte les pièces à nettoyer et décolle la saleté et les contaminants de leur surface.

Les transducteurs doivent résister sans dommage à la chaleur, aux vibrations et à la solution de nettoyage. Sur la plupart de nos cuves, ils sont collés sous le fond de la cuve, hors du liquide, si bien que la solution ne les touche jamais. Les systèmes plus grands des séries SF, AL et AU utilisent à la place des boîtiers de transducteurs étanches en inox (AISI 316), placés dans le bain. Les solutions de nettoyage sont parfois chauffées et peuvent contenir des solvants doux. Les transducteurs doivent continuer à fournir leur puissance nominale dans ces conditions. Les transducteurs de nettoyage par ultrasons fournissent la puissance ultrasonore au liquide de la cuve et résistent à des environnements difficiles sans panne ni baisse de performance.

Les cuves

Le troisième composant d'un système de nettoyage par ultrasons est la cuve. Elle contient le liquide de nettoyage et doit être en inox épais pour tenir des températures élevées et ne pas rouiller, ce que propose Sonixtek. Lorsque le générateur produit le signal électrique, le transducteur de la cuve le convertit en ondes dans le liquide. La pièce à nettoyer est placée dans la cuve, immergée dans la solution, et les bulles de cavitation créées par les transducteurs enlèvent toute la contamination de surface.

Les cuves doivent résister à l'action mécanique du nettoyage, aux vibrations et aux montées en température, et leur construction répond à des exigences de nettoyage variées.

La gamme Sonixtek comprend des tailles de cuve standard qui couvrent la plupart des besoins. Lorsque l'installation est dédiée à un seul usage, la cuve peut être dimensionnée au plus juste pour les pièces habituellement nettoyées. Les cuves sur mesure sont alors les plus efficaces pour les pièces longues et étroites ou de forme inhabituelle. Les entreprises qui nettoient des pièces de forme irrégulière ont aussi intérêt à une cuve sur mesure. Sonixtek peut adapter le système de nettoyage par ultrasons, y compris la cuve, la fréquence et plus encore.

Pour un système destiné à de nombreuses applications différentes, la taille, la forme et même le poids des pièces à nettoyer doivent être soigneusement pris en compte. Le choix de la cuve est déterminant pour ne pas limiter la polyvalence du système.

Pour choisir une machine de nettoyage par ultrasons, partez de la plus grande pièce à nettoyer pour dimensionner la cuve. Il est aussi vivement conseillé de disposer d'un panier qui tient dans la cuve pour les pièces petites et délicates, afin qu'elles ne touchent pas les parois et le fond vibrants.

Les vibrations peuvent abîmer les pièces petites ou délicates si elles touchent les parois ou le fond de la cuve. Avec le temps, ce contact peut aussi rayer la surface de la cuve lorsqu'aucun panier ne sépare les pièces de la cuve. La cavitation peut se concentrer sur ces rayures, y creuser des trous et endommager la cuve à la longue. Placer ces pièces dans un panier évite ces dommages. Le panier doit alors être assez grand pour les pièces, et la cuve assez grande pour le panier. Le panier protège la cuve et est donc indispensable à une machine de nettoyage par ultrasons. C'est pourquoi Sonixtek fournit un panier avec chaque machine.

Les fonctions d'une machine de nettoyage par ultrasons

Les machines de nettoyage par ultrasons standard Sonixtek disposent de fonctions supplémentaires qui optimisent le procédé au-delà de la simple action mécanique. Leur équipement dépend de la série, et les modes sweep et dégazage ne sont pas de série sur toutes les machines : le dégazage, par exemple, est de série sur l'UMX Pro, la série AL et les appareils de paillasse STS, mais pas sur les séries ST, SF et AU. La page produit de chaque modèle indique ses fonctions.

Le mode sweep

Le nettoyage par ultrasons demande une puissance importante, répartie sur les nombreux transducteurs fixés aux parois verticales et au fond.

Si un générateur émet une seule fréquence fixe, certains transducteurs ne fonctionnent pas correctement, d'où de mauvaises performances, une surchauffe rapide et une dégradation de l'appareil.

Pour éviter ces problèmes, le générateur est doté du mode sweep, réglé en atelier et affiné sur site lors des essais finaux. On détermine la fréquence centrale effective et l'amplitude de variation nécessaire pour atteindre la résonance de chaque transducteur.

Le mode sweep fait légèrement varier la fréquence ultrasonore pour faire osciller la puissance, ce qui évite les points chauds, où la cavitation est intense, et les zones mortes, où elle est faible ou nulle. Avec le mode sweep, les pièces sont nettoyées de façon homogène. Il évite d'endommager les pièces très délicates et réduit les effets des ondes stationnaires dans la cuve.

Le mode dégazage

Le mode dégazage sert à chasser l'air emprisonné dans une solution de nettoyage neuve, qui freine la cavitation. Cette étape est possible même sur une machine sans mode dégazage : faites fonctionner la machine remplie, sans pièces, pendant 10 minutes, ce qui élimine l'air et les bulles emprisonnés.

C'est pourquoi il est important de dégazer une solution neuve avant de commencer le nettoyage ou la préparation d'échantillons. Tant qu'il n'est pas éliminé, l'air emprisonné dans une solution neuve perturbe la cavitation qui assure le nettoyage ou la préparation d'échantillons.

Les équipements de nettoyage par ultrasons

Les équipements vont du petit appareil de table aux très grands systèmes utilisés dans diverses applications industrielles. La taille de la cuve peut conditionner la réussite d'une application. L'application la plus simple ne demande parfois qu'une petite cuve. Mais il existe pour le nettoyage industriel des systèmes plus élaborés, avec rinçages, cuves de procédé supplémentaires et séchoirs à air chaud. L'automatisation s'ajoute souvent pour réduire la main-d'œuvre et garantir la constance du procédé. Les plus grandes installations utilisent des transducteurs immergeables, montés sur les côtés ou au fond de cuves de toutes tailles. Les transducteurs immergeables offrent une souplesse totale et une installation et un entretien faciles.

Les appareils de table

Les appareils de table sont en général plus petits et courants dans les cabinets médicaux et cliniques, les laboratoires et les bijouteries. Le monde universitaire utilise aussi des appareils de table pour la recherche. D'autres secteurs qui doivent nettoyer des pièces petites et délicates les emploient également.

Les machines de nettoyage par ultrasons industrielles

Les machines industrielles offrent plus de fonctions que les appareils de table pour répondre aux besoins intensifs de l'industrie. Sonixtek propose actuellement quatre séries de machines industrielles, chacune avec ses fonctions supplémentaires.

Ces machines industrielles sont conçues pour un nettoyage intensif. Leurs cuves plus grandes, jusqu'à 8000 litres, accueillent de grandes pièces et des machines. Par rapport aux appareils de table, elles offrent des fonctions supplémentaires élaborées qui complètent le nettoyage par ultrasons.

Parmi les fonctions ajoutées par Sonixtek à ses machines industrielles : systèmes de filtration, cuves tampons et séparation d'huile avec déshuileur. Les modèles avancés comprennent aussi des élévateurs, des systèmes à flux laminaire intégrés et une manutention pilotée par automate.

Les machines sur mesure

Lorsque la machine industrielle standard ne répond pas aux exigences de nettoyage, un large choix d'options existe pour des systèmes sur mesure. Par exemple, un système modulaire à cuves polyvalentes qui combine nettoyage par ultrasons, prélavage, cuve de rinçage, nettoyage par jet haute pression et séchage à air chaud.

Pour choisir la bonne machine industrielle, la cuve doit accueillir la plus grande pièce ou machine à nettoyer, et la puissance du système doit suffire à remplir la cuve d'ondes ultrasonores. Des cuves sur mesure sont parfois nécessaires pour des objets de forme inhabituelle, afin de réduire le volume de solution et la puissance.

Usages et applications

Avec la large gamme de machines, de solutions de nettoyage et de nouvelles fonctions disponibles, le nettoyage par ultrasons trouve de nombreuses applications dans différents secteurs, ce qui rend ces machines polyvalentes et fonctionnelles.

Applications industrielles

Les pièces usinées sortent de production avec des contaminations diverses. Lors de l'usinage, des traces de lubrifiant peuvent rester sur la pièce et capter la saleté tout au long du procédé de production ; il reste alors des particules sur les surfaces, et cette contamination est nuisible. Le brossage manuel est long et peut abîmer et rayer les surfaces. Le nettoyage par ultrasons peut le remplacer sur toutes les pièces, sans laisser de résidus ni de dommages sur les surfaces métalliques. Les machines de nettoyage par ultrasons industrielles offrent une solution économique et efficace à ces exigences.

Applications automobiles

Nettoyer des mécanismes variés et complexes est une opération longue qui fait partie du quotidien de l'industrie automobile.

Les pièces destinées à la construction automobile, à la reconstruction et à la réparation doivent être nettoyées à fond avant utilisation. Les pièces neuves de fabrication sont rarement contaminées, mais elles peuvent tout de même porter des traces de produits d'usinage et une contamination métallique. Les pièces de reconstruction et de réparation portent souvent d'épais dépôts de calamine ou de graisse. Parmi les autres contaminations du secteur : huile, résidus d'essence et contamination métallique.

Avec les méthodes traditionnelles, le nettoyage de ces pièces passe par un long trempage dans des produits chimiques agressifs, un lavage haute pression pour enlever les salissures épaisses, et un brossage et un grattage manuels pour les zones difficiles d'accès. Ce mode de nettoyage des pièces automobiles est coûteux et long.

Avec une machine de nettoyage par ultrasons pour l'automobile, les pièces ressortent exemptes de contaminants. Un fabricant expérimenté sait indiquer la bonne fréquence, la bonne puissance et le bon temps pour mener le nettoyage à bien. Avec le bon système et la bonne durée, même les zones difficiles à nettoyer retrouvent leur surface d'origine. Les pièces sont prêtes pour le montage final, et la qualité de production s'améliore.

Applications électroniques

En électronique, le nettoyage par ultrasons fait gagner du temps et améliore les résultats sans compromettre la sécurité. Il est efficace sur les cartes électroniques et les assemblages électriques.

Il aide à enlever la poussière, la saleté et la corrosion des cartes électroniques et autres composants, ce qui est essentiel car cela influe sur les performances de l'appareil.

Un système de nettoyage par ultrasons peut enlever sans risque et efficacement la pâte à braser et les résidus de flux des assemblages. Pour nettoyer des cartes électroniques après soudure à la vague, le plus simple est de commencer peu après le brasage, à condition que la carte soit redescendue sous 70 °C avant de lancer le nettoyage aux ultrasons.

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