Les Ultrasons de Puissance

La très grande variété des applications des ultrasons ne permet pas d’en faire une description exhaustive. Il faut considérer ceux-ci comme une forme d’énergie particulière dont les propriétés sont multiples selon la manière de les mettre en œuvre.
Le tableau ci-dessous résume les principaux effets induits et quelques applications :

Milieu d’interaction, phénomène et exemples d’applications :

Les Liquides :

Cavitation

  • Nettoyage
  • Décontamination
  • Traitement des liquides et formulation
  • Sonochimie
  • Traitement et réduction des déchets

Atomisation

  • Humidification, pulvérisation Liquide
  • Production de poudres,

Les Solides :

Echauffement

  • Soudage plastique,
  • Soudage textile
  • Soudage métallique,

Vibration

  • Tranchage, découpe
  • Usinage,

Les Poudres :

Vibration

  • Dépoussiérage de pièce mécanique,
  • Décolmatage,
  • Tamisage,
  • Dosage de poudres,
  • Transport de poudres,

Les Gaz :

Pression acoustique

  • Dépoussiérage,
  • Démoussage ou defoaming,
  • Agglomération de particules.

Les ultrasons dans les fluides : la cavitation

L’action des ultrasons dans les milieux liquides repose sur le phénomène de cavitation : création, croissance et implosion de bulles formées lorsqu’un liquide est soumis à une onde de pression. Il en résulte un choc de pression au voisinage de la bulle et la formation d’un microréacteur thermochimique à l’intérieur de la bulle.

bulle de cavitation | SinapTecaPour que la cavitation acoustique ait lieu, un seuil de puissance doit être atteint. Ce seuil est de l’ordre de 0.5W/cm² à 20 kHz pour l’eau à pression atmosphérique et de l’ordre de quelques W/cm² pour les solvants organiques. L’amplitude de la dépression à fournir pour permettre d’atteindre le seuil de cavitation dépend de plusieurs paramètres : plus la viscosité du milieu (donc la cohésion interne du liquide) est élevée, plus la cavitation est difficile à obtenir du fait que les particules sont plus difficilement séparables.

Dans les milieux liquides, la cavitation acoustique est à l’origine des effets des ultrasons de puissance.

Nettoyage ultrasons

Si durant leur évolution, les bulles de cavitation rencontrent une surface solide, elles implosent sur cette surface en formant des microjets de liquide très violents (100 m/s) qui décapent la surface solide.

Afin d’obtenir la meilleure qualité de nettoyage et respecter les contraintes de l’application, il convient de bien choisir :

  • la puissance ultrasonore de l’ordre de 5 à 20 W / litre de bain
  • la fréquence ultrasonore : 25 kHz (Nettoyage puissant de surfaces dures, très souillées), 40 kHz (Nettoyage fin des surfaces tendres), et jusqu’à 1 à 2 MHz pour le nettoyage de wafer de silicium
  • le détergent (neutre, acide ou base) pour favoriser la dissolution des salissures sans détériorer la pièce à nettoyer
  • la température de bain, en général entre 40 et 60 °C
  • la durée de nettoyage qui varie de quelques secondes pour du dégraissage à quelques heures pour le décapage

Les avantages du nettoyage ultrasons sont :

  • ECO-logique : à la fois écologique et économique
  • une alternative aux solvants avec des détergents biodégradables
  • une baisse des temps de nettoyage
  • un nettoyage de précision, performant et sans effort

Traitement des liquides et formulation ultrasons

A très fort niveau de puissance (50 W à 1 kW/L), les effets mécaniques de la cavitation sont utilisés pour des traitements de liquides :

  • le dégazage,
  • la catalyse de réactions chimiques,chimiluminescence ultrasons | SinapTec
  • l’homogénéisation ultrasons,
  • l’émulsion / émulsification ultrasons,
  • mélange intime par les courants de convection, même pour les produits visqueux jusqu’à 400 Pas,
  • l’extraction d’enzymes, d’ADN,
  • la lyse ou destruction de bactéries,
  • la lyse de cellules,
  • la formulation,
  • l’électrochimie,
  • la désagglomération ultrason,
  • l’extraction

Sonochimie

Le phénomène de cavitation est également exploité pour des réactions chimiques :

  • la catalyse de réactions chimiques, la formation de radicaux libres
  • l’électrochimie
  • la cristallisation d’alcaloïdes, de glucosides, de parfums, de jus de fruits, d’huiles essentielles
  • l’amélioration des contraintes opératoires : température et pression nécessaires moins importantes
  • l’amélioration des rendements et de la pureté des produits

Pulvérisateur d’aérosol par ultrasons

Les générateurs d’aérosols à ultrasons sont utilisés entre autre pour :

  • embase ultrasons | SinapTecTest d’efficacité, de ventilation
  • Dépôt en couches minces
  • Mesure d’aérocontaminant
  • Encensement de milieux
  • Humidification
  • Traitement des odeurs, désinfection de locaux
  • Caractérisation et surveillance de filtres
  • Aérosols médicamenteux

 

Les avantages de cette technologie sont :

  • pas de nuisance sonore
  • taille des gouttelettes précise et maîtrisée par la fréquence ultrasons
  • flux directif

La production d’aérosols est basée sur le comportement d’une fine couche de liquide en contact avec une surface vibrante. Au-delà d’une certaine amplitude vibratoire, des gouttelettes sont arrachées à la surface du liquide. Le diamètre des gouttelettes est en relation avec la fréquence ultrasonore et les caractéristiques du fluide (densité, viscosité, tension de surface).

L’évolution de la dimension des gouttelettes en fonction de la fréquence est représentée ci-après pour de l’eau :

  • à 20 kHz, le diamètre moyen est égal à 80µm. Ce diamètre est de l’ordre de 3 µm à 2 MHz.
  • dans la gamme de fréquence comprise entre 20 kHz et 80 kHz, le liquide est pulvérisé dès le contact de la surface vibrante.
  • dans la gamme haute fréquence (>250 kHz), le transducteur ultrasons est placé au fond d’un volume de liquide. Le champ acoustique produit une fontaine à la surface de laquelle se développe un aérosol.

En comparaison avec la nébulisation pneumatique, la génération d’aérosols par ultrasons présente plusieurs avantages :

  • La taille des gouttelettes est très bien définie. Elle dépend de la fréquence de résonance du système piézoélectrique et de la nature de la solution fluide à nébuliser.
  • La distribution de taille des aérosols est dispersée avec un écart type de l’ordre de 1,4.
  • Le débit de l’aérosol peut facilement être ajusté sur une large bande en jouant sur l’excitation du signal de puissance, sans altération de la distribution granulométrique. Des particules solides de granulométrie donnée peuvent être obtenues en séchant l’aérosol d’une solution donnée.

L’assemblage de matériaux thermofusibles

L’assemblage par ultrasons est l’un des procédés les plus utilisés dans l’industrie des pièces thermofusibles :

  • plastiques (polyester, polyamide, polypropylène, acrylique ou l’ensemble de ces fibres mélangées à la hauteur d’au moins 50% avec des fibres naturelles : coton, viscose…)
  • textiles à base de fibres synthétiques (tissées et non-tissées)
  • textiles de fibres en matériaux spéciaux (fibre de carbone, de verre, d’aramide)

Principe

Les principales caractéristiques de l’assemblage ultrasons sont la propreté du résultat obtenu et la rapidité d’exécution. La durée du process peut-être inférieure à la seconde pour le soudage par point.

Le principe de l’assemblage consiste à associer une pression d’appui à la vibration ultrasonore. L’énergie ultrasons, compte tenu des caractéristiques des matériaux, produit un échauffement intense dans la matière. Elle fusionne à l’interface de l’assemblage. Aucun agent de soudage n’est nécessaire. La force de pression est produite manuellement ou par un vérin. L’amplitude de vibration de la sonotrode requise pour souder dépend du matériau et de la forme géométrique de la sonotrode. Les matériaux semi-cristallins requièrent en général de plus hautes amplitudes (25-50 μm) que les matériaux amorphes (10-30 μm).

L’amplitude nécessaire est généralement confirmée par des essais et réglages successifs du matériel.

Différents types d’assemblage

Le choix du profil de la sonotrode et du contre-outil permettent d’obtenir une multitude d’effets.

En plaçant un contre outil plat, une action de soudage est obtenue. Il s’agit de fournir une énergie de coupe suffisante pour couper sans effort trop important afin d’éviter de délaminer le matériau (fibre de carbone). Le soudage s’effectue sur des matériaux dont l’épaisseur est limitée à quelques millimètre.
Avec un contre outil possédant un angle faible, le système réalise une coupe seule ou du poinçonnage.
Si l’angle du contre outil est faible, il s’agit d’une coupe soudante, permettant d’éviter l’effilochage de la lisière des fibres textiles.
L’assemblage ultrasons est aussi mis en œuvre pour le soudage en continu grâce à des outils ultrasons rotatifs, généralement pour des matériaux minces. La vitesse de soudage dans ce cas peut varier de quelques mètres à plus de deux cents mètres par minute. La puissance mise en œuvre pour les systèmes ultrasons est ajustée à la vitesse de défilement du produit, à la densité du matériau et à son épaisseur.

Les avantages de cette technologie de soudage sont :

  • Netteté et propreté de la soudure, de la découpe, pas de brûlure, d’effilochage
  • Découpe sans effort
  • Réalisation de marquage avec contre-outils appropriés
  • Rapidité d’exécution

Soudage échantillons | SinapTec ultrasonics

Coupe nette et sans effort

Le tranchage par ultrasons est aujourd’hui bien introduit dans le secteur de l’agroalimentaire. Cette technique présente de nombreuses qualités qui la rendent compétitive par rapport aux techniques, comme le jet d’eau qui peut générer une légère humidité sur les produits et induit un coût élevé d’installation et d’entretien.

Le procédé de tranchage par ultrasons consiste à faire vibrer une lame affûtée. Ces vibrations à 20 kHz dont l’amplitude atteint 30 à 100 microns facilitent la découpe car la lame s’insère dans le produit sans forcer ni le comprimer. La lame est par ailleurs en permanence auto-nettoyée ce qui simplifie l’entretien de l’outil de coupe et permet de découper des produits collants. Le tranchage s’effectue sans déchets.

Les avantages de la découpe à ultrasons :

  • coupe sans arrachement de matière, meilleure qualité de finition, économie de produit
  • diminution de la force d’introduction dans la matière, meilleur rendement, moins d’usure de lame
  • adapté à tous produits alimentaires en plaque, pièce, bande, nappe, rond, bloc, pain
  • pas de collage ni d’encrassement de la lame
  • faible coût d’exploitation
  • entretien facile, faible coût de maintenance

Deux méthodes sont généralement mises en œuvre pour l’opération de tranchage : le tranchage par guillotine ou en continu.

Tranchage par guillotine ou massicot

Une lame sonotrode dont la section est triangulaire produit une vibration ultrasonore à son extrémité. Cette lame est enfoncée par un mouvement mécanique dans le produit. Le système permet de découper des bandes dans la continuité d’une chaîne de fabrication.

Tranchage rotatif

Brevet SinapTec

La technique consiste à utiliser une lame circulaire entraînée. Le dispositif de tranchage utilise un générateur ultrasons classique, qui, par un système de couplage approprié au centre du disque, permet de mettre en vibration la surface du disque et son extrémité tranchante.

Les avantages du tranchage rotatif sont :

  • une épaisseur de coupe importante grâce à la mise en œuvre de lames disques dont le diamètre peut atteindre 300 mm avec une épaisseur de lame de l’ordre de 2 mm,
  • une vitesse de coupe qui atteint plusieurs mètres minute sans difficulté pour de nombreux matériaux,
  • la vibration particulière des lames qui rend possible la réalisation d’un tranchant très fin par comparaison au système à guillotine, une plus grande facilité de mise en œuvre du point de vue cinématique : seul un entraînement rotatif est nécessaire pour assurer un tranchage de qualité. Par ailleurs, il a été remarqué que le réglage de la vitesse de rotation n’est pas très critique par rapport à la vitesse de défilement du produit.

Le tamisage par ultrasons

La vibration ultrasons permet de réduire les coefficients de frottement de pièces entre elles ou d’améliorer l’écoulement de poudres.

Le tamisage à ultrasons est particulièrement efficace pour améliorer :

  • le débit de tamisage
  • le broyage d’agglomérés
  • la proportion de produit en excédent
  • l’auto-nettoyage permanent de la toile

Soufflage par ultrasons

La technologie ultrasons produit devant la sonde un phénomène de vent acoustique sans déplacement de gaz : la focalisation des ondes acoustiques produite par la sonde permet de créer à quelques cm devant celle-ci un champ de pression. Ce dernier est suffisamment fort pour déplacer des particules en suspension dans le gaz ou sur une surface.
L’originalité de ce procédé réside dans le fait que ce vent acoustique est sans contact.La propagation des ondes ultrasonores dans les gaz est limitée par l’absorption très importante du milieu : la transmission d’une onde ultrasonore d’un milieu solide vers un gaz est inférieure à 0,1%.
Malgré ces inconvénients, la production d’ultrasons de forte intensité dans le gaz permet de développer diverses applications :

La lévitation d’une gouttelette est obtenue en réalisant un champ d’ondes stationnaires entre un émetteur ultrasons et un réflecteur.

L’élimination des mousses produites au cours du remplissage de liquides a été mise en œuvre avec succès sur des lignes de production, mais aussi sur de plus grands volumes (cuves…).

L’agglomération à ultrasons permet la croissance de fines particules (diamètre inférieur à 2 microns) mises en suspension. Les particules plus importantes sont ainsi plus faciles à filtrer par des procédés traditionnels.

Le soufflage inerte est utilisé pour le décolmatage de filtres, le dépoussiérage, la décontamination à sec, le démoussage… Ce procédé est particulièrement intéressant dans les milieux confinés comme les salles blanches, l’agro-alimentaire, le nucléaire. Le soufflage inerte à ultrasons est particulièrement intéressant dans les environnements confinés, lorsque l’air comprimé ne peut être utilisé par exemple.