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23 Juli 2015 | La Revue POLYTECHNIQUE

Nettoyage optimal et efficacedes surfaces

Qu’il s’agisse d’outils, d’implants, d’instruments chirurgicaux pour les interventions mini-invasives et les opérations chirurgicales classiques – le retrait des impuretés issues de la fabrication de pièces (telles que les substances de traitement, les antiagglomérants, les particules et les bavures) est devenu de plus en plus important au cours de ces dernières années. Le nettoyage final a pour but d’atteindre un haut niveau de propreté particulaire et filmique ainsi qu’un haut niveau de compatibilité biologique. De plus, le processus de nettoyage ne doit altérer ni les surfaces, ni les caractéristiques des produits.
En revanche, le nettoyage final classique chimique par voie humide montre souvent ses limites, notamment dans le cas de pièces présentant des géométries complexes et des contours difficiles, comme les alésages borgnes et les contre-dépouilles. Ceci s’explique principalement par le rinçage insuffisant des surfaces des matériaux dans ces zones. Ceci étant, il en résulte un nettoyage imparfait des surfaces, tandis que l’évacuation des impuretés décollées est rendue plus difficile. Autre aspect à considérer: après le nettoyage, d’autres étapes de processus (comme l’étape d’enduction) doivent encore être effectuées. Ce faisant, il s’avère nécessaire de recourir à des procédés de nettoyage innovants, tels que le nettoyage cryogénique de l’entreprise acp, qui permette d’améliorer la qualité du nettoyage.
 
Principe du nettoyage à neige carbonique.
(Illustration: acp)
 

Étude de validation du procédé de nettoyage
Dans le cadre d’un projet en collaboration, l’Institut de médecine et des sciences naturelles de l’université de Tübingen (NMI) a effectué des études sur l’applicabilité, la performance et le caractère approprié des procédés de nettoyage innovants, comme le nettoyage cryogénique et le nettoyage au plasma. En parallèle, un procédé chimique par voie humide, validable et destiné aux équipements médicaux a été présenté, dans la perspective d’une possible intégration de ces technologies de nettoyage dans un processus de nettoyage existant. Les participants au projet provenaient des secteurs des produits médicaux et des processus de nettoyage.
La performance de nettoyage a été déterminée en comparant l’état de pureté d’échantillons contaminés de façon définie, avant et après le nettoyage. Pour ce faire, différents ensembles présentant des géométries difficiles à nettoyer ont été examinés (alésage borgne, contre-dépouilles, alésage de canule avec un rapport longueur/diamètre important, alésage borgne avec contre-dépouille et alésage borgne avec contre-dépouille et filetage). Ces ensembles étaient fabriqués en acier inoxydable et en titane, avec différentes structures de surface, et en PEEK. Une fois les échantillons fabriqués, ceux-ci ont été soumis à une caractérisation de leurs matériaux, à un nettoyage de base ainsi qu’à une caractérisation supplémentaire de leurs matériaux. Ces procédés ont nécessité l’utilisation de la spectroscopie photoélectronique aux rayons X (XPS), la microscopie optique (MO) et la microscopie électronique par balayage (MEB). Les échantillons ont ensuite été contaminés de façon définie, de manière particulaire et filmique, avant de subir un nettoyage chimique par voie humide et une caractérisation de leur matériau. Ils ont alors été soumis à un nettoyage cryogénique ou à un nettoyage au plasma. Les échantillons ont uniquement été nettoyés au plasma et au dioxyde de carbone.
L’examen final de la propreté, de la réduction particulaire, de la cytotoxicité (via la méthode BCA) et de la fonctionnalité (structures de surface) a permis de constater que la combinaison du nettoyage chimique par voie humide puis du nettoyage cryogénique avec le système acp atteignait les meilleurs résultats en matière de propreté, et ce, pour tous les échantillons métalliques. Cette méthode s’avère donc tout à fait indiquée pour le nettoyage ciblé de contours difficiles ou de certaines zones fonctionnelles, en aval du nettoyage chimique par voie humide, selon le principe du One Piece Flow. Ceci permet d’augmenter la vitesse de fonctionnement de l’installation de nettoyage, et donc sa rentabilité.
 
Jet de neige carbonique et air acp-system avec buses et substrats à nettoyer.
(Illustration: acp)
 

Un nettoyage doux, sec et sans résidu
Le nettoyage cryogénique est basé sur l’utilisation du dioxyde de carbone sous forme liquide. Celui-ci est un sous-produit qui est obtenu par exemple lors de processus chimiques ou de la fabrication de biogaz. Il est acheminé dans des bouteilles ou des réservoirs en vue de son utilisation pour le nettoyage. La bonne performance du nettoyage s’explique par le mode d’action spécial du système de nettoyage breveté d’acp. L’un de ses éléments clés: une buse annulaire supersonique bi-composant. Le dioxyde de carbone liquide est guidé par la buse, et se détend pour sortir sous forme de mélange neige/gaz. De l’air comprimé est ajouté afin «d’envelopper» le jet central, ce qui provoque l’accélération des cristaux de neige carbonique (ininflammables et non toxiques) jusqu’à la vitesse supersonique. La faible dureté de la fine neige carbonique permet en outre de nettoyer les composants les plus sensibles ainsi que les structures en filigrane, tout en ménageant le substrat.
Lorsque le jet de neige carbonique – facilement focalisable – atteint la surface à nettoyer, il se produit un effet thermique, mécanique et de sublimation.
 

Echantillon d’acier inox 1.4441; polissage électrolytique nettoyage de base.
(Illustration: NMI)
Echantillon après nettoyage avec acp-system et neige carbonique.
(Illustration: NMI)
 

Effet thermique

Présentant une température d’environ -78,5 °C, le fluide froid projeté refroidit brutalement la couche supérieure de la surface, ce qui entraîne le détachement des impuretés. L’écart entre les coefficients de dilatation thermique du matériau et des impuretés favorise ce mécanisme d’action. La basse température du processus de nettoyage cryogénique présente également une action bactériostatique et favorise la réduction des germes sur les surfaces.
 
Effet mécanique
Il entraîne le décollement des particules de saleté du substrat. Grâce à l’énergie cinétique du dioxyde de carbone et du jet d’air comprimé, les particules de saleté décollées sont évacuées.
 
Effet de sublimation
Cet effet vient assister les deux autres effets cités au moyen d’ondes de pression qui agissent directement sur la surface du composant. Ces ondes se forment suite à l’augmentation de volume du CO2, lorsque celui-ci passe de l’état solide à l’état gazeux. En même temps, le dioxyde de carbone, qui fait office de solvant durant cette phase, permet également d’éliminer les contaminations non polaires.
Le CO2se sublimant entièrement sous l’action de la pression atmosphérique, aucun résidu de produit de nettoyage ni aucun déchet secondaire ne reste sur le composant à nettoyer, et celui-ci est immédiatement sec.
 
Contre-dépouille dans un composant nettoyé avec traitement chimique humide et acp-system neige carbonique.(Illustration: NMI)
Contre-dépouille dans un composant nettoyé avec un traitement chimique humide.
(Illustration: NMI)
 

Un procédé flexible aux multiples applications
Le nettoyage cryogénique permettant d’éliminer les impuretés particulaires et filmiques (le silicone également) de la quasi-totalité des matériaux, de façon sûre et reproductible, il offre un large éventail d’applications dans le domaine des technologies médicales. Et ce, qu’il s’agisse du nettoyage d’instruments et d’implants, ou bien de composants mécatroniques. Ce procédé permet, par exemple, d’effectuer le nettoyage sélectif de surfaces de contact et de fixation, de points de collage ou de zones soudées, avant et après le soudage. Étant donné que le nettoyage s’effectue à sec, il peut aussi être réalisé sur les composants et modules conducteurs d’électricité, ainsi que sur les pièces en plastique. Les paramètres de processus, tels que l’intensité de jet et la durée, peuvent être ajustés avec précision en fonction de l’application, des caractéristiques du matériau et des impuretés à éliminer, et être sauvegardés dans la commande de l’installation afin d’être réutilisés ultérieurement.
L’automatisation simple permet également une intégration sans souci dans les lignes de production, ce qui est facilité par le faible encombrement de l’installation; en effet, une unité de nettoyage cryogénique d’acp nécessite une surface minimale d’environ 20 x 20 cm (système d’aspiration pour les impuretés éliminées inclus). Il est également possible de réaliser des systèmes pour salle blanche, selon l’application visée; pour ce faire, on a recours à un système de salle blanche local (MENV) et à un système d’aspiration spécialement adapté.
 
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