Nettoyage et texturation laser dans les industries alimentaires
Les industries agroalimentaires ont besoin de méthodes de nettoyage pour éliminer les films d'oxyde, la graisse et la rouille des surfaces utilisées pour la pâtisserie, la cuisine, les barbecues, etc. L'utilisation de produits chimiques et de méthodes abrasives mécaniques est déconseillée, car elle peut endommager le substrat et laisser des résidus potentiellement dangereux pour la santé. De plus, pour appliquer un nettoyage chimique, il est nécessaire de démonter l'équipement, comme c'est le cas pour un moule de presse [Référence 1].
Le nettoyage laser est une méthode alternative qui présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes abrasives ou chimiques conventionnelles. Les lasers pulsés nanosecondes à commutation Q dans le proche infrarouge sont très efficaces pour éliminer les petites particules fortement adhérentes aux surfaces [Référence 1]. Des couches d'oxyde et de graisse peuvent se former sur les surfaces utilisées dans l'industrie du nettoyage et, pour des raisons d'hygiène, ces surfaces doivent être nettoyées régulièrement. Le nettoyage laser présente l'avantage d'être une méthode sans contact et peut être utilisé sur des surfaces délicates. La figure 1 montre une plaque de cuisson dont une couche de contaminant est éliminée à l'aide d'un dispositif de nettoyage laser.
Figure 1 : Élimination de la couche de contaminant d'une plaque de cuisson à l'aide d'un nettoyage laser
Les résidus de gomme, les pellicules de graisse et de rouille qui se forment sur les surfaces utilisées dans l'industrie agroalimentaire absorbent ou non le faisceau proche infrarouge. Les couches d'oxyde sont normalement absorbantes et les premières impulsions produisent une ablation photothermique. Le plasma qui en résulte, créant des micro-explosions, enlève la couche de la surface. Lorsque le substrat métallique est exposé, les impulsions suivantes se réfléchissent de manière diffuse sur le substrat. Si la couche supérieure est constituée de graisse, elle est totalement transparente au faisceau proche infrarouge. Le faisceau transmis atteint la couche d'oxyde sous-jacente et produit des micro-explosions qui, à leur tour, éliminent la graisse et la couche d'oxyde elle-même. La figure 2 illustre le processus de nettoyage laser d'une couche d'oxyde sur un substrat métallique.
Figure 2 : Principe du nettoyage au laser [Référence 2]
Une approche différente pour maintenir les surfaces propres et antibactériennes dans l'industrie agroalimentaire consiste à utiliser la texturation laser pour créer une topographie de surface hydrofuge [Référence 3]. Au lieu de nettoyer les surfaces au laser après qu'elles soient souillées par des bactéries, de la graisse, de la rouille et des films d'oxyde, pourquoi ne pas créer une topographie de surface hydrofuge, antibactérienne et résistante à la saleté ? La nature nous offre un exemple de ce type de surface avec les propriétés hydrofuges des feuilles de lotus. La topographie de surface des feuilles de lotus présente une structure périodique qui emprisonne des poches d'air et réduit ainsi la surface de contact entre le liquide et la surface. L'eau reste sous forme de gouttelettes sphériques, ce qui réduit l'adhérence des bactéries à la surface. La figure 3 illustre une structure périodique de feuilles de lotus et les gouttelettes d'eau sphériques à leur surface.
Figure 3 : Propriétés autonettoyantes des feuilles de lotus et topographie de leur surface
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La fabrication laser, utilisant des faisceaux de haute intensité à impulsions ultracourtes, permet de créer une surface texturée semblable à une feuille de lotus sur des surfaces plastiques ou métalliques, offrant ainsi des propriétés hydrofuges et antibactériennes. Les bactéries ne peuvent adhérer à ces surfaces, le contact entre le liquide et la surface étant minimal. La figure 4 illustre un exemple de surface texturée au laser ressemblant à une feuille de lotus.
Figure 4 : Surface texturée au laser [Référence 4]
La texturation de surface par laser (LST) pour créer des surfaces telles que celles illustrées à la figure 4 est généralement utilisée avec deux méthodes de fabrication laser différentes [Référence 4]. La première méthode, appelée photolithographie, utilise des lasers excimères pulsés émettant dans les UV et un masque sensible aux UV pour imprimer un motif sur une surface métallique ou plastique. La seconde méthode utilise des lasers Nd:YAG femtoseconde et un processus automatisé pour graver les motifs sur la surface [Référence 5]. Les lasers femtoseconde ont des effets thermiques minimes et conviennent au micro-usinage. La figure 5 présente un masque pour les applications de photolithographie ainsi qu'une configuration de micro-usinage utilisant un laser proche infrarouge femtoseconde [Référence 5].
Figure 5 : Masques pour applications de photolithographie (à droite) et d'usinage laser femtoseconde (à gauche) [Référence 5]
Dans l'industrie agroalimentaire, la texturation laser est particulièrement utilisée pour les grands récipients à lait [Référence 3]. Ces récipients doivent être nettoyés presque toutes les huit heures afin d'éviter la prolifération bactérienne à leur surface. Par conséquent, le processus de production doit être interrompu jusqu'à la fin du nettoyage. La texturation laser de l'intérieur de ces récipients empêcherait le dépôt de bactéries, permettrait de gagner du temps et de l'argent, tout en augmentant la productivité.
Allied Scientific Pro (ASP) propose plusieurs systèmes de nettoyage laser utilisant des lasers à fibre pulsés nanosecondes NIR de haute puissance moyenne, très efficaces pour le nettoyage des surfaces métalliques. L'industrie agroalimentaire peut utiliser ces systèmes pour préserver ses surfaces des contaminants. La figure 6 présente les systèmes de nettoyage laser proposés par ASP.
Figure 6 : Système de nettoyage LaserBlast-100
Le LaserBlast-100 Le système de nettoyage est doté d'un mécanisme galvanométrique avec optique qui lui permet de produire différentes formes de faisceau telles que linéaire, carré, circulaire, elliptique, etc., qui conviennent à différentes formes de surface.
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Références :
1- S.Prandoni et P. Salvadeo, Nettoyage laser industriel, Solutions laser industrielles pour la fabrication, 2002 (Article en ligne).
2- Site Web d'équipement de sablage Norton.
3- Luca Romoli, Les machines autonettoyantes pour l’industrie alimentaire se rapprochent, les nouveautés dans la technologie et la fabrication alimentaires, 2017 (Article en ligne).
4- Izhak Etsion, État de l'art en texturation de surface laser, Journal of tribology, 248, vol 27, 2005.
5- Chia-Lu Lee et.al, Utilisation d'un laser femto-seconde pour fabriquer des microstructures tridimensionnelles intérieures de haute précision dans une puce à flux polymère, biomicrofluidics 4(4):46502, 2010.