Ny inspektionsproces fryser dele i is

"Hvordan i alverden fik de det?" spørger Francesco Simonetti, kommenterer en isskulptur af en svane.

Simonetti beundrer ikke kunstværket i at forme en isblok til en fugl. Han beundrer svanens krystalklare gennemsigtighed.

Simonetti, en professor i luftfartsteknik ved University of Cincinnati, er ekspert i lydbølger, men på det seneste har han været lærling i is. Og når det kommer til lydbølger, jo klarere is, des bedre.

Simonetti offentliggjorde for nylig en ny tilgang, der bruger ultralyd til at inspicere additivfremstillede dele:Han dypper delen i vand og fryser den inde i en cylinder med is. Isen fungerer som et koblingsmedium, lade ultralydsbølger komme ind og reflektere mod delens potentielle defekter.

For at beskrive denne gruppering af ultralyd og is, Simonetti opfandt udtrykket cryoultrasonics. Cryoultrasonics kan have en dramatisk indflydelse på industrien, sikre, at additivproducenter bygger pålidelige dele.

Værket dukkede op denne måned i NDT &E International , en af ​​de førende tidsskrifter inden for ikke -destruktiv testning og evaluering.

Problemer overflade

Simonetti bruger kryoultrasonics til at inspicere sikkerhedskritiske dele, som metaldele i jetmotorer eller kraftværker. Fordi menneskers liv er på spil, ingeniører skal være i stand til at opdage eventuelle defekter i disse dele, før de bruges i praksis.

I traditionel subtraktiv fremstilling, ultralydstest fungerer fint. En producent starter med en solid blok af materiale, hvilke ingeniører kan teste for defekter ved at sende ultralydsbølger igennem den.

Men nye teknologier, ligesom additiv fremstilling, udfordre denne tilgang. Additivproducenter bygger en ønsket del ikke ved at trække fra en blok, men ved at tilføje lag på lag. Ultralydbølger hopper ud af vinklerne og kurverne på disse nye dele, i stedet for de potentielle revner eller defekter.

"Lyd har brug for et koblingsmedium for at sprede sig fra en kildetransducer til volumen på en del, "siger Simonetti." Når kontrasten i mekaniske egenskaber mellem koblingsmediet og delen er stor, der kommer meget lidt energi ind, og det virker ikke. "

Mange mennesker har testet vand som et koblingsmedium. De nedsænkede delen i vand og sendte ultralydsbølger igennem den. Vands mekaniske egenskaber, imidlertid, er meget forskellige fra metaller. Meget lidt ultralydsenergi kan endda nå det.

Så Simonetti blev til is.

"Bor i Cincinnati, du fjerner altid is fra køremåden. Jeg blev nysgerrig efter at se, hvad isegenskaberne var, «siger Simonetti.

"Vi prøvede alle de konventionelle teknikker, og intet ville fungere. På det tidspunkt, vi ledte efter desperate foranstaltninger, og jeg tænkte bare, 'Hvorfor prøver vi ikke?' "

Simonetti fryser metaldelen i en iscylinder og sender derefter ultralydsbølger gennem den. Da isens fysiske egenskaber meget ligner metaldelens, bølgerne passerer let gennem isen og indkapslet metal og opfanger eventuelle defekter i delen. Når han er færdig, isen smelter simpelthen.

Det er i hvert fald tanken.

"De første forsøg var katastrofale, «siger Simonetti.

For at is kan fungere som et effektivt koblingsmedium, det skal være krystalklart - Hvis der er revner eller bobler, ultralydsbølger afspejler defekterne i isen frem for defekterne i delen.

Men is er ikke krystalklar. Det er grumset og brudt. Send en ultralydsbølge igennem den, og bølgen hopper i 15 retninger. Det er endnu værre for større isblokke, ligesom dem, der er nødvendige for at indkapsle nogle af disse metaldele.

Simonetti havde brug for at finde en måde at fryse is omkring delen, samtidig med at isen var gennemsigtig. Det betød at få en særlig maskine, der frøs is uden at forårsage bobler eller revner.

"Selvfølgelig, vi måtte bygge denne ting, " han siger.

Simonetti lavede denne brugerdefinerede ismaskine i hånden, kombinere ting købt på Amazon som bageplader, gitter og spindler. Det er som et videnskabskøkken, men det gør jobbet. Det job er at tackle de to forhindringer, der forhindrer dannelsen krystalklar is:revner og bobler.

Revner dannes, fordi vand ekspanderer, når det størkner. Vand fryser udefra, danner en fast isskal med flydende kerne. Når kernen størkner, den har en tendens til at ekspandere mod skallen, som forårsager en opbygning af interne kræfter, der fører til revner.

For at forhindre denne revner, Simonetti har lavet en cylinder med metalbund og plastsider. Simonetti lægger metaldelen, han inspicerer inde i cylinderen, og fylder den med vand. Han nedkøler derefter metalbasen, som får vandet til at fryse fra bund til top. Vandet størkner til sidst omkring metaldelen og udvider sig til den åbne top af en cylinder, frem for siderne.

Bobler er lidt vanskeligere. Der findes opløst luft i vand. Når vand fryser, det fjerner den overskydende luft. Denne overskydende luft ophobes på frysefronten, eller hvor vandet bliver til is, for at danne bobler.

"For at forhindre dette fænomen du skal simpelthen reducere koncentrationen af ​​luft oven på frysefronten. At gøre det, vi rører vandet for at få konstant strøm, «siger Simonetti.

For at skabe dette konstante flow, Simonetti bruger en spindel. Ved at holde vandet i bevægelse, overskydende luft akkumuleres aldrig, og boblerne dannes aldrig.

Resultatet er en metaldel indkapslet af en blok af krystalklar is, konkurrerer med selv den klareste isskulptur. Simonetti kan uhindret sende ultralydsbølger gennem denne blok for at måle en metaldels sikkerhed. Når han er færdig, han sætter simpelthen delen under vand, og isen smelter lige af.

Simonetti indrømmer, at is kun er et skridt fremad i inspektionen af ​​disse kritiske sikkerhedsdele. Is er et godt koblingsmedium, fordi det har lignende egenskaber som metal, men det er stadig ikke præcist.

"Ideelt set hvis koblingsmediet var fremstillet af samme materiale som delen, det ville være perfekt, "siger Simonetti." Men det er ikke praktisk med noget som flydende titanium. Eksperimentelt, du kunne ikke fjerne det. "

Simonetti eksperimenterer nu med nanopartikler for at skabe is, der mere ligner egenskaberne ved en metaldel. Ideen er at fryse suspensioner af nanopartikler ned i vandet for at gøre isen tættere, tungere og mekanisk stærkere.

Simonetti tager imod opkald fra mange brancher, herunder ingeniørfirmaer, bilproducenter og militæret. Han mener, at publikationen har hjulpet med at fastslå legitimitet i hans kryoultrasoniske tilgang, samt begrænse skepsis. Han, også, tvivlede først på tilgangen.

"Det er helt nyt. Når du har noget, der er så nyt, der er mange skeptikere fra det akademiske samfund, "siger han." Når du fryser vand, det ser frygteligt ud. Du tænker, 'Dette kommer ikke til at fungere.' "

Simonetti trækker den færdige isblok ud af fryseren for at inspicere. Isen omslutter metaldelen fuldstændigt. Da Simonetti holder isen op, han kan se lige igennem det. Det er lige så klart som en isskulptur af en svane og, på en eller anden måde, lige så imponerende.