'Hoe hebben ze dat in hemelsnaam gemaakt?' vraagt ​​Francesco Simonetti, commentaar op een ijssculptuur van een zwaan.

Simonetti bewondert niet de kunst van het vormen van een ijsblok tot een vogel. Hij bewondert de kristalheldere transparantie van de zwaan.

Simonetti, een professor lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Universiteit van Cincinnati, is een expert in geluidsgolven, maar de laatste tijd is hij een leerling in ijs geweest. En als het om geluidsgolven gaat, hoe helderder het ijs, des te beter.

Simonetti publiceerde onlangs een nieuwe benadering die ultrageluid gebruikt om onderdelen die door additieven zijn vervaardigd te inspecteren:hij doopt het onderdeel in water en bevriest het in een cilinder van ijs. Het ijs fungeert als koppelingsmedium, laat ultrasone golven binnenkomen en reflecteren tegen de mogelijke defecten van het onderdeel.

Om deze groepering van ultrageluid en ijs te beschrijven, Simonetti bedacht de term cryo-ultrasonics. Cryoultrasonics kan een dramatische invloed hebben op de industrie, ervoor te zorgen dat fabrikanten van additieven betrouwbare onderdelen bouwen.

Het werk verscheen deze maand in NDT&E Internationaal , een van de toonaangevende tijdschriften op het gebied van niet-destructief testen en evalueren.

Problemen komen naar boven

Simonetti gebruikt cryoultrasonics om veiligheidskritieke onderdelen te inspecteren, zoals metalen onderdelen in straalmotoren of krachtcentrales. Omdat er mensenlevens op het spel staan, ingenieurs moeten eventuele defecten aan deze onderdelen kunnen detecteren voordat ze in de praktijk worden gebruikt.

Bij traditionele subtractieve productie echografie testen werkt prima. Een fabrikant begint met een stevig blok materiaal, die ingenieurs kunnen testen op defecten door er ultrasone golven doorheen te sturen.

Maar nieuwe technologieën, zoals additieve fabricage, deze aanpak uitdagen. Fabrikanten van additieven bouwen een gewenst onderdeel niet door een blok af te trekken, maar door laag op laag toe te voegen. Ultrasone golven weerkaatsen op de hoeken en rondingen van deze nieuwe onderdelen, in plaats van de mogelijke scheuren of defecten.

"Geluid heeft een koppelingsmedium nodig om zich van een brontransducer naar het volume van een onderdeel te verspreiden, ", zegt Simonetti. "Als het contrast in mechanische eigenschappen tussen het koppelingsmedium en het onderdeel groot is, er komt heel weinig energie binnen, en het werkt niet."

Veel mensen hebben water als koppelingsmedium getest. Ze dompelden het onderdeel onder in water en stuurden er ultrasone golven doorheen. De mechanische eigenschappen van water, echter, zijn heel anders dan metalen. Zeer weinig ultrasone energie kan zelfs het onderdeel bereiken.

Dus Simonetti veranderde in ijs.

"Wonen in Cincinnati, je verwijdert altijd ijs van de oprit. Ik werd nieuwsgierig om te zien wat de ijseigenschappen waren, ' zegt Simonetti.

"We hebben alle conventionele technieken geprobeerd en niets zou werken. Op dat moment, we zochten wanhopige maatregelen, en ik dacht gewoon, 'Waarom proberen we het niet?'"

Simonetti bevriest het metalen onderdeel in een cilinder van ijs en stuurt er vervolgens ultrasone golven doorheen. Omdat de fysieke eigenschappen van ijs sterk lijken op die van het metalen onderdeel, de golven gaan gemakkelijk door het ijs en het omhulde metaal en pikken eventuele defecten in het onderdeel op. Als hij klaar is, het ijs smelt gewoon.

Dat is tenminste het idee.

"De eerste pogingen waren rampzalig, ' zegt Simonetti.

Om ijs te laten fungeren als een effectief koppelingsmedium, het moet glashelder zijn - als er barsten of luchtbellen zijn, ultrasone golven zullen weerkaatsen op de defecten in het ijs in plaats van op de defecten in het onderdeel.

Maar ijs is niet glashelder. Het is bewolkt en gebroken. Stuur er een ultrasone golf doorheen en de golf stuitert in 15 richtingen. Het is nog erger voor grotere ijsblokken, zoals die nodig zijn om sommige van deze metalen onderdelen te omhullen.

Simonetti moest een manier vinden om ijs rond het onderdeel te bevriezen en het ijs transparant te houden. Dat betekende een speciale machine die ijs bevroor zonder bellen of scheuren te veroorzaken.

"Natuurlijk, we moesten dit ding bouwen, " hij zegt.

Simonetti heeft deze ijsmachine op maat met de hand gemaakt, het combineren van dingen die op Amazon zijn gekocht, zoals bakpannen, roosters en spindels. Het is als een wetenschappelijke keukenset, maar het doet zijn werk. Die taak is om de twee obstakels aan te pakken die de vorming van kristalhelder ijs verhinderen:scheuren en bellen.

Er ontstaan ​​scheuren doordat water uitzet als het stolt. Water bevriest van buitenaf, het vormen van een solide ijsschelp met een vloeibare kern. Naarmate de kern stolt, het heeft de neiging uit te zetten tegen de schaal, wat een opeenhoping van interne krachten veroorzaakt die tot scheuren leidt.

Om dit kraken te voorkomen, Simonetti heeft een cilinder gemaakt met een metalen voet en kunststof zijkanten. Simonetti stopt het metalen onderdeel dat hij aan het inspecteren is in de cilinder en vult deze met water. Hij koelt dan de metalen basis, waardoor het water van onder naar boven bevriest. Het water stolt uiteindelijk rond het metalen deel en zet uit naar de open bovenkant van een cilinder, in plaats van de zijkanten.

Bubbels zijn iets lastiger. Opgeloste lucht bestaat in water. Als water bevriest, het verdrijft de overtollige lucht. Deze overtollige lucht hoopt zich op aan het vriesfront, of waar het water in ijs verandert, bellen te vormen.

"Om dit fenomeen te voorkomen, je hoeft alleen maar de luchtconcentratie bovenop het vriesfront te verminderen. Om dat te doen, we roeren het water om een ​​constante stroom te hebben, ' zegt Simonetti.

Om deze constante stroom te creëren, Simonetti gebruikt een spindel. Door het water in beweging te houden, de overtollige lucht hoopt zich nooit op en de bellen vormen zich nooit.

Het resultaat is een metalen onderdeel omhuld door een blok kristalhelder ijs, zelfs de helderste ijssculptuur evenaart. Simonetti kan ongehinderd ultrasone golven door dit blok sturen om de veiligheid van een metalen onderdeel te meten. Als hij klaar is, hij zet het onderdeel gewoon onder water en het ijs smelt er meteen af.

Simonetti geeft toe dat ijs slechts één stap vooruit is bij het inspecteren van deze kritieke veiligheidsonderdelen. IJs is een goed koppelingsmedium omdat het vergelijkbare eigenschappen heeft als metaal, maar het is nog steeds niet precies.

"Ideaal, als het koppelingsmedium van hetzelfde materiaal is gemaakt als het onderdeel, het zou perfect zijn, " zegt Simonetti. "Maar dat is niet praktisch met zoiets als vloeibaar titanium. Experimenteel, je kon het niet verwijderen."

Simonetti experimenteert nu met nanodeeltjes om ijs te maken dat meer lijkt op de eigenschappen van een metalen onderdeel. Het idee is om suspensies van nanodeeltjes in het water te bevriezen om het ijs dichter, zwaarder en mechanisch sterker.

Simonetti neemt telefoontjes aan uit vele industrieën, inclusief ingenieursbureaus, autofabrikanten en het leger. Hij denkt dat de publicatie heeft bijgedragen aan de legitimiteit van zijn cryo-ultrasonische benadering, evenals het beperken van scepsis. Hij, te, twijfelde eerst aan de aanpak.

"Het is helemaal nieuw. Wanneer je iets hebt dat zo nieuw is, er zijn veel sceptici uit de academische gemeenschap, "zegt hij. "Als je water bevriest, het ziet er verschrikkelijk uit. Jij denkt, 'Dit gaat niet werken.'"

Simonetti haalt het afgewerkte blok ijs uit de vriezer om het te inspecteren. Het ijs omhult het metalen deel volledig. Terwijl Simonetti het ijs omhoog houdt, hij kan er dwars doorheen kijken. Het is zo helder als een ijssculptuur van een zwaan en, op de een of andere manier, net zo indrukwekkend.