"Come diavolo hanno fatto a farlo?" chiede Francesco Simonetti, commentando una scultura di ghiaccio di un cigno.

Simonetti non sta ammirando l'abilità artistica di modellare un blocco di ghiaccio in un uccello. Sta ammirando la trasparenza cristallina del cigno.

Simonetti, un professore di ingegneria aerospaziale presso l'Università di Cincinnati, è un esperto di onde sonore, ma ultimamente è stato apprendista nel ghiaccio. E quando si tratta di onde sonore, più chiaro è il ghiaccio, meglio è.

Simonetti ha recentemente pubblicato un nuovo approccio che utilizza gli ultrasuoni per ispezionare le parti prodotte con additivi:immerge la parte in acqua e la congela all'interno di un cilindro di ghiaccio. Il ghiaccio funge da mezzo di accoppiamento, lasciando che le onde ultrasoniche entrino e si riflettano sui potenziali difetti del pezzo.

Per descrivere questo raggruppamento di ultrasuoni e ghiaccio, Simonetti ha coniato il termine crioultrasonica. La crioultrasonica può avere un'influenza drammatica sull'industria, garantire che i produttori di additivi costruiscano parti affidabili.

Il lavoro è apparso questo mese in CND&E Internazionale , una delle riviste leader nei controlli e nelle valutazioni non distruttive.

Problemi di superficie

Simonetti utilizza la crioultrasonica per ispezionare le parti critiche per la sicurezza, come parti metalliche in motori a reazione o centrali elettriche. Perché è in gioco la vita delle persone, gli ingegneri devono essere in grado di rilevare eventuali difetti potenziali in queste parti prima che vengano utilizzate nella pratica.

Nella produzione sottrattiva tradizionale, l'ecografia funziona bene. Un produttore inizia con un solido blocco di materiale, che gli ingegneri possono testare per i difetti inviando onde ultrasoniche attraverso di esso.

Ma le nuove tecnologie, come la produzione additiva, sfidare questo approccio. I produttori di additivi costruiscono una parte desiderata non sottraendo da un blocco ma aggiungendo strato su strato. Le onde ultrasoniche rimbalzano sugli angoli e le curve di queste nuove parti, invece delle potenziali crepe o difetti.

"Il suono ha bisogno di un mezzo di accoppiamento per propagarsi da un trasduttore sorgente nel volume di una parte, " dice Simonetti. "Quando il contrasto nelle proprietà meccaniche tra il mezzo di accoppiamento e la parte è grande, entra pochissima energia, e non funziona".

Molte persone hanno testato l'acqua come mezzo di accoppiamento. Hanno immerso la parte in acqua e hanno inviato onde ultrasoniche attraverso di essa. proprietà meccaniche dell'acqua, però, sono molto diversi dai metalli. Anche pochissima energia ultrasonica può arrivare al pezzo.

Così Simonetti si è trasformato in ghiaccio.

"Vivere a Cincinnati, rimuovi sempre il ghiaccio dal vialetto. Ero curioso di vedere quali fossero le proprietà del ghiaccio, "dice Simonetti.

"Abbiamo provato tutte le tecniche convenzionali e niente avrebbe funzionato. A quel punto, abbiamo cercato misure disperate, e ho solo pensato, 'Perché non proviamo?'"

Simonetti congela la parte metallica in un cilindro di ghiaccio e poi invia onde ultrasoniche attraverso di essa. Poiché le proprietà fisiche del ghiaccio sono molto simili a quelle della parte metallica, le onde passano facilmente attraverso il ghiaccio e il metallo racchiuso e raccolgono eventuali difetti nella parte. Quando ha finito, il ghiaccio si scioglie semplicemente.

Almeno questa è l'idea.

"I primi tentativi furono disastrosi, "dice Simonetti.

Affinché il ghiaccio agisca come mezzo di accoppiamento efficace, deve essere cristallino:se esistono crepe o bolle, le onde ultrasoniche si rifletteranno sui difetti nel ghiaccio piuttosto che sui difetti della parte.

Ma il ghiaccio non è cristallino. È nuvoloso e fratturato. Invia un'onda ultrasonica attraverso di essa e l'onda rimbalza in 15 direzioni. È anche peggio per blocchi di ghiaccio più grandi, come quelli necessari per racchiudere alcune di queste parti metalliche.

Simonetti aveva bisogno di trovare un modo per congelare il ghiaccio attorno alla parte mantenendo il ghiaccio trasparente. Ciò significava ottenere una macchina speciale che congelasse il ghiaccio senza causare bolle o crepe.

"Certo, abbiamo dovuto costruire questa cosa, " lui dice.

Simonetti ha realizzato a mano questa macchina per il ghiaccio personalizzata, combinando cose acquistate su Amazon come teglie da forno, bistecchiere e mandrini. È come un set da cucina scientifico, ma fa il suo lavoro. Quel compito è quello di affrontare i due ostacoli che impediscono la formazione di ghiaccio cristallino:crepe e bolle.

Le crepe si formano perché l'acqua si espande mentre si solidifica. L'acqua gela dall'esterno, formando un guscio di ghiaccio solido con nucleo liquido. Quando il nucleo si solidifica, tende ad espandersi contro il guscio, che provoca un accumulo di forze interne che porta alla rottura.

Per evitare questo cracking, Simonetti ha realizzato un cilindro con base in metallo e fianchi in plastica. Simonetti mette la parte metallica che sta ispezionando all'interno del cilindro e lo riempie d'acqua. Poi raffredda la base di metallo, che provoca il congelamento dell'acqua dal basso verso l'alto. L'acqua alla fine si solidifica attorno alla parte metallica e si espande fino alla sommità aperta di un cilindro, piuttosto che i lati.

Le bolle sono un po' più complicate. L'aria disciolta esiste nell'acqua. Mentre l'acqua gela, espelle l'aria in eccesso. Quest'aria in eccesso si accumula sul fronte di congelamento, o dove l'acqua si sta trasformando in ghiaccio, per formare bolle.

"Per prevenire questo fenomeno, devi semplicemente ridurre la concentrazione di aria sopra il fronte di congelamento. Fare quello, mescoliamo l'acqua per avere un flusso costante, "dice Simonetti.

Per creare questo flusso costante, Simonetti usa un fuso. Mantenendo l'acqua in movimento, l'aria in eccesso non si accumula mai e le bolle non si formano mai.

Il risultato è una parte metallica racchiusa da un blocco di ghiaccio cristallino, rivaleggiando anche con la più chiara scultura di ghiaccio. Simonetti può inviare onde ultrasoniche senza ostacoli attraverso questo blocco per misurare la sicurezza di una parte metallica. Quando ha finito, mette semplicemente la parte sott'acqua e il ghiaccio si scioglie subito.

Simonetti ammette che il ghiaccio è solo un passo avanti nell'ispezione di queste parti critiche per la sicurezza. Il ghiaccio è un buon mezzo di accoppiamento perché ha proprietà simili a quelle del metallo, ma non è ancora esatto.

"Idealmente, se il mezzo di accoppiamento fosse dello stesso materiale della parte, Sarebbe perfetto, " dice Simonetti. "Ma questo non è pratico con qualcosa come il titanio liquido. Sperimentalmente, non potevi rimuoverlo."

Simonetti sta ora sperimentando le nanoparticelle per creare ghiaccio che assomigli più da vicino alle proprietà di una parte metallica. L'idea è di congelare le sospensioni di nanoparticelle nell'acqua per rendere il ghiaccio più denso, più pesante e meccanicamente più forte.

Simonetti sta ricevendo chiamate da molte industrie, comprese le società di ingegneria, case automobilistiche e militari. Ritiene che la pubblicazione abbia contribuito a stabilire la legittimità del suo approccio crioultrasonico, oltre a limitare lo scetticismo. Lui, pure, dubitato dell'approccio in un primo momento.

"È completamente nuovo. Ogni volta che hai qualcosa di così nuovo, ci sono molti scettici nella comunità accademica, " dice. "Quando congeli l'acqua, sembra terribile. Tu pensi, 'Questo non funzionerà.'"

Simonetti tira fuori dal congelatore il blocco di ghiaccio finito per ispezionarlo. Il ghiaccio avvolge completamente la parte metallica. Mentre Simonetti alza il ghiaccio, può vedere attraverso di essa. È chiaro come una scultura di ghiaccio di un cigno e, in qualche modo, altrettanto impressionante.