Francesco Simonetti, professore di ingegneria aerospaziale presso l’ Università di Cincinnati, e il suo studente universitario Michael Fox hanno sviluppato un nuovo metodo di test non distruttivi (NDT) per l’ispezione di componenti stampati 3D in metallo. Dettagliato in uno studio per NDT & E International la tecnica, chiamata cryoultrasonics, combina insolitamente ghiaccio ed ultrasuoni per superare le inadeguatezze associate ad altre metodologie attuali.
L’NDT, o valutazione non distruttiva (NDE) come è anche noto, è un metodo efficace per ispezionare le proprietà del materiale di una parte senza danneggiarlo. Metodi NDT comuni ed efficaci includono la tomografia computerizzata a raggi X (XCT) per decifrare i difetti interni e l’ispezione dei liquidi penetranti (LPI) per le fessurazioni superficiali. Benché questi metodi non distruttivi siano ben consolidati, includono diversi limiti. L’XTC, ad esempio, ha una bassa sensibilità a difetti simili a fessurazioni o difetti superficiali, e LPI non è pratico per l’ispezione di aree ad accesso limitato come alette interne e canali. In quanto tali, dovrebbero essere usati insieme per avere pieno effetto.
L’ultrasuono è un metodo NDT alternativo che è già utilizzato per trovare difetti nelle parti metalliche lavorate tradizionalmente. Di per sé, tuttavia, l’ecografia non è pratica per gli usi con parti stampate in metallo 3D. Questo perché le onde ultrasoniche rimbalzano sulle curve e sugli angoli di una parte stampata in 3D, mascherando eventuali difetti all’interno. La soluzione, sviluppata da Simonetti e Fox, consiste nell’immergere la parte in un materiale simile alla densità del metallo da cui è composto (chiamato mezzo di accoppiamento). Ciò significa che le onde ultrasoniche possono viaggiare senza impedimenti attraverso il mezzo e la parte stampata in 3D, riflettendo solo su difetti legittimi.
Girante avvolta con stampa 3D racchiusa in un blocco di ghiaccio cristallino. Immagine tramite l’Università di Cincinnati
Ice-olating i difetti con ultrasuoni
Diversi materiali, tra cui l’acqua, sono stati testati come possibili candidati da Simonetti e Fox, ma sono stati tutti rifiutati a causa delle loro densità incompatibili. Alla fine scoprirono che il ghiaccio, simile nella densità al metallo, permetteva alle onde ultrasoniche di attraversarlo.
Perchè il ghiaccio agisca come un mezzo di accoppiamento efficace, deve essere cristallino. Se esistono crepe o bolle, le onde ultrasoniche si riflettono su quelle invece che sui difetti nella parte. Poiché il ghiaccio in genere non è chiaro, soprattutto quando si trovano in blocchi più grandi, Simonetti e Fox avevano bisogno di trovare un modo per congelare il ghiaccio intorno alla parte mantenendo trasparente il ghiaccio.
Per superare questo problema hanno costruito un impianto personalizzato, combinando le cose acquistate su Amazon, come teglie, piastre e fuselli. Per evitare la rottura del ghiaccio, è stato utilizzato un cilindro con una base in metallo e lati in plastica per immergere la parte. La parte superiore aperta consente al ghiaccio di espandersi verso l’alto dalla parte superiore del cilindro mentre viene congelato dal basso verso l’alto, alleviando la pressione sui lati.
Le bolle, tuttavia, si sono rivelate più impegnative. “Per prevenire questo fenomeno, è necessario ridurre semplicemente la concentrazione di aria sul lato anteriore del congelatore”, spiega Simonetti. “Per farlo, agitiamo l’acqua per avere un flusso costante”.
Nonostante i risultati impressionanti della loro ricerca, il ghiaccio ha i suoi limiti. Simonetti spiega “Idealmente, se il mezzo di accoppiamento fosse realizzato con lo stesso materiale della parte, sarebbe perfetto. Ma non è pratico con qualcosa come il titanio liquido. Sperimentalmente, non è possibile rimuoverlo. “
Simonetti e Fox stanno ora sperimentando l’aggiunta di sospensioni di nanoparticelle all’acqua, con l’obiettivo di creare un ghiaccio più denso, più pesante e più forte che si avvicini di più al metallo.
I dettagli dello studio, intitolato ” Metodi sperimentali per il test a ultrasuoni di parti di forma complessa racchiuse nel ghiaccio ” sono pubblicati online su NDT & E International. È co-autore di Francesco Simonetti e Michael Fox.
