Neuer Inspektionsprozess friert 3D gedruckte Metallteile in Eis ein

Simonetti, Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität von Cincinnati, hat kürzlich einen neuartigen Ansatz veröffentlicht, der mit Hilfe von Ultraschall die von Additiven hergestellten Teile untersucht: Er taucht das 3D gedruckte Teil in Wasser ein und friert es in einem Eiszylinder ein. Das Eis wirkt als Kopplungsmedium und lässt Ultraschallwellen in die potentiellen Defekte des Teils eindringen und reflektieren.

Um diese Gruppierung von Ultraschall und Eis zu beschreiben, prägte Simonetti den Begriff Cryoultrasonic. Cryoultrasonic kann die Industrie dramatisch beeinflussen und sicherstellen, dass Hersteller von Additiven zuverlässige Teile bauen.

Die Arbeit erschien diesen Monat in NDT&E International, einer der führenden Zeitschriften für zerstörungsfreie Prüfung und Bewertung.

Simonetti verwendet Cryoultrasonic, um sicherheitskritische Teile wie Metallteile in Düsentriebwerken oder Kraftwerken zu untersuchen. Da das Leben der Menschen auf dem Spiel steht, müssen Ingenieure potenzielle Defekte in diesen Teilen erkennen können, bevor sie in der Praxis eingesetzt werden.

In der traditionellen subtraktiven Fertigung funktionieren Ultraschallprüfungen einwandfrei. Ein Hersteller beginnt mit einem festen Materialblock, den Ingenieure auf Fehler prüfen können, indem sie Ultraschallwellen durchstrahlen.

Neue Technologien wie die additive Fertigung stellen diesen Ansatz jedoch in Frage. Additive Hersteller erstellen einen gewünschten Teil nicht durch Abzug eines Blocks, sondern durch Hinzufügen von Layer zu Layer. Ultraschallwellen prallen von den Winkeln und Kurven dieser neuen Teile ab, anstatt von möglichen Rissen oder Fehlern.

“Schall braucht ein Kopplungsmedium, um sich von einem Quellwandler in das Volumen eines Teils zu verbreiten”, sagt Simonetti. “Wenn der Kontrast der mechanischen Eigenschaften zwischen dem Koppelmedium und dem Bauteil groß ist, tritt sehr wenig Energie ein und funktioniert nicht.”

Viele Menschen haben Wasser als Kopplungsmedium getestet. Sie tauchten das Teil in Wasser und sandten Ultraschallwellen durch. Die mechanischen Eigenschaften von Wasser unterscheiden sich jedoch stark von Metallen. Sehr wenig Ultraschallenergie kann es sogar zum Teil schaffen.

Simonetti friert das Metallteil in einem Eiszylinder ein und sendet dann Ultraschallwellen durch. Da die physikalischen Eigenschaften des Eises denjenigen des Metallteils sehr ähnlich sind, passieren die Wellen leicht Eis und eingeschlossenes Metall und nehmen eventuelle Defekte im Teil auf. Wenn er fertig ist, schmilzt das Eis einfach.

Zumindest ist das die Idee.

“Die ersten Versuche waren katastrophal”, sagt Simonetti.

Damit Eis als wirksames Kopplungsmedium wirken kann, muss es kristallklar sein. Wenn Risse oder Blasen vorhanden sind, werden Ultraschallwellen eher von den Fehlern im Eis als von den Fehlern im Teil reflektiert.

Aber Eis ist nicht kristallklar. Es ist bewölkt und gebrochen. Senden Sie eine Ultraschallwelle durch und die Welle prallt in 15 Richtungen ab. Es ist noch schlimmer für größere Eisblöcke, wie solche, die benötigt werden, um einige dieser Metallteile zu ummanteln.

Simonetti musste einen Weg finden, Eis in der Umgebung einzufrieren, während das Eis transparent blieb. Das bedeutete, eine spezielle Maschine zu bekommen, die Eis gefriert, ohne Blasen oder Risse zu verursachen.

Simonetti fertigte diese maßgefertigte Eismaschine von Hand und kombinierte die bei Amazon gekauften Dinge wie Backformen, Grillplatten und Spindeln. Es ist wie ein wissenschaftliches Küchen-Set, aber es macht den Job. Die Aufgabe besteht darin, die zwei Hindernisse zu überwinden, die die Bildung von kristallklarem Eis verhindern: Risse und Blasen.

Risse bilden sich, weil sich Wasser ausdehnt, wenn es erstarrt. Wasser gefriert von außen und bildet eine feste Eisschale mit flüssigem Kern. Wenn sich der Kern verfestigt, neigt er dazu, sich gegen die Schale auszudehnen, wodurch innere Kräfte aufgebaut werden, die zum Reißen führen.

Um dieses Reißen zu verhindern, hat Simonetti einen Zylinder mit Metallfuß und Kunststoffseiten hergestellt. Simonetti legt das zu inspizierende Metallteil in den Zylinder und füllt es mit Wasser. Dann kühlt er die Metallbasis ab, wodurch das Wasser von unten nach oben gefriert. Das Wasser verfestigt sich schließlich um das Metallteil und dehnt sich zur oberen Oberseite eines Zylinders aus, nicht zu den Seiten.

Blasen sind etwas schwieriger. Im Wasser befindet sich gelöste Luft. Wenn Wasser gefriert, stößt es die überschüssige Luft aus. Diese überschüssige Luft sammelt sich an der Gefrierfront oder an der Stelle, an der das Wasser zu Eis wird, um Blasen zu bilden.

“Um dieses Phänomen zu verhindern, muss die Luftkonzentration auf der Gefrierfront einfach reduziert werden. Um das zu erreichen, rühren wir das Wasser, um einen konstanten Fluss zu haben”, sagt Simonetti.

Um diesen konstanten Fluss zu erzeugen, verwendet Simonetti eine Spindel. Wenn Sie das Wasser in Bewegung halten, sammelt sich die überschüssige Luft nie an und es bilden sich keine Blasen.

Das Ergebnis ist ein Metallteil, das von einem kristallklaren Eisblock umhüllt ist, der sogar mit der klarsten Eisskulptur konkurriert. Simonetti kann ungehinderte Ultraschallwellen durch diesen Block senden, um die Sicherheit eines Metallteils zu messen. Wenn er fertig ist, legt er das Teil einfach unter Wasser und das Eis schmilzt sofort ab.

Simonetti experimentiert jetzt mit Nanopartikeln, um Eis zu erzeugen, das den Eigenschaften eines Metallteils ähnelt. Die Idee ist, Suspensionen von Nanopartikeln im Wasser einzufrieren, um das Eis dichter, schwerer und mechanisch stärker zu machen.

Simonetti nimmt Anrufe aus vielen Branchen an, darunter Ingenieurbüros, Automobilhersteller und Militär. Er glaubt, dass die Publikation dazu beigetragen hat, die Legitimität in seinem Kryoul-Ultraschall-Ansatz zu sichern und die Skepsis zu begrenzen. Auch er zweifelte zunächst an der Vorgehensweise.

“Es ist völlig neu. Wenn Sie etwas haben, das so neuartig ist, gibt es viele Skeptiker aus der akademischen Gemeinschaft”, sagt er. “Wenn Sie Wasser einfrieren, sieht es schrecklich aus. Sie denken: ‘Das wird nicht funktionieren.'”

Simonetti zieht den fertigen Eisblock aus dem Gefrierschrank, um ihn zu inspizieren. Das Eis umschließt den Metallteil vollständig. Als Simonetti das Eis hochhält, kann er genau hindurchsehen. Es ist so klar wie eine Eisskulptur eines Schwans und irgendwie genauso beeindruckend.