"¿Cómo diablos hicieron eso?", Pregunta Francesco Simonetti, comentando una escultura de hielo de un cisne.
Simonetti no está admirando el arte de formar un bloque de hielo en un pájaro. Está admirando la transparencia cristalina del cisne.
Simonetti, profesor de ingeniería aeroespacial en la Universidad de Cincinnati, es un experto en ondas sonoras, pero últimamente ha sido un aprendiz en hielo. Y cuando se trata de ondas sonoras, cuanto más claro sea el hielo, mejor.
Simonetti publicó recientemente un enfoque novedoso que utiliza ultrasonido para inspeccionar piezas fabricadas con aditivos: sumerge la parte en agua y la congela dentro de un cilindro de hielo. El hielo actúa como un medio de acoplamiento, permitiendo que las ondas ultrasónicas entren y se reflejen contra la partedefectos potenciales
Para describir esta agrupación de ultrasonido y hielo, Simonetti acuñó el término cryoultrasonics. Cryoultrasonics puede tener una influencia dramática en la industria, asegurando que los fabricantes de aditivos construyan piezas confiables.
El trabajo apareció este mes en END y E Internacional , una de las revistas líderes en pruebas y evaluaciones no destructivas.
Simonetti utiliza cryoultrasonics para inspeccionar las partes críticas para la seguridad, como las partes metálicas en los motores a reacción o las centrales eléctricas. Debido a que la vida de las personas está en juego, los ingenieros deben poder detectar cualquier defecto potencial en estas partes antes de usarlas en la práctica.
En la fabricación sustractiva tradicional, las pruebas de ultrasonido funcionan bien. Un fabricante comienza con un bloque sólido de material, que los ingenieros pueden probar para detectar defectos enviando ondas ultrasónicas a través de él.
Pero las nuevas tecnologías, como la fabricación aditiva, desafían este enfoque. Los fabricantes de aditivos construyen una parte deseada no restando de un bloque sino agregando capa sobre capa. Las ondas ultrasónicas rebotan en los ángulos y curvas de estas nuevas partes, en lugar del potencialgrietas o defectos.
"El sonido necesita un medio de acoplamiento para propagarse desde un transductor fuente al volumen de una parte", dice Simonetti. "Cuando el contraste en las propiedades mecánicas entre el medio de acoplamiento y la parte es grande, entra muy poca energía, y no lo haceno funciona "
Muchas personas han probado el agua como medio de acoplamiento. Sumergieron la parte en agua y enviaron ondas de ultrasonido a través de ella. Sin embargo, las propiedades mecánicas del agua son muy diferentes de los metales. Muy poca energía ultrasónica puede llegar a la parte.
Entonces Simonetti se convirtió en hielo
"Al vivir en Cincinnati, siempre se quita el hielo del camino de entrada. Me dio curiosidad ver cuáles eran las propiedades del hielo", dice Simonetti.
"Probamos todas las técnicas convencionales y nada funcionó. En ese momento, buscamos medidas desesperadas, y solo pensé, '¿Por qué no lo intentamos?'"
Simonetti congela la parte metálica en un cilindro de hielo y luego envía ondas ultrasónicas a través de ella. Dado que las propiedades físicas del hielo son muy similares a las de la parte metálica, las ondas pasan fácilmente a través del hielo y el metal encerrado y recogen cualquierdefectos en la parte. Cuando termina, el hielo simplemente se derrite.
Al menos esa es la idea.
"Los primeros intentos fueron desastrosos", dice Simonetti.
Para que el hielo actúe como un medio de acoplamiento eficaz, debe ser transparente como el cristal: si existen grietas o burbujas, las ondas de ultrasonido se reflejarán en los defectos del hielo en lugar de los defectos en la parte.
Pero el hielo no es cristalino. Está nublado y fracturado. Envíe una onda de ultrasonido a través de él y la onda rebota en 15 direcciones. Es aún peor para bloques de hielo más grandes, como los necesarios para encerrar algunas de estas partes metálicas.
Simonetti necesitaba encontrar una manera de congelar el hielo alrededor de la pieza manteniendo el hielo transparente. Eso significaba obtener una máquina especial que congeló el hielo sin causar burbujas o grietas.
"Por supuesto, tuvimos que construir esto", dice.
Simonetti hizo esta máquina de hielo personalizada a mano, combinando cosas compradas en Amazon como moldes para hornear, planchas y husillos. Es como un juego de cocina científica, pero hace el trabajo. Ese trabajo es abordar los dos obstáculos que impiden la formación de cristal-hielo claro: grietas y burbujas.
Las grietas se forman porque el agua se expande a medida que se solidifica. El agua se congela desde el exterior, formando una capa de hielo sólido con núcleo líquido. A medida que el núcleo se solidifica, tiende a expandirse contra la capa, lo que provoca una acumulación de fuerzas internas que conducen a grietas.
Para evitar este agrietamiento, Simonetti ha hecho un cilindro con una base de metal y lados de plástico. Simonetti coloca la parte de metal que está inspeccionando dentro del cilindro y la llena con agua. Luego enfría la base de metal, lo que hace que el agua se congelede abajo hacia arriba. El agua eventualmente se solidifica alrededor de la parte metálica y se expande hasta la parte superior abierta de un cilindro, en lugar de los lados.
Las burbujas son un poco más difíciles. Existe aire disuelto en el agua. A medida que el agua se congela, expulsa el exceso de aire. Este exceso de aire se acumula en el frente de congelación, o donde el agua se está convirtiendo en hielo, para formar burbujas.
"Para evitar este fenómeno, simplemente debe reducir la concentración de aire en la parte superior del frente de congelación. Para ello, agitamos el agua para que tenga un flujo constante", dice Simonetti.
Para crear este flujo constante, Simonetti utiliza un huso. Al mantener el agua en movimiento, el exceso de aire nunca se acumula y las burbujas nunca se forman.
El resultado es una parte de metal encerrada por un bloque de hielo cristalino, rivalizando incluso con la escultura de hielo más clara. Simonetti puede enviar ondas ultrasónicas sin obstáculos a través de este bloque para medir la seguridad de una parte de metal. Cuando termina, simplemente colocala parte debajo del agua y el hielo se derrite de inmediato.
Simonetti admite que el hielo es solo un paso adelante en la inspección de estas partes críticas de seguridad. El hielo es un buen medio de acoplamiento porque tiene propiedades similares a las del metal, pero aún no es exacto.
"Idealmente, si el medio de acoplamiento estuviera hecho del mismo material que la pieza, sería perfecto", dice Simonetti. "Pero eso no es práctico con algo como el titanio líquido. Experimentalmente, no podría eliminarlo".
Simonetti ahora está experimentando con nanopartículas para crear hielo que se asemeja más a las propiedades de una parte metálica. La idea es congelar suspensiones de nanopartículas en el agua para hacer que el hielo sea más denso, más pesado y mecánicamente más fuerte.
Simonetti está recibiendo llamadas de muchas industrias, incluidas firmas de ingeniería, fabricantes de automóviles y militares. Cree que la publicación ha ayudado a establecer la legitimidad en su enfoque crioestrasonico, así como a limitar el escepticismo. Él también dudaba del enfoque al principio.
"Es completamente nuevo. Cada vez que tienes algo tan novedoso, hay muchos escépticos de la comunidad académica", dice. "Cuando congelas el agua, se ve terrible. Piensas: 'Esto no va atrabajo.'"
Simonetti saca el bloque de hielo terminado del congelador para inspeccionarlo. El hielo recubre completamente la parte de metal. Cuando Simonetti levanta el hielo, puede ver a través de él. Es tan claro como una escultura de hielo de un cisne y,de alguna manera, igual de impresionante.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Cincinnati . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :