"¿Cómo diablos hicieron eso?" pregunta Francesco Simonetti, comentando sobre una escultura de hielo de un cisne.

Simonetti no está admirando el arte de convertir 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 aprendiz de hielo. Y cuando se trata de ondas sonoras, cuanto más claro es el hielo, el mejor.

Simonetti publicó recientemente un enfoque novedoso que utiliza ultrasonido para inspeccionar piezas fabricadas con aditivos:sumerge la pieza en agua y la congela dentro de un cilindro de hielo. El hielo actúa como medio de acoplamiento, dejar que las ondas ultrasónicas entren y se reflejen en los posibles defectos de la pieza.

Para describir esta agrupación de ultrasonido y hielo, Simonetti acuñó el término crio-ultrasónicos. Los crio-ultrasónicos pueden tener una influencia dramática en la industria, asegurando que los fabricantes de aditivos construyan piezas confiables.

La obra apareció este mes en NDT &E International , una de las revistas líderes en pruebas y evaluación no destructivas.

Los problemas surgen

Simonetti utiliza crioultrasonidos para inspeccionar piezas críticas para la seguridad, como piezas metálicas en motores a reacción o plantas de energía. Porque la vida de las personas está en juego, Los ingenieros deben poder detectar cualquier defecto potencial en estas piezas antes de que se utilicen 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 en busca de defectos enviando ondas ultrasónicas a través de él.

Pero las nuevas tecnologías como la fabricación aditiva, desafíe este enfoque. Los fabricantes de aditivos construyen una pieza deseada no restando de un bloque sino agregando capa sobre capa. Las ondas ultrasónicas rebotan en los ángulos y curvas de estas nuevas piezas, en lugar de las posibles grietas o defectos.

"El sonido necesita un medio de acoplamiento para propagarse desde un transductor fuente al volumen de una pieza, "dice Simonetti." Cuando el contraste en las propiedades mecánicas entre el medio de acoplamiento y la pieza es grande, entra muy poca energía, y no funciona ".

Mucha gente ha probado el agua como medio de acoplamiento. Sumergieron la pieza en agua y enviaron ondas de ultrasonido a través de ella. Propiedades mecánicas del agua, sin embargo, son muy diferentes de los metales. Incluso muy poca energía ultrasónica puede llegar a la pieza.

Entonces Simonetti se convirtió en hielo.

"Viviendo en Cincinnati, siempre estás quitando hielo del camino de entrada. Sentí curiosidad por 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 pieza metálica, las ondas atraviesan fácilmente el hielo y el metal revestido y recogen cualquier defecto en la pieza. Cuando termine 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, tiene que ser muy claro:si existen grietas o burbujas, Las ondas de ultrasonido se reflejarán en los defectos del hielo en lugar de en los defectos de la pieza.

Pero el hielo no es claro como el cristal. Está nublado y fracturado. Envíe una onda de ultrasonido a través de él y la onda rebota en 15 direcciones. Es incluso peor para bloques de hielo más grandes, como los necesarios para revestir algunas de estas piezas metálicas.

Simonetti necesitaba encontrar una manera de congelar el hielo alrededor de la pieza mientras se mantenía transparente. Eso significó conseguir una máquina especial que congelara el hielo sin causar burbujas ni grietas.

"Por supuesto, tuvimos que construir esta cosa, " él 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 científico pero hace el trabajo. Ese trabajo consiste en abordar los dos obstáculos que impiden la formación de hielo cristalino: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 el caparazón, lo que provoca una acumulación de fuerzas internas que conduce al agrietamiento.

Para evitar este agrietamiento, Simonetti ha realizado un cilindro con base de metal y lados de plástico. Simonetti coloca la pieza de metal que está inspeccionando dentro del cilindro y lo llena de agua. Luego enfría la base de metal, lo que hace que el agua se congele de abajo hacia arriba. El agua finalmente 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 complicadas. El aire disuelto existe en el agua. Mientras 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 prevenir este fenómeno, simplemente necesita reducir la concentración de aire en la parte superior del frente de congelación. Para hacer eso, agitamos el agua para que tenga un flujo constante, "dice Simonetti.

Para crear este flujo constante, Simonetti usa un huso. Manteniendo el agua en movimiento, el exceso de aire nunca se acumula y las burbujas nunca se forman.

El resultado es una pieza de metal recubierta 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 pieza metálica. Cuando termine simplemente pone la pieza bajo el agua y el hielo se derrite de inmediato.

Simonetti admite que el hielo es solo un paso adelante en la inspección de estas piezas de seguridad crítica. 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 fuera del mismo material que la pieza, seria perfecto, "dice Simonetti." Pero eso no es práctico con algo como el titanio líquido. Experimentalmente, no podías eliminarlo ".

Simonetti ahora está experimentando con nanopartículas para crear hielo que se asemeje más a las propiedades de una pieza 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 recibe llamadas de muchas industrias, incluidas las empresas de ingeniería, fabricantes de automóviles y militares. Cree que la publicación ha ayudado a establecer la legitimidad de su enfoque crio-ultrasónico, así como limitar el escepticismo. Él, también, Dudé del enfoque al principio.

"Es completamente nuevo. Siempre que tengas algo tan novedoso, hay muchos escépticos de la comunidad académica, ", dice." Cuando congelas el agua, se ve terrible. Crees, 'Esto no va a funcionar' ".

Simonetti saca el bloque de hielo terminado del congelador para inspeccionarlo. El hielo recubre completamente la parte metálica. Mientras Simonetti sostiene el hielo, él puede ver a través de él. Es tan claro como una escultura de hielo de un cisne y, de alguna manera, igual de impresionante.