Криоультразвуковой неразрушающий контроль, или Как заглянуть внутрь 3D-печатной металлической детали

Американский инженер придумал простую, но эффективную методику неразрушающего контроля 3D-печатных металлических изделий сложной геометрической формы с помощью ультразвука и льда. Рассказываем, как это работает. Франческо Симонетти — инженер и профессор аэрокосмического факультета научно-исследовательского Университета Цинциннати. Одно из направлений его научной деятельности — совершенствование инструментов неразрушающего контроля. Текущий же проект рассматривает методику акустического обследования 3D-печатных металлических изделий.Прочность и надежность изготовленных с помощью аддитивных технологий металлических деталей — предмет постоянных споров. Нужно же как-то узнать что там внутри, иначе условная 3D-печатная лопатка вполне может разрушиться на высоких оборотах и разнести в клочья турбогенератор или, еще хуже, турбореактивный двигатель. Распилить ту же лопатку и исследовать внутренности можно, но тогда она перестанет быть лопаткой. Есть несколько подходящих методов неразрушающего контроля, но все они не лишены недостатков — то слишком низкая проникающая способность, то дороговизна при работе с крупногабаритными изделиями. Одно из наиболее эффективных и недорогих решений — ультразвуковое обследование, но в привычном виде для контроля 3D-печатных деталей оно не подходит. Главная причина кроется в геометрической сложности обследуемых изделий. Если у предмета достаточно простая форма, то ультразвук — хороший выбор. Другими словами, совсем не обязательно исследовать на наличие внутренних трещин или полостей само изделие, когда можно обследовать заготовку перед тем, как из нее будет выточена деталь. А вот с полученной деталью будет куда сложнее. Представьте, например, крыльчатку: пристроить датчики так, чтобы их не сбивала с толку кривизна поверхностей — просто нереально. Так что для субтрактивного производства ультразвук подходит, а вот для аддитивного, где никаких болванок нет в принципе, а детали выращиваются из порошка или проволоки, уже нет. Как быть? У Франческо есть простое решение, навеянное сугробами и лопатой — соединительная среда в виде обычного льда. «Звуку нужна соединительная среда, чтобы он мог проникать в толщу исследуемого материала. Если разница в свойствах среды и исследуемой детали слишком высока, то ничего не выйдет, так как внутрь детали будет попадать лишь малая часть излучаемой энергии. Для идеальных результатов нужно использовать среду из того же материала, что и деталь, но если мы говорим о, например, титане, то это непрактично. Залить деталь расплавленным металлом можно, но потом его уже не отделить. Когда живешь в Цинциннати, постоянно приходится разгребать снег и лед перед гаражом. Все привычные методы неразрушающего контроля мы перепробовали, и ничего не подошло. Пришлось идти на отчаянные меры», — поясняет профессор.Впрочем, простым решение кажется только в теории, а на практике все немного сложнее. Обычная вода нередко используется в роли контактной жидкости, но в качестве среды не подойдет ни вода, ни масло, ни гели. Даже если погрузить деталь в жидкость, сигнал не сможет несколько раз проникнуть из жидкости в металл и обратно без полного отражения. Для снижения акустического импеданса и повышения проникающей способности нужна твердая среда с более высокой скоростью распространения ультразвуковых волн и более высокими допустимыми углами падения. То есть не вода, а лед. Проблема же в том, что при замерзании в воде неизбежно образуются пузырьки, и эти самые пузырьки будут регистрироваться как ложные дефекты. Значит, воду нужно как-то заморозить без образования пузырьков. К тому же, при переходе из жидкого в твердое агрегатное состояние плотность воды падает, а объем растет, что может привести к растрескиванию получаемого льда. Эти проблемы ученый решил предварительной вакуумной дегазацией, а затем медленным охлаждением жидкости и детали в открытом сосуде и постоянным перемешиванием — так, чтобы среда равномерно промерзала и расширялась снизу вверх, а не снаружи к центру, а остатки растворенного в воде воздуха при кристаллизации вытеснялись наружу. Опытную систему для приготовления кристально прозрачного льда Франческо построил из всякой бытовой и не очень всячины, купленной на Amazon — морозилки, сковородок, шпинделей, противней из алюминиевой фольги. Выглядит оборудование довольно монструозно, но работает — на выходе получаются идеально прозрачные для ультразвуковых волн ледяные цилиндры с упрятанными внутрь деталями. После ультразвукового обследования достаточно поместить ледяной блок в теплую воду и дождаться полного таяния, а затем извлечь и просушить деталь. На следующем этапе исследований профессор планирует экспериментировать с коллоидными растворами различных наночастиц, чтобы сделать лед более плотным, прочным, тяжелым и в целом более похожим на исследуемые металлы. Доклад об имеющихся наработках ученый опубликовал по этой ссылке.

Демонстрация процесса:А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.