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

Подписаться на 3Dtoday
news3dtoday
Идет загрузка
Загрузка
10.06.19
1688
9
Новости
8
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.
97caf28347bd041a27dcbdf9d831a905.png
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.
9259fba5edb4838998be7b39bd949f94.jpg
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.
630f35032e8e9be911855883cafc3ffd.jpg
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.
e14f114cc8d4b810b544025e32905acb.jpg
«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.
51c56517ed46c22c57033cf3b94f008d.jpg
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.
1d0a50df055c36ed64dd3e0bd7315c0a.png
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.
9d581a3f0d67344526cdd545e2e345f6.png
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.
0479806259efa3fc60dc3da825617fcc.jpg
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.
Подписаться на 3Dtoday
8
Комментарии к статье

Комментарии

10.06.19 в 16:23
2
Публикация мне напомнила анекдот про белую муху, которую выращивали ученые. А если серьезно, то я сомневаюсь в точности неразрущающего контроля на сложных деталях. Опыт проектирования и разработки уз приборов имеется.
10.06.19 в 18:01
1
Есть 3 вида лжи: ложь, наглая ложь и УЗК))) А если серьёзно, то цифровая радиография уже более-менее справляется с такими задачами. С учётом трудозатрат и сложности интерпретации сигнала целесообразность такого метода под вопросом.
10.06.19 в 17:07
0
А рентген уже не катит?
11.06.19 в 13:00
0
Чувакам просто нужны бабки для продолжения проекта. Природу просто так не обманешь. Когда я учился на инженера-металлурга были очень интересные два предмета - кристаллография и металловедение. Даже там описывалось как правильно проводить контроль на однородность материала и его характеристики. А тут вешают лапшу на уши. Мне кажется, что весь мир катится в тарарым. Забыли все про фундаментальные законы физики. Капец короче.
10.06.19 в 19:06
0
Благодарю!


Завораживающая музыка видео,
всё ждал, когда из цилиндра - зайца вытащат...

22d01f3babc11482cb198fa513ba8aab.png
10.06.19 в 20:59
0
Скорее всего это не лёд полученный в результате замерзания воды. Уж очень сомнительно, что вода. Про воду можно впаривать офисникам - они поверят.
10.06.19 в 21:08
0
Про дегазацию воды повеселило))
11.06.19 в 10:36
0
Уже давно для контроля "выращенных" деталей используют компьютерную томографию (КТ).
Она не только показывает где расположен дефект, но и какая у него форм, объем, и прочее - исчерпывающий набор трехмерных данных.

Сейчас даже возможно провести "виртуальный краш-тест" детали, на основе данных КТ и обнаруженных дефектов.

Аппараты хоть и редкие (от того что дорогие), но есть в "ФГУП НАМИ" (г. Москва) и "Остек" (г. Владимир), работают как с пластиками так и с металлами.
3d602c1120d9c2b4f25383b9cb23c290.png

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Ремонт соковыжималки Tefal ELEA

Представляем ортопедические 3D-сканеры ScanPod3D

Обзор на ULTI by Tiger после 4 месяцев эксплуатации. . Эпизод II: IVILOL наносит ответный удар.

Мой собственный Spot Mini

SKR1.3 + TMC2130 и парковка без концевиков!

Студенческий разведбот