"Como diabos eles fizeram isso?" pergunta Francesco Simonetti, comentando sobre uma escultura de gelo de um cisne.

Simonetti não está admirando a arte de transformar um bloco de gelo em um pássaro. Ele está admirando a transparência cristalina do cisne.

Simonetti, professor de engenharia aeroespacial da Universidade de Cincinnati, é um especialista em ondas sonoras, mas ultimamente ele tem sido um aprendiz no gelo. E quando se trata de ondas sonoras, quanto mais claro o gelo, o melhor.

Simonetti publicou recentemente uma nova abordagem que usa ultrassom para inspecionar peças fabricadas com aditivos:ele mergulha a peça em água e a congela dentro de um cilindro de gelo. O gelo atua como um meio de acoplamento, permitindo que as ondas ultrassônicas entrem e reflitam contra os defeitos potenciais da peça.

Para descrever este agrupamento de ultrassom e gelo, Simonetti cunhou o termo criultrassônico. O crioultrassônico pode ter uma influência dramática na indústria, garantindo que os fabricantes de aditivos construam peças confiáveis.

O trabalho apareceu este mês em NDT &E International , uma das principais revistas em testes não destrutivos e avaliação.

Superfície de problemas

Simonetti usa crioultrassônica para inspecionar peças essenciais para a segurança, como peças de metal em motores a jato ou usinas de energia. Porque a vida das pessoas está em jogo, os engenheiros precisam ser capazes de detectar qualquer defeito potencial nessas peças antes de serem usadas na prática.

Na manufatura subtrativa tradicional, o teste de ultrassom funciona bem. Um fabricante começa com um bloco sólido de material, que os engenheiros podem testar quanto a defeitos enviando ondas ultrassônicas através dele.

Mas novas tecnologias, como manufatura aditiva, desafiar esta abordagem. Os fabricantes de aditivos constroem uma parte desejada não subtraindo de um bloco, mas adicionando camada sobre camada. Ondas ultrassônicas refletem nos ângulos e curvas dessas novas partes, em vez das rachaduras ou defeitos potenciais.

"O som precisa de um meio de acoplamento para se propagar de um transdutor de origem para o volume de uma parte, "diz Simonetti." Quando o contraste nas propriedades mecânicas entre o meio de acoplamento e a peça é grande, muito pouca energia entra, e não funciona. "

Muitas pessoas testaram a água como meio de acoplamento. Eles imergiram a peça na água e enviaram ondas de ultrassom através dela. Propriedades mecânicas da água, Contudo, são muito diferentes dos metais. Muito pouca energia ultrassônica pode chegar até a peça.

Então Simonetti se transformou em gelo.

"Morando em Cincinnati, você está sempre removendo gelo do caminho da garagem. Fiquei curioso para ver quais eram as propriedades do gelo, "diz Simonetti.

"Tentamos todas as técnicas convencionais e nada funcionou. Nesse ponto, procuramos medidas desesperadas, e eu apenas pensei, 'Por que não tentamos?' "

Simonetti congela a parte metálica em um cilindro de gelo e, em seguida, envia ondas ultrassônicas através dele. Uma vez que as propriedades físicas do gelo são muito semelhantes às da parte metálica, as ondas passam facilmente pelo gelo e pelo metal envolto e pegam todos os defeitos da peça. Quando ele terminar, o gelo simplesmente derrete.

Pelo menos essa é a ideia.

"As primeiras tentativas foram desastrosas, "diz Simonetti.

Para que o gelo atue como um meio de acoplamento eficaz, tem que ser cristalino - se houver rachaduras ou bolhas, as ondas de ultrassom refletirão nos defeitos do gelo, e não nos defeitos da peça.

Mas o gelo não é cristalino. Está turvo e fraturado. Envie uma onda de ultrassom através dele e a onda salta em 15 direções. É ainda pior para blocos maiores de gelo, como aqueles necessários para envolver algumas dessas peças de metal.

Simonetti precisava encontrar uma maneira de congelar o gelo ao redor da peça e, ao mesmo tempo, mantê-lo transparente. Isso significava obter uma máquina especial que congelava o gelo sem causar bolhas ou rachaduras.

"Claro, tivemos que construir isso, " ele diz.

Simonetti fez esta máquina de gelo personalizada à mão, combinando coisas compradas na Amazon, como assadeiras, grades e fusos. É como um conjunto de cozinha científica, Mas isso faz o trabalho. Esse trabalho é enfrentar os dois obstáculos que impedem a formação de gelo cristalino:rachaduras e bolhas.

Rachaduras se formam porque a água se expande à medida que se solidifica. A água congela de fora, formando uma casca de gelo sólida com núcleo líquido. Conforme o núcleo se solidifica, ele tende a se expandir contra a casca, o que causa um acúmulo de forças internas que levam à rachadura.

Para evitar esta rachadura, Simonetti fez um cilindro com base de metal e laterais de plástico. Simonetti coloca a peça de metal que está inspecionando dentro do cilindro e o enche de água. Ele então resfria a base de metal, o que faz com que a água congele de baixo para cima. A água eventualmente se solidifica em torno da peça de metal e se expande para a parte superior aberta de um cilindro, ao invés dos lados.

As bolhas são um pouco mais complicadas. O ar dissolvido existe na água. Como a água congela, ele expulsa o excesso de ar. Este excesso de ar se acumula na frente de congelamento, ou onde a água está se transformando em gelo, para formar bolhas.

“Para prevenir este fenômeno, você precisa simplesmente reduzir a concentração de ar na parte superior da frente de congelamento. Fazer isso, nós agitamos a água para ter um fluxo constante, "diz Simonetti.

Para criar esse fluxo constante, Simonetti usa um fuso. Ao manter a água em movimento, o excesso de ar nunca se acumula e as bolhas nunca se formam.

O resultado é uma peça de metal envolta por um bloco de gelo cristalino, rivalizando até mesmo com a escultura de gelo mais clara. Simonetti pode enviar ondas ultrassônicas desimpedidas através deste bloco para medir a segurança de uma peça de metal. Quando ele terminar, ele simplesmente coloca a peça debaixo d'água e o gelo derrete imediatamente.

Simonetti admite que o gelo é apenas um passo à frente na inspeção dessas peças críticas de segurança. O gelo é um bom meio de acoplamento porque tem propriedades semelhantes às do metal, mas ainda não é exato.

"Idealmente, se o meio de acoplamento fosse feito do mesmo material da peça, seria perfeito, "diz Simonetti." Mas isso não é prático com algo como titânio líquido. Experimentalmente, você não poderia removê-lo. "

Simonetti está agora experimentando nanopartículas para criar gelo que se assemelha mais às propriedades de uma peça de metal. A ideia é congelar suspensões de nanopartículas na água para tornar o gelo mais denso, mais pesado e mais forte mecanicamente.

Simonetti está recebendo ligações de muitos setores, incluindo empresas de engenharia, fabricantes de automóveis e militares. Ele acha que a publicação ajudou a estabelecer legitimidade em sua abordagem criultrassônica, bem como limitar o ceticismo. Ele, também, duvidou da abordagem em primeiro lugar.

"É totalmente novo. Sempre que você tem algo que é tão novo, há muitos céticos da comunidade acadêmica, "ele diz." Quando você congela a água, parece terrível. Você pensa, 'Isto não vai funcionar.'"

Simonetti puxa o bloco de gelo pronto do freezer para inspecionar. O gelo envolve completamente a parte metálica. Enquanto Simonetti segura o gelo, ele pode ver através disso. É tão claro quanto uma escultura de gelo de um cisne e, de alguma forma, tão impressionante.