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  • Un nouveau processus d'inspection gèle les pièces dans la glace

    Francesco Simonetti, professeur à l'Université de Cincinnati, brandit une pièce manufacturée enfermée dans de la glace. La glace sert de milieu de couplage pour l'inspection par ultrasons. Crédit :Corrie Stookey/CEAS Marketing

    « Comment diable ont-ils fait ça ? » demande Francesco Simonetti, commentant une sculpture de glace d'un cygne.

    Simonetti n'admire pas l'art de façonner un bloc de glace en oiseau. Il admire la transparence cristalline du cygne.

    Simonetti, professeur d'ingénierie aérospatiale à l'Université de Cincinnati, est un expert en ondes sonores, mais dernièrement, il a été apprenti dans la glace. Et quand il s'agit d'ondes sonores, plus la glace est claire, le meilleur.

    Simonetti a récemment publié une nouvelle approche qui utilise les ultrasons pour inspecter les pièces fabriquées par fabrication additive :il plonge la pièce dans de l'eau et la congèle à l'intérieur d'un cylindre de glace. La glace agit comme un milieu de couplage, laisser les ondes ultrasonores entrer et se refléter contre les défauts potentiels de la pièce.

    Pour décrire ce groupement d'ultrasons et de glace, Simonetti a inventé le terme cryoultrasons. Les cryoultrasons peuvent avoir une influence considérable sur l'industrie, s'assurer que les fabricants d'additifs construisent des pièces fiables.

    L'ouvrage est paru ce mois-ci dans END&E International , l'une des principales revues en matière d'essais et d'évaluation non destructifs.

    Les problèmes apparaissent

    Simonetti utilise des cryoultrasons pour inspecter les pièces critiques pour la sécurité, comme les pièces métalliques dans les moteurs à réaction ou les centrales électriques. Parce que la vie des gens est en jeu, les ingénieurs doivent être en mesure de détecter tout défaut potentiel de ces pièces avant de les utiliser dans la pratique.

    Dans la fabrication soustractive traditionnelle, l'échographie fonctionne très bien. Un fabricant commence avec un bloc solide de matériau, que les ingénieurs peuvent tester pour les défauts en envoyant des ondes ultrasonores à travers elle.

    Mais les nouvelles technologies, comme la fabrication additive, remettre en cause cette approche. Les fabricants d'additifs construisent une pièce souhaitée non pas en soustrayant d'un bloc mais en ajoutant couche sur couche. Les ondes ultrasonores rebondissent sur les angles et les courbes de ces nouvelles pièces, au lieu des fissures ou défauts potentiels.

    "Le son a besoin d'un milieu de couplage pour se propager d'un transducteur source dans le volume d'une pièce, " dit Simonetti. " Lorsque le contraste des propriétés mécaniques entre le milieu de couplage et la pièce est important, très peu d'énergie entre, et ça ne marche pas."

    De nombreuses personnes ont testé l'eau comme milieu de couplage. Ils ont immergé la pièce dans l'eau et y ont envoyé des ultrasons. Propriétés mécaniques de l'eau, cependant, sont très différents des métaux. Très peu d'énergie ultrasonore peut même atteindre la pièce.

    Alors Simonetti s'est transformé en glace.

    "Vivre à Cincinnati, vous enlevez toujours la glace de l'allée. Je suis devenu curieux de voir quelles étaient les propriétés de la glace, " dit Simonetti.

    « Nous avons essayé toutes les techniques conventionnelles et rien ne fonctionnait. À ce stade, nous avons cherché des mesures désespérées, et je viens de penser, « Pourquoi n'essayons-nous pas ? » »

    Simonetti congèle la pièce métallique dans un cylindre de glace et y envoie ensuite des ondes ultrasonores. Étant donné que les propriétés physiques de la glace sont très similaires à celles de la pièce métallique, les vagues traversent facilement la glace et le métal enrobé et détectent les défauts de la pièce. Quand il a fini, la glace fond tout simplement.

    C'est du moins l'idée.

    « Les premières tentatives ont été désastreuses, " dit Simonetti.

    Le professeur Francesco Simonetti de l'Université de Cincinnati a développé une nouvelle approche pour inspecter les pièces manufacturées qui nécessite de les congeler dans de la glace. Crédit :Corrie Stookey/CEAS Marketing

    Pour que la glace agisse comme un milieu de couplage efficace, il doit être limpide - Si des fissures ou des bulles existent, les ondes ultrasonores se refléteront sur les défauts de la glace plutôt que sur les défauts de la pièce.

    Mais la glace n'est pas limpide. C'est nuageux et fracturé. Envoyez une onde ultrasonore à travers elle et l'onde rebondit dans 15 directions. C'est encore pire pour les gros blocs de glace, comme ceux nécessaires pour envelopper certaines de ces pièces métalliques.

    Simonetti avait besoin de trouver un moyen de congeler la glace autour de la pièce tout en gardant la glace transparente. Cela signifiait obtenir une machine spéciale qui gèle la glace sans provoquer de bulles ou de fissures.

    "Bien sûr, nous devions construire cette chose, " il dit.

    Simonetti a fabriqué cette machine à glace personnalisée à la main, combiner des choses achetées sur Amazon comme des moules à pâtisserie, grilles et broches. C'est comme un ensemble de cuisine scientifique, Mais ça fait le travail. Ce travail consiste à s'attaquer aux deux obstacles qui empêchent la formation de glace cristalline :les fissures et les bulles.

    Des fissures se forment parce que l'eau se dilate en se solidifiant. L'eau gèle de l'extérieur, formant une coquille de glace solide avec un noyau liquide. Au fur et à mesure que le noyau se solidifie, il a tendance à se dilater contre la coque, ce qui provoque une accumulation de forces internes qui conduit à la fissuration.

    Pour éviter cette fissuration, Simonetti a réalisé un cylindre avec une base en métal et des côtés en plastique. Simonetti met la pièce métallique qu'il inspecte à l'intérieur du cylindre et le remplit d'eau. Il refroidit ensuite la base métallique, ce qui fait que l'eau gèle de bas en haut. L'eau finit par se solidifier autour de la pièce métallique et se dilate jusqu'au sommet ouvert d'un cylindre, plutôt que les côtés.

    Les bulles sont un peu plus délicates. L'air dissous existe dans l'eau. Comme l'eau gèle, il expulse l'excès d'air. Cet excès d'air s'accumule sur le front de gel, ou là où l'eau se transforme en glace, pour former des bulles.

    « Afin d'éviter ce phénomène, vous devez simplement réduire la concentration d'air au-dessus du front de congélation. Pour faire ça, nous remuons l'eau pour avoir un débit constant, " dit Simonetti.

    Pour créer ce flux constant, Simonetti utilise une broche. En gardant l'eau en mouvement, l'excès d'air ne s'accumule jamais et les bulles ne se forment jamais.

    Le résultat est une pièce métallique enfermée dans un bloc de glace cristalline, rivalisant même avec la sculpture de glace la plus claire. Simonetti peut envoyer des ondes ultrasonores sans entrave à travers ce bloc pour mesurer la sécurité d'une pièce métallique. Quand il a fini, il met simplement la pièce sous l'eau et la glace fond tout de suite.

    Simonetti admet que la glace n'est qu'un pas en avant dans l'inspection de ces pièces de sécurité critiques. La glace est un bon milieu de couplage car elle a des propriétés similaires à celle du métal, mais ce n'est toujours pas exact.

    "Idéalement, si le milieu de couplage était fait du même matériau que la pièce, ce serait parfait, " dit Simonetti. " Mais ce n'est pas pratique avec quelque chose comme le titane liquide. Expérimentalement, vous ne pouviez pas l'enlever."

    Simonetti expérimente maintenant avec des nanoparticules pour créer de la glace qui ressemble davantage aux propriétés d'une pièce métallique. L'idée est de congeler des suspensions de nanoparticules dans l'eau pour rendre la glace plus dense, plus lourd et plus résistant mécaniquement.

    Simonetti reçoit des appels de nombreuses industries, dont les bureaux d'études, constructeurs automobiles et militaires. Il pense que la publication a contribué à établir la légitimité de son approche cryoultrasonique, ainsi que de limiter le scepticisme. Il, trop, douté de l'approche au début.

    "C'est entièrement nouveau. Chaque fois que vous avez quelque chose de si nouveau, il y a beaucoup de sceptiques de la communauté universitaire, " dit-il. " Quand vous congelez de l'eau, ça a l'air terrible. Tu penses, 'Ça ne va pas marcher.'"

    Simonetti sort le bloc de glace fini du congélateur pour l'inspecter. La glace enveloppe complètement la partie métallique. Alors que Simonetti tient la glace, il peut voir à travers. C'est aussi clair qu'une sculpture de glace d'un cygne et, en quelque sorte, tout aussi impressionnant.


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