研究人員提出超聲波金屬探傷新方法 將3D列印部件凍結在冰塊裡
近年來，採用 3D 列印的金屬部件已經越來越多，它們被廣泛地用於航空等領域。但即便是一個細微的缺陷，都有可能導致災難性的後果。 為此，在安裝 3D 列印技術部件之前，必須對其進行全面的結構缺陷檢驗。有趣的是，最佳的檢測方案，竟然是將其凍結在冰塊裡。 據悉，通常這些部件是通過沉積或融化連續的金屬粉末堆層製成的，因此固體材料的檢查只能在部件製造完成後才能進行。
（圖自：Corrie Stookey / CEAS Marketing，via New Atlas ）
作為對比，傳統工藝是將一個較大的固體金屬塊加工成較小的零部件，因此能夠相對輕鬆地對其展開超聲波檢查，以防止其中有裂縫或其它不規則的瑕疵。
遺憾的是，若嘗試對 3D 列印金屬部件進行超聲波檢查，那些聲波可能被其表面的曲線以一定的角度反彈開，結果導致內部的缺陷被掩蓋。
好訊息是，若將 3D 列印金屬部件浸入與其密度相似的材料中，超聲波就可以無阻礙地穿越表面，而僅反射出其中的缺陷。
辛辛那提大學航空航天工程教授 Francesco Simonetti 發現，冰塊可以作為一種耦合介質（coupling medium）。在實驗室中，其成功地藉助通過亞馬遜網購的現成鑽臺進行了測試。
首先，他們將 3D 列印金屬物體凍結在冰塊中，然後通過超聲波穿過該“圓筒”去探查金屬部件的“內傷”。不過需要指出的是，冰塊不能包含任何不規則的裂縫或氣泡，其本身必須是晶瑩剔透的。
據悉，裂縫通常會在水從容器外部向內凍結時產生。由於核心部分會反向凍結和膨脹，導致圍繞液芯的冰殼出現碎裂縫隙。
為防止這種情況的發生，Simonetti 先將 3D 列印部件置入空的圓筒，用水進行填充。然後在圓筒底部使用金屬板，從底部向上地對水進行冷卻。
結果就是，水汽從底部開始凍結（而不是側面），膨脹到容器的開放和非約束的頂部。消除了內部的壓力，因此沒有形成裂縫。
此外為了防止氣泡的形成，需要在冷卻的過程中對水進行機械攪拌，使得水中溶解的空氣不會沿著‘冷凍的前沿方向’形成氣泡（這是剛形成的冰與仍然液態的水相遇的區域）。
需要指出的是，儘管由此產生的超清冰作為耦合介質的效果已經很不錯，但還不夠完美。為此，Simonetti 計劃嘗試在水中新增奈米顆粒懸浮液，從而產生重量和強度更高、更接近於金屬密度的冰。
有關這項研究的詳情，已經發表在近日出版的《 NDT＆E International 》期刊上。原標題為：
《Experimental methods for ultrasonic testing of complex-shaped parts encased in ice》