将3D打印金属物体冻结在冰块中，然后通过超声波穿过该“圆筒”去探查金属部件的“内伤”

近年来，采用3D打印的金属部件已经越来越多，它们被广泛地用于航空等领域。但即便是一个细微的缺陷，都有可能导致灾难性的后果。为此，在安装3D打印技术部件之前，必须对其进行全面的结构缺陷检验。有趣的是，最佳的检测方案竟然是——将其冻结在冰块里。

据悉，通常这些部件是通过沉积或融化连续的金属粉末堆层制成的，因此固体材料的检查只能在部件制造完成后才能进行。
 

图片来源：Corrie Stookey / CEAS Marketing，via New Atlas

作为对比，传统工艺是将一个较大的固体金属块加工成较小的零部件，因此能够相对轻松地对其展开超声波检查，以防止其中有裂缝或其它不规则的瑕疵。

遗憾的是，若尝试对3D打印金属部件进行超声波检查，那些声波可能被其表面的曲线以一定的角度反弹开，结果导致内部的缺陷被掩盖。

经研究发现，若将3D打印金属部件浸入与其密度相似的材料中，超声波就可以无阻碍地穿越表面，而仅反射出其中的缺陷。

辛辛那提大学航空航天工程教授Francesco Simonetti发现，冰块可以作为一种耦合介质（coupling medium）。在实验室中，他成功地借助网购的现成钻台进行了测试。

首先，他们将3D打印金属物体冻结在冰块中，然后通过超声波穿过该“圆筒”去探查金属部件的“内伤”。不过需要指出的是，冰块不能包含任何不规则的裂缝或气泡，其本身必须是晶莹剔透的。
 

在试验中发现，裂缝通常会在水中从容器外部向内冻结时产生。由于核心部分会反向冻结和膨胀，导致围绕液芯的冰壳出现碎裂缝隙。

为防止这种情况的发生，Simonetti先将3D打印部件置入空的圆筒，用水进行填充。然后在圆筒底部使用金属板，从底部向上对水进行冷却。

结果就是，水从底部开始冻结（而不是侧面），膨胀到容器的开放和非约束的顶部。这样很好的消除了内部的压力，因此没有形成裂缝。

此外为了防止气泡的形成，需要在冷却的过程中对水进行机械搅拌，使得水中溶解的空气不会沿着“冷冻的前沿方向”形成气泡（这是刚形成的冰与仍然液态的水相遇的区域）。

需要指出的是，尽管这样产生的超清冰作为耦合介质的效果已经很不错，但还不够完美。为此，Simonetti计划尝试在水中添加纳米颗粒悬浮液，从而产生重量和强度更高、更接近于金属密度的冰。

有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的《NDT＆E International》期刊上。原标题为：《Experimental methods for ultrasonic testing of complex-shaped parts encased in ice》

来源：Science科学