"Hur i hela friden gjorde de det?" frågar Francesco Simonetti, kommenterar en isskulptur av en svan.

Simonetti beundrar inte konstnärskapet att forma ett isblock till en fågel. Han beundrar svanens kristallklara insyn.

Simonetti, en flygteknikprofessor vid University of Cincinnati, är expert på ljudvågor, men på sistone har han varit lärling i is. Och när det kommer till ljudvågor, ju klarare is, desto bättre.

Simonetti publicerade nyligen ett nytt tillvägagångssätt som använder ultraljud för att inspektera tillsatstillverkade delar:Han doppar delen i vatten och fryser den inuti en cylinder av is. Isen fungerar som ett kopplingsmedium, låta ultraljudsvågor komma in och reflektera mot delens potentiella defekter.

För att beskriva denna gruppering av ultraljud och is, Simonetti myntade termen cryoultrasonics. Cryoultrasonics kan ha ett dramatiskt inflytande på industrin, se till att tillsatstillverkare bygger pålitliga delar.

Verket dök upp denna månad i NDT&E International , en av de ledande tidskrifterna inom oförstörande testning och utvärdering.

Problem uppstår

Simonetti använder kryoultrasonics för att inspektera säkerhetskritiska delar, som metalldelar i jetmotorer eller kraftverk. Eftersom människors liv står på spel, ingenjörer måste kunna upptäcka eventuella defekter i dessa delar innan de används i praktiken.

I traditionell subtraktiv tillverkning, ultraljudstestning fungerar bra. En tillverkare börjar med ett fast materialblock, som ingenjörer kan testa för defekter genom att skicka ultraljudsvågor genom den.

Men ny teknik, som additiv tillverkning, utmana detta tillvägagångssätt. Tillverkare av tillsatsmedel bygger en önskad del inte genom att subtrahera från ett block utan genom att lägga till lager på lager. Ultraljudsvågor studsar mot vinklarna och kurvorna på dessa nya delar, istället för potentiella sprickor eller defekter.

"Ljud behöver ett kopplingsmedium för att spridas från en källgivare till volymen av en del, " säger Simonetti. "När kontrasten i mekaniska egenskaper mellan kopplingsmediet och detaljen är stor, väldigt lite energi kommer in, och det fungerar inte."

Många har testat vatten som kopplingsmedium. De nedsänkte delen i vatten och skickade ultraljudsvågor genom den. Vattnets mekaniska egenskaper, dock, skiljer sig mycket från metaller. Mycket lite ultraljudsenergi kan till och med nå delen.

Så Simonetti blev till is.

"Bo i Cincinnati, du tar alltid bort is från uppfarten. Jag blev nyfiken på att se vad isegenskaperna var, säger Simonetti.

"Vi provade alla konventionella tekniker och ingenting skulle fungera. Vid den tidpunkten, vi letade efter desperata åtgärder, och jag tänkte bara, "Varför försöker vi inte?"

Simonetti fryser metalldelen i en cylinder av is och skickar sedan ultraljudsvågor genom den. Eftersom de fysikaliska egenskaperna hos is är mycket lika de hos metalldelen, vågorna passerar lätt genom isen och den inneslutna metallen och plockar upp eventuella defekter i delen. När han är klar, isen smälter helt enkelt.

Det är åtminstone tanken.

"De första försöken var katastrofala, säger Simonetti.

För att is ska fungera som ett effektivt kopplingsmedium, det måste vara kristallklart – om det finns sprickor eller bubblor, ultraljudsvågor kommer att reflekteras från defekterna i isen snarare än defekterna i delen.

Men isen är inte kristallklar. Det är molnigt och sprucket. Skicka en ultraljudsvåg genom den och vågen studsar i 15 riktningar. Det är ännu värre för större isblock, som de som behövs för att omsluta några av dessa metalldelar.

Simonetti behövde hitta ett sätt att frysa is runt delen och samtidigt hålla isen genomskinlig. Det innebar att man skaffade en speciell maskin som frös is utan att orsaka bubblor eller sprickor.

"Självklart, vi var tvungna att bygga den här saken, " han säger.

Simonetti tillverkade denna skräddarsydda ismaskin för hand, kombinera saker köpta på Amazon som bakformar, stekhällar och spindlar. Det är som ett vetenskapskökset, men det gör jobbet. Det jobbet är att ta itu med de två hindren som förhindrar bildandet av kristallklar is:sprickor och bubblor.

Sprickor bildas eftersom vatten expanderar när det stelnar. Vatten fryser från utsidan, bildar ett fast isskal med flytande kärna. När kärnan stelnar, det tenderar att expandera mot skalet, vilket orsakar en uppbyggnad av inre krafter som leder till sprickbildning.

För att förhindra denna sprickbildning, Simonetti har gjort en cylinder med metallbotten och plastsidor. Simonetti lägger metalldelen han håller på att inspektera inuti cylindern och fyller den med vatten. Han kyler sedan metallbasen, vilket gör att vattnet fryser nerifrån och upp. Vattnet stelnar så småningom runt metalldelen och expanderar till den öppna toppen av en cylinder, snarare än sidorna.

Bubblor är lite knepigare. Löst luft finns i vatten. När vattnet fryser, det driver ut överflödig luft. Denna överskottsluft samlas på frysfronten, eller där vattnet förvandlas till is, för att bilda bubblor.

"För att förhindra detta fenomen, du behöver helt enkelt minska koncentrationen av luft ovanpå frysfronten. Att göra det, vi rör om vattnet för att få konstant flöde, säger Simonetti.

För att skapa detta konstanta flöde, Simonetti använder en spindel. Genom att hålla vattnet i rörelse, överskottsluften ackumuleras aldrig och bubblorna bildas aldrig.

Resultatet är en metalldel omsluten av ett block av kristallklar is, konkurrerar även med den tydligaste isskulpturen. Simonetti kan skicka ultraljudsvågor obehindrat genom detta block för att mäta säkerheten hos en metalldel. När han är klar, han lägger helt enkelt delen under vatten och isen smälter direkt.

Simonetti medger att is bara är ett steg framåt för att inspektera dessa kritiska säkerhetsdelar. Is är ett bra kopplingsmedium eftersom det har liknande egenskaper som metall, men det är fortfarande inte exakt.

"Helst, om kopplingsmediet var tillverkat av samma material som delen, det skulle vara perfekt, " säger Simonetti. "Men det är inte praktiskt med något som flytande titan. Experimentellt, du kunde inte ta bort den."

Simonetti experimenterar nu med nanopartiklar för att skapa is som mer liknar egenskaperna hos en metalldel. Tanken är att frysa in suspensioner av nanopartiklar i vattnet för att göra isen tätare, tyngre och mekaniskt starkare.

Simonetti tar emot samtal från många branscher, inklusive ingenjörsfirmor, biltillverkare och militären. Han tror att publikationen har hjälpt till att etablera legitimitet i hans kryoultrasoniska tillvägagångssätt, samt begränsa skepsisen. Han, för, tvivlade först på tillvägagångssättet.

"Det är helt nytt. Närhelst du har något som är så nytt, det finns många skeptiker från det akademiska samfundet, " säger han. "När du fryser vatten, det ser hemskt ut. Tror du, "Det här kommer inte att fungera."

Simonetti drar ut det färdiga isblocket ur frysen för att inspektera. Isen omsluter metalldelen helt. När Simonetti håller upp isen, han kan se rakt igenom det. Det är lika tydligt som en isskulptur av en svan och, på något sätt, lika imponerande.