NDT acustico non lineare, una nuova era per le applicazioni AM critiche

Man mano che le tecnologie di produzione additiva diventano sempre più sofisticate e sempre più praticabili per la produzione di parti per uso finale per applicazioni critiche, inevitabilmente sorgono nuove domande e sfide. Una volta che i processi AM sono stati convalidati, le aziende AM e le industrie adottive devono fare i conti con come garantire che il processo sia scalabile e pronto per il settore. Spesso, quando ne parliamo ci concentriamo sulla scalabilità della post-elaborazione e sulla necessità di una maggiore automazione del flusso di lavoro. Ma c’è anche un altro pezzo del puzzle che deve essere affrontato. Test e qualificazione delle parti.

Theta Technologies, una società con sede nel Regno Unito specializzata in test non distruttivi (NDT), sta introducendo sul mercato un nuovo processo di test, chiamato non-linear acoustics (NLA), che potrebbe aiutare i produttori a implementare con sicurezza AM per la produzione di parti critiche. Fondata nel 2007 come spin-out dell’Università di Exeter, l’azienda è attualmente sul punto di diventare un’attività commerciale completa, dopo una transizione pluriennale guidata dal CEO di Theta Steve Butler. Abbiamo parlato con Butler e il CTO James Watts della missione dell’azienda e di come la sua esclusiva tecnologia NDT potrebbe essere un punto di svolta per gli utenti AM industriali.

L’acustica non lineare di Theta

La tecnologia dell’acustica non lineare è un metodo di test non distruttivo in grado di rilevare in modo rapido ed economico difetti o incongruenze in una parte stampata in 3D utilizzando frequenze udibili e ultrasoniche. Secondo i dirigenti di Theta, la loro tecnologia brevettata basata su NLA è in grado di rilevare crepe, delaminazione e creep inferiori a un millimetro indipendentemente dalla complessità del componente stampato.

“Theta Technologies fornisce risultati di superamento/fallimento accurati in pochi secondi, migliorando notevolmente l’efficienza dei processi di produzione di produzione additiva dei metalli”, spiegano. “Le nostre soluzioni NDT sono così semplici da utilizzare che i test possono essere effettuati senza la presenza di operatori altamente qualificati; contribuendo a ridurre i costi nel processo”.

Ma come funziona il processo? Watts lo spiega più in dettaglio: “Tutti i componenti hanno una caratteristica firma acustica, che è influenzata dal materiale e dalle forme e dimensioni delle caratteristiche del componente. Sfruttiamo il fatto che la firma acustica di un componente difettoso cambia quando cambiamo l’eccitazione, mentre la firma di un campione privo di difetti rimane invariata. Possiamo così rilevare la risposta non lineare di un difetto nel campione”.

In altre parole, il processo utilizza le onde sonore per eccitare la parte con uno stimolo lineare. Se la parte presenta crepe o difetti interni, invierà una risposta non lineare. Questa tecnica di prova può essere utilizzata in diversi modi per analizzare rapidamente l’integrità complessiva di una struttura o per generare un quadro dettagliato della struttura della parte e di eventuali incongruenze. Inutile dire che la tecnologia dell’acustica non lineare di Theta differisce anche dai processi di test dell’acustica lineare. Esistono tre differenze fondamentali: NLA ignora le differenze dimensionali tra i componenti, eliminando il rischio di falsi negativi per la variazione frazionaria delle dimensioni di una parte; inoltre non è influenzato dalle imperfezioni della superficie, consentendo di testare accuratamente le parti stampate in 3D prima della lucidatura.

“Abbiamo due principali sistemi di test NLA, che funzionano in modi diversi per identificare i difetti nei componenti”, continua Watts. “I nostri sistemi di risonanza non lineare (NLR) stimolano l’intero componente in una volta e segnalano un ‘Indice di danno’ che mostra rapidamente la risposta di un difetto in qualsiasi punto del componente. I nostri sistemi di scansione NLA utilizzano un segnale acustico localizzato per generare un’immagine del pezzo, mostrando le regioni con un’elevata risposta non lineare che corrispondono ai difetti. Per le parti AM che tendono ad avere forme molto complesse, i nostri sistemi NLR sono particolarmente utili perché non dipendono dalla finitura della superficie e possono distinguere tra un difetto e intricati dettagli interni in meno di un minuto”.

Theta Technologies si sta attualmente preparando a lanciare sul mercato entrambe le sue soluzioni basate su NLA. Il suo primo prodotto, previsto per giugno 2022, sarà il sistema go/no go NLR. Il secondo, il sistema di scansione NLA completo, dovrebbe essere rilasciato 9-12 mesi dopo. “Se i clienti volessero inviarci campioni, saremmo felici di dimostrare la nostra capacità di aiutarli a prendere la decisione di acquistare una macchina in un secondo momento”, specifica Butler. Allo stesso tempo, l’azienda sta lavorando per qualificare completamente la sua tecnica NDT in collaborazione con i panel di standard internazionali. L’azienda è inoltre alla ricerca di partner che adottino la sua tecnologia NDT per esplorare ulteriormente quali tipi di parti producono i risultati migliori.

Una buona misura per AM

Sebbene non sia specificamente progettata per la produzione additiva, la tecnologia NLA di Theta è particolarmente adatta per l’AM e offre alcuni vantaggi rispetto ad altri metodi NDT, come l’ispezione del colorante penetrante e i raggi X. Ciò è principalmente dovuto al fatto che NLA può identificare rapidamente anche le più piccole incongruenze nelle strutture più complesse.

“In base alla nostra esperienza, ci sono opzioni limitate per ispezionare un componente che è stato prodotto per sfruttare appieno le libertà offerte da AM”, afferma Watts. “Mentre le tecniche convenzionali a ultrasuoni o penetranti coloranti possono essere teoricamente utilizzate per progetti più semplici, i problemi geometrici e di finitura superficiale lo rendono molto impegnativo nella pratica. Per i progetti più complessi, solo la TC a raggi X, l’ispezione visiva o i test funzionali (ad es. test di pressione) hanno una reale applicazione, ma anche in questo caso potrebbero non essere sensibili a difetti più piccoli che potrebbero essere critici. La TC a raggi X, in particolare, richiede molto tempo e richiede la gestione del rischio per la sicurezza delle radiazioni”.

La tecnologia di Theta è inoltre compatibile con un’ampia gamma di materiali AM, inclusi metalli, ceramiche, compositi e persino alcuni polimeri. “La nostra tecnologia funziona bene su parti metalliche prodotte con una gamma di tecniche AM: l’abbiamo applicata alla fusione laser su letto di polvere, arco di filo e campioni a base di legante e continuiamo a esplorare nuove applicazioni. Abbiamo utilizzato con successo i nostri sistemi su altri materiali, inclusi compositi, ceramiche e alcuni polimeri, anche se vediamo un successo migliore con materiali più duri perché le perdite di propagazione sono minori”.

Watts aggiunge che l’azienda sta posizionando la sua tecnologia NLA come particolarmente adatta per testare parti a parete sottile in metallo. “Stiamo prendendo di mira i componenti AM in metallo a parete sottile come priorità, inclusi gli scambiatori di calore AM. Abbiamo dimostrato che possiamo identificare i difetti in questi con un semplice test di un minuto. Per gli scambiatori di calore in applicazioni aerospaziali o automobilistiche critiche, i soli test attuali (TC a raggi X o test di pressione) possono identificare difetti di grandi dimensioni, ma potrebbero non rilevare i difetti più piccoli che si verificano e causare guasti più avanti nella vita. Vediamo che fornire una soluzione NDT capace per questi componenti consentirà l’adozione di AM laddove ciò sarebbe altrimenti un rischio troppo elevato”.

L’azienda sta inoltre cercando di presentare i suoi prodotti NLA alle industrie che utilizzano AM per realizzare componenti ad alta integrità, dove è fondamentale ridurre al minimo il rischio di guasti. “Siamo davvero interessati a parlare con aziende aerospaziali e della difesa, aziende di produzione di energia, in particolare organizzazioni nucleari e di sport motoristici”, afferma Butler.

Il mercato è maturo

Non è un caso che Theta Technologies stia preparando le sue soluzioni di test per il lancio commerciale con un occhio particolare al settore AM. Con la maturazione del settore e la crescita del numero di applicazioni critiche per l’AM, cresce anche la necessità di un NDT efficiente e scalabile. 

“Fino a tempi relativamente recenti, per le applicazioni più critiche venivano utilizzate pochissime parti AM, più comunemente si trattava di parti estetiche o superficiali”, spiega Butler. “Ora, una volta compreso il potenziale di AM, l’attenzione deve concentrarsi sulla dimostrazione che le parti funzionali continuano a funzionare come previsto per tutta la loro vita”.

“Sono stati spesi molti sforzi per qualificare i processi AM in modo da comprendere la loro capacità di produrre materiali di buona qualità. Nelle parti reali, tuttavia, la parte finita può rispondere in modo molto diverso alle sollecitazioni termiche prodotte nel processo di fabbricazione rispetto a un semplice provino cilindrico. Per questo motivo non ha senso qualificare semplicemente la macchina o il processo: una sorta di NDT è fondamentale per validare il componente prima di consentirne l’utilizzo. Le nostre tecniche acustiche non lineari sono una buona opzione per questo”.

In alcuni casi, la tecnologia NLA di Theta potrebbe essere utilizzata in combinazione con altri processi NDT, come la scansione TC a raggi X. Ciò consentirebbe agli utenti di valutare in modo rapido e conveniente quali parti devono continuare fino al prossimo ciclo di test, che richiede più tempo e denaro.

Watts spiega: “Attualmente stiamo lavorando con diversi produttori chiave di AM per provare la nostra tecnica contro una gamma di geometrie, dimensioni e materiali di componenti diversi. Prevediamo che in alcuni casi la nostra tecnica verrà prima utilizzata per filtrare quali componenti vengono inviati per la TC a raggi X, in modo che il tempo e il costo di questo processo siano sostenuti solo per i componenti che probabilmente passeranno”.

Secondo Butler e Watts, le soluzioni di test NDT come i loro prodotti di scansione NLR e NLA di prossima uscita svolgeranno un ruolo importante nell’adozione continua della produzione additiva per le parti critiche e hanno il potenziale per creare molte più opportunità applicative. “I fornitori di processi AM fanno affermazioni audaci secondo cui AM può sostituire un’ampia gamma di parti e assiemi prodotti complessi con componenti più piccoli, più leggeri, altamente integrati e più convenienti”, afferma Watts. “Questo è possibile solo se i componenti AM possono essere provati”.

“Vediamo che l’adozione dell’AM nei processi di produzione critici è ostacolata dalla difficoltà di convalidare i componenti prima dell’uso. In alcuni casi riteniamo che i componenti siano persino progettati per assomigliare molto ai componenti fabbricati in modo convenzionale semplicemente per consentire loro di essere ispezionati più facilmente. Vediamo che l’industria AM, insieme a NDT veloce ed efficace, può rispondere a questi timori e consentire a AM di essere utilizzato in modo molto più ampio in applicazioni in cui non sarebbe stato preso in considerazione in precedenza”.

Butler lo riassume bene dicendo: “È chiaro che il mercato AM è ampio e in rapida crescita. Affinché raggiunga il suo pieno potenziale, deve dimostrare una qualità costante del prodotto utilizzando l’NDT, come avviene attualmente per i componenti compositi e lavorati in modo convenzionale”.

Questo articolo è stato pubblicato in collaborazione con Theta Technologies.