Evolución tecnológica del ultrasonido industrial: De la simplicidad a la precisión

Autor: Euclides Quiñonez, 25 octubre 2023.

Introducción

La tecnología del ultrasonido industrial ha recorrido un largo camino desde sus inicios en la detección de defectos en materiales y la medición de espesores. A lo largo de las décadas, esta tecnología ha experimentado una evolución constante, permitiendo avances significativos en la inspección y evaluación de componentes y estructuras en una amplia variedad de industrias, desde la manufactura hasta la medicina¹.

Los dispositivos ultrasónicos pueden detectar objetos, medir distancias, realizar limpiezas profundas, ayudar en la fabricación y mejorar la atención y los tratamientos médicos. Los usos continúan creciendo a medida que se realizan avances en la fabricación de componentes ultrasónicos, lo que a menudo proporciona una alternativa menos invasiva y de menor costo. En este artículo técnico, exploraremos la evolución tecnológica del ultrasonido industrial, desde sus fundamentos iniciales hasta las innovaciones más recientes.

Fundamentos del ultrasonido industrial

• Los primeros pasos²

En el año 1880 los hermanos Pierre y Jaques Curie, hicieron el descubrimiento del fenómeno piezoeléctrico, experimentando con cristales de cuarzo y turmalina, y descubrieron la generación de ondas sonoras de muy alta frecuencia.

En el año 1912, después del hundimiento del Titanic, el inglés Lewis Fry Richardson propone la utilización de ecos ultrasónicos para detectar objetos sumergidos, trabajando en esta idea durante la Primera Guerra Mundial, para intentar detectar submarinos enemigos. Pero no fue hasta el año 1917 que es diseñado el primer generador piezoeléctrico de ultrasonido por el francés Paul Langévin y el ruso Constantin Chilowsky quienes diseñaron un dispositivo de ultrasonido de alta potencia. Ese equipo poseía un cristal que servía como receptor y generaba cambios eléctricos al recibir las vibraciones mecánicas, empleando posteriormente para estudiar el fondo marino. 

Fue en año 1924 cuando el científico ruso Dr. S. Y. Sokolov desarrolló algunas de las primeras técnicas de inspección en el que utiliza ondas ultrasónicas. Posteriormente, fue en la Segunda Guerra Mundial que ingenieros alemanes y soviéticos desarrollaron equipos de inspección ultrasónica con fines militares. Pero fueron los alemanes Josef y Herbert Krautkramer, quienes en 1948 perfeccionaron el ultrasonido como instrumento de inspección y desarrollaron equipos de inspección ultrasónica.

El ultrasonido industrial tiene sus raíces en la utilización de ultrasonidos como una herramienta para detectar defectos en materiales sólidos. A principios del siglo XX, se desarrollaron los primeros transductores ultrasónicos capaces de generar ondas de alta frecuencia las cuales, viajan a través de un material y rebotan en las interfaces entre diferentes medios, como una superficie interna o un defecto en el material. La detección de las ondas reflejadas permitió a los ingenieros y científicos identificar imperfecciones en piezas metálicas y cerámicas.

• Los equipos detectores de defectos

Durante la década de 1940, la Segunda Guerra Mundial impulsó el desarrollo de tecnologías de inspección no destructiva, incluido el ultrasonido industrial. Los detectores de defectos ultrasónicos se convirtieron en una herramienta esencial para evaluar la integridad de los componentes estructurales utilizados en aeronaves y maquinaria militar. Estos dispositivos eran relativamente rudimentarios en comparación con las tecnologías actuales, pero marcaron el comienzo de la era de la inspección ultrasónica.

Avances en transductores

• Mayor resolución y sensibilidad

      En las décadas de 1950 y 1960, se produjeron mejoras significativas en los transductores ultrasónicos, lo que permitió una mayor resolución y sensibilidad en las pruebas. Los materiales piezoeléctricos y cerámicos se convirtieron en opciones comunes para la fabricación de transductores, lo que aumentó la eficiencia en la conversión de energía eléctrica en energía ultrasónica. Estos avances hicieron posible la detección de defectos más pequeños y la evaluación de materiales más delgados³.

• Electrónica avanzada

      La electrónica asociada con el ultrasonido industrial también avanzó rápidamente. La introducción de pulsos electrónicos controlados permitió mediciones de tiempo precisas, lo que resultó en una mejor localización de defectos y mediciones de espesor más precisas. Además, la tecnología de amplificación y procesamiento de señales mejoró en términos de velocidad y precisión.

Nuevas aplicaciones e industrias

• La revolución en la soldadura

El ultrasonido industrial se convirtió en una herramienta fundamental en la industria de la soldadura a fines de la década de 1960. La soldadura por ultrasonido permitió la unión de materiales termoplásticos de manera eficiente y limpia. Esta técnica se ha utilizado en la fabricación de componentes electrónicos, envases, dispositivos médicos y otros productos, lo que la convierte en un proceso esencial en muchas industrias.

• La inspección no destructiva

El método de Ensayos No Destructiva (END) con ultrasonido se consolidó como una técnica confiable para evaluar la integridad de materiales y componentes. Se utiliza en la inspección de soldaduras, equipos, tuberías y otras estructuras críticas en industrias como la energía nuclear, aviación, construcciones civiles, metalmecánica, la construcción naval, petroquímica, petróleo y gas.

Innovaciones en la década de 1980 y 1990

• Ultrasonido Phased Array

Una de las innovaciones más significativas en ultrasonido industrial fue la introducción de la tecnología de ultrasonido por arreglo de fase (Phased Array) en la década de 1980. En lugar de utilizar un solo transductor, los sistemas Phased Array utilizan múltiples transductores de emisión y recepción para crear haces de ultrasonido que pueden ser enfocados y controlados electrónicamente. Esta capacidad de enfoque variable y control de la dirección permitió una inspección más eficiente y detección precisa de defectos en una variedad de geometrías.

A medida que la tecnología avanza, surgen técnicas más sofisticadas y efectivas, y una de las más destacadas es la Técnica de Ultrasonido por Método de Focalización Total (TFM). Esta técnica ha revolucionado la forma en que se identifican y caracterizan defectos en una amplia gama de aplicaciones industriales. El método TFM se basa en la misma metodología de orientación y focalización que la tecnología de Phased Array; pero la focalización se aplica solos en una región de interés y no en toda la profundidad.

• Técnicas de escaneo automatizado

La década de 1990 vio avances en la automatización de las técnicas de escaneo ultrasónico. Se desarrollaron sistemas robóticos con el fin de realizar inspecciones ultrasónicas de manera autónoma en entornos peligrosos o difíciles de alcanzar. Estos avances aumentaron la eficiencia de la inspección y redujeron la exposición de los operadores a situaciones de alto riesgo.

Por ejemplo; para la inspección desde el interno de tuberías, los robots son capaces de medir espesores en tramos tanto horizontales como verticales y curvos. Gracias a su construcción autopropulsada, no es necesario empujar los robots a través de las tuberías. Esto significa que tienen libertad para inspeccionar cada punto a lo largo de la tubería. Los datos recopilados mediante ultrasonidos están inmediatamente disponibles para su visualización en línea. El robot de inspección ultrasónico está conectado a su unidad de control, inspeccionando tubería de cientos de kilómetros de longitud, transmitiendo a los comandos de control datos ultrasónicos y de imagen.

El siglo XXI: Digitalización y simulación

• Avances en electrónica digital

El siglo XXI trajo consigo una rápida evolución en la electrónica digital utilizada en los sistemas de ultrasonido industrial. Los sistemas de adquisición y manejo de datos se volvieron más potentes y versátiles, permitiendo un procesamiento y análisis de señales ultrasónicas más sofisticados. Los paneles de control se modernizaron, proporcionando interfaces de usuario más amigables e integración con sistemas de gestión de datos.

A todo lo anterior se une la Big data y el internet de las cosas (loT) con lo cual los instrumentos convencionales utilizan soluciones seguras de almacenamiento en la nube, para realizar copias de seguridad de la información recopilada en el sitio en tiempo real. Con esto se tiene una gran herramienta, junto con la comunicación inalámbrica, para intercambio inmediato de datos o para informes en tiempo real, apoyados con la información de la Big Data generada por los equipos habilitados por el internet de las cosas.

La IoT revolucionará la forma tradicional de realizar inspecciones periódicas con ultrasonido para determinar la vida útil de los componentes y con la utilización de métodos alternativos, como el monitoreo de condición e igualmente permitirá que los sensores integrados realicen mediciones continuamente.

• Simulación por Elementos Finitos

La Simulación por Elementos Finitos⁴ se convirtió en una herramienta fundamental en el diseño de transductores ultrasónicos y de la optimización de técnicas de inspección. Estas simulaciones permiten a los ingenieros modelar la propagación de ondas ultrasónicas en materiales y componentes, lo que ayuda a predecir cómo se comportarán las ondas ultrasónicas en una variedad de situaciones. Esta capacidad ha llevado a mejoras significativas en la sensibilidad y resolución de las pruebas ultrasónicas. A continuación, algunos ejemplos de uso:

• En ensayos de laboratorio se aplicó la tecnología ultrasónica de matriz en fase (Phased Array) para detectar defectos en muestras de soldada. Se utilizó el método de eco de pulso para ensayar una muestra con defectos y establecer el modelo numérico correspondiente. Al mismo tiempo, se utilizó el elemento finito (FEA) para simular la propagación de ondas ultrasónicas en las probetas defectuosas y se obtienen cifras de la amplitud de la presión sonora. Los resultados muestran que el sistema de ultrasonidos en fase con simulación de elementos finitos es efectivo.

• La inspección ultrasónica de defectos dentro de la interfaz de unión de los materiales, es difícil debido a la gran diferencia de tamaño de grano entre los dos lados. Se presentó una investigación basada en modelos sobre la caracterización ultrasónica de la interfaz unida por difusión. Se desarrolló un modelo 2D de elementos finitos para describir el material, donde se obtuvo la orientación de cada grano mediante la técnica EBSD. Se predijo la propagación del ultrasonido en la muestra y se calculó el coeficiente de reflexión que se verificó con la respuesta ultrasónica experimental.

El futuro del ultrasonido industrial

• Inteligencia artificial y aprendizaje automático

Uno de los desarrollos más importantes en el ultrasonido industrial es la incorporación de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (machine learning). Estas tecnologías permiten una interpretación más sofisticada de los datos ultrasónicos y la detección automática de defectos. Los algoritmos de IA pueden identificar patrones complejos en las señales ultrasónicas, lo que facilita la detección de defectos sutiles y la reducción de falsos positivos.

• Ultrasonido en tiempo real y portabilidad

Los avances en hardware y software han permitido el desarrollo de sistemas de ultrasonido en tiempo real y dispositivos portátiles. Estos avances brindan a los inspectores la capacidad de realizar pruebas ultrasónicas en el campo de manera más eficiente. Los sistemas portátiles son particularmente útiles en aplicaciones de mantenimiento predictivo, donde se pueden llevar a cabo inspecciones rápidas y precisas en el lugar.

• Comunicación y conectividad

La capacidad de compartir datos ultrasónicos de manera rápida y segura ha mejorado significativamente con la adopción de tecnologías de comunicación y conectividad. Los resultados de las pruebas ultrasónicas se pueden enviar a la nube para su análisis, compartir con expertos a distancia y almacenar de manera segura para referencias futuras. Esta conectividad agiliza el proceso de toma de decisiones y la colaboración en tiempo real.

Conclusiones

La evolución tecnológica del ultrasonido industrial ha sido notable a lo largo de las décadas. Desde sus humildes comienzos como una herramienta para detectar defectos en materiales hasta su papel fundamental en la inspección no destructiva y la fabricación avanzada, el ultrasonido industrial ha recorrido un largo camino. Los avances en transductores, electrónica, técnicas de escaneo y simulación han impulsado el campo hacia una mayor eficiencia y precisión.

A medida que ingresamos en una era de inteligencia artificial, el ultrasonido industrial está experimentando una transformación aún mayor. La capacidad de detectar defectos con mayor precisión y automatizar procesos de inspección ofrece grandes oportunidades para una amplia variedad de industrias. La portabilidad y la conectividad también están cambiando la forma en que se realizan las pruebas ultrasónicas, permitiendo inspecciones más eficientes y una colaboración más efectiva.

Referencias

1. Krzysztof J. Opieliński; “Special Issue on Ultrasound Technology in Industry and Medicine” ; Applied. Sciences; 2023, 13(3), 1455. https://www.mdpi.com/2076-3417/13/3/1455
2. https://www.nde-ed.org/NDETechniques/Ultrasonics/Introduction/history.xhtml
3. https://es.wikipedia.org/wiki/Ultrasonido
4. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/657/1/012011