Flow-field simulation and experimental validation of ultrasonic-assisted abrasive water flow polishing for additively manufactured high-aspect-ratio internal channels

تخيل أنك تحاول تنظيف داخل ماصة (شفاطة) طويلة جداً ونحيفة، وبها انحناء حاد بزاوية 90 درجة في منتصفها. الآن، تخيل أن هذه الماصة مصنوعة من المعدن، وقد بُنيت طبقة تلو الأخرى بواسطة طابعة ثلاثية الأبعاد، وجدرانها خشنة مثل الكثبان الرملية. هذا هو التحدي الذي يواجهه المهندسون مع فوهات الوقود في المحركات النفاثة. هذه القطع هي نبضات قلب الطائرة، لكن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد تترك داخلها متعرجاً ومسنناً، مما قد يفسد طريقة رش الوقود. ولإصلاح ذلك، يستخدم العلماء طريقة تسمى "صقل التدفق الكاشط". فكر في الأمر كأنك تدفع وحلاً سميكاً وحبيبياً (ماء مخلوط بحبيبات رمل صغيرة) عبر الماصة. تقوم حبيبات الرمل بكشط الجدران، مما يجعلها ناعمة مثل صنفرة الخشب. ومع ذلك، تماماً مثل محاولة دفع الماء عبر أنبوب طويل ومنحنٍ، لا تصطدم الرمال بالجدران بالتساوي دائماً؛ حيث تتعرض الزوايا لضربات قوية جداً في بعض النقاط، بينما لا تصل إليها كفاية في نقاط أخرى، مما يترك الأجزاء "المتعرجة" خشنة كما هي.

وهنا يأتي دور خدعة جديدة: إضافة "هزاز" إلى المزيج. من خلال توصيل هزاز فوق صوتي بالأنبوب، يقوم العلماء بهز الماء الحبيبي بتردد فائق السرعة. هذا الاهتزاز يخلق فقاعات صغيرة غير مرئبة تنفجر بقوة هائلة، لتعمل مثل مطارق مجهرية تساعد حبيبات الرمل على أداء مهمتها بشكل أفضل. والسؤال الكبير كان: هل يمكن لهذه خدعة الاهتزاز أن تنعم تلك الزوايا الصعبة التي يصعب الوصول إليها في هذه الأنابيب المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد، دون أن تسبب فوضى في بقية الأنبوب؟

في هذه الدراسة، قرر الباحثان "زي يان" و"يولي صن" من جامعة نانجينغ للملاحة الجوية والفضائية اكتشاف ذلك. لم يكتفيا بالتخمين؛ بل بنيا أولاً "توأماً رقمياً" للمشكلة. وباستخدام عمليات المحاكاة الحاسوبية، راقبا كيف يتحرك الماء والرمل داخل قناة منحنية بزاوية 90 درجة مصنوعة من سبيكة الألمنيوم (AlSi10Mg)، وهي معدن شائع للطباعة ثلاثية الأبعاد. واكتشفا أنه بدون مساعدة، تميل حبيبات الرمل للاندفاع عبر المنتصف وتخطئ الزوايا الخارجية، بينما تتعرض الزوايا الداخلية لضربات قوية جداً. كما قاموا بمحاكاة كيفية تغيير الاهتزاز فوق الصوتي لقواعد اللعبة، ووجدوا أن هز السائل بسعة قدرها 25 ميكرومتر وتردد 20 كيلو هرتز يخلق كمية هائلة من تلك الفقاعات المفيدة التي تنفجر، خاصة في مناطق الزوايا الصعبة.

بعد إجراء المحاكاة الرقمية، بنوا آلة حقيقية لاختبار ذلك. أخذوا الأنابيب المعدنية المطبوعة ثلاثية الأبعاد وأجروا ثلاثة اختبارات تنظيف مختلفة: دفع الماء الحبيبي لمرة واحدة (اتجاه واحد)، ودفه ذهاباً وإياباً (اتجاهين)، ودفه ذهاباً وإياباً مع هزّه بالاهتزازات فوق الصوتية (اتجاهين بمساعدة الاهتزاز فوق الصوتي). وقاسوا خشونة السطح، وهو رقم يخبرك بمدى تعرج السطح (كلما قل الرقم، كان السطح أنعم).

كانت النتائج واضحة. تركت طريقة "الدفع لمرة واحدة" البسيطة المدخل ومنتصف الانحناء يبدوان خشنين. وكانت طريقة "الذهاب والإياب" أفضل في جعل المدخل والمخرج متشابهين، لكنها ظلت تعاني مع الزوايا الحادة. ومع ذلك، عندما أضافوا الاهتزاز فوق الصوتي، حدث السحر. لقد عمل مزيج الفقاعات الناتجة عن الاهتزاز مع حبيبات الرمل معاً لتنعيم الزوايا الصعبة التي فاتتها الطرق الأخرى. فبعد 20 دقيقة فقط من هذا التنظيف بمساعدة الاهتزاز فوق الصوتي، كان السطح أنعم مما حصلوا عليه بعد 30 دقيقة من الطرق غير المهتزة. في الواقع، انخفضت الخشونة عند الزاوية من مستوى خشن جداً (Ra 13.725 μm) إلى مستوى أنعم بكثير (Ra 1.730 μm). كما أصبح قسم المدخل والمخرج ناعماً للغاية، حيث وصل إلى (Ra 0.529 μm).

تشير الدراسة إلى أن هذه الطريقة المدعومة بالاهتزاز فوق الصوتي هي وسيلة قوية لإصلاح الداخل المتعرج للأجزاء المعقدة المطبوعة ثلاثية الأبعاد. فهي تجعل عملية التنظيف أسرع — حيث تقطع الوقت المطلوب إلى النصف للحصول على نفس النتيجة — وتضمن صقل الأنبوب بالكامل، حتى الزوايا الصعبة، بشكل متساوٍ. وبينما لاحظ الباحثون أنه إذا استمر الصقل لفترة طويلة جداً (أكثر من 40 دقيقة)، فقد يصبح السطح مخدوشاً مرة أخرى، فقد وجدوا أن 30 دقيقة هي "النقطة المثالية" لأفضل النتائج. يقدم هذا العمل أداة جديدة واعدة لصنع أجزاء المحركات عالية التقنية التي لا تتميز بالقوة فحسب، بل تمتلك أيضاً أجزاءً داخلية ناعمة تماماً.