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

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, das Innere eines sehr langen, dünnen Strohhalms zu reinigen, der in der Mitte eine scharfe 90-Grad-Biegung hat. Stellen Sie sich nun vor, dieser Strohhalm besteht aus Metall, wurde Schicht für Schicht von einem 3D-Drucker aufgebaut und seine Wände sind so rau wie eine Sanddüne. Dies ist die Herausforderung, der sich Ingenieure bei den Einspritzdüsen von Strahltriebwerken gegenübersehen. Diese Teile sind die Herzschläge des Flugzeugs, aber der 3D-Druckprozess hinterlässt ein unebenes, gezacktes Inneres, das die Art und Weise, wie der Kraftstoff versprüht wird, stören kann. Um dies zu beheben, verwenden Wissenschaftler eine Methode namens „Abrasive Flow Polishing“ (abrasives Strömungspolieren). Stellen Sie sich das wie das Durchpressen eines dicken, körnigen Schlamms (Wasser gemischt mit winzigen Sandkörnern) durch den Strohhalm vor. Die Sandkörner kratzen gegen die Wände und glätten sie wie Schleifpapier auf Holz. Doch genau wie beim Versuch, Wasser durch ein langes, gebogenes Rohr zu drücken, treffen die Sandkörner die Wände nicht immer gleichmäßig. Die Ecken werden an einigen Stellen zu stark getroffen und an anderen zu wenig, wodurch die „beuligen“ Stellen weiterhin beulig bleiben.

Hier kommt ein neuer Trick ins Spiel: die Zugabe eines „Schüttlers“ zur Mischung. Indem man einen Ultraschallvibrator an das Rohr anbringt, lässt man das körnige Wasser mit einer superschnellen Frequenz vibrieren. Dieses Schütteln erzeugt winzige, unsichtbare Blasen, die mit unglaublicher Kraft platzen und wie mikroskopische Hämmer wirken, die den Sandkörnern helfen, ihre Aufgabe noch besser zu erfüllen. Die große Frage war: Könnte dieser Schütteltrick jene schwierigen, schwer erreichbaren Ecken in diesen langen, 3D-gedruckten Metallröhren glätten, ohne den Rest des Rohrs zu ruinieren?

In dieser Studie beschlossen die Forscher Zhe Yan und Yuli Sun von der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, dies herauszufinden. Sie haben nicht nur geraten; sie bauten zuerst einen digitalen Zwilling des Problems. Mithusing Computersimulationen beobachteten sie, wie sich das Wasser und der Sand in einem 90-Grad-gebogenen Kanal aus einer AlSi10Mg-Aluminiumlegierung (einem gängigen Metall für den 3D-Druck) bewegten. Sie entdeckten, dass die Sandkörner ohne Hilfe dazu neigten, durch die Mitte zu rasen und die äußeren Ecken zu verpassen, während die inneren Ecken zu stark bearbeitet wurden. Sie simulierten auch, wie das Ultraschall-Schütteln das Spiel veränderte. Sie fanden heraus, dass das Schütteln der Flüssigkeit mit einer Amplitude von 25 μm und einer Frequenz von 20 kHz eine gewaltige Menge dieser hilfreichen, platzenden Blasen erzeugte, insbesondere in den schwierigen Eckbereichen.

Nach den digitalen Simulationen bauten sie eine echte Maschine, um es zu testen. Sie nahmen ihre 3D-gedruckten Metallrohre und führten drei verschiedene Reinigungstests durch: das einmalige Durchdrücken des körnigen Wassers (unidirektional), das Hin- und Herpumpen (bidirektional) und das Hin- und Herpumpen unter gleichzeitigem Ultraschall-Schütteln (ultraschallgestütztes bidirektionales Verfahren). Sie maßen die Oberflächenrauheit, was eine Zahl ist, die angibt, wie uneben die Oberfläche ist (ein niedrigerer Wert bedeutet glatter).

Die Ergebnisse waren eindeutig. Die einfache „Durchdrück“-Methode hinterließ den Eingang und die Mitte der Biegung rau. Die „Hin-und-Her“-Methode war besser darin, den Eingang und den Ausgang ähnlich aussehen zu lassen, hatte aber immer noch Schwierigkeiten mit den scharfen Ecken. Doch als sie das Ultraschall-Schütteln hinzufügten, geschah die Magie. Die Kombination aus den schüttelnden Blasen und den Sandkörnern arbeitete zusammen, um die schwierigen Ecken zu glätten, die die anderen Methoden übersehen hatten. Nach nur 20 Minuten dieser ultraschallgestützten Reinigung war die Oberfläche glatter, als sie es nach 30 Minuten mit den Methoden ohne Schütteln erreicht hatten. Tatsächlich sank die Rauheit an der Ecke von einem sehr unebenen Wert von Ra 13,725 μm auf einen viel glatteren Wert von Ra 1,730 μm. Die Ein- und Ausgangssektionen wurden unglaublich glatt und erreichten Ra 0,529 μm.

Die Studie legt nahe, dass diese ultraschallgestützte Methode ein leistungsstarkes Werkzeug ist, um das unebene Innere komplexer 3D-gedruckter Teile zu korrigieren. Sie macht den Reinigungsprozess schneller – sie halbiert die benötigte Zeit, um das gleiche Ergebnis zu erzielen – und stellt sicher, dass das gesamte Rohr, selbst die schwierigen Ecken, gleichmäßig poliert wird. Während die Forscher anmerkten, dass die Oberfläche bei zu langem Polieren (über 40 Minuten) tatsächlich wieder zerkratzen könnte, fanden sie heraus, dass 30 Minuten der „Sweet Spot“ für die besten Ergebnisse waren. Diese Arbeit bietet ein vielversprechendes neues Werkzeug, um die unebenen Innenseiten hochtechnologischer Motorenteile zu optimieren, die nicht nur stark, sondern auch im Inneren perfekt glatt sind.