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

एक बहुत लंबे, पतले स्ट्रॉ के अंदरूनी हिस्से को साफ करने की कल्पना करें जिसमें बीच में 90-डिग्री का तीखा मोड़ है। अब, कल्पना करें कि वह स्ट्रॉ धातु से बना है, जिसे एक 3D प्रिंटर द्वारा परत-दर-परत बनाया गया है, और उसकी दीवारें रेत के टीले जितनी खुरदरी हैं। यह वह चुनौती है जिसका सामना जेट इंजनों के ईंधन नोजल (fuel nozzles) के साथ इंजीनियरों को करना पड़ता है। ये पुर्जे विमान के दिल की धड़कन होते हैं, लेकिन 3D प्रिंटिंग प्रक्रिया उनके भीतर एक ऊबड़-खाबड़, ऊबड़-खाबड़ सतह छोड़ देती है जो इस बात को बिगाड़ सकती है कि ईंधन कैसे स्प्रे होता है। इसे ठीक करने के लिए, वैज्ञानिक "एब्रेसिव फ्लो पॉलिशिंग" (abrasive flow polishing) नामक विधि का उपयोग करते हैं। इसे एक गाढ़े, दानेदार कीचड़ (पानी और बारीक रेत के कणों का मिश्रण) को स्ट्रॉ के माध्यम से धकेलने जैसा समझें। रेत के कण दीवारों से रगड़ खाते हैं, जिससे वे लकड़ी पर सैंडपेपर की तरह चिकने हो जाते हैं। हालाँकि, एक लंबे, मुड़े हुए पाइप के माध्यम से पानी को धकेलने की कोशिश करने की तरह, रेत हमेशा दीवारों से समान रूप से नहीं टकराती है। कोनों पर कुछ जगहों पर बहुत ज़ोर से प्रहार होता है और कुछ जगहों पर बहुत कम, जिससे "ऊबड़-खाबड़" वाले हिस्से अभी भी ऊबड़-खाबड़ ही रह जाते हैं।

यहीं पर एक नया तरीका काम आता है: मिश्रण में एक "शेकर" (shaker) जोड़ना। पाइप से एक अल्ट्रासोनिक वाइब्रेटर जोड़कर, वैज्ञानिक दानेदार पानी को एक अत्यंत तेज़ आवृत्ति (frequency) पर हिलाते हैं। यह हिलाना सूक्ष्म, अदृश्य बुलबुले पैदा करता है जो अविश्वसनीय बल के साथ फूटते हैं, जो सूक्ष्म हथौड़ों की तरह कार्य करते हैं ताकि रेत के कण अपना काम और भी बेहतर तरीके से कर सकें। बड़ा सवाल यह था: क्या यह हिलाने वाला तरीका इन लंबे, 3D-प्रिंटेड धातु के ट्यूबों के उन कठिन, पहुँच से दूर कोनों को चिकना कर सकता है, बिना बाकी पाइप को खराब किए?

इस अध्ययन में, नानजिंग यूनिवर्सिटी ऑफ एयरोनॉटिक्स एंड एयरोस्पेस के शोधकर्ताओं झे यान (Zhe Yan) और यूली सन (Yuli Sun) ने यह पता लगाने का निर्णय लिया। उन्होंने केवल अनुमान नहीं लगाया; उन्होंने पहले समस्या का एक डिजिटल ट्विन (digital twin) बनाया। कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करते हुए, उन्होंने देखा कि AlSi10Mg एल्युमिनियम मिश्र धातु (3D प्रिंटिंग के लिए एक सामान्य धातु) से बने 90-डिग्री मुड़े हुए चैनल के अंदर पानी और रेत कैसे चलते हैं। उन्होंने पाया कि बिना किसी मदद के, रेत के कण बीच से तेज़ी से निकल जाते हैं और बाहरी कोनों तक नहीं पहुँच पाते, जबकि भीतरी कोनों पर बहुत ज़ोर से प्रहार होता है। उन्होंने यह भी सिम्युलेट किया कि अल्ट्रासोनिक शेकिंग (हिलाना) खेल को कैसे बदल देती है। उन्होंने पाया कि तरल पदार्थ को 25 μm के आयाम (amplitude) और 20 kHz की आवृत्ति पर हिलाने से उन मददगार फूटते बुलबुलों की एक विशाल मात्रा पैदा हुई, विशेष रूप से उन कठिन कोनों वाले क्षेत्रों में।

डिजिटल सिमुलेशन चलाने के बाद, उन्होंने इसे टेस्ट करने के लिए एक वास्तविक मशीन बनाई। उन्होंने अपने 3D-प्रिंटेड धातु के ट्यूब लिए और तीन अलग-अलग सफाई परीक्षण चलाए: दानेदार पानी को एक बार धकेलना (unidirectional), इसे आगे-पीछे धकेलना (bidirectional), और इसे अल्ट्रासोनिक कंपन के साथ आगे-पीछे धकेलना (ultrasonic-assisted bidirectional)। उन्होंने सतह की खुरदरापन (surface roughness) को मापा, जो एक संख्या है जो बताती है कि सतह कितनी ऊबड़-खाबड़ है (कम संख्या का अर्थ है अधिक चिकना)।

परिणाम स्पष्ट थे। साधारण "धकेलने वाले" (push-through) तरीके ने प्रवेश द्वार और मोड़ के मध्य भाग को खुरदरा छोड़ दिया। "आगे-पीछे" वाला तरीका प्रवेश और निकास को समान दिखाने में बेहतर था, लेकिन वह अभी भी तीखे कोनों के साथ संघर्ष कर रहा था। हालाँकि, जब उन्होंने अल्ट्रासोनिक शेकिंग जोड़ी, तो जादू हो गया। शेकिंग के बुलबुलों और रेत के कणों के संयोजन ने मिलकर उन कठिन कोनों को चिकना कर दिया जिन्हें अन्य विधियों ने छोड़ दिया था। केवल 20 मिनट की इस अल्ट्रासोनिक-सहायता प्राप्त सफाई के बाद, सतह उन तरीकों की तुलना में अधिक चिकनी थी जो बिना शेकिंग के 30 मिनट तक चले थे। वास्तव में, कोने की खुरदरापन (roughness) बहुत ऊबड़-खाबड़ Ra 13.725 μm से गिरकर बहुत चिकने Ra 1.730 μm पर आ गई। प्रवेश और निकास वाले हिस्से अविश्वसनीय रूप से चिकने हो गए, जो Ra 0.529 μm तक पहुँच गए।

अध्ययन सुझाव देता है कि अल्ट्रासोनिक-सहायता प्राप्त विधि जटिल 3D-प्रिंटेड भागों के ऊबड़-खाबड़ भीतरी हिस्सों को ठीक करने का एक शक्तिशाली तरीका है। यह सफाई प्रक्रिया को तेज़ बनाता है—उसी परिणाम को पाने के लिए आवश्यक समय को आधा कर देता है—और यह सुनिश्चित करता है कि पूरा ट्यूब, यहाँ तक कि कठिन कोने भी, समान रूप से पॉलिश हों। हालाँकि शोधकर्ताओं ने नोट किया कि यदि वे बहुत लंबे समय तक (40 मिनट से अधिक) पॉलिश करते रहे, तो सतह वास्तव में फिर से खरोंच वाली हो सकती है, लेकिन उन्होंने पाया कि सर्वोत्तम परिणामों के लिए 30 मिनट का समय सबसे सटीक (sweet spot) है। यह कार्य उच्च-तकनीकी इंजन के पुर्जों को बनाने के लिए एक आशाजनक नया उपकरण प्रदान करता है जो न केवल मजबूत हैं बल्कि जिनका भीतरी हिस्सा भी पूरी तरह से चिकना है।