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

매우 길고 가느다란 빨대 중간에 날카로운 90도 굴곡이 있는 경우, 그 내부를 청소하는 상황을 상상해 보십시오. 이제 그 빨대가 3D 프린터로 층층이 쌓아 만든 금속 재질이고, 벽면은 모래 언덕처럼 거칠다고 상상해 보십시오. 이것이 바로 엔지니어들이 제트 엔진의 연료 노즐에서 직면하는 과제입니다. 이 부품들은 비행기의 심장과도 같지만, 3D 프린팅 공정은 연료가 분사되는 방식을 망칠 수 있는 울퉁불퉁하고 들쑥날쑥한 내부를 남깁니다. 이를 해결하기 위해 과학자들은 "연마 유동 연마(abrasive flow polishing)"라는 방법을 사용합니다. 이것은 마치 두꺼운 모래 섞인 진흙(물과 아주 작은 모래 알갱이를 섞은 것)을 빨대 속으로 밀어 넣는 것과 같습니다. 모래 알갱이들이 벽면에 부딪히며 나무를 사포질하듯 벽면을 매끄럽게 만듭니다. 하지만 길고 굽은 파이프 속으로 물을 밀어 넣는 것과 마찬가지로, 모래가 항상 벽면에 고르게 부딪히는 것은 아닙니다. 어떤 곳은 모서리가 너무 세게 부딪히고, 어떤 곳은 충분히 부딪히지 않아 "울퉁불퉁한" 부분이 여전히 울퉁불퉁한 상태로 남게 됩니다.

여기서 새로운 기술이 등장합니다: 혼합물에 "흔들개(shaker)"를 추가하는 것입니다. 초음파 진동기를 부착하여 과학자들은 걸쭉한 물을 매우 빠른 주파수로 흔듭니다. 이 흔들림은 엄청난 힘으로 터지는 미세하고 투명한 기포들을 만들어내며, 이 기포들은 모래 알갱이가 제 역할을 더 잘 할 수 있도록 돕는 미세한 망치 역할을 합니다. 큰 의문은 이것이었습니다: 이 흔데기 기술이 나머지 파이프를 엉망으로 만들지 않으면서, 길고 복잡한 3D 프린팅 금속 튜브의 까다롭고 손이 닿기 어려운 구석진 곳들을 매끄럽게 만들 수 있을 것인가 하는 점이었습니다.

이 연구에서 난징 항공 우주 대학교의 셴 옌(Zhe Yan)과 율리 순(Yuli Sun) 연구원은 이를 알아내기로 했습니다. 그들은 단순히 추측만 하지 않았습니다. 먼저 문제에 대한 '디지털 트윈'을 구축했습니다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해, 그들은 AlSi10Mg 알루미늄 합금(3D 프린팅에 흔히 쓰이는 금속)으로 된 90도 굴곡 채널 내부에서 물과 모래가 어떻게 움직이는지 관찰했습니다. 그들은 도움 없이는 모래 알갱이들이 중간으로 급격히 쏠려 바깥쪽 모서리를 놓치는 반면, 안쪽 모서리는 너무 강하게 타격을 받는다는 것을 발견했습니다. 또한 그들은 초음파 흔들기가 게임을 어떻게 바꾸는지도 시뮬레이션했습니다. 그들은 진폭 25μm, 주파수 20kHz로 유체를 흔들었을 때, 특히 까다로운 모서리 영역에서 도움이 되는 기포들이 대량으로 생성된다는 것을 발견했습니다.

디지털 시뮬레이션을 실행한 후, 그들은 이를 테스트할 실제 기계를 제작했습니다. 그들은 3D 프린팅된 금속 튜브를 가져와 세 가지 다른 세척 테스트를 진행했습니다: 걸쭉한 물을 한 번 밀어 넣는 방식(단방향), 앞뒤로 밀어 넣는 방식(양방향), 그리고 초음파 진동과 함께 앞뒤로 밀어 넣는 방식(초음파 보조 양방향)입니다. 그들은 표면 거칠기를 측정했는데, 이는 표면이 얼마나 울퉁불퉁한지를 나타내는 수치입니다(낮을수록 더 매끄럽습니다).

결과는 명확했습니다. 단순한 "밀어 넣기" 방식은 입구와 굴곡의 중간 부분을 거칠게 남겨두었습니다. "앞뒤로 움직이는" 방식은 입구와 출구를 비슷하게 만드는 데 더 나았지만, 여전히 날카로운 모서리에서는 어려움을 겪었습니다. 그러나 초음파 흔들기를 추가했을 때 마법이 일어났습니다. 흔들리는 기포와 모래 알갱이가 함께 작용하여 다른 방식들이 놓쳤던 까다로운 모서리들을 매끄럽게 만들어냈습니다. 이 초음파 보조 세척을 단 20분간 수행한 후, 표면은 흔들림 없는 방식들로 30분간 수행했을 때보다 더 매끄러웠습니다. 실제로 모서리의 거칠기는 매우 울퉁불퉁한 Ra 13.725μm에서 훨씬 매끄러운 Ra 1.730μm로 떨어졌습니다. 입구와 출구 섹션은 Ra 0.529μm에 도달하며 믿기 힘들 정도로 매끄러워졌습니다.

이 연구는 초음파 보조 방식이 복잡한 3D 프린팅 부품의 울퉁불퉁한 내부를 고치는 강력한 방법임을 시사합니다. 이 방식은 동일한 결과를 얻기 위해 필요한 시간을 절반으로 줄여 과정을 더 빠르게 만들며, 까다로운 모서리를 포함한 튜브 전체를 균일하게 연마하도록 보장합니다. 연구진은 만약 너무 오래(40분 이상) 연마하면 표면에 다시 흠집이 생길 수 있다는 점을 언급했지만, 30분이 최상의 결과를 얻을 수 있는 적정 시간임을 찾아냈습니다. 이 작업은 강할 뿐만 아니라 내부가 완벽하게 매끄러운 첨단 엔진 부품을 만들기 위한 유망한 새로운 도구를 제공합니다.