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

Stel je voor dat je de binnenkant van een zeer lange, dunne rietje probeert schoon te maken dat in het midden een scherpe bocht van 90 graden heeft. Stel je nu voor dat dit rietje van metaal is, laag voor laag opgebouwd door een 3D-printer, en dat de wanden zo ruw zijn als een zandduin. Dit is de uitdaging waar ingenieurs voor staan bij de brandstofinjectoren in straalmotoren. Deze onderdelen zijn de hartslagen van het vliegtuig, maar het 3D-printproces laat een bobbelig, grillig interieur achter dat de manier waarop brandstof spuit kan verstoren. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers een methode die "abrasive flow polishing" wordt genoemd. Denk aan het door een rietje persen van een dikke, korrelige modder (water gemengd met piekleine zandkorrels). De zandkorrels schuren tegen de wanden en maken ze glad, net zoals schuurpapier op hout werkt. Echter, net als bij het proberen van water door een lange, gebogen pijp te duwen, raken de zandkorrels de wanden niet altijd gelijkmatig. De hoeken worden op sommige plekken te hard geraakt en op andere plekken te weinig, waardoor de "bobbelige" delen nog steeds bobbelig blijven.

Dit is waar een nieuwe truc om de hoek komt kijken: het toevoegen van een "schudder" aan de mix. Door een ultrasone vibrator aan de pijp te bevestigen, laten de wetenschappers het korrelige water trillen op een supersnelle frequentie. Deze trilling creëert piekleine, onzichtbare bubbels die met enorme kracht knappen, wat werkt als microscopische hamers die de zandkorrels helpen hun werk nog beter te doen. De grote vraag was: kan deze schudtruc die lastige, moeilijk bereikbare hoeken in deze lange, 3D-geprinte metalen buizen glad maken zonder de rest van de pijp een bende te maken?

In dit onderzoek besloten onderzoekers Zhe Yan en Yuli Sun van de Nanjing University of Aeronautics and Astronautics dit uit te zoeken. Ze gokten niet alleen wat er zou gebeuren; ze bouwden eerst een digitale tweeling van het probleem. Met behulp van computersimulaties keken ze hoe het water en het zand bewogen in een 90 graden gebogen kanaal gemaakt van een AlSi10Mg aluminiumlegering (een veelvoorkomend metaal voor 3D-printen). Ze ontdekten dat de zandkorrels zonder hulp de neiging hadden om door het midden te razen en de buitenhoeken te missen, terwijl de binnenhoeken te hard werden geraakt. Ze simuleerden ook hoe het ultrasone schudden het spel veranderde. Ze ontdekten dat het schudden van de vloeistof met een amplitude van 25 μm en een frequentie van 20 kHz een enorme hoeveelheid van die nuttige knappende bubbels creëerde, vooral in de lastige hoekgebieden.

Na het draaien van de digitale simulaties bouwden ze een echte machine om het te testen. Ze namen hun 3D-geprinte metalen buizen en voerden drie verschillende schoonmaaktests uit: het één keer doorpersen van het korrelige water (unidirectioneel), het heen en weer duwen (bidirectioneel), en het heen en weer duwen terwijl het met ultrasone trillingen werd geschud (ultrasoon-ondersteund bidirectioneel). Ze maten de oppervlakte-ruwheid, een getal dat aangeeft hoe bobbelig het oppervlak is (lager is gladder).

De resultaten waren duidelijk. De eenvoudige "doorpers"-methode liet de ingang en het midden van de bocht er ruw uitzien. De "heen en weer"-methode was beter in het gelijk maken van de ingang en de uitgang, maar had nog steeds moeite met de scherpe hoeken. Echter, toen ze de ultrasone trillingen toevoegden, gebeurde de magie. De combinatie van de schuddende bubbels en de zandkorrels werkten samen om de moeilijke hoeken glad te strijken die de andere methoden lieten liggen. Na slechts 20 minuten van deze ultrasoon-ondersteunde reiniging was het oppervlak gladder dan wat ze bereikten na 30 minuten met de niet-schuddende methoden. Sterker nog, de ruwheid in de hoek daalde van een zeer bobbelige Ra 13,725 μm naar een veel gladdere Ra 1,730 μm. De ingangs- en uitgangsecties werden ongelooflijk glad en bereikten een Ra van 0,529 μm.

De studie suggereert dat deze ultrasoon-ondersteunde methode een krachtige manier is om de bobbelige binnenkant van complexe 3D-geprinte onderdelen te herstellen. Het maakt het reinigingsproces sneller — het halveert de benodigde tijd om hetzelfde resultaat te krijgen — en zorgt ervoor dat de hele buis, zelfs de lastige hoeken, gelijkmatig wordt gepolijst. Hoewel de onderzoekers opmerkten dat als ze te lang bleven polijsten (langer dan 40 minuten), het oppervlak daadwerkelijk weer bekrast kon raken, vonden zij 30 minuten het ideale moment voor de beste resultaten. Dit werk biedt een veelbelovende nieuwe tool voor het maken van hoogtechnologische motoronderdelen die niet alleen sterk zijn, maar ook een perfect glad binnenwerk hebben.