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

想象一下，尝试清洗一根中间有一个锐角 90 度弯折的长而细的吸管。现在，想象这根吸管是由 3D 打印机逐层构建的金属材质，其内壁像沙丘一样粗糙。这就是工程师在处理喷气发动机燃料喷嘴时面临的挑战。这些部件是飞机的“心脏”，但 3D 打印过程会让它们的内部变得凹凸不平，从而影响燃料的喷射方式。为了解决这个问题，科学家们使用了一种被称为“磨料流抛光”的方法。把它想象成将一种厚厚的、带有颗粒感的泥浆（混合了微小沙粒的水）强行压入吸管中。沙粒会刮擦内壁，就像用砂纸打磨木头一样使墙面变得光滑。然而，就像试图将水推过一根长而弯曲的管道一样，沙粒并不总能均匀地撞击到墙壁。有些角落被撞击得太重，而有些地方则不够，导致那些“凹凸不平”的地方依然保持着粗糙。

这就是一个新窍门发挥作用的地方：在混合物中加入一个“振动器”。通过在管道上安装超声波振动器，科学家们让这种带有颗粒感的水以极高的频率进行震动。这种震动产生了一些微小的、肉眼看不见的气泡，它们会以惊人的力量破裂，就像微型锤子一样，帮助沙粒更好地完成工作。核心问题在于：这种震动窍门能否在不弄乱管道其余部分的情况下，平滑掉这些长而复杂的 3 维打印金属管中那些难以触及的棘手角落？

在这项研究中，来自南京航空航天大学的研究员严哲和孙喻决定一探究竟。他们并没有仅仅靠猜测；他们首先为这个问题建立了一个“数字孪生”。通过计算机模拟，他们观察了水和沙粒如何在由 AlSi10Mg 铝合金（一种常见的 3D 打印金属）制成的 90 度弯曲通道内移动。他们发现，如果没有帮助，沙粒往往会从中间快速冲过，从而错过外侧角落，而内侧角落则会被过度撞击。他们还模拟了超声波震动如何改变局面。他们发现，以 25 μm 的振幅和 20 kHz 的频率震动流体，会在那些棘手的角落区域产生大量的有益气泡。

在完成数字模拟后，他们制造了一台真实的机器进行测试。他们拿取这些 3D 打印的金属管，并进行了三种不同的清洗测试：单向推动带有颗粒感的水、来回推动，以及在来回推动的同时进行超声波震动。他们测量了表面粗糙度，这是一个代表表面凹凸程度的数值（数值越低表示越光滑）。

结果非常明确。简单的“推行”法让入口和弯道中间部分看起来依然很粗糙。“来回推动”法在使入口和出口看起来趋于一致方面表现较好，但在处理锐角处仍然很吃力。然而，当他们加入超声波震动时，奇迹发生了。震动产生的气泡与沙粒协同作用，平滑了其他方法无法处理的困难角落。在仅经过 20 分钟的超声辅助清洗后，其表面比非震动方法的 30 分钟效果还要光滑。事实上，角落处的粗糙度从非常粗糙的 Ra 13.725 μm 下降到了非常光滑的 Ra 1.730 μm。入口和出口部分的平滑度也达到了惊人的 Ra 0.529 μm。

这项研究表明，这种超声辅助方法是修复复杂 3D 打印零件内部凹凸不平情况的一种强大手段。它使清洗过程更加高效——将达到相同结果所需的时间缩短了一半，并且确保了整个管道（即使是那些棘手的角落）都能得到均匀的抛光。虽然研究人员指出，如果抛光时间过长（超过 40 分钟），表面实际上可能会再次出现划痕，但他们发现 30 分钟是获得最佳效果的“黄金时间”。这项工作为制造不仅强度高而且内部极其光滑的高科技发动机部件提供了一种极具前景的新工具。