Abrasive mixing inspection and modelling for a novel AWJ focuser design

The Mixing tube design is a fundamental issue in abrasive waterjet (AWJ) technology. The final goal of fluid-dynamic models and applied research is the best combination of the three-phase-jet (water, abrasive and air) mixing efficiency and the technological limits of mixing tube manufacturing for smaller and smaller diameters. This dissertation presents a study that establishes what is the best solution in a focuser design, starting from investigation on macro AWJ. The discriminating factor was the cutting quality since in micro-application is fundamental due to the tight tolerances requested. The physical phenomena that characterize the mixing tube, are already described in pre-existing models. These models predict the velocity of abrasive particles and water in relation with the x coordinate (mixing tube length) starting from the most important input variables (mixing tube and primary orifice diameters, water and abrasive mass flows, water and abrasive starting velocities, abrasive particle average diameter (dp) and drag coefficient (CD). A specific analysis is carried out in this study on abrasive powder samples, that gave real average values of dp and CD in order to improve the reliability of the model. Furthermore, a cutting quality study is carried out to find the best mixing tube length (lm) and the output was used to determine the best ratio between abrasive and water velocity (λ). The λ obtained can sets the correct length, in terms of cutting quality, in a micro abrasive waterjet (µAWJ) focuser design.

La progettazione del tubo di miscelazione è una parte fondamentale per quanto riguarda la tecnologia a getto d'acqua (AWJ); infatti l’obiettivo finale dei modelli fluidodinamici e di ricerca applicata, presentati in questo lavoro di Tesi, è trovare la combinazione migliore tra l’efficienza di miscelazione del getto trifase (composto da acqua, aria e abrasivo) e i limiti tecnologici di fabbricazione per tubi con un diametro di dimensioni molto ridotte. Questo studio è volto alla realizzazione di un nuovo design per un focalizzatore micro partendo da un'indagine effettuata sul macro AWJ. La discriminante presa in esame è la qualità di taglio poiché, soprattutto nelle micro-applicazioni, sono richieste tolleranze molto strette. I fenomeni fisici che caratterizzano il tubo di miscelazione sono già descritte in modelli pre-esistenti; questi predicono la velocità delle particelle di abrasivo e dell’acqua in funzione della coordinata x (lunghezza del tubo di miscelazione) partendo dalle più importanti variabili di ingresso (diametro del tubo di miscelazione e dell’orefizio primario; portata massica di acqua e abrasivo; velocità iniziale di acqua e abrasivo; diametro medio (dp) e coefficiente di drag (CD) delle particelle di abrasivo). E’ stata poi effettuata un’analisi specifica su campioni di polvere abrasiva per migliorare l’affidabilità del modello tramite una più precisa analisi del dp e del CD. In un secondo momento si è passati ad uno studio focalizzato sulla qualità di taglio per trovare la migliore lunghezza del tubo di miscelazione (lm), che a sua volta è stata utilizzata per determinare il miglior rapporto tra velocità di abrasivo e acqua (λ). Il λ così ottenuto può essere utilizzato per progettare un nuovo focalizzatore che garantisca la migliore qualità di taglio anche nel campo del micro.