An old branch of abrasive waterjet technology, the aqueous slurry entrainment mode of operation, is being rediscovered in recent years by research centers spread all over the world. It bears indeed the potential to shift the scale of abrasive waterjet machining to true micro-scale applications and therefore open large market opportunities to abrasive waterjet manufacturing shops. In facts, it stands as the only documented strategy to employ the required ultrafine abrasive powders. However, it is engulfed with issues and limitations that never allowed its exploitation for industrial production. The principal attempts to assemble a working system are reviewed and analyzed in detail in this work, with comparisons to the traditional systems, elaborating on published data and validated energetical models. The simplest and most effective slurry entrainment system up to date is therefore proposed as the objective of the present thesis, as well as the proof that the slurry injection technology can reach high production levels, not dissimilar with respect to the standard production rate of abrasive waterjet machines on the meso-scale. It is based on the accurate dispensing capability of peristaltic pumps, where its intrinsic source of pulsation is analyzed and overcome via simple and effective methods. The discussion of its cutting performances, as well as the reliability of its feeding system, is accompanied by a preliminary rheological investigation of the most suited suspending matrix and its composition, for the almandine garnet fine and ultrafine abrasives, which has never been done before.

Un vecchio ramo della tecnologia del getto d'acqua abrasivo, la modalità di funzionamento a iniezione di sospensione abrasiva, è stata riscoperto negli ultimi anni da centri di ricerca sparsi in tutto il mondo. Ha infatti il potenziale per spostare la scala della lavorazione a getto d'acqua abrasivo verso vere applicazioni su micro-scala e quindi aprire grandi opportunità di mercato alle officine di produzione che usano la tecnologia del getto d'acqua abrasive. Essa rappresenta l'unica strategia documentata per utilizzare le polveri abrasive ultrafini richieste. Tuttavia, i vari problemi e limitazioni, analizzati nella tesi, non ne hanno mai permesso lo sfruttamento per la produzione industriale. I principali tentativi di assemblare un sistema funzionante sono esaminati e analizzati in dettaglio in questo lavoro, confrontati con la tecnologia tradizionale, elaborando dati pubblicati e modelli energetici convalidati. L’obiettivo di questa tesi è la realizzazione del più semplice ed efficace sistema a iniezione di sospensione abrasiva e la dimostrazione che questa tecnologia può raggiungere livelli di produttività paragonabili ai sistemi utilizzati per lavorazioni su meso-scala. Il sistema proposto si basa sull'accurata capacità di erogazione delle pompe peristaltiche, dove la sua fonte intrinseca di pulsazione viene analizzata e superata tramite metodi altrettanto semplici ed efficaci. La discussione sulle sue prestazioni di taglio, nonché sull'affidabilità del sistema di alimentazione, è accompagnata da un'indagine reologica preliminare della matrice di sospensione più adatta e della sua composizione, per gli abrasivi granato almandino fine e ultrafine, che non è mai stata fatta prima.

Entrainment and stabilization of concentrated slurries in abrasive waterjets for micromachining applications

Monfredini, Andrea
2019/2020

Abstract

An old branch of abrasive waterjet technology, the aqueous slurry entrainment mode of operation, is being rediscovered in recent years by research centers spread all over the world. It bears indeed the potential to shift the scale of abrasive waterjet machining to true micro-scale applications and therefore open large market opportunities to abrasive waterjet manufacturing shops. In facts, it stands as the only documented strategy to employ the required ultrafine abrasive powders. However, it is engulfed with issues and limitations that never allowed its exploitation for industrial production. The principal attempts to assemble a working system are reviewed and analyzed in detail in this work, with comparisons to the traditional systems, elaborating on published data and validated energetical models. The simplest and most effective slurry entrainment system up to date is therefore proposed as the objective of the present thesis, as well as the proof that the slurry injection technology can reach high production levels, not dissimilar with respect to the standard production rate of abrasive waterjet machines on the meso-scale. It is based on the accurate dispensing capability of peristaltic pumps, where its intrinsic source of pulsation is analyzed and overcome via simple and effective methods. The discussion of its cutting performances, as well as the reliability of its feeding system, is accompanied by a preliminary rheological investigation of the most suited suspending matrix and its composition, for the almandine garnet fine and ultrafine abrasives, which has never been done before.
ARLEO, FRANCESCO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
28-apr-2021
2019/2020
Un vecchio ramo della tecnologia del getto d'acqua abrasivo, la modalità di funzionamento a iniezione di sospensione abrasiva, è stata riscoperto negli ultimi anni da centri di ricerca sparsi in tutto il mondo. Ha infatti il potenziale per spostare la scala della lavorazione a getto d'acqua abrasivo verso vere applicazioni su micro-scala e quindi aprire grandi opportunità di mercato alle officine di produzione che usano la tecnologia del getto d'acqua abrasive. Essa rappresenta l'unica strategia documentata per utilizzare le polveri abrasive ultrafini richieste. Tuttavia, i vari problemi e limitazioni, analizzati nella tesi, non ne hanno mai permesso lo sfruttamento per la produzione industriale. I principali tentativi di assemblare un sistema funzionante sono esaminati e analizzati in dettaglio in questo lavoro, confrontati con la tecnologia tradizionale, elaborando dati pubblicati e modelli energetici convalidati. L’obiettivo di questa tesi è la realizzazione del più semplice ed efficace sistema a iniezione di sospensione abrasiva e la dimostrazione che questa tecnologia può raggiungere livelli di produttività paragonabili ai sistemi utilizzati per lavorazioni su meso-scala. Il sistema proposto si basa sull'accurata capacità di erogazione delle pompe peristaltiche, dove la sua fonte intrinseca di pulsazione viene analizzata e superata tramite metodi altrettanto semplici ed efficaci. La discussione sulle sue prestazioni di taglio, nonché sull'affidabilità del sistema di alimentazione, è accompagnata da un'indagine reologica preliminare della matrice di sospensione più adatta e della sua composizione, per gli abrasivi granato almandino fine e ultrafine, che non è mai stata fatta prima.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/175019