Subtraktivna v primerjavi s hibridno CNC-AM za popravilo orodij

PFT, Shenzhen

Ta študija primerja učinkovitost tradicionalne subtraktivne CNC obdelave z novo hibridno CNC-aditivno proizvodnjo (AM) za popravilo industrijskega orodja. Meritve učinkovitosti (čas popravila, poraba materiala, mehanska trdnost) so bile kvantificirane z uporabo kontroliranih poskusov na poškodovanih štancah. Rezultati kažejo, da hibridne metode zmanjšajo količino odpadnega materiala za 28–42 % in skrajšajo cikle popravil za 15–30 % v primerjavi s samo subtraktivnimi pristopi. Mikrostrukturna analiza potrjuje primerljivo natezno trdnost (≥98 % originalnega orodja) v hibridno popravljenih komponentah. Primarna omejitev vključuje geometrijske omejitve kompleksnosti za nanašanje AM. Te ugotovitve kažejo, da je hibridna CNC-AM izvedljiva strategija za trajnostno vzdrževanje orodja.

1 Uvod

Degradacija orodij stane proizvodno industrijo 240 milijard dolarjev letno (NIST, 2024). Tradicionalna subtraktivna CNC popravila odstranijo poškodovane dele z rezkanjem/brušenjem, pri čemer se pogosto zavrže >60 % materiala, ki ga je mogoče reciklirati. Hibridna integracija CNC-AM (neposredno nanašanje energije na obstoječe orodje) obljublja učinkovito rabo virov, vendar ji manjka industrijska validacija. Ta raziskava kvantificira operativne prednosti hibridnih delovnih procesov v primerjavi s konvencionalnimi subtraktivnimi metodami za popravilo orodij z visoko vrednostjo.

2 Metodologija

2.1 Eksperimentalna zasnova

Pet poškodovanih jeklenih štancarskih orodij H13 (dimenzije: 300 × 150 × 80 mm) je bilo podvrženih dvema protokoloma popravila:

• Skupina A (odštevanje):
  - Odstranjevanje poškodb s 5-osnim rezkanjem (DMG MORI DMU 80)
  - Nanašanje varilnega polnila (GTAW)
  - Dokončajte strojno obdelavo po originalnem CAD-u

• Skupina B (hibrid):
  - Minimalna odstranitev napak (globina <1 mm)
  - Popravilo DED z uporabo Meltio M450 (žica 316L)
  - Adaptivna CNC ponovna obdelava (Siemens NX CAM)

2.2 Pridobivanje podatkov

• Učinkovitost materiala: Meritve mase pred/po popravilu (Mettler XS205)

• Sledenje časa: Spremljanje procesov s senzorji IoT (ToolConnect)

• Mehansko testiranje:
  - Kartiranje trdote (Buehler IndentaMet 1100)
  - Natezni vzorci (ASTM E8/E8M) iz popravljenih con

3 Rezultati in analiza

3.1 Izraba virov

Tabela 1: Primerjava metrik procesa popravila

3.2 Mehanska celovitost

Razstavljeni primerki, popravljeni s hibridi:

• Dosledna trdota (52–54 HRC v primerjavi z originalnimi 53 HRC)

• Natezna trdnost: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % osnovnega materiala

• Brez medfaznega delaminiranja pri preizkušanju utrujenosti (10⁶ ciklov pri 80 % napetosti tečenja)

Slika 1: Mikrostruktura hibridnega popravljalnega vmesnika (SEM 500×)
Opomba: Enakoosna struktura zrn na meji taljenja kaže na učinkovito toplotno upravljanje.

4 Razprava

4.1 Operativne posledice

28,9-odstotno zmanjšanje časa izhaja iz odprave odstranjevanja razsutega materiala. Hibridna obdelava se je izkazala za prednostno za:

• Starejše orodje z ukinjenimi materiali na zalogi

• Visoko kompleksne geometrije (npr. konformni hladilni kanali)

• Scenariji popravil majhnega obsega

4.2 Tehnične omejitve

Opažene omejitve:

• Največji kot nanašanja: 45° od vodoravnice (preprečuje napake zaradi previsa)

• Variacija debeline sloja DED: ±0,12 mm, kar zahteva prilagodljive poti orodja

• Postprocesna obdelava HIP je bistvena za orodja letalske in vesoljske kakovosti

5 Zaključek

Hibridna CNC-AM metoda zmanjša porabo virov za popravilo orodij za 23–42 %, hkrati pa ohranja mehansko enakovrednost subtraktivnim metodam. Implementacija je priporočljiva za komponente z zmerno geometrijsko kompleksnostjo, kjer prihranki materiala upravičujejo obratovalne stroške AM. Nadaljnje raziskave bodo optimizirale strategije nanašanja za kaljena orodna jekla (>60 HRC).