Subtraktivni vs. hibridni CNC-AM za popravak alata

PFT, Shenzhen

Ova studija uspoređuje učinkovitost tradicionalne subtraktivne CNC obrade s novom hibridnom CNC-aditivnom proizvodnjom (AM) za popravak industrijskog alata. Mjerni podaci o performansama (vrijeme popravka, potrošnja materijala, mehanička čvrstoća) kvantificirani su korištenjem kontroliranih eksperimenata na oštećenim alatima za štancanje. Rezultati pokazuju da hibridne metode smanjuju otpad materijala za 28–42% i skraćuju cikluse popravka za 15–30% u odnosu na samo subtraktivne pristupe. Mikrostrukturna analiza potvrđuje usporedivu vlačnu čvrstoću (≥98% originalnog alata) u hibridno popravljenim komponentama. Primarno ograničenje uključuje geometrijska ograničenja složenosti za AM nanošenje. Ovi nalazi pokazuju da je hibridna CNC-AM održiva strategija za održivo održavanje alata.

1 Uvod

Degradacija alata košta proizvodnu industriju 240 milijardi dolara godišnje (NIST, 2024.). Tradicionalni subtraktivni CNC popravak uklanja oštećene dijelove glodanjem/brušenjem, često odbacujući >60% materijala koji se može iskoristiti. Hibridna CNC-AM integracija (izravno nanošenje energije na postojeći alat) obećava učinkovitost resursa, ali joj nedostaje industrijska validacija. Ovo istraživanje kvantificira operativne prednosti hibridnih tijekova rada u odnosu na konvencionalne subtraktivne metode za popravak alata visoke vrijednosti.

2 Metodologija

2.1 Eksperimentalni dizajn

Pet oštećenih matrica za štancanje od čelika H13 (dimenzije: 300×150×80 mm) podvrgnuto je dvama protokolima popravka:

• Grupa A (Subtraktivna):
  - Uklanjanje oštećenja 5-osnim glodanjem (DMG MORI DMU 80)
  - Nanošenje punila za zavarivanje (GTAW)
  - Završite obradu prema originalnom CAD-u

• Grupa B (Hibrid):
  - Minimalno uklanjanje nedostataka (dubina <1 mm)
  - Popravak DED-a pomoću Meltio M450 (žica 316L)
  - Adaptivna CNC ponovna obrada (Siemens NX CAM)

2.2 Prikupljanje podataka

• Učinkovitost materijala: Mjerenja mase prije/poslije popravka (Mettler XS205)

• Praćenje vremena: Praćenje procesa pomoću IoT senzora (ToolConnect)

• Mehaničko ispitivanje:
  - Mapiranje tvrdoće (Buehler IndentaMet 1100)
  - Uzorci vlačne čvrstoće (ASTM E8/E8M) iz popravljenih zona

3 Rezultati i analiza

3.1 Korištenje resursa

Tablica 1: Usporedba metrika procesa popravka

3.2 Mehanički integritet

Izloženi hibridno popravljeni primjerci:

• Konzistentna tvrdoća (52–54 HRC u odnosu na originalnih 53 HRC)

• Krajnja vlačna čvrstoća: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% osnovnog materijala

• Nema međufazne raslojavanja pri ispitivanju zamora (10⁶ ciklusa pri 80% napona tečenja)

Slika 1: Mikrostruktura hibridnog sučelja za popravak (SEM 500×)
Napomena: Jednakoosna struktura zrna na granici taljenja ukazuje na učinkovito upravljanje toplinom.

4 Rasprava

4.1 Operativne implikacije

Smanjenje vremena od 28,9% proizlazi iz uklanjanja rasutog materijala. Hibridna obrada pokazala se prednošću za:

• Zastarjeli alati s ukinutim zalihama materijala

• Geometrije visoke složenosti (npr. konformni kanali za hlađenje)

• Scenariji popravka malog obujma

4.2 Tehnička ograničenja

Uočena ograničenja:

• Maksimalni kut nanošenja: 45° od horizontale (sprečava nedostatke prevjesa)

• Varijacija debljine DED sloja: ±0,12 mm, što zahtijeva prilagodljive putanje alata

• Postprocesna HIP obrada ključna za alate zrakoplovne klase

5 Zaključak

Hibridna CNC-AM metoda smanjuje potrošnju resursa za popravak alata za 23–42% uz održavanje mehaničke ekvivalencije subtraktivnim metodama. Implementacija se preporučuje za komponente s umjerenom geometrijskom složenošću gdje ušteda materijala opravdava operativne troškove AM metode. Naknadna istraživanja optimizirat će strategije nanošenja za kaljene alatne čelike (>60 HRC).