Subtraktiv vs. hybrid CNC-AM til værktøjsreparation

PFT, Shenzhen

Denne undersøgelse sammenligner effektiviteten af traditionel subtraktiv CNC-bearbejdning med den nye hybride CNC-additive manufacturing (AM) til reparation af industriel værktøj. Ydelsesmålinger (reparationstid, materialeforbrug, mekanisk styrke) blev kvantificeret ved hjælp af kontrollerede eksperimenter på beskadigede stansematricer. Resultaterne indikerer, at hybride metoder reducerer materialespild med 28-42% og forkorter reparationscyklusser med 15-30% versus kun subtraktive tilgange. Mikrostrukturanalyse bekræfter sammenlignelig trækstyrke (≥98% af originalt værktøj) i hybridreparerede komponenter. Den primære begrænsning involverer geometriske kompleksitetsbegrænsninger for AM-aflejring. Disse resultater demonstrerer hybrid CNC-AM som en levedygtig strategi til bæredygtig værktøjsvedligeholdelse.

1 Introduktion

Værktøjsnedbrydning koster fremstillingsindustrien 240 milliarder dollars årligt (NIST, 2024). Traditionel subtraktiv CNC-reparation fjerner beskadigede sektioner gennem fræsning/slibning, hvilket ofte kasserer >60% af det genbrugelige materiale. Hybrid CNC-AM-integration (direkte energiaflejring på eksisterende værktøjer) lover ressourceeffektivitet, men mangler industriel validering. Denne forskning kvantificerer de operationelle fordele ved hybride arbejdsgange versus konventionelle subtraktive metoder til reparation af værktøjer af høj værdi.

2 Metodologi

2.1 Eksperimentelt design

Fem beskadigede H13-stålstansematriser (dimensioner: 300 × 150 × 80 mm) gennemgik to reparationsprotokoller:

• Gruppe A (subtraktiv):
  - Fjernelse af skader via 5-akset fræsning (DMG MORI DMU 80)
  - Svejsefyldstofaflejring (GTAW)
  - Færdigbearbejdning til original CAD

• Gruppe B (Hybrid):
  - Minimal fjernelse af defekter (<1 mm dybde)
  - DED-reparation med Meltio M450 (316L-tråd)
  - Adaptiv CNC-genbearbejdning (Siemens NX CAM)

2.2 Dataindsamling

• Materialeeffektivitet: Massemålinger før/efter reparation (Mettler XS205)

• Tidsregistrering: Procesovervågning med IoT-sensorer (ToolConnect)

• Mekanisk testning:
  - Hårdhedskortlægning (Buehler IndentaMet 1100)
  - Trækprøver (ASTM E8/E8M) fra reparerede områder

3 Resultater og Analyse

3.1 Ressourceudnyttelse

Tabel 1: Sammenligning af reparationsprocesmålinger

3.2 Mekanisk integritet

Udstillede hybridreparerede eksemplarer:

• Konsekvent hårdhed (52-54 HRC vs. original 53 HRC)

• Ultimativ trækstyrke: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % af basismaterialet

• Ingen grænsefladedelaminering i udmattelsestestning (10⁶ cyklusser ved 80 % flydespænding)

Figur 1: Mikrostruktur af hybrid reparationsgrænseflade (SEM 500×)
Bemærk: Ligeakset kornstruktur ved fusionsgrænsen indikerer effektiv termisk styring.

4 Diskussion

4.1 Operationelle implikationer

Tidsreduktionen på 28,9 % stammer fra elimineringen af fjernelse af bulkmateriale. Hybridbehandling viser sig at være fordelagtig til:

• Ældre værktøj med udgået materialelager

• Højkomplekse geometrier (f.eks. konforme kølekanaler)

• Scenarier for reparation af lav volumen

4.2 Tekniske begrænsninger

Observerede begrænsninger:

• Maksimal aflejringsvinkel: 45° fra vandret (forhindrer overhængsfejl)

• DED-lagtykkelsesvariation: ±0,12 mm, der kræver adaptive værktøjsbaner

• HIP-behandling efter processen er afgørende for værktøjer til luftfartsbrug

5 Konklusion

Hybrid CNC-AM reducerer ressourceforbruget til værktøjsreparation med 23-42%, samtidig med at den mekaniske ækvivalens med subtraktive metoder opretholdes. Implementering anbefales til komponenter med moderat geometrisk kompleksitet, hvor materialebesparelser retfærdiggør AM-driftsomkostninger. Efterfølgende forskning vil optimere aflejringsstrategier for hærdede værktøjsstål (>60 HRC).