Subtraktivna vs. hibridna CNC-AM za popravku alata

PFT, Šenžen

Ova studija upoređuje efikasnost tradicionalne subtraktivne CNC obrade sa novom hibridnom CNC-aditivnom proizvodnjom (AM) za popravku industrijskog alata. Metrike performansi (vrijeme popravke, potrošnja materijala, mehanička čvrstoća) kvantifikovane su korištenjem kontrolisanih eksperimenata na oštećenim alatima za štancanje. Rezultati pokazuju da hibridne metode smanjuju otpad materijala za 28-42% i skraćuju cikluse popravke za 15-30% u odnosu na isključivo subtraktivne pristupe. Mikrostrukturna analiza potvrđuje uporedivu zateznu 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 (direktno nanošenje energije na postojeći alat) obećava efikasnost resursa, ali joj nedostaje industrijska validacija. Ovo istraživanje kvantificira operativne prednosti hibridnih radnih procesa u odnosu na konvencionalne subtraktivne metode za popravak alata visoke vrijednosti.

2 Metodologija

2.1 Eksperimentalni dizajn

Pet oštećenih alata za štancanje od čelika H13 (dimenzije: 300×150×80 mm) prošlo je kroz dva protokola popravke:

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

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

2.2 Prikupljanje podataka

• Efikasnost materijala: Mjerenja mase prije/poslije popravke (Mettler XS205)

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

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

3 Rezultati i analiza

3.1 Korištenje resursa

Tabela 1: Poređenje metrika procesa popravke

3.2 Mehanički integritet

Izloženi hibridno popravljeni primjerci:

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

• Krajnja zatezna 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 reparativnog interfejsa (SEM 500×)
Napomena: Jednakoosna struktura zrna na granici taljenja ukazuje na efikasno upravljanje toplinom.

4 Diskusija

4.1 Operativne implikacije

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

• Zastarjeli alati sa ukinutim zalihama materijala

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

• Scenariji popravki malog obima

4.2 Tehnička ograničenja

Uočena ograničenja:

• Maksimalni ugao nanošenja: 45° od horizontale (sprečava defekte prevjesa)

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

• Postprocesna HIP obrada je neophodna za alate vazduhoplovnog kvaliteta

5 Zaključak

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