Субтрактивен наспроти хибриден CNC-AM за поправка на алатки

PFT, Шенжен

Оваа студија ја споредува ефикасноста на традиционалната суптрактивна CNC обработка со новосоздаденото хибридно CNC-адитивно производство (AM) за поправка на индустриски алатки. Метриките за перформанси (време на поправка, потрошувачка на материјал, механичка цврстина) беа квантифицирани со користење на контролирани експерименти на оштетени матрици за штанцање. Резултатите покажуваат дека хибридните методи го намалуваат отпадот од материјал за 28-42% и ги скратуваат циклусите на поправка за 15-30% во споредба со пристапите само со суптрактивна обработка. Микроструктурната анализа потврдува споредлива затегнувачка цврстина (≥98% од оригиналната алатка) кај компонентите поправени со хибрид. Примарното ограничување вклучува ограничувања на геометриската сложеност за нанесување на AM. Овие наоди ја покажуваат хибридната CNC-AM како одржлива стратегија за одржливо одржување на алатките.

1 Вовед

Деградацијата на алатите ги чини производствените индустрии 240 милијарди долари годишно (NIST, 2024). Традиционалната суптрактивна CNC поправка ги отстранува оштетените делови преку глодање/брусење, честопати отфрлајќи >60% од материјалот што може да се обнови. Хибридната CNC-AM интеграција (директно таложење на енергија врз постојните алати) ветува ефикасност на ресурсите, но нема индустриска валидација. Ова истражување ги квантифицира оперативните предности на хибридните работни процеси во споредба со конвенционалните суптрактивни методи за поправка на алати со висока вредност.

2 Методологија

2.1 Експериментален дизајн

Пет оштетени челични матрици за штанцање H13 (димензии: 300×150×80mm) беа подложени на два протоколи за поправка:

• Група А (одземање):
  - Отстранување на оштетувања преку 5-осно глодање (DMG MORI DMU 80)
  - Депонирање на заварувачки филер (GTAW)
  - Завршете ја обработката според оригиналниот CAD

• Група Б (Хибридна):
  - Минимално отстранување на дефекти (<1mm длабочина)
  - Поправка на DED со Meltio M450 (жица 316L)
  - Адаптивна CNC преработка (Siemens NX CAM)

2.2 Собирање податоци

• Материјална ефикасност: Мерења на масата пред/по поправката (Mettler XS205)

• Следење на времето: Следење на процесите со IoT сензори (ToolConnect)

• Механичко тестирање:
  - Мапирање на тврдост (Buehler IndentaMet 1100)
  - Примери за затегнување (ASTM E8/E8M) од поправени зони

3 Резултати и анализа

3.1 Искористување на ресурсите

Табела 1: Споредба на метриките на процесот на поправка

3.2 Механички интегритет

Изложени примероци поправени со хибрид:

• Постојана тврдост (52–54 HRC наспроти оригиналните 53 HRC)

• Максимална цврстина на истегнување: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% од основниот материјал

• Нема меѓуфазна деламинација при тестирање на замор (10⁶ циклуси при 80% напон на истегнување)

Слика 1: Микроструктура на хибриден интерфејс за поправка (SEM 500×)
Забелешка: Еквиоксичната структура на зрната на границата на фузија укажува на ефикасно термичко управување.

4 Дискусија

4.1 Оперативни импликации

Намалувањето на времето од 28,9% произлегува од елиминирањето на отстранувањето на масовниот материјал. Хибридната обработка се покажува како предност за:

• Застарена алатка со прекинати залихи на материјали

• Геометрии со висока сложеност (на пр., конформни канали за ладење)

• Сценарија за поправка со мал обем

4.2 Технички ограничувања

Забележани ограничувања:

• Максимален агол на нанесување: 45° од хоризонталата (спречува дефекти на превиснување)

• Варијација на дебелината на слојот DED: ±0,12 mm што бара адаптивни патеки на алатките

• Постпроцесниот HIP третман е неопходен за алатки од воздухопловна класа

5 Заклучок

Хибридниот CNC-AM ја намалува потрошувачката на ресурси за поправка на алатки за 23–42%, додека одржува механичка еквивалентност на суптрактивните методи. Имплементацијата се препорачува за компоненти со умерена геометриска сложеност каде што заштедата на материјали ги оправдува оперативните трошоци за AM. Понатамошните истражувања ќе ги оптимизираат стратегиите за депонирање за стврднати челици за алати (>60 HRC).