Субтрактивна наспрам хибридне CNC-AM методе за поправку алата

ПФТ, Шенжен

Ова студија упоређује ефикасност традиционалне субтрактивне CNC обраде са новом хибридном CNC-адитивном производњом (AM) за поправку индустријског алата. Метрике перформанси (време поправке, потрошња материјала, механичка чврстоћа) су квантификоване коришћењем контролисаних експеримената на оштећеним алатима за штанцање. Резултати показују да хибридне методе смањују отпад материјала за 28–42% и скраћују циклусе поправке за 15–30% у односу на само субтрактивне приступе. Микроструктурна анализа потврђује упоредиву затезну чврстоћу (≥98% оригиналног алата) у хибридно поправљеним компонентама. Примарно ограничење укључује геометријска ограничења сложености за AM наношење. Ови налази показују да је хибридна CNC-AM одржива стратегија за одрживо одржавање алата.

1 Увод

Деградација алата кошта производну индустрију 240 милијарди долара годишње (NIST, 2024). Традиционална субтрактивна CNC поправка уклања оштећене делове глодањем/брушењем, често одбацујући >60% материјала који се може спасити. Хибридна CNC-AM интеграција (директно наношење енергије на постојећи алат) обећава ефикасност ресурса, али јој недостаје индустријска валидација. Ово истраживање квантификује оперативне предности хибридних радних токова у односу на конвенционалне субтрактивне методе за поправку алата високе вредности.

2 Методологија

2.1 Експериментални дизајн

Пет оштећених калупа за штанцање од челика H13 (димензије: 300×150×80 мм) прошло је кроз два протокола поправке:

• Група А (Суптрактивно):
  - Уклањање оштећења глодањем са 5 осовина (DMG MORI DMU 80)
  - Наношење додатног материјала за заваривање (GTAW)
  - Завршна обрада према оригиналном CAD-у

• Група Б (Хибрид):
  - Минимално уклањање дефеката (дубина <1 мм)
  - Поправка DED-а помоћу Meltio M450 (жица 316L)
  - Адаптивна CNC обрада (Siemens NX CAM)

2.2 Прикупљање података

• Ефикасност материјала: Мерења масе пре/после поправке (Mettler XS205)

• Праћење времена: Праћење процеса помоћу IoT сензора (ToolConnect)

• Механичко испитивање:
  - Мапирање тврдоће (Buehler IndentaMet 1100)
  - Узорци затезне чврстоће (ASTM E8/E8M) из поправљених зона

3 Резултати и анализа

3.1 Коришћење ресурса

Табела 1: Поређење метрика процеса поправке

3.2 Механички интегритет

Изложени примерци поправљени хибридом:

• Константна тврдоћа (52–54 HRC у односу на оригиналних 53 HRC)

• Крајња затезна чврстоћа: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% основног материјала

• Без међуповршинске деламинације при испитивању замора (10⁶ циклуса при 80% напрезања течења)

Слика 1: Микроструктура хибридног интерфејса за поправку (SEM 500×)
Напомена: Једнакоосна структура зрна на граници топљења указује на ефикасно управљање температуром.

4 Дискусија

4.1 Оперативне импликације

Смањење времена од 28,9% произилази из елиминације уклањања расутог материјала. Хибридна обрада се показала као предност за:

• Застарели алати са укинутим залихама материјала

• Геометрије високе сложености (нпр. конформни канали за хлађење)

• Сценарији поправке малог обима

4.2 Техничка ограничења

Уочена ограничења:

• Максимални угао наношења: 45° од хоризонтале (спречава недостатке прегиба)

• Варијација дебљине DED слоја: ±0,12 мм, што захтева адаптивне путање алата

• Постпроцесна обрада HIP-а је неопходна за алате ваздухопловног квалитета

5 Закључак

Хибридна CNC-AM обрада смањује потрошњу ресурса за поправку алата за 23–42%, уз одржавање механичке еквиваленције са субтрактивним методама. Имплементација се препоручује за компоненте са умереном геометријском сложеношћу где уштеда материјала оправдава оперативне трошкове AM обраде. Накнадна истраживања ће оптимизовати стратегије наношења за каљене алатне челике (>60 HRC).