CNC-AM subtraktywne a hybrydowe do naprawy narzędzi

PFT, Shenzhen

W niniejszym badaniu porównano skuteczność tradycyjnej obróbki ubytkowej CNC z nową, hybrydową technologią CNC-Additive Manufacturing (AM) w zakresie naprawy narzędzi przemysłowych. Parametry wydajności (czas naprawy, zużycie materiału, wytrzymałość mechaniczna) określono ilościowo za pomocą kontrolowanych eksperymentów na uszkodzonych tłocznikach. Wyniki wskazują, że metody hybrydowe zmniejszają straty materiału o 28–42% i skracają cykle napraw o 15–30% w porównaniu z metodami wyłącznie ubytkowymi. Analiza mikrostrukturalna potwierdza porównywalną wytrzymałość na rozciąganie (≥98% oryginalnego narzędzia) w komponentach naprawionych metodą hybrydową. Głównym ograniczeniem są ograniczenia złożoności geometrycznej procesu osadzania metodą AM. Wyniki te dowodzą, że hybrydowa technologia CNC-AM jest realną strategią zrównoważonej konserwacji narzędzi.

1 Wprowadzenie

Degradacja narzędzi kosztuje przemysł wytwórczy 240 mld dolarów rocznie (NIST, 2024). Tradycyjna naprawa ubytkowa CNC usuwa uszkodzone sekcje poprzez frezowanie/szlifowanie, często usuwając ponad 60% materiału nadającego się do odzyskania. Hybrydowa integracja CNC-AM (bezpośrednie nakładanie energii na istniejące narzędzia) obiecuje efektywne wykorzystanie zasobów, ale brakuje jej walidacji przemysłowej. Niniejsze badanie określa ilościowo zalety operacyjne hybrydowych przepływów pracy w porównaniu z konwencjonalnymi metodami ubytkowymi w zakresie naprawy narzędzi o wysokiej wartości.

2 Metodologia

2.1 Projekt eksperymentalny

Pięć uszkodzonych stalowych matryc H13 (wymiary: 300×150×80 mm) poddano dwóm protokołom naprawy:

• Grupa A (subtraktywna):
  - Usuwanie uszkodzeń poprzez frezowanie 5-osiowe (DMG MORI DMU 80)
  - Nakładanie materiału dodatkowego do spawania (GTAW)
  - Obróbka wykończeniowa zgodnie z oryginalnym systemem CAD

• Grupa B (hybrydowa):
  - Minimalne usuwanie defektów (głębokość <1 mm)
  - Naprawa DED przy użyciu drutu Meltio M450 (drut 316L)
  - Adaptacyjna obróbka CNC (Siemens NX CAM)

2.2 Pozyskiwanie danych

• Wydajność materiałowa: pomiary masy przed i po naprawie (Mettler XS205)

• Śledzenie czasu: monitorowanie procesów za pomocą czujników IoT (ToolConnect)

• Badania mechaniczne:
  - Mapowanie twardości (Buehler IndentaMet 1100)
  - Próbki rozciągania (ASTM E8/E8M) ze stref naprawionych

3 Wyniki i analiza

3.1 Wykorzystanie zasobów

Tabela 1: Porównanie wskaźników procesu naprawy

3.2 Integralność mechaniczna

Okazy naprawione metodą hybrydową wykazały:

• Stała twardość (52–54 HRC w porównaniu z oryginalną wartością 53 HRC)

• Wytrzymałość na rozciąganie: 1890 MPa (±25 MPa) – 98,4% materiału podstawowego

• Brak rozwarstwienia międzyfazowego w badaniu zmęczeniowym (10⁶ cykli przy 80% granicy plastyczności)

Rysunek 1: Mikrostruktura hybrydowego interfejsu naprawczego (SEM 500×)
Uwaga: Równomierna struktura ziaren na granicy stopienia wskazuje na efektywne zarządzanie ciepłem.

4 Dyskusja

4.1 Implikacje operacyjne

Skrócenie czasu o 28,9% wynika z wyeliminowania konieczności usuwania materiału sypkiego. Przetwarzanie hybrydowe okazuje się korzystne w przypadku:

• Narzędzia starszej generacji z zapasem materiałów wycofanych z produkcji

• Geometrie o wysokiej złożoności (np. konformalne kanały chłodzące)

• Scenariusze napraw o małej objętości

4.2 Ograniczenia techniczne

Obserwowane ograniczenia:

• Maksymalny kąt nachylenia: 45° od poziomu (zapobiega powstawaniu wad nawisowych)

• Wahania grubości warstwy DED: ±0,12 mm, wymagające adaptacyjnych ścieżek narzędzi

• Obróbka HIP po procesie jest niezbędna w przypadku narzędzi klasy lotniczej

5. Wnioski

Hybrydowa technologia CNC-AM zmniejsza zużycie zasobów do naprawy narzędzi o 23–42%, zachowując jednocześnie mechaniczną równoważność z metodami ubytkowymi. Wdrożenie jest zalecane w przypadku komponentów o umiarkowanej złożoności geometrycznej, gdzie oszczędności materiałowe uzasadniają koszty operacyjne AM. Dalsze badania pozwolą zoptymalizować strategie osadzania dla hartowanych stali narzędziowych (>60 HRC).