Subtraktiivne vs hübriidne CNC-AM tööriistade remondiks

PFT, Shenzhen

See uuring võrdleb traditsioonilise subtraktiivse CNC-töötluse efektiivsust tööstuslike tööriistade remondiks tekkivate hübriidsete CNC-lisandite tootmise (AM) meetoditega. Toimivusnäitajaid (remondiaeg, materjalikulu, mehaaniline tugevus) kvantifitseeriti kontrollitud katsete abil kahjustatud stantsvormidel. Tulemused näitavad, et hübriidmeetodid vähendavad materjalijäätmeid 28–42% ja lühendavad remonditsükleid 15–30% võrreldes ainult subtraktiivsete meetoditega. Mikrostruktuuriline analüüs kinnitab hübriidselt parandatud komponentide võrreldavat tõmbetugevust (≥98% originaaltööriista omast). Peamine piirang on AM-sadestamise geomeetrilise keerukuse piirangud. Need tulemused näitavad, et hübriidne CNC-AM on elujõuline strateegia säästva tööriistade hoolduse jaoks.

1 Sissejuhatus

Tööriistade kulumine läheb töötlevale tööstusele aastas maksma 240 miljardit dollarit (NIST, 2024). Traditsiooniline subtraktiivse CNC-remondi käigus eemaldatakse kahjustatud osad freesimise/lihvimise teel, mille käigus jäetakse sageli ära üle 60% taaskasutatavast materjalist. Hübriidne CNC-AM integratsioon (otsene energia sadestamine olemasolevale tööriistale) lubab ressursitõhusust, kuid sellel puudub tööstuslik kinnitus. See uuring kvantifitseerib hübriid-töövoogude operatiivseid eeliseid võrreldes tavapäraste subtraktiivsete meetoditega väärtuslike tööriistade remondiks.

2 Metoodika

2.1 Eksperimentaalne disain

Viis kahjustatud H13 terasest stantsvormi (mõõtmed: 300 × 150 × 80 mm) läbisid kaks parandusprotokolli:

• A-rühm (lahutav):
  - Kahjustuste eemaldamine 5-teljelise freesimise abil (DMG MORI DMU 80)
  - Täiteaine sadestamine keevitamisel (GTAW)
  - Lõpeta töötlemine originaalse CAD-i järgi

• B-rühm (hübriid):
  - Minimaalne defektide eemaldamine (<1 mm sügavus)
  - DED-i remont Meltio M450 (316L traat) abil
  - Adaptiivne CNC järeltöötlus (Siemens NX CAM)

2.2 Andmete kogumine

• Materjalitõhusus: massimõõtmised enne/pärast remonti (Mettler XS205)

• Aja jälgimine: protsesside jälgimine IoT-anduritega (ToolConnect)

• Mehaaniline testimine:
  - Kõvaduse kaardistamine (Buehler IndentaMet 1100)
  - Remonditud tsoonidest võetud tõmbeproovid (ASTM E8/E8M)

3 Tulemused ja analüüs

3.1 Ressursside kasutamine

Tabel 1: Remondiprotsessi mõõdikute võrdlus

3.2 Mehaaniline terviklikkus

Hübriidparandusega eksponeeritud isendid:

• Ühtlane kõvadus (52–54 HRC vs algne 53 HRC)

• Tõmbetugevus: 1890 MPa (±25 MPa) – 98,4% alusmaterjalist

• Väsimuskatsetes (10⁶ tsüklit 80% voolavuspiiri juures) ei täheldatud pindadevahelist delaminatsiooni

Joonis 1: Hübriidse parandusliidese mikrostruktuur (SEM 500×)
Märkus: Sulandumispiiril olev ekviaksiaalne terastruktuur näitab efektiivset termilist haldamist.

4 Arutelu

4.1 Operatiivsed tagajärjed

28,9% ajaline kokkuhoid tuleneb puistematerjali eemaldamise vältimisest. Hübriidtöötlus osutub kasulikuks järgmistel juhtudel:

• Vananenud tööriistad, mille materjalivaru on lõpetatud

• Suure keerukusega geomeetriad (nt konformsed jahutuskanalid)

• Väikese mahuga remondi stsenaariumid

4.2 Tehnilised piirangud

Täheldatud piirangud:

• Maksimaalne sadestusnurk: 45° horisontaaltasapinnast (hoiab ära üleulatuvate defektide tekkimise)

• DED-kihi paksuse hälve: ±0,12 mm, mis nõuab adaptiivseid tööradasid

• Lennundus- ja kosmosetööstuse tööriistade järeltöötlus on hädavajalik

5 Kokkuvõte

Hübriidne CNC-AM vähendab tööriistade remondi ressursitarbimist 23–42% võrra, säilitades samal ajal mehaanilise samaväärsuse subtraktiivsete meetoditega. Rakendamine on soovitatav mõõduka geomeetrilise keerukusega komponentide puhul, kus materjali kokkuhoid õigustab AM-i tegevuskulusid. Edasised uuringud optimeerivad karastatud tööriistateraste (>60 HRC) sadestamisstrateegiaid.