Szubtraktív vs. hibrid CNC-AM szerszámjavításhoz

PFT, Sencsen

Ez a tanulmány összehasonlítja a hagyományos szubtraktív CNC megmunkálás hatékonyságát a feltörekvő hibrid CNC-additív gyártással (AM) az ipari szerszámjavításban. A teljesítménymutatókat (javítási idő, anyagfelhasználás, mechanikai szilárdság) sérült sajtolószerszámokon végzett kontrollált kísérletekkel számszerűsítették. Az eredmények azt mutatják, hogy a hibrid módszerek 28–42%-kal csökkentik az anyaghulladékot, és 15–30%-kal lerövidítik a javítási ciklusokat a csak szubtraktív megközelítésekhez képest. A mikroszerkezeti elemzés megerősíti az összehasonlítható szakítószilárdságot (≥98%-a az eredeti szerszámnak) a hibriddel javított alkatrészekben. Az elsődleges korlátozás a geometriai komplexitási korlátok az additív gyártásra vonatkozóan. Ezek az eredmények azt mutatják, hogy a hibrid CNC-AM életképes stratégia a fenntartható szerszámkarbantartáshoz.

1 Bevezetés

A szerszámok degradációja évi 240 milliárd dollárba kerül a gyártóiparnak (NIST, 2024). A hagyományos szubtraktív CNC javítás marással/csiszolással távolítja el a sérült részeket, gyakran a menthető anyag több mint 60%-át selejtezve. A hibrid CNC-AM integráció (közvetlen energialeadás a meglévő szerszámokra) erőforrás-hatékonyságot ígér, de hiányzik belőle az ipari validáció. Ez a kutatás számszerűsíti a hibrid munkafolyamatok működési előnyeit a hagyományos szubtraktív módszerekkel szemben a nagy értékű szerszámjavítás során.

2 Módszertan

2.1 Kísérleti terv

Öt sérült H13 acél sajtolószerszám (méretek: 300×150×80 mm) két javítási protokollon esett át:

• A csoport (kivonás):
  - Sérüléseltávolítás 5 tengelyes marással (DMG MORI DMU 80)
  - Hegesztési töltőanyag lerakódás (GTAW)
  - A megmunkálás befejezése az eredeti CAD szerint

• B csoport (Hibrid):
  - Minimális hibajavítás (<1 mm mélység)
  - DED javítás Meltio M450 (316L huzal) használatával
  - Adaptív CNC utómegmunkálás (Siemens NX CAM)

2.2 Adatgyűjtés

• Anyaghatékonyság: Tömegmérések javítás előtt/után (Mettler XS205)

• Időkövetés: Folyamatfelügyelet IoT-érzékelőkkel (ToolConnect)

• Mechanikai vizsgálat:
  - Keménységtérképezés (Buehler IndentaMet 1100)
  - Javított zónákból vett szakítóminták (ASTM E8/E8M)

3 Eredmények és elemzés

3.1 Erőforrás-kihasználás

1. táblázat: Javítási folyamat mutatóinak összehasonlítása

3.2 Mechanikai integritás

Kiállított hibriddel javított példányok:

• Állandó keménység (52–54 HRC vs. eredeti 53 HRC)

• Szakítószilárdság: 1890 MPa (±25 MPa) – az alapanyag 98,4%-a

• Nincs határfelületi delamináció a fáradási vizsgálat során (10⁶ ciklus 80%-os folyáshatárnál)

1. ábra: A hibrid javítófelület mikroszerkezete (SEM 500×)
Megjegyzés: Az fúziós határon lévő kiegyensúlyozott szemcseszerkezet hatékony hőkezelést jelez.

4 Megbeszélés

4.1 Működési következmények

A 28,9%-os időcsökkenés az ömlesztett anyagok eltávolításának kiküszöböléséből adódik. A hibrid feldolgozás a következők esetében előnyösnek bizonyul:

• Régi szerszámok megszűnt anyagkészlettel

• Nagy komplexitású geometriák (pl. konform hűtőcsatornák)

• Kis volumenű javítási forgatókönyvek

4.2 Műszaki korlátok

Megfigyelt korlátozások:

• Maximális lerakási szög: 45° a vízszintestől (megakadályozza a túlnyúló hibákat)

• DED rétegvastagság-eltérés: ±0,12 mm, adaptív szerszámpályákat igényel

• A repülőgépipari szerszámok utólagos HIP-kezelése elengedhetetlen

5 Következtetés

A hibrid CNC-AM módszer 23–42%-kal csökkenti a szerszámjavítási erőforrás-felhasználást, miközben megőrzi a szubtraktív módszerekkel való mechanikai egyenértékűséget. A megvalósítás közepes geometriai komplexitású alkatrészekhez ajánlott, ahol az anyagmegtakarítás indokolja az additív gyártás üzemeltetési költségeit. A további kutatások optimalizálják az edzett szerszámacélok (>60 HRC) lerakási stratégiáit.