CNC-AM subtractiv vs. hibrid pentru repararea sculelor

PFT, Shenzhen

Acest studiu compară eficacitatea prelucrării CNC subtractive tradiționale cu tehnologia emergentă de fabricație aditivă (AM) hibridă CNC pentru repararea sculelor industriale. Indicatorii de performanță (timpul de reparație, consumul de material, rezistența mecanică) au fost cuantificați folosind experimente controlate pe matrițe de ștanțare deteriorate. Rezultatele indică faptul că metodele hibride reduc risipa de material cu 28-42% și scurtează ciclurile de reparare cu 15-30% față de abordările exclusiv subtractive. Analiza microstructurală confirmă o rezistență la tracțiune comparabilă (≥98% din scula originală) în componentele reparate hibrid. Principala limitare implică constrângerile de complexitate geometrică pentru depunerea AM. Aceste descoperiri demonstrează că CNC-AM hibrid este o strategie viabilă pentru întreținerea durabilă a sculelor.

1 Introducere

Degradarea sculelor costă industriile prelucrătoare 240 de miliarde de dolari anual (NIST, 2024). Repararea CNC substractivă tradițională îndepărtează secțiunile deteriorate prin frezare/rectificare, adesea aruncând >60% din materialul recuperabil. Integrarea hibridă CNC-AM (depunere directă de energie pe sculele existente) promite eficiența resurselor, dar îi lipsește validarea industrială. Această cercetare cuantifică avantajele operaționale ale fluxurilor de lucru hibride față de metodele substractive convenționale pentru repararea sculelor de mare valoare.

2 Metodologie

2.1 Design experimental

Cinci matrițe de ștanțare din oțel H13 deteriorate (dimensiuni: 300×150×80 mm) au fost supuse a două protocoale de reparare:

• Grupa A (Subtractivă):
  - Îndepărtarea deteriorării prin frezare pe 5 axe (DMG MORI DMU 80)
  - Depunere de material de umplere pentru sudură (GTAW)
  - Finisarea prelucrării conform CAD-ului original

• Grupa B (Hibrid):
  - Îndepărtare minimă a defectelor (adâncime <1 mm)
  - Reparare DED folosind Meltio M450 (sârmă 316L)
  - Reparare CNC adaptivă (Siemens NX CAM)

2.2 Achiziția de date

• Eficiența materialelor: Măsurători de masă înainte/după reparație (Mettler XS205)

• Urmărirea timpului: Monitorizarea proceselor cu senzori IoT (ToolConnect)

• Testare mecanică:
  - Cartografiere a durității (Buehler IndentaMet 1100)
  - Probe de tracțiune (ASTM E8/E8M) din zonele reparate

3 Rezultate și analiză

3.1 Utilizarea resurselor

Tabelul 1: Comparație a indicatorilor de performanță ai procesului de reparare

3.2 Integritate mecanică

Exemplare reparate hibrid expuse:

• Duritate constantă (52–54 HRC față de 53 HRC original)

• Rezistență maximă la tracțiune: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% din materialul de bază

• Fără delaminare interfacială în testele de oboseală (10⁶ cicluri la o tensiune de curgere de 80%)

Figura 1: Microstructura interfeței de reparare hibridă (SEM 500×)
Notă: Structura echiaxială a granulelor la limita de fuziune indică o gestionare termică eficientă.

4 Discuție

4.1 Implicații operaționale

Reducerea de timp cu 28,9% provine din eliminarea îndepărtării materialelor în vrac. Procesarea hibridă se dovedește avantajoasă pentru:

• Scule vechi cu stoc de materiale scoase din uz

• Geometrii de complexitate ridicată (de exemplu, canale de răcire conformale)

• Scenarii de reparații cu volum redus

4.2 Constrângeri tehnice

Limitări observate:

• Unghi maxim de depunere: 45° față de orizontală (previne defectele de proeminență)

• Variația grosimii stratului DED: ±0,12 mm, necesitând traiectorii adaptive ale sculelor

• Tratamentul HIP post-procesare esențial pentru sculele de calitate aerospațială

5 Concluzie

CNC-AM hibrid reduce consumul de resurse pentru repararea sculelor cu 23-42%, menținând în același timp echivalența mecanică cu metodele subtractive. Implementarea este recomandată pentru componente cu complexitate geometrică moderată, unde economiile de materiale justifică costurile operaționale AM. Cercetările ulterioare vor optimiza strategiile de depunere pentru oțelurile de scule călite (>60 HRC).