Subtraktívna vs. hybridná CNC-AM pre opravu nástrojov

PFT, Šen-čen

Táto štúdia porovnáva účinnosť tradičného subtraktívneho CNC obrábania s novovzniknutou hybridnou CNC-aditívnou výrobou (AM) pre opravu priemyselných nástrojov. Výkonnostné metriky (čas opravy, spotreba materiálu, mechanická pevnosť) boli kvantifikované pomocou kontrolovaných experimentov na poškodených lisovacích nástrojoch. Výsledky naznačujú, že hybridné metódy znižujú odpad materiálu o 28 – 42 % a skracujú cykly opravy o 15 – 30 % v porovnaní s výlučne subtraktívnymi prístupmi. Mikroštrukturálna analýza potvrdzuje porovnateľnú pevnosť v ťahu (≥ 98 % pôvodného nástroja) v hybridne opravených komponentoch. Primárnym obmedzením sú obmedzenia geometrickej zložitosti pre AM nanášanie. Tieto zistenia demonštrujú hybridnú CNC-AM ako životaschopnú stratégiu pre udržateľnú údržbu nástrojov.

1 Úvod

Degradácia nástrojov stojí výrobný priemysel ročne 240 miliárd dolárov (NIST, 2024). Tradičná subtrakčná CNC oprava odstraňuje poškodené časti frézovaním/brúsením, pričom často zlikviduje viac ako 60 % použiteľného materiálu. Hybridná integrácia CNC-AM (priame nanášanie energie na existujúce nástroje) sľubuje efektívne využívanie zdrojov, ale chýba jej priemyselné overenie. Tento výskum kvantifikuje prevádzkové výhody hybridných pracovných postupov oproti konvenčným subtraktívnym metódam pre vysokohodnotné opravy nástrojov.

2 Metodika

2.1 Experimentálny návrh

Päť poškodených oceľových lisovacích nástrojov H13 (rozmery: 300 × 150 × 80 mm) podstúpilo dva opravné protokoly:

• Skupina A (odčítacia):
  - Odstraňovanie poškodenia 5-osým frézovaním (DMG MORI DMU 80)
  - Nanášanie prídavného materiálu na zváranie (GTAW)
  - Dokončenie obrábania podľa pôvodného CAD

• Skupina B (Hybrid):
  - Minimálne odstránenie defektov (hĺbka <1 mm)
  - Oprava DED pomocou Meltio M450 (drôt 316L)
  - Adaptívne CNC obrábanie (Siemens NX CAM)

2.2 Zber údajov

• Materiálová efektívnosť: Merania hmotnosti pred/po oprave (Mettler XS205)

• Sledovanie času: Monitorovanie procesov pomocou IoT senzorov (ToolConnect)

• Mechanické testovanie:
  - Mapovanie tvrdosti (Buehler IndentaMet 1100)
  - Vzorky pevnosti v ťahu (ASTM E8/E8M) z opravených zón

3 Výsledky a analýza

3.1 Využitie zdrojov

Tabuľka 1: Porovnanie metrík procesu opravy

3.2 Mechanická integrita

Vystavené exempláre opravené hybridom:

• Konzistentná tvrdosť (52–54 HRC oproti pôvodným 53 HRC)

• Medza pevnosti v ťahu: 1 890 MPa (± 25 MPa) – 98,4 % základného materiálu

• Žiadna medzifázová delaminácia pri skúške únavy (10⁶ cyklov pri 80 % medze klzu)

Obrázok 1: Mikroštruktúra hybridného opravného rozhrania (SEM 500×)
Poznámka: Rovnomerná štruktúra zŕn na hranici tavenia naznačuje efektívne tepelné riadenie.

4 Diskusia

4.1 Prevádzkové dôsledky

Skrátenie času o 28,9 % vyplýva z eliminácie odoberania sypkého materiálu. Hybridné spracovanie sa ukazuje ako výhodné pre:

• Staršie nástroje s už nevyrábaným materiálom na sklade

• Vysoko zložité geometrie (napr. konformné chladiace kanály)

• Scenáre opráv s nízkym objemom

4.2 Technické obmedzenia

Pozorované obmedzenia:

• Maximálny uhol odloženia: 45° od horizontálnej roviny (zabraňuje chybám previsu)

• Odchýlka hrúbky vrstvy DED: ±0,12 mm vyžadujúca adaptívne dráhy nástroja

• Postprocesná úprava HIP je nevyhnutná pre nástroje leteckej a kozmickej triedy

5 Záver

Hybridná CNC-AM metóda znižuje spotrebu zdrojov na opravu nástrojov o 23 – 42 % a zároveň zachováva mechanickú ekvivalenciu so subtraktívnymi metódami. Implementácia sa odporúča pre súčiastky so strednou geometrickou zložitosťou, kde úspora materiálu odôvodňuje prevádzkové náklady na AM. Následný výskum optimalizuje stratégie nanášania pre kalené nástrojové ocele (> 60 HRC).