Subtrahoiva vs. hybridi CNC-AM työkalujen korjauksessa

PFT, Shenzhen

Tässä tutkimuksessa vertaillaan perinteisen subtraktiivisen CNC-työstötekniikan tehokkuutta kehittyvään hybridi-CNC-lisäainevalmistukseen (AM) teollisten työkalujen korjauksessa. Suorituskykymittarit (korjausaika, materiaalinkulutus, mekaaninen lujuus) kvantifioitiin käyttämällä kontrolloituja kokeita vaurioituneilla puristusmuoteilla. Tulokset osoittavat, että hybridimenetelmät vähentävät materiaalihävikkiä 28–42 % ja lyhentävät korjaussyklejä 15–30 % pelkkiin subtraktiivisiin menetelmiin verrattuna. Mikrorakenneanalyysi vahvistaa hybridikorjattujen komponenttien vastaavan vetolujuuden (≥98 % alkuperäisestä työkalusta). Ensisijainen rajoitus liittyy geometrisen monimutkaisuuden rajoituksiin AM-pinnoitukselle. Nämä havainnot osoittavat, että hybridi-CNC-AM on käyttökelpoinen strategia kestävään työkalujen kunnossapitoon.

1 Johdanto

Työkalujen kuluminen maksaa valmistavalle teollisuudelle 240 miljardia dollaria vuodessa (NIST, 2024). Perinteinen subtraktiivinen CNC-korjaus poistaa vaurioituneet osat jyrsimällä/hiomalla, jolloin usein yli 60 % kierrätyskelpoisesta materiaalista häviää. Hybridi-CNC-AM-integraatio (suora energian kertyminen olemassa oleviin työkaluihin) lupaa resurssitehokkuutta, mutta siltä puuttuu teollinen validointi. Tämä tutkimus kvantifioi hybridi-työnkulkujen toiminnallisia etuja perinteisiin subtraktiivisiin menetelmiin verrattuna arvokkaiden työkalujen korjauksessa.

2 Metodologia

2.1 Kokeellinen suunnittelu

Viidelle vaurioituneelle H13-teräsleimausmuotille (mitat: 300 × 150 × 80 mm) tehtiin kaksi korjausprotokollaa:

• Ryhmä A (vähennyskelpoinen):
  - Vaurioiden poisto 5-akselijyrsinnällä (DMG MORI DMU 80)
  - Hitsauslisäaineiden laskeutuminen (GTAW)
  - Viimeistele koneistus alkuperäisen CAD-tiedoston mukaisesti

• Ryhmä B (Hybridi):
  - Minimaalinen virheiden poisto (<1 mm syvyys)
  - DED-korjaus Meltio M450:llä (316L-lanka)
  - Adaptiivinen CNC-jälleentyöstö (Siemens NX CAM)

2.2 Tiedonkeruu

• Materiaalitehokkuus: Massamittaukset ennen korjausta/korjauksen jälkeen (Mettler XS205)

• Ajan seuranta: Prosessien seuranta IoT-antureilla (ToolConnect)

• Mekaaninen testaus:
  - Kovuuskartoitus (Buehler IndentaMet 1100)
  - Vetonäytteet (ASTM E8/E8M) korjatuista vyöhykkeistä

3 Tulokset ja analyysi

3.1 Resurssien käyttöaste

Taulukko 1: Korjausprosessin mittareiden vertailu

3.2 Mekaaninen eheys

Näytteillä olevat hybridikorjatut näytteet:

• Tasainen kovuus (52–54 HRC vs. alkuperäinen 53 HRC)

• Vetolujuus: 1 890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % perusmateriaalista

• Ei rajapinnan delaminaatiota väsytyskokeessa (10⁶ sykliä 80 %:n myötörajalla)

Kuva 1: Hybridikorjausrajapinnan mikrorakenne (SEM 500×)
Huomautus: Sulamisrajan tasa-akselinen raerakenne osoittaa tehokasta lämmönhallintaa.

4 Keskustelu

4.1 Toiminnalliset vaikutukset

28,9 %:n ajansäästö johtuu irtomateriaalin poiston poistamisesta. Hybridikäsittely osoittautuu edulliseksi seuraavissa tilanteissa:

• Vanhat työkalut, joiden materiaalivarasto on lopetettu

• Erittäin monimutkaiset geometriat (esim. konformaaliset jäähdytyskanavat)

• Pienen volyymin korjausskenaariot

4.2 Tekniset rajoitukset

Havaitut rajoitukset:

• Suurin laskeutumiskulma: 45° vaakasuorasta (estää ylimenevät viat)

• DED-kerroksen paksuuden vaihtelu: ±0,12 mm, vaatii adaptiivisia työstöratoja

• Ilmailu- ja avaruusteollisuuden työkalujen jälkikäsittely HIP-käsittelyllä

5 Johtopäätös

Hybridi-CNC-AM vähentää työkalujen korjausresurssien kulutusta 23–42 % säilyttäen samalla mekaanisen vastaavuuden subtraktiivisten menetelmien kanssa. Käyttöönottoa suositellaan komponenteille, joilla on kohtalainen geometrinen monimutkaisuus ja joissa materiaalisäästöt oikeuttavat AM-tuotannon käyttökustannukset. Myöhemmissä tutkimuksissa optimoidaan karkaistujen työkaluterästen (>60 HRC) pinnoitusstrategioita.