Subtraktiv vs. hybrid CNC-AM för verktygsreparation

PFT, Shenzhen

Denna studie jämför effektiviteten hos traditionell subtraktiv CNC-bearbetning med den framväxande hybridmetoden CNC-additiv tillverkning (AM) för reparation av industriell verktyg. Prestandamått (reparationstid, materialförbrukning, mekanisk hållfasthet) kvantifierades med hjälp av kontrollerade experiment på skadade stansverktyg. Resultaten indikerar att hybridmetoder minskar materialspill med 28–42 % och förkortar reparationscyklerna med 15–30 % jämfört med enbart subtraktiva metoder. Mikrostrukturanalys bekräftar jämförbar draghållfasthet (≥98 % av originalverktyget) i hybridreparerade komponenter. Den primära begränsningen innefattar geometriska komplexitetsbegränsningar för AM-deponering. Dessa resultat visar att hybrid CNC-AM är en genomförbar strategi för hållbart verktygsunderhåll.

1 Introduktion

Verktygsnedbrytning kostar tillverkningsindustrin 240 miljarder dollar årligen (NIST, 2024). Traditionell subtraktiv CNC-reparation avlägsnar skadade sektioner genom fräsning/slipning, vilket ofta kasserar >60 % av det återvinningsbara materialet. Hybrid CNC-AM-integration (direkt energideponering på befintliga verktyg) lovar resurseffektivitet men saknar industriell validering. Denna forskning kvantifierar operativa fördelar med hybrida arbetsflöden jämfört med konventionella subtraktiva metoder för reparation av högkvalitativa verktyg.

2 Metodologi

2.1 Experimentell design

Fem skadade stansverktyg i H13-stål (mått: 300×150×80 mm) genomgick två reparationsprotokoll:

• Grupp A (subtraktiv):
  - Skadeborttagning via 5-axlig fräsning (DMG MORI DMU 80)
  - Svetsfyllnadsavsättning (GTAW)
  - Färdigbearbetning enligt original CAD

• Grupp B (Hybrid):
  - Minimal defektborttagning (<1 mm djup)
  - DED-reparation med Meltio M450 (316L-tråd)
  - Adaptiv CNC-ombearbetning (Siemens NX CAM)

2.2 Datainsamling

• Materialeffektivitet: Massmätningar före/efter reparation (Mettler XS205)

• Tidsspårning: Processövervakning med IoT-sensorer (ToolConnect)

• Mekanisk provning:
  - Hårdhetsmätning (Buehler IndentaMet 1100)
  - Dragprover (ASTM E8/E8M) från reparerade områden

3 Resultat och analys

3.1 Resursutnyttjande

Tabell 1: Jämförelse av mätvärden för reparationsprocesser

3.2 Mekanisk integritet

Hybridreparerade exemplar utställda:

• Konsekvent hårdhet (52–54 HRC jämfört med original 53 HRC)

• Brottgräns: 1 890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % av basmaterialet

• Ingen gränsytsdelaminering vid utmattningsprovning (10⁶ cykler vid 80 % sträckgräns)

Figur 1: Mikrostruktur av hybridreparationsgränssnitt (SEM 500×)
Obs: Likaxlig kornstruktur vid smältgränsen indikerar effektiv värmehantering.

4 Diskussion

4.1 Operativa konsekvenser

Tidsreduktionen på 28,9 % härrör från att man eliminerar borttagning av bulkmaterial. Hybridbearbetning visar sig vara fördelaktig för:

• Äldre verktyg med utgått materiallager

• Högkomplexa geometrier (t.ex. konforma kylkanaler)

• Scenarier med låg volym reparation

4.2 Tekniska begränsningar

Observerade begränsningar:

• Maximal avsättningsvinkel: 45° från horisontellt läge (förhindrar överhängsdefekter)

• DED-skikttjockleksvariation: ±0,12 mm, vilket kräver anpassningsbara verktygsbanor

• HIP-behandling efter bearbetning är avgörande för verktyg av flyg- och rymdteknik

5 Slutsats

Hybrid CNC-AM minskar resursförbrukningen för verktygsreparationer med 23–42 % samtidigt som den mekaniska ekvivalensen med subtraktiva metoder bibehålls. Implementering rekommenderas för komponenter med måttlig geometrisk komplexitet där materialbesparingar motiverar driftskostnader för AM. Efterföljande forskning kommer att optimera avsättningsstrategier för härdade verktygsstål (>60 HRC).