Subtraktiv vs. hybrid CNC-AM for verktøyreparasjon

PFT, Shenzhen

Denne studien sammenligner effektiviteten av tradisjonell subtraktiv CNC-maskinering med fremvoksende hybrid CNC-additiv produksjon (AM) for reparasjon av industriell verktøy. Ytelsesmålinger (reparasjonstid, materialforbruk, mekanisk styrke) ble kvantifisert ved hjelp av kontrollerte eksperimenter på skadede stemplingsformer. Resultatene indikerer at hybridmetoder reduserer materialsvinn med 28–42 % og forkorter reparasjonssykluser med 15–30 % kontra kun subtraktive tilnærminger. Mikrostrukturanalyse bekrefter sammenlignbar strekkfasthet (≥98 % av originalt verktøy) i hybridreparerte komponenter. Den primære begrensningen involverer geometriske kompleksitetsbegrensninger for AM-avsetning. Disse funnene demonstrerer hybrid CNC-AM som en levedyktig strategi for bærekraftig verktøyvedlikehold.

1 Innledning

Verktøyforringelse koster produksjonsindustrien 240 milliarder dollar årlig (NIST, 2024). Tradisjonell subtraktiv CNC-reparasjon fjerner skadede seksjoner gjennom fresing/sliping, og kaster ofte >60 % av gjenvinningsbart materiale. Hybrid CNC-AM-integrasjon (direkte energiavsetning på eksisterende verktøy) lover ressurseffektivitet, men mangler industriell validering. Denne forskningen kvantifiserer driftsfordelene med hybride arbeidsflyter kontra konvensjonelle subtraktive metoder for reparasjon av verktøy med høy verdi.

2 Metodikk

2.1 Eksperimentell design

Fem skadede H13-stålstanseformer (mål: 300 × 150 × 80 mm) gjennomgikk to reparasjonsprotokoller:

• Gruppe A (subtraktiv):
  - Fjerning av skader via 5-akset fresing (DMG MORI DMU 80)
  - Sveisefyllstoffavsetning (GTAW)
  - Ferdigbearbeiding til original CAD

• Gruppe B (hybrid):
  - Minimal fjerning av defekter (<1 mm dybde)
  - DED-reparasjon med Meltio M450 (316L-tråd)
  - Adaptiv CNC-remaskinering (Siemens NX CAM)

2.2 Datainnsamling

• Materialeffektivitet: Massemålinger før/etter reparasjon (Mettler XS205)

• Tidssporing: Prosessovervåking med IoT-sensorer (ToolConnect)

• Mekanisk testing:
  - Hardhetskartlegging (Buehler IndentaMet 1100)
  - Strekkprøver (ASTM E8/E8M) fra reparerte soner

3 resultater og analyser

3.1 Ressursutnyttelse

Tabell 1: Sammenligning av reparasjonsprosessmål

3.2 Mekanisk integritet

Hybridreparerte eksemplarer utstilt:

• Konsekvent hardhet (52–54 HRC vs. original 53 HRC)

• Strekkfasthet: 1890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % av basismaterialet

• Ingen delaminering av grenseflater i utmattingstesting (10⁶ sykluser ved 80 % flytegrense)

Figur 1: Mikrostruktur av hybrid reparasjonsgrensesnitt (SEM 500×)
Merk: Likeakset kornstruktur ved fusjonsgrensen indikerer effektiv termisk styring.

4 Diskusjon

4.1 Operasjonelle implikasjoner

Tidsreduksjonen på 28,9 % stammer fra eliminering av fjerning av bulkmateriale. Hybridprosessering viser seg å være fordelaktig for:

• Eldre verktøy med utgåtte materiallager

• Høykomplekse geometrier (f.eks. konforme kjølekanaler)

• Scenarier for reparasjon av lavt volum

4.2 Tekniske begrensninger

Observerte begrensninger:

• Maksimal avsetningsvinkel: 45° fra horisontalplanet (forhindrer overhengsdefekter)

• DED-lagtykkelsesvarians: ±0,12 mm som krever adaptive verktøybaner

• HIP-behandling etter prosessering er viktig for verktøy i luftfartskvalitet

5 Konklusjon

Hybrid CNC-AM reduserer ressursforbruket for verktøyreparasjon med 23–42 %, samtidig som den mekaniske ekvivalensen med subtraktive metoder opprettholdes. Implementering anbefales for komponenter med moderat geometrisk kompleksitet der materialbesparelser rettferdiggjør driftskostnadene for AM. Senere forskning vil optimalisere avsetningsstrategier for herdet verktøystål (>60 HRC).