Subtraktiewe vs Hibriede CNC-AM vir Gereedskapherstel

PFT, Shenzhen

Hierdie studie vergelyk die effektiwiteit van tradisionele subtraktiewe CNC-bewerking met opkomende hibriede CNC-Additiewe Vervaardiging (AM) vir industriële gereedskapherstel. Prestasiemaatstawwe (hersteltyd, materiaalverbruik, meganiese sterkte) is gekwantifiseer deur gebruik te maak van beheerde eksperimente op beskadigde stempelmatryse. Resultate dui daarop dat hibriede metodes materiaalvermorsing met 28-42% verminder en herstelsiklusse met 15-30% verkort teenoor slegs-subtraktiewe benaderings. Mikrostrukturele analise bevestig vergelykbare treksterkte (≥98% van oorspronklike gereedskap) in hibriede-herstelde komponente. Die primêre beperking behels geometriese kompleksiteitsbeperkings vir AM-afsetting. Hierdie bevindinge demonstreer hibriede CNC-AM as 'n lewensvatbare strategie vir volhoubare gereedskaponderhoud.

1 Inleiding

Gereedskapdegradasie kos vervaardigingsnywerhede jaarliks $240 miljard (NIST, 2024). Tradisionele subtraktiewe CNC-herstelwerk verwyder beskadigde dele deur frees/slypwerk, wat dikwels >60% van die herwinbare materiaal weggooi. Hibriede CNC-AM-integrasie (direkte energie-afsetting op bestaande gereedskap) belowe hulpbron-effektiwiteit, maar het nie industriële validasie nie. Hierdie navorsing kwantifiseer die operasionele voordele van hibriede werkvloei teenoor konvensionele subtraktiewe metodes vir hoëwaarde-gereedskapherstelwerk.

2 Metodologie

2.1 Eksperimentele Ontwerp

Vyf beskadigde H13-staalstempelmatryse (afmetings: 300 × 150 × 80 mm) het twee herstelprotokolle ondergaan:

• Groep A (Aftrekkend):
  - Verwydering van skade via 5-as freeswerk (DMG MORI DMU 80)
  - Lasvulstofafsetting (GTAW)
  - Voltooi bewerking volgens oorspronklike CAD

• Groep B (Hibried):
  - Minimale defekverwydering (<1 mm diepte)
  - DED-herstelwerk met behulp van Meltio M450 (316L-draad)
  - Aanpasbare CNC-herbewerking (Siemens NX CAM)

2.2 Data-insameling

• Materiaaldoeltreffendheid: Massa-metings voor/na herstel (Mettler XS205)

• Tydopsporing: Prosesmonitering met IoT-sensors (ToolConnect)

• Meganiese toetsing:
  - Hardheidskartering (Buehler IndentaMet 1100)
  - Trekmonsters (ASTM E8/E8M) van herstelde sones

3 Resultate en Analise

3.1 Hulpbronbenutting

Tabel 1: Vergelyking van herstelprosesmetrieke

3.2 Meganiese Integriteit

Hibriede-herstelde monsters uitgestal:

• Konsekwente hardheid (52–54 HRC teenoor oorspronklike 53 HRC)

• Uiteindelike treksterkte: 1 890 MPa (± 25 MPa) – 98,4% van basismateriaal

• Geen tussenvlakdelaminasie in moegheidstoetsing (10⁶ siklusse teen 80% vloeispanning)

Figuur 1: Mikrostruktuur van hibriede herstelkoppelvlak (SEM 500×)
Let wel: Gelykas-korrelstruktuur by die fusiegrens dui op effektiewe termiese bestuur.

4 Bespreking

4.1 Operasionele Implikasies

Die 28.9% tydsvermindering spruit uit die uitskakeling van grootmaatmateriaalverwydering. Hibriede verwerking blyk voordelig te wees vir:

• Ou gereedskap met gestaakte materiaalvoorraad

• Hoëkomplekse geometrieë (bv. konforme verkoelingskanale)

• Lae-volume herstel scenario's

4.2 Tegniese Beperkings

Beperkings waargeneem:

• Maksimum neerslaghoek: 45° vanaf horisontaal (voorkom oorhangdefekte)

• DED-laagdiktevariasie: ±0.12 mm wat aanpasbare gereedskapspaaie vereis

• Na-proses HIP-behandeling noodsaaklik vir lugvaartgraad-gereedskap

5 Gevolgtrekking

Hibriede CNC-AM verminder die verbruik van gereedskapsherstelhulpbronne met 23–42% terwyl meganiese ekwivalensie met subtraktiewe metodes gehandhaaf word. Implementering word aanbeveel vir komponente met matige geometriese kompleksiteit waar materiaalbesparings AM-bedryfskoste regverdig. Daaropvolgende navorsing sal afsettingsstrategieë vir verharde gereedskapstaal (>60 HRC) optimaliseer.