Subtraktivní vs. hybridní CNC-AM pro opravy nástrojů

PFT, Šen-čen

Tato studie porovnává účinnost tradičního subtraktivního CNC obrábění s nově vznikající hybridní CNC-aditivní výrobou (AM) pro opravy průmyslových nástrojů. Výkonnostní metriky (doba opravy, spotřeba materiálu, mechanická pevnost) byly kvantifikovány pomocí kontrolovaných experimentů na poškozených lisovacích nástrojích. Výsledky naznačují, že hybridní metody snižují odpad materiálu o 28–42 % a zkracují cykly oprav o 15–30 % oproti pouze subtraktivním přístupům. Mikrostrukturální analýza potvrzuje srovnatelnou pevnost v tahu (≥98 % původního nástroje) u hybridně opravených součástí. Primárním omezením jsou geometrická složitost pro aditivní výrobu. Tato zjištění demonstrují hybridní CNC-AM jako životaschopnou strategii pro udržitelnou údržbu nástrojů.

1 Úvod

Degradace nástrojů stojí výrobní průmysl ročně 240 miliard dolarů (NIST, 2024). Tradiční subtraktivní CNC opravy odstraňují poškozené části frézováním/broušením, přičemž se často vyřazuje více než 60 % recyklovatelného materiálu. Hybridní integrace CNC-AM (přímé nanášení energie na stávající nástroje) slibuje efektivitu zdrojů, ale chybí jí průmyslové ověření. Tento výzkum kvantifikuje provozní výhody hybridních pracovních postupů oproti konvenčním subtraktivním metodám pro vysoce hodnotné opravy nástrojů.

2 Metodologie

2.1 Experimentální návrh

Pět poškozených ocelových raznic H13 (rozměry: 300×150×80 mm) prošlo dvěma opravnými protokoly:

• Skupina A (odčítání):
  - Odstranění poškození 5osým frézováním (DMG MORI DMU 80)
  - Nanášení přídavných materiálů pro svařování (GTAW)
  - Dokončovací obrábění dle původního CADu

• Skupina B (Hybridní):
  - Minimální odstranění vad (hloubka <1 mm)
  - Oprava DED pomocí Meltio M450 (drát 316L)
  - Adaptivní CNC obrábění (Siemens NX CAM)

2.2 Sběr dat

• Materiálová účinnost: Měření hmotnosti před/po opravě (Mettler XS205)

• Sledování času: Monitorování procesů pomocí IoT senzorů (ToolConnect)

• Mechanické testování:
  - Mapování tvrdosti (Buehler IndentaMet 1100)
  - Vzorky v tahu (ASTM E8/E8M) z opravených zón

3 Výsledky a analýza

3.1 Využití zdrojů

Tabulka 1: Porovnání metrik procesu opravy

3.2 Mechanická integrita

Vystavené hybridně opravené vzorky:

• Konzistentní tvrdost (52–54 HRC oproti původním 53 HRC)

• Mez pevnosti v tahu: 1 890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % základního materiálu

• Žádná mezifázová delaminace při únavových zkouškách (10⁶ cyklů při 80% mezi kluzu)

Obrázek 1: Mikrostruktura hybridního opravného rozhraní (SEM 500×)
Poznámka: Rovnoosá struktura zrn na hranici tavení naznačuje efektivní tepelné řízení.

4 Diskuse

4.1 Provozní důsledky

Zkrácení času o 28,9 % vyplývá z eliminace odebírání sypkého materiálu. Hybridní zpracování se ukazuje jako výhodné pro:

• Starší nástroje s již nevyráběným materiálem na skladě

• Vysoce složité geometrie (např. konformní chladicí kanály)

• Scénáře oprav s nízkým objemem

4.2 Technická omezení

Zjištěná omezení:

• Maximální úhel odložení: 45° od horizontální roviny (zabraňuje vadám převisu)

• Odchylka tloušťky vrstvy DED: ±0,12 mm vyžadující adaptivní dráhy nástroje

• Postprocesní úprava HIP je nezbytná pro nástroje letecké třídy

5 Závěr

Hybridní CNC-AM snižuje spotřebu zdrojů na opravu nástrojů o 23–42 % při zachování mechanické ekvivalence se subtraktivními metodami. Implementace se doporučuje pro součásti se střední geometrickou složitostí, kde úspora materiálu odůvodňuje provozní náklady na AM. Následný výzkum optimalizuje strategie nanášení pro kalené nástrojové oceli (>60 HRC).