Υποκλαστική vs Υβριδική CNC-AM για Επισκευή Εργαλείων

Από την PFT, Shenzhen

Η διατήρηση της ομαλής λειτουργίας των γραμμών παραγωγής το 2025 απαιτεί τη μεγιστοποίηση της διάρκειας ζωής των κρίσιμων, υψηλού κόστους εργαλείων. Τα εργαλεία κοπής φθείρονται αναπόφευκτα, οδηγώντας σε μειωμένη ποιότητα εξαρτημάτων, αυξημένα ποσοστά απορριμμάτων και δαπανηρές διακοπές λειτουργίας για αντικατάσταση. Ενώ η συμβατική αφαιρετική μηχανουργική κατεργασία CNC είναι εδώ και καιρό το πρότυπο για την επισκευή και ανακαίνιση εργαλείων, η εμφάνιση ολοκληρωμένων συστημάτων Υβριδικής CNC-Προσθετικής Κατασκευής (AM) προσφέρει μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση. Τα υβριδικά συστήματα συνδυάζουν την παραδοσιακή φρεζάρισμα/τόρνευση με διεργασίες AM κατευθυνόμενης εναπόθεσης ενέργειας (DED) όπως η επένδυση με λέιζερ ή η προσθετική κατασκευή με τόξο σύρματος (WAAM), όλα σε μια ενιαία πλατφόρμα μηχανής.

2 Μέθοδοι

• Αφαιρετική επισκευή CNC: Φθαρμένες περιοχές αφαιρέθηκαν με μηχανουργική κατεργασία σε ένα κέντρο μηχανουργικής κατεργασίας 5 αξόνων για την αποκατάσταση της αρχικής γεωμετρίας. Οι διαδρομές εργαλείων δημιουργήθηκαν από μοντέλα CAD του ανέπαφου εργαλείου.
• Υβριδική επισκευή CNC-AM: Οι φθαρμένες περιοχές προετοιμάστηκαν αρχικά μέσω ελαφριάς μηχανουργικής κατεργασίας. Στη συνέχεια, το ελλείπον υλικό ανοικοδομήθηκε χρησιμοποιώντας DED με βάση λέιζερ (τροφοδοσία σκόνης) σε μια ειδική υβριδική μηχανή CNC-AM (π.χ., DMG MORI LASERTEC, Mazak INTEGREX i-AM). Εναποτέθηκε σκόνη κράματος χάλυβα εργαλείων που ταιριάζει. Τέλος, το εναποτεθέν υλικό υποβλήθηκε σε τελική μηχανουργική κατεργασία στην ακριβή τελική γεωμετρία εντός της ίδιας ρύθμισης. Οι παράμετροι εναπόθεσης (ισχύς λέιζερ, ρυθμός τροφοδοσίας, επικάλυψη) βελτιστοποιήθηκαν για ελάχιστη θερμική είσοδο και αραίωση.
• Γεωμετρία: Οι γεωμετρίες πριν και μετά την επισκευή σαρώθηκαν χρησιμοποιώντας ένα οπτικό CMM (Μηχανή Μέτρησης Συντεταγμένων) υψηλής ακρίβειας. Η διαστατική ακρίβεια ποσοτικοποιήθηκε σε σχέση με τα μοντέλα CAD.
• Ακεραιότητα επιφάνειας: Η τραχύτητα επιφάνειας (Ra, Rz) μετρήθηκε κάθετα προς την κατεύθυνση κοπής χρησιμοποιώντας ένα προφιλόμετρο επαφής. Λήφθηκαν προφίλ μικροσκληρότητας (HV0.3) σε όλη την περιοχή των επισκευασμένων ζωνών και των ζωνών που επηρεάζονται από τη θερμότητα (HAZ).
• Ιδιότητες υλικού: Προετοιμάστηκαν, χαράχθηκαν και εξετάστηκαν διατομές των επισκευασμένων περιοχών με οπτικό και σαρωτικό ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (SEM) για την αξιολόγηση της μικροδομής, της πορώδους και της ακεραιότητας της συγκόλλησης.
• Χρόνος διεργασίας: Καταγράφηκε ο συνολικός χρόνος μηχανής για κάθε διαδικασία επισκευής (ρύθμιση, μηχανουργική κατεργασία, εναπόθεση για υβριδική, φινίρισμα).
• Δεδομένα αναφοράς: Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με δημοσιευμένα σημεία αναφοράς για την απόδοση των εργαλείων και τα καθιερωμένα πρότυπα επισκευής.

3.1 Διαστατική ακρίβεια και γεωμετρική αποκατάσταση

• 3.2 Ιδιότητες υλικού και μικροδομή
• 3.3 Αποτελεσματικότητα διεργασίας

​4 Συζήτηση

Αυτή η συγκριτική μελέτη αποδεικνύει ότι η υβριδική CNC-Προσθετική Κατασκευή προσφέρει μια ισχυρή και συχνά ανώτερη εναλλακτική λύση στη συμβατική αφαιρετική μηχανουργική κατεργασία CNC για την επισκευή εργαλείων κοπής υψηλής αξίας, ιδιαίτερα εκείνων με πολύπλοκες γεωμετρίες ή σημαντικές τοπικές ζημιές. Βασικά ευρήματα δείχνουν υβριδική CNC-AM:

• Ανωτερότητα για πολυπλοκότητα: Το σημαντικό πλεονέκτημα της υβριδικής CNC-AM έγκειται στην επισκευή εργαλείων με πολύπλοκες γεωμετρίες ή τοπικές σοβαρές ζημιές (τσίπς, σπασμένα άκρα). Η προσθετική δυνατότητα επιτρέπει την στοχευμένη αποκατάσταση χωρίς συμβιβασμούς στο κύριο σώμα του εργαλείου, διατηρώντας περισσότερο από το αρχικό ακριβό υλικό και τη γεωμετρία – κάτι που οι αφαιρετικές μέθοδοι δεν μπορούν να επιτύχουν χωρίς θεμελιώδη επανασχεδιασμό.
• Απόδοση υλικού: Η επιτυχής εναπόθεση κραμάτων ποιότητας εργαλείων με κατάλληλη σκληρότητα και υγιή μικροδομή επιβεβαιώνει την τεχνική σκοπιμότητα της υβριδικής επισκευής. Η ελεγχόμενη θερμική είσοδος ελαχιστοποίησε τις επιζήμιες επιπτώσεις στο βασικό υλικό.
• Συμβιβασμός χρόνου διεργασίας: Ενώ οι αφαιρετικές μέθοδοι είναι ταχύτερες για την απλή φθορά, η υβριδική γίνεται ανταγωνιστική ή ταχύτερη για πολύπλοκες επισκευές. Η αξία δεν έγκειται μόνο στον χρόνο, αλλά στη διάσωση εργαλείων που διαφορετικά θα μπορούσαν να απορριφθούν χρησιμοποιώντας μόνο αφαιρετικές μεθόδους.
• Περιορισμοί: Αυτή η μελέτη επικεντρώθηκε στην τεχνική σκοπιμότητα και τις αρχικές ιδιότητες. Τα μακροπρόθεσμα δεδομένα απόδοσης υπό πραγματικές συνθήκες κοπής, συμπεριλαμβανομένης της αντοχής στη φθορά και της διάρκειας ζωής κόπωσης σε σύγκριση με τα νέα εργαλεία και τις αφαιρετικές επισκευές, είναι απαραίτητα. Το αρχικό κόστος κεφαλαίου του υβριδικού εξοπλισμού CNC-AM είναι επίσης σημαντικά υψηλότερο από τα τυπικά μηχανήματα CNC. Το κόστος του υλικού σκόνης είναι ένας παράγοντας, αν και συχνά αντισταθμίζεται από την εξοικονόμηση υλικού στο ίδιο το εργαλείο.
• Πρακτική επίπτωση: Για τους κατασκευαστές που ασχολούνται με μεγάλο όγκο πολύπλοκων εργαλείων υψηλής αξίας, η επένδυση στην υβριδική δυνατότητα επισκευής CNC-AM παρουσιάζει μια συναρπαστική περίπτωση για τη μείωση του κόστους αντικατάστασης και του αποθέματος εργαλείων. Επιτρέπει την αληθινή αποκατάσταση, όχι μόνο την εκ νέου μηχανουργική κατεργασία. Για απλούστερα εργαλεία ή λιγότερο πολύπλοκη φθορά, οι αφαιρετικές μέθοδοι παραμένουν αποτελεσματικές και οικονομικά αποδοτικές.

Ενώ η αφαιρετική CNC παραμένει αποτελεσματική για απλούστερα μοτίβα φθοράς, η υβριδική CNC-AM ξεκλειδώνει σημαντική αξία για πολύπλοκες εφαρμογές επισκευής εργαλείων. Η σύσταση είναι για τους κατασκευαστές να αξιολογήσουν το συγκεκριμένο χαρτοφυλάκιο εργαλείων και τους τρόπους αστοχίας τους. Η εφαρμογή θα πρέπει να επικεντρωθεί σε εργαλεία υψηλής αξίας με πολύπλοκες γεωμετρίες όπου το κόστος αντικατάστασης είναι υψηλό. Περαιτέρω έρευνα θα πρέπει να δώσει προτεραιότητα στην επικύρωση της μακροπρόθεσμης απόδοσης σε λειτουργικά περιβάλλοντα και σε λεπτομερείς αναλύσεις κόστους-οφέλους που ενσωματώνουν την επέκταση της διάρκειας ζωής των εργαλείων.