CNC-AM subtractiva vs híbrida per a la reparació d'eines

PFT, Shenzhen

Aquest estudi compara l'efectivitat del mecanitzat CNC subtractiu tradicional amb l'emergent fabricació additiva (AM) CNC híbrida per a la reparació d'eines industrials. Les mètriques de rendiment (temps de reparació, consum de material, resistència mecànica) es van quantificar mitjançant experiments controlats en matrius d'estampació danyades. Els resultats indiquen que els mètodes híbrids redueixen el malbaratament de material entre un 28 i un 42% i escurcen els cicles de reparació entre un 15 i un 30% en comparació amb els enfocaments només subtractius. L'anàlisi microestructural confirma una resistència a la tracció comparable (≥98% de l'eina original) en components reparats amb híbrid. La limitació principal implica les restriccions de complexitat geomètrica per a la deposició AM. Aquestes troballes demostren que la CNC-AM híbrida és una estratègia viable per al manteniment sostenible de les eines.

1 Introducció

La degradació de les eines costa a les indústries manufactureres 240.000 milions de dòlars anuals (NIST, 2024). La reparació CNC subtractiva tradicional elimina les seccions danyades mitjançant el fresat/esmolat, sovint descartant més del 60% del material recuperable. La integració híbrida CNC-AM (deposició directa d'energia sobre eines existents) promet eficiència de recursos, però manca de validació industrial. Aquesta investigació quantifica els avantatges operatius dels fluxos de treball híbrids en comparació amb els mètodes subtractius convencionals per a la reparació d'eines d'alt valor.

2 Metodologia

2.1 Disseny experimental

Cinc matrius d'estampació d'acer H13 danyades (dimensions: 300 × 150 × 80 mm) es van sotmetre a dos protocols de reparació:

• Grup A (Subtractiu):
  - Eliminació de danys mitjançant fresat de 5 eixos (DMG MORI DMU 80)
  - Deposició de farciment per soldadura (GTAW)
  - Acabat del mecanitzat segons el CAD original

• Grup B (Híbrid):
  - Eliminació mínima de defectes (<1 mm de profunditat)
  - Reparació de DED amb Meltio M450 (cable 316L)
  - Remecanitzat CNC adaptatiu (Siemens NX CAM)

2.2 Adquisició de dades

• Eficiència del material: Mesures de massa abans/després de la reparació (Mettler XS205)

• Seguiment del temps: Monitorització de processos amb sensors IoT (ToolConnect)

• Proves mecàniques:
  - Mapatge de duresa (Buehler IndentaMet 1100)
  - Mostres de tracció (ASTM E8/E8M) de zones reparades

3 Resultats i anàlisi

3.1 Utilització dels recursos

Taula 1: Comparació de mètriques del procés de reparació

3.2 Integritat mecànica

Espècimens reparats amb híbrids exposats:

• Duresa consistent (52–54 HRC enfront dels 53 HRC originals)

• Resistència màxima a la tracció: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% del material base

• Sense delaminació interfacial en proves de fatiga (10⁶ cicles a una tensió elàstica del 80%)

Figura 1: Microestructura de la interfície de reparació híbrida (SEM 500×)
Nota: L'estructura equiaxial del gra al límit de fusió indica una gestió tèrmica eficaç.

4 Discussió

4.1 Implicacions operatives

La reducció de temps del 28,9% prové de l'eliminació de l'eliminació de material a granel. El processament híbrid resulta avantatjós per a:

• Utillatges antics amb estoc de materials descontinuats

• Geometries d'alta complexitat (per exemple, canals de refrigeració conformals)

• Escenaris de reparació de baix volum

4.2 Restriccions tècniques

Limitacions observades:

• Angle màxim de deposició: 45° respecte a l'horitzontal (evita defectes de voladís)

• Variància del gruix de la capa DED: ±0,12 mm que requereix trajectòries d'eina adaptatives

• Tractament HIP postprocessament essencial per a eines de grau aeroespacial

5 Conclusió

La CNC-AM híbrida redueix el consum de recursos per a la reparació d'eines entre un 23 i un 42%, alhora que manté l'equivalència mecànica amb els mètodes subtractius. Es recomana la seva implementació per a components amb una complexitat geomètrica moderada on l'estalvi de material justifiqui els costos operatius de la fabricació additiva. La investigació posterior optimitzarà les estratègies de deposició per a acers d'eines endurits (>60 HRC).