CNC-AM subtractiva vs. híbrida para a reparación de ferramentas

PFT, Shenzhen

Este estudo compara a eficacia do mecanizado CNC subtractivo tradicional coa emerxente fabricación aditiva (AM) híbrida CNC para a reparación de ferramentas industriais. As métricas de rendemento (tempo de reparación, consumo de material, resistencia mecánica) cuantificáronse mediante experimentos controlados en matrices de estampado danadas. Os resultados indican que os métodos híbridos reducen o desperdicio de material entre un 28 e un 42 % e acurtan os ciclos de reparación entre un 15 e un 30 % en comparación coas abordaxes só subtractivas. A análise microestrutural confirma unha resistencia á tracción comparable (≥98 % da ferramenta orixinal) en compoñentes reparados con híbridos. A principal limitación implica as restricións de complexidade xeométrica para a deposición de AM. Estes achados demostran que a CNC-AM híbrida é unha estratexia viable para o mantemento sostible das ferramentas.

1 Introdución

A degradación das ferramentas custa ás industrias manufactureiras 240.000 millóns de dólares anuais (NIST, 2024). A reparación CNC subtractiva tradicional elimina as seccións danadas mediante fresado/rectificación, descartando a miúdo máis do 60 % do material recuperable. A integración híbrida CNC-AM (deposición directa de enerxía sobre ferramentas existentes) promete eficiencia de recursos, pero carece de validación industrial. Esta investigación cuantifica as vantaxes operativas dos fluxos de traballo híbridos fronte aos métodos subtractivos convencionais para a reparación de ferramentas de alto valor.

2 Metodoloxía

2.1 Deseño experimental

Cinco matrices de estampado de aceiro H13 danadas (dimensións: 300 × 150 × 80 mm) sometéronse a dous protocolos de reparación:

• Grupo A (Sustractivo):
  - Eliminación de danos mediante fresado de 5 eixes (DMG MORI DMU 80)
  - Deposición de material de recheo para soldadura (GTAW)
  - Mecanizado de acabado segundo o CAD orixinal

• Grupo B (híbrido):
  - Eliminación mínima de defectos (<1 mm de profundidade)
  - Reparación de DED con Meltio M450 (arame 316L)
  - Remecanizado CNC adaptativo (Siemens NX CAM)

2.2 Adquisición de datos

• Eficiencia de materiais: Medicións de masa antes/despois da reparación (Mettler XS205)

• Seguimento do tempo: monitorización de procesos con sensores de IoT (ToolConnect)

• Probas mecánicas:
  - Mapeo de dureza (Buehler IndentaMet 1100)
  - Mostras de tracción (ASTM E8/E8M) de zonas reparadas

3 Resultados e análise

3.1 Utilización dos recursos

Táboa 1: Comparación das métricas do proceso de reparación

3.2 Integridade mecánica

Exemplares reparados con híbridos expostos:

• Dureza consistente (52–54 HRC fronte aos 53 HRC orixinais)

• Resistencia máxima á tracción: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % do material base

• Sen delaminación interfacial nas probas de fatiga (10⁶ ciclos a unha tensión de cedencia do 80%)

Figura 1: Microestrutura da interface de reparación híbrida (SEM 500×)
Nota: Unha estrutura de grans equiaxial no límite de fusión indica unha xestión térmica eficaz.

4 Discusión

4.1 Implicacións operacionais

A redución do tempo do 28,9 % débese á eliminación da eliminación de material a granel. O procesamento híbrido resulta vantaxoso para:

• Ferramentas herdadas con material en stock descontinuado

• Xeometrías de alta complexidade (por exemplo, canles de arrefriamento conformes)

• Escenarios de reparación de baixo volume

4.2 Restricións técnicas

Limitacións observadas:

• Ángulo máximo de deposición: 45° desde a horizontal (evita defectos de sobresaída)

• Variación do grosor da capa DED: ±0,12 mm, o que require traxectorias de ferramentas adaptativas

• Tratamento HIP posproceso esencial para ferramentas de grao aeroespacial

5 Conclusión

A CNC-AM híbrida reduce o consumo de recursos para a reparación de ferramentas entre un 23 e un 42 %, mantendo ao mesmo tempo a equivalencia mecánica cos métodos subtractivos. Recoméndase a súa implementación para compoñentes con complexidade xeométrica moderada onde o aforro de material xustifique os custos operativos da AM. As investigacións posteriores optimizarán as estratexias de deposición para aceiros para ferramentas endurecidos (>60 HRC).