Subtractieve versus hybride CNC-AM voor gereedschapsreparatie

Door PFT, Shenzhen

Om productielijnen in 2025 soepel te laten draaien, is het essentieel om de levensduur van kritische, dure gereedschappen te maximaliseren. Snijgereedschappen slijten onvermijdelijk, wat leidt tot verminderde kwaliteit van onderdelen, hogere afvalpercentages en kostbare stilstand voor vervanging. Hoewel conventionele subtractieve CNC-bewerking lange tijd de standaard is geweest voor gereedschapsreparatie en -renovatie, biedt de opkomst van geïntegreerde Hybrid CNC-Additive Manufacturing (AM)-systemen een veelbelovend alternatief. Hybride systemen combineren traditioneel frezen/draaien met processen voor gerichte energieafzetting (DED) AM, zoals lasercladding of draadboog additieve fabricage (WAAM), allemaal binnen één machineplatform.

2 Methoden

• Subtractieve CNC-reparatie: Versleten gebieden werden weggewerkt op een 5-assig bewerkingscentrum om de oorspronkelijke geometrie te herstellen. Gereedschapspaden werden gegenereerd op basis van CAD-modellen van het onbeschadigde gereedschap.
• Hybride CNC-AM-reparatie: Versleten gebieden werden eerst voorbereid door middel van lichte bewerking. Ontbrekend materiaal werd vervolgens opnieuw opgebouwd met behulp van lasergebaseerde DED (poedertoevoer) op een speciale hybride CNC-AM-machine (bijv. DMG MORI LASERTEC, Mazak INTEGREX i-AM). Er werd een overeenkomstige poederlegering van gereedschapsstaal afgezet. Ten slotte werd het afgezet materiaal afgewerkt tot de precieze eindgeometrie binnen dezelfde opstelling. Afzettingsparameters (laservermogen, aanvoersnelheid, overlap) werden geoptimaliseerd voor minimale warmte-inbreng en verdunning.
• Geometrie: Geometrieën vóór en na reparatie werden gescand met behulp van een optische CMM (Coordinate Measuring Machine) met hoge precisie. De maatnauwkeurigheid werd gekwantificeerd ten opzichte van CAD-modellen.
• Oppervlakte-integriteit: De oppervlakteruwheid (Ra, Rz) werd loodrecht op de snijrichting gemeten met behulp van een contactprofilometer. Microhardheid (HV0.3) profielen werden genomen over de gerepareerde zones en warmte-beïnvloede zones (HAZ).
• Materiaaleigenschappen: Dwarsdoorsneden van gerepareerde gebieden werden geprepareerd, geëtst en onderzocht met optische en scanning-elektronenmicroscopie (SEM) om de microstructuur, porositeit en bindingsintegriteit te beoordelen.
• Proces tijd: De totale machinetijd voor elk reparatieproces (opstelling, bewerking, afzetting voor hybride, afwerking) werd geregistreerd.
• Referentiegegevens: De resultaten werden vergeleken met gepubliceerde benchmarks voor gereedschapsprestaties en vastgestelde reparatiestandaarden.

3.1 Maatnauwkeurigheid en geometrische restauratie

• 3.2 Materiaaleigenschappen en microstructuur
• 3.3 Procesefficiëntie

​4 Discussie

Deze vergelijkende studie toont aan dat hybride CNC-Additive Manufacturing een krachtig en vaak superieur alternatief biedt voor conventionele subtractieve CNC-bewerking voor de reparatie van hoogwaardige snijgereedschappen, met name die met complexe geometrieën of aanzienlijke lokale schade. Belangrijkste bevindingen tonen hybride CNC-AM:

• Superioriteit voor complexiteit: Het aanzienlijke voordeel van hybride CNC-AM ligt in het repareren van gereedschappen met complexe geometrieën of lokale ernstige schade (chips, gebroken randen). De additieve capaciteit maakt gerichte restauratie mogelijk zonder het kernlichaam van het gereedschap in gevaar te brengen, waardoor meer van het oorspronkelijke dure materiaal en de geometrie behouden blijft – iets wat subtractieve methoden niet kunnen bereiken zonder fundamenteel herontwerp.
• Materiaalprestaties: De succesvolle afzetting van gereedschapskwaliteit legeringen met de juiste hardheid en een gezonde microstructuur bevestigt de technische haalbaarheid van hybride reparatie. De gecontroleerde warmte-inbreng minimaliseerde nadelige effecten op het basismateriaal.
• Afweging van procestijd: Hoewel subtractieve methoden sneller zijn voor eenvoudige slijtage, wordt hybride concurrerend of sneller voor complexe reparaties. De waarde ligt niet alleen in tijd, maar ook in het redden van gereedschappen die anders zouden kunnen worden afgedankt met behulp van subtractieve methoden.
• Beperkingen: Deze studie richtte zich op technische haalbaarheid en initiële eigenschappen. Gegevens over de prestaties op lange termijn onder werkelijke snijcondities, inclusief slijtvastheid en vermoeiingslevensduur in vergelijking met nieuwe gereedschappen en subtractieve reparaties, zijn essentieel. De initiële kapitaalkosten van hybride CNC-AM-apparatuur zijn ook aanzienlijk hoger dan die van standaard CNC-machines. De kosten van poedermateriaal zijn een factor, hoewel deze vaak worden gecompenseerd door materiaalbesparingen op het gereedschap zelf.
• Praktische implicatie: Voor fabrikanten die te maken hebben met een groot volume aan complexe, hoogwaardige gereedschappen, vormt het investeren in hybride CNC-AM-reparatiemogelijkheden een overtuigende reden om de vervangingskosten en de gereedschapsvoorraad te verlagen. Het maakt echte restauratie mogelijk, niet alleen opnieuw bewerken. Voor eenvoudigere gereedschappen of minder complexe slijtage blijven subtractieve methoden efficiënt en kosteneffectief.

Hoewel subtractieve CNC efficiënt blijft voor eenvoudigere slijtagepatronen, ontsluit hybride CNC-AM aanzienlijke waarde voor complexe gereedschapsreparatietoepassingen. De aanbeveling is dat fabrikanten hun specifieke gereedschapsportfolio en faalmodi evalueren. De implementatie moet zich richten op hoogwaardige gereedschappen met complexe geometrieën waarbij de vervangingskosten hoog zijn. Verder onderzoek moet prioriteit geven aan validatie van de prestaties op lange termijn in operationele omgevingen en gedetailleerde kosten-batenanalyses met inbegrip van levensduurverlenging van gereedschappen.