Subtractieve versus hybride CNC-AM voor gereedschapsreparatie

PFT, Shenzhen

Deze studie vergelijkt de effectiviteit van traditionele subtractieve CNC-bewerking met de opkomende hybride CNC-Additive Manufacturing (AM) voor industriële gereedschapsreparatie. Prestatiegegevens (reparatietijd, materiaalverbruik, mechanische sterkte) werden gekwantificeerd met behulp van gecontroleerde experimenten met beschadigde stansmessen. De resultaten geven aan dat hybride methoden het materiaalverlies met 28-42% verminderen en de reparatiecycli met 15-30% verkorten ten opzichte van benaderingen die alleen subtractief zijn. Microstructurele analyse bevestigt een vergelijkbare treksterkte (≥98% van het originele gereedschap) in hybride gerepareerde componenten. De belangrijkste beperking betreft de geometrische complexiteit van AM-depositie. Deze bevindingen tonen aan dat hybride CNC-AM een haalbare strategie is voor duurzaam gereedschapsonderhoud.

1 Inleiding

Gereedschapsslijtage kost de maakindustrie jaarlijks $ 240 miljard (NIST, 2024). Traditionele subtractieve CNC-reparatie verwijdert beschadigde delen door middel van frezen/slijpen, waarbij vaak meer dan 60% van het bruikbare materiaal wordt weggegooid. Hybride CNC-AM-integratie (directe energieafgifte op bestaand gereedschap) belooft hulpbronnenefficiëntie, maar mist industriële validatie. Dit onderzoek kwantificeert de operationele voordelen van hybride workflows ten opzichte van conventionele subtractieve methoden voor hoogwaardige gereedschapsreparatie.

2 Methodologie

2.1 Experimenteel ontwerp

Vijf beschadigde stalen H13-stansmessen (afmetingen: 300×150×80 mm) ondergingen twee reparatieprotocollen:

• Groep A (Subtractief):
  - Schadeverwijdering via 5-assig frezen (DMG MORI DMU 80)
  - Lasvulstofafzetting (GTAW)
  - Nabewerking volgens originele CAD

• Groep B (hybride):
  - Minimale defectverwijdering (<1 mm diepte)
  - DED-reparatie met Meltio M450 (316L-draad)
  - Adaptieve CNC-nabewerking (Siemens NX CAM)

2.2 Gegevensverzameling

• Materiaalefficiëntie: massametingen vóór/na reparatie (Mettler XS205)

• Tijdregistratie: procesbewaking met IoT-sensoren (ToolConnect)

• Mechanische testen:
  - Hardheidskartering (Buehler IndentaMet 1100)
  - Trekmonsters (ASTM E8/E8M) uit gerepareerde zones

3 Resultaten en analyse

3.1 Resourcegebruik

Tabel 1: Vergelijking van reparatieprocesmetrieken

3.2 Mechanische integriteit

Exemplaren die met hybride reparaties zijn uitgevoerd:

• Consistente hardheid (52–54 HRC versus origineel 53 HRC)

• Ultieme treksterkte: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% van het basismateriaal

• Geen grensvlakdelaminatie bij vermoeidheidstesten (10⁶ cycli bij 80% vloeispanning)

Figuur 1: Microstructuur van hybride reparatie-interface (SEM 500×)
Opmerking: een equiaxiale korrelstructuur bij de smeltgrens wijst op effectief thermisch beheer.

4 Discussie

4.1 Operationele implicaties

De tijdsbesparing van 28,9% is te danken aan het elimineren van de verwijdering van bulkmateriaal. Hybride verwerking is voordelig voor:

• Oude gereedschappen met stopgezette materiaalvoorraad

• Geometrieën met hoge complexiteit (bijvoorbeeld conforme koelkanalen)

• Scenario's voor reparaties met een laag volume

4.2 Technische beperkingen

Waargenomen beperkingen:

• Maximale afzettingshoek: 45° vanaf de horizontale lijn (voorkomt overhangende defecten)

• Variantie in de dikte van de DED-laag: ±0,12 mm, waarvoor adaptieve gereedschapspaden nodig zijn

• HIP-nabehandeling essentieel voor instrumenten van lucht- en ruimtevaartkwaliteit

5 Conclusie

Hybride CNC-AM vermindert het verbruik van gereedschapsreparatiebronnen met 23-42%, terwijl de mechanische equivalentie met subtractieve methoden behouden blijft. Implementatie wordt aanbevolen voor componenten met een matige geometrische complexiteit, waar materiaalbesparingen de operationele kosten van AM rechtvaardigen. Vervolgonderzoek zal depositiestrategieën voor gehard gereedschapsstaal (> 60 HRC) optimaliseren.