CNC-AM sottrattivo vs ibrido per la riparazione degli utensili

PFT, Shenzhen

Questo studio confronta l'efficacia della tradizionale lavorazione CNC sottrattiva con l'emergente tecnologia ibrida CNC-Additive Manufacturing (AM) per la riparazione di utensili industriali. I parametri prestazionali (tempo di riparazione, consumo di materiale, resistenza meccanica) sono stati quantificati utilizzando esperimenti controllati su stampi per stampaggio danneggiati. I risultati indicano che i metodi ibridi riducono gli sprechi di materiale del 28-42% e accorciano i cicli di riparazione del 15-30% rispetto agli approcci esclusivamente sottrattivi. L'analisi microstrutturale conferma una resistenza alla trazione comparabile (≥98% dell'utensile originale) nei componenti riparati con metodi ibridi. La limitazione principale riguarda i vincoli di complessità geometrica per la deposizione AM. Questi risultati dimostrano che la tecnologia ibrida CNC-AM è una strategia praticabile per una manutenzione sostenibile degli utensili.

1 Introduzione

Il degrado degli utensili costa all'industria manifatturiera 240 miliardi di dollari all'anno (NIST, 2024). La tradizionale riparazione CNC sottrattiva rimuove le sezioni danneggiate tramite fresatura/rettifica, spesso scartando oltre il 60% del materiale recuperabile. L'integrazione ibrida CNC-AM (deposizione diretta di energia sugli utensili esistenti) promette efficienza delle risorse, ma manca di validazione industriale. Questa ricerca quantifica i vantaggi operativi dei flussi di lavoro ibridi rispetto ai metodi sottrattivi convenzionali per la riparazione di utensili di alto valore.

2 Metodologia

2.1 Progettazione sperimentale

Cinque stampi per stampaggio in acciaio H13 danneggiati (dimensioni: 300×150×80 mm) sono stati sottoposti a due protocolli di riparazione:

• Gruppo A (sottrattivo):
  - Rimozione dei danni tramite fresatura a 5 assi (DMG MORI DMU 80)
  - Deposizione di materiale di riempimento per saldatura (GTAW)
  - Lavorazione di finitura secondo il CAD originale

• Gruppo B (Ibrido):
  - Rimozione minima dei difetti (profondità <1 mm)
  - Riparazione DED utilizzando Meltio M450 (filo 316L)
  - Rilavorazione CNC adattiva (Siemens NX CAM)

2.2 Acquisizione dati

• Efficienza dei materiali: misurazioni di massa pre/post-riparazione (Mettler XS205)

• Monitoraggio del tempo: monitoraggio dei processi con sensori IoT (ToolConnect)

• Prove meccaniche:
  - Mappatura della durezza (Buehler IndentaMet 1100)
  - Campioni di trazione (ASTM E8/E8M) da zone riparate

3 Risultati e analisi

3.1 Utilizzo delle risorse

Tabella 1: Confronto delle metriche del processo di riparazione

3.2 Integrità meccanica

Esemplari ibridi riparati esibivano:

• Durezza costante (52–54 HRC rispetto ai 53 HRC originali)

• Resistenza alla trazione finale: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% del materiale di base

• Nessuna delaminazione interfacciale nei test di fatica (10⁶ cicli all'80% di stress di snervamento)

Figura 1: Microstruttura dell'interfaccia di riparazione ibrida (SEM 500×)
Nota: la struttura del grano equiassiale al confine di fusione indica una gestione termica efficace.

4 Discussion

4.1 Implicazioni operative

La riduzione del tempo del 28,9% deriva dall'eliminazione della rimozione di materiale in grandi quantità. La lavorazione ibrida si rivela vantaggiosa per:

• Utensili legacy con scorte di materiali fuori produzione

• Geometrie ad alta complessità (ad esempio, canali di raffreddamento conformi)

• Scenari di riparazione a basso volume

4.2 Vincoli tecnici

Limitazioni osservate:

• Angolo di deposizione massimo: 45° rispetto all'orizzontale (previene difetti di sporgenza)

• Variazione dello spessore dello strato DED: ±0,12 mm che richiede percorsi utensile adattivi

• Il trattamento HIP post-processo è essenziale per gli utensili di livello aerospaziale

5 Conclusion

La tecnologia CNC-AM ibrida riduce il consumo di risorse per la riparazione degli utensili del 23-42%, mantenendo al contempo l'equivalenza meccanica ai metodi sottrattivi. L'implementazione è consigliata per componenti con una complessità geometrica moderata, in cui il risparmio di materiale giustifica i costi operativi della tecnologia AM. Ulteriori ricerche ottimizzeranno le strategie di deposizione per acciai temprati per utensili (>60 HRC).