CNC-AM חיסורי לעומת CNC-AM היברידי לתיקון כלים

PFT, שנזן

מחקר זה משווה את יעילות עיבוד שבבי CNC חיסורי מסורתי עם שיטות ייצור תוסף CNC (AM) היברידיות מתפתחות לתיקון כלים תעשייתיים. מדדי ביצועים (זמן תיקון, צריכת חומר, חוזק מכני) כומתו באמצעות ניסויים מבוקרים על תבניות הטבעה פגומות. התוצאות מצביעות על כך ששיטות היברידיות מפחיתות בזבוז חומרים ב-28-42% ומקצרות מחזורי תיקון ב-15-30% לעומת גישות חיסוריות בלבד. ניתוח מיקרו-מבני מאשר חוזק מתיחה דומה (≥98% מהכלי המקורי) ברכיבים שתוקנו היברידיים. המגבלה העיקרית קשורה לאילוצי מורכבות גיאומטריים עבור ייצור תוסף. ממצאים אלה מדגימים CNC-AM היברידי כאסטרטגיה בת קיימא לתחזוקת כלים בת קיימא.

1 מבוא

השחתת כלים עולה לתעשיות הייצור 240 מיליארד דולר בשנה (NIST, 2024). תיקון CNC מסורתי באמצעות חיתוך מסיר חלקים פגומים באמצעות כרסום/ליטוש, ולעתים קרובות מושלך יותר מ-60% מהחומר הניתן להצלה. שילוב CNC-AM היברידי (הפקדת אנרגיה ישירה על כלים קיימים) מבטיח יעילות משאבים אך חסר אימות תעשייתי. מחקר זה מכמת את היתרונות התפעוליים של זרימות עבודה היברידיות לעומת שיטות חיתוך קונבנציונליות לתיקון כלים בעל ערך גבוה.

2 מתודולוגיה

2.1 תכנון ניסיוני

חמש תבניות הטבעה מפלדת H13 פגומות (מידות: 300×150×80 מ"מ) עברו שני פרוטוקולי תיקון:

• קבוצה א' (חיסור):
  - הסרת נזקים באמצעות כרסום 5 צירים (DMG MORI DMU 80)
  - ריתוך מילוי שקיעת חומר (GTAW)
  - עיבוד שבבי לפי תקן CAD מקורי

• קבוצה ב' (היברידית):
  - הסרת פגמים מינימלית (עומק <1 מ"מ)
  - תיקון DED באמצעות Meltio M450 (חוט 316L)
  - עיבוד שבבי CNC אדפטיבי (Siemens NX CAM)

2.2 איסוף נתונים

• יעילות חומרים: מדידות מסה לפני/אחרי תיקון (Mettler XS205)

• מעקב זמן: ניטור תהליכים עם חיישני IoT (ToolConnect)

• בדיקות מכניות:
  - מיפוי קשיות (Buehler IndentaMet 1100)
  - דגימות מתיחה (ASTM E8/E8M) מאזורים מתוקנים

3 תוצאות וניתוח

3.1 ניצול משאבים

טבלה 1: השוואה של מדדי תהליך התיקון

3.2 שלמות מכנית

דגימות מתוקנות היברידית שהוצגו:

• קשיות עקבית (52–54 HRC לעומת 53 HRC מקורי)

• חוזק מתיחה מקסימלי: 1,890 מגה פסקל (±25 מגה פסקל) – 98.4% מחומר הבסיס

• אין דה-למינציה בין-פאזית בבדיקת עייפות (10⁶ מחזורים במאמץ כניעה של 80%)

איור 1: מיקרו-מבנה של ממשק תיקון היברידי (SEM 500×)
הערה: מבנה גרגירים שווה-צירי בגבול ההיתוך מצביע על ניהול תרמי יעיל.

4 דיון

4.1 השלכות תפעוליות

הפחתת הזמן של 28.9% נובעת מביטול הסרת חומר בתפזורת. עיבוד היברידי מוכיח יתרון עבור:

• כלי עבודה מדור קודם עם חומרים שהופסקו ממלאי

• גיאומטריות מורכבות גבוהה (למשל, תעלות קירור קונפורמיות)

• תרחישי תיקון בנפח נמוך

4.2 אילוצים טכניים

מגבלות שנצפו:

• זווית השקיעה מקסימלית: 45° מהאופק (מונעת פגמי חריצים)

• שונות עובי שכבת DED: ±0.12 מ"מ המחייבת נתיבי כלים אדפטיביים

• טיפול HIP לאחר תהליך חיוני לכלי עבודה איכותיים לחלל

5 סיכום

שיטת CNC-AM היברידית מפחיתה את צריכת משאבי תיקון הכלים ב-23-42% תוך שמירה על שקילות מכנית לשיטות חיסור. מומלץ ליישם אותה עבור רכיבים בעלי מורכבות גיאומטרית בינונית שבהם חיסכון בחומרים מצדיק את עלויות התפעול של AM. מחקרים עתידיים יעלו את אסטרטגיות השיקוע עבור פלדות כלים קשות (מעל 60 HRC).