Reparación de herramientas CNC-AM sustractiva vs. híbrida

PFT, Shenzhen

Este estudio compara la eficacia del mecanizado CNC sustractivo tradicional con la emergente fabricación aditiva (FA) híbrida CNC-FA para la reparación de herramientas industriales. Las métricas de rendimiento (tiempo de reparación, consumo de material, resistencia mecánica) se cuantificaron mediante experimentos controlados con matrices de estampación dañadas. Los resultados indican que los métodos híbridos reducen el desperdicio de material entre un 28 % y un 42 % y acortan los ciclos de reparación entre un 15 % y un 30 % en comparación con los métodos exclusivamente sustractivos. El análisis microestructural confirma una resistencia a la tracción comparable (≥98 % de la herramienta original) en los componentes reparados con FA híbrida. La principal limitación radica en las restricciones de complejidad geométrica para la deposición de FA. Estos hallazgos demuestran que la FA híbrida CNC-FA es una estrategia viable para el mantenimiento sostenible de las herramientas.

1 Introducción

La degradación de las herramientas cuesta a las industrias manufactureras 240 000 millones de dólares anuales (NIST, 2024). La reparación sustractiva tradicional de CNC elimina las secciones dañadas mediante fresado/rectificado, descartando a menudo más del 60 % del material recuperable. La integración híbrida de CNC-AM (deposición directa de energía sobre las herramientas existentes) promete eficiencia de recursos, pero carece de validación industrial. Esta investigación cuantifica las ventajas operativas de los flujos de trabajo híbridos frente a los métodos sustractivos convencionales para la reparación de herramientas de alto valor.

2 Metodología

2.1 Diseño experimental

Cinco matrices de estampación de acero H13 dañadas (dimensiones: 300 × 150 × 80 mm) se sometieron a dos protocolos de reparación:

• Grupo A (Sustrectivo):
  - Eliminación de daños mediante fresado de 5 ejes (DMG MORI DMU 80)
  - Deposición de relleno de soldadura (GTAW)
  - Acabado de mecanizado según CAD original.

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

2.2 Adquisición de datos

• Eficiencia del material: mediciones de masa antes y después de la reparación (Mettler XS205)

• Seguimiento del tiempo: Monitoreo de procesos con sensores IoT (ToolConnect)

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

3 Resultados y análisis

3.1 Utilización de recursos

Tabla 1: Comparación de métricas del proceso de reparación

3.2 Integridad mecánica

Los especímenes reparados mediante híbridos exhibieron:

• Dureza constante (52–54 HRC frente a los 53 HRC originales)

• Resistencia máxima a la tracción: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % del material base

• Sin delaminación interfacial en pruebas de fatiga (10⁶ ciclos al 80 % de tensión de fluencia)

Figura 1: Microestructura de la interfaz de reparación híbrida (SEM 500×)
Nota: La estructura de grano equiaxial en el límite de fusión indica una gestión térmica eficaz.

4 Discusión

4.1 Implicaciones operativas

La reducción del 28,9 % en el tiempo se debe a la eliminación de la extracción de material a granel. El procesamiento híbrido ofrece ventajas para:

• Herramientas heredadas con stock de material descontinuado

• Geometrías de alta complejidad (por ejemplo, canales de enfriamiento conformes)

• Escenarios de reparación de bajo volumen

4.2 Restricciones técnicas

Limitaciones observadas:

• Ángulo máximo de deposición: 45° desde la horizontal (evita defectos de voladizo)

• Variación del espesor de la capa DED: ±0,12 mm, lo que requiere trayectorias de herramientas adaptables

• El tratamiento HIP posproceso es esencial para las herramientas de grado aeroespacial

5 Conclusión

La fabricación híbrida CNC-AM reduce el consumo de recursos para la reparación de herramientas entre un 23 % y un 42 %, manteniendo la equivalencia mecánica con los métodos sustractivos. Se recomienda su implementación en componentes con complejidad geométrica moderada donde el ahorro de material justifica los costos operativos de la fabricación aditiva. Investigaciones posteriores optimizarán las estrategias de deposición para aceros para herramientas endurecidos (>60 HRC).