Subtraktive vs. hybride CNC-AM für die Werkzeugreparatur

PFT, Shenzhen

Diese Studie vergleicht die Effektivität der traditionellen subtraktiven CNC-Bearbeitung mit der aufkommenden hybriden CNC-Additive-Manufacturing-Methode (AM) für die Reparatur von Industriewerkzeugen. Leistungskennzahlen (Reparaturzeit, Materialverbrauch, mechanische Festigkeit) wurden anhand kontrollierter Experimente an beschädigten Stanzwerkzeugen quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass hybride Methoden den Materialabfall um 28–42 % reduzieren und die Reparaturzyklen um 15–30 % verkürzen als rein subtraktive Verfahren. Mikrostrukturanalysen bestätigen eine vergleichbare Zugfestigkeit (≥98 % des Originalwerkzeugs) bei hybrid reparierten Komponenten. Die Haupteinschränkung liegt in der geometrischen Komplexität der AM-Abscheidung. Diese Ergebnisse zeigen, dass hybride CNC-AM eine praktikable Strategie für eine nachhaltige Werkzeugwartung ist.

1 Einleitung

Werkzeugverschleiß kostet die Fertigungsindustrie jährlich 240 Milliarden US-Dollar (NIST, 2024). Bei der traditionellen subtraktiven CNC-Reparatur werden beschädigte Teile durch Fräsen/Schleifen entfernt, wobei oft über 60 % des verwertbaren Materials verloren gehen. Die hybride CNC-AM-Integration (direkte Energieabscheidung auf vorhandenen Werkzeugen) verspricht Ressourceneffizienz, ist aber industriell nicht validiert. Diese Studie quantifiziert die betrieblichen Vorteile hybrider Arbeitsabläufe gegenüber konventionellen subtraktiven Methoden für die Reparatur hochwertiger Werkzeuge.

2 Methodik

2.1 Versuchsaufbau

Fünf beschädigte H13-Stahlstanzformen (Abmessungen: 300 × 150 × 80 mm) wurden zwei Reparaturprotokollen unterzogen:

• Gruppe A (Subtraktiv):
  - Schadensbeseitigung mittels 5-Achs-Fräsen (DMG MORI DMU 80)
  - Schweißzusatzauftrag (WIG)
  - Fertigbearbeitung nach Original-CAD

• Gruppe B (Hybrid):
  - Minimale Defektentfernung (<1 mm Tiefe)
  - DED-Reparatur mit Meltio M450 (316L-Draht)
  - Adaptive CNC-Nachbearbeitung (Siemens NX CAM)

2.2 Datenerfassung

• Materialeffizienz: Massenmessungen vor/nach der Reparatur (Mettler XS205)

• Zeiterfassung: Prozessüberwachung mit IoT-Sensoren (ToolConnect)

• Mechanische Prüfung:
  - Härtekartierung (Buehler IndentaMet 1100)
  - Zugproben (ASTM E8/E8M) aus reparierten Zonen

3 Ergebnisse & Analyse

3.1 Ressourcennutzung

Tabelle 1: Vergleich der Reparaturprozessmetriken

3.2 Mechanische Integrität

Hybrid-reparierte Exemplare zeigten:

• Gleichbleibende Härte (52–54 HRC vs. ursprünglich 53 HRC)

• Zugfestigkeit: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4 % des Grundmaterials

• Keine Grenzflächendelamination im Ermüdungstest (10⁶ Zyklen bei 80 % Streckgrenze)

Abbildung 1: Mikrostruktur der Hybrid-Reparaturschnittstelle (SEM 500×)
Hinweis: Eine gleichachsige Kornstruktur an der Schmelzgrenze weist auf ein effektives Wärmemanagement hin.

4 Diskussion

4.1 Operative Auswirkungen

Die Zeitersparnis von 28,9 % ist auf den Wegfall der Materialabtragung zurückzuführen. Die Hybridverarbeitung erweist sich als vorteilhaft für:

• Veraltete Werkzeuge mit nicht mehr erhältlichem Materialbestand

• Hochkomplexe Geometrien (z. B. konforme Kühlkanäle)

• Reparaturszenarien mit geringem Volumen

4.2 Technische Einschränkungen

Beobachtete Einschränkungen:

• Maximaler Ablagewinkel: 45° von der Horizontalen (verhindert Überhangdefekte)

• Abweichung der DED-Schichtdicke: ±0,12 mm, was adaptive Werkzeugwege erfordert

• Nachträgliche HIP-Behandlung für Werkzeuge in Luft- und Raumfahrtqualität unerlässlich

5 Fazit

Hybride CNC-AM reduziert den Ressourcenverbrauch bei Werkzeugreparaturen um 23–42 % und bleibt dabei mechanisch gleichwertig zu subtraktiven Verfahren. Der Einsatz wird für Bauteile mit mittlerer geometrischer Komplexität empfohlen, bei denen Materialeinsparungen die AM-Betriebskosten rechtfertigen. Nachfolgende Forschung wird die Beschichtungsstrategien für gehärtete Werkzeugstähle (>60 HRC) optimieren.