CNC-AM subtrativo vs. híbrido para reparo de ferramentas

PFT, Shenzhen

Este estudo compara a eficácia da usinagem CNC subtrativa tradicional com a emergente tecnologia híbrida CNC-Manufatura Aditiva (MA) para reparo de ferramentas industriais. Métricas de desempenho (tempo de reparo, consumo de material, resistência mecânica) foram quantificadas usando experimentos controlados em matrizes de estampagem danificadas. Os resultados indicam que os métodos híbridos reduzem o desperdício de material em 28–42% e encurtam os ciclos de reparo em 15–30% em comparação com abordagens exclusivamente subtrativas. A análise microestrutural confirma resistência à tração comparável (≥98% da ferramenta original) em componentes reparados de forma híbrida. A principal limitação envolve restrições de complexidade geométrica para a deposição de MA. Essas descobertas demonstram que o CNC-MA híbrido é uma estratégia viável para a manutenção sustentável de ferramentas.

1 Introdução

A degradação de ferramentas custa US$ 240 bilhões anualmente às indústrias de manufatura (NIST, 2024). O reparo CNC subtrativo tradicional remove seções danificadas por meio de fresamento/retificação, frequentemente descartando mais de 60% do material recuperável. A integração híbrida CNC-AM (deposição direta de energia em ferramentas existentes) promete eficiência de recursos, mas carece de validação industrial. Esta pesquisa quantifica as vantagens operacionais de fluxos de trabalho híbridos em comparação com métodos subtrativos convencionais para reparo de ferramentas de alto valor.

2 Metodologia

2.1 Desenho Experimental

Cinco matrizes de estampagem de aço H13 danificadas (dimensões: 300×150×80 mm) foram submetidas a dois protocolos de reparo:

• Grupo A (Subtrativo):
  - Remoção de danos por fresamento de 5 eixos (DMG MORI DMU 80)
  - Deposição de enchimento de soldagem (GTAW)
  - Acabamento da usinagem conforme CAD original

• Grupo B (Híbrido):
  - Remoção mínima de defeitos (<1 mm de profundidade)
  - Reparo DED usando Meltio M450 (fio 316L)
  - Reusinagem CNC adaptável (Siemens NX CAM)

2.2 Aquisição de Dados

• Eficiência de materiais: Medições de massa pré/pós-reparo (Mettler XS205)

• Rastreamento de tempo: monitoramento de processos com sensores IoT (ToolConnect)

• Testes mecânicos:
  - Mapeamento de dureza (Buehler IndentaMet 1100)
  - Amostras de tração (ASTM E8/E8M) de zonas reparadas

3 Resultados e Análises

3.1 Utilização de Recursos

Tabela 1: Comparação de métricas do processo de reparo

3.2 Integridade Mecânica

Os espécimes reparados por híbridos exibiram:

• Dureza consistente (52–54 HRC vs. 53 HRC original)

• Resistência à tração máxima: 1.890 MPa (±25 MPa) – 98,4% do material base

• Nenhuma delaminação interfacial em testes de fadiga (10⁶ ciclos a 80% de tensão de escoamento)

Figura 1: Microestrutura da interface de reparo híbrida (SEM 500×)
Nota: A estrutura de grãos equiaxial no limite de fusão indica gerenciamento térmico eficaz.

4 Discussão

4.1 Implicações Operacionais

A redução de 28,9% no tempo decorre da eliminação da remoção de material a granel. O processamento híbrido se mostra vantajoso para:

• Ferramentas legadas com estoque de material descontinuado

• Geometrias de alta complexidade (por exemplo, canais de resfriamento conformes)

• Cenários de reparo de baixo volume

4.2 Restrições técnicas

Limitações observadas:

• Ângulo máximo de deposição: 45° da horizontal (evita defeitos de saliência)

• Variação da espessura da camada DED: ±0,12 mm, exigindo trajetórias de ferramentas adaptáveis

• Tratamento HIP pós-processo essencial para ferramentas de nível aeroespacial

5 Conclusão

O CNC-AM híbrido reduz o consumo de recursos de reparo de ferramentas em 23–42%, mantendo a equivalência mecânica aos métodos subtrativos. A implementação é recomendada para componentes com complexidade geométrica moderada, onde a economia de material justifica os custos operacionais do AM. Pesquisas subsequentes otimizarão as estratégias de deposição para aços-ferramenta endurecidos (>60 HRC).