ツール修理における減算型CNC-AMとハイブリッドCNC-AM

PFT、深セン

本研究では、産業用工具の修理における従来の切削加工CNCと新興のハイブリッドCNC-AM（積層造形）の有効性を比較します。損傷したプレス金型を用いた対照実験により、性能指標（修理時間、材料消費量、機械的強度）を定量化しました。結果は、ハイブリッド工法が切削加工のみの手法と比較して、材料廃棄量を28～42%削減し、修理サイクルを15～30%短縮することを示しました。微細構造解析により、ハイブリッドで修理された部品の引張強度は同等（元の工具の98%以上）であることが確認されました。主な制約は、AMによる堆積における形状の複雑さの制約です。これらの結果は、ハイブリッドCNC-AMが持続可能な工具メンテナンスのための実行可能な戦略であることを示しています。

1 はじめに

工具の劣化は製造業に年間2,400億ドルの損失をもたらしています（NIST、2024年）。従来の切削によるCNC修復では、損傷部分をフライス加工／研削加工で除去しますが、多くの場合、回収可能な材料の60%以上が廃棄されます。ハイブリッドCNC-AM統合（既存の工具への直接エネルギー堆積）は資源効率を約束しますが、産業的な検証が不足しています。本研究では、高付加価値工具の修復において、ハイブリッドワークフローと従来の切削による方法を比較し、運用上の利点を定量化します。

2 方法論

2.1 実験設計

損傷したH13鋼製スタンピングダイス5個（寸法：300×150×80mm）に対して、2つの修理プロトコルが実施されました。

• グループA（減算型）:
  - 5軸フライス加工による損傷除去（DMG MORI DMU 80）
  - 溶接フィラー堆積（GTAW）
  - オリジナルCADに合わせた仕上げ加工

• グループB（ハイブリッド）：
  - 最小限の欠陥除去（深さ<1mm）
  - Meltio M450（316Lワイヤー）を使用したDED修理
  - アダプティブCNCリマシニング（Siemens NX CAM）

2.2 データ収集

• 材料効率：修理前後の質量測定（メトラーXS205）

• 時間追跡: IoT センサーによるプロセス監視 (ToolConnect)

• 機械試験:
  - 硬度マッピング（Buehler IndentaMet 1100）
  - 補修部からの引張サンプル（ASTM E8/E8M）

3 結果と分析

3.1 リソースの利用

表1: 修復プロセス指標の比較

3.2 機械的完全性

ハイブリッド修復標本の展示:

• 一貫した硬度（52～54 HRC、元の53 HRCに対して）

• 最大引張強度: 1,890 MPa (±25 MPa) – 母材の98.4%

• 疲労試験（80%降伏応力で10⁶サイクル）で界面剥離なし

図1:ハイブリッド修復界面の微細構造（SEM 500×）
注: 溶融境界における等軸粒構造は、効果的な熱管理を示しています。

4 議論

4.1 運用上の意味

28.9%の時間短縮は、バルク材料の除去が不要になったことによるものです。ハイブリッド処理は、以下の点で有利です。

• 製造中止となった材料在庫のあるレガシーツール

• 非常に複雑な形状（例：コンフォーマル冷却チャネル）

• 低ボリューム修理シナリオ

4.2 技術的制約

観察された制限:

• 最大堆積角度：水平から45°（オーバーハング欠陥を防止）

• DED層の厚さのばらつき: ±0.12mm（適応型ツールパスが必要）

• 航空宇宙グレードのツールに不可欠な後工程HIP処理

5 結論

ハイブリッドCNC-AMは、切削法との機械的同等性を維持しながら、工具修理のリソース消費を23～42%削減します。中程度の形状複雑性を持つ部品において、材料節約がAM運用コストを正当化できる場合に導入が推奨されます。今後の研究により、硬化工具鋼（HRC60以上）向けの堆積戦略が最適化される予定です。