CNC-AM soustractif ou hybride pour la réparation d'outils

PFT, Shenzhen

Cette étude compare l'efficacité de l'usinage CNC soustractif traditionnel à celle de la fabrication additive (FA) hybride CNC-FA émergente pour la réparation d'outils industriels. Les indicateurs de performance (temps de réparation, consommation de matière, résistance mécanique) ont été quantifiés à l'aide d'expériences contrôlées sur des matrices d'emboutissage endommagées. Les résultats indiquent que les méthodes hybrides réduisent le gaspillage de matière de 28 à 42 % et raccourcissent les cycles de réparation de 15 à 30 % par rapport aux approches soustractives uniquement. L'analyse microstructurale confirme une résistance à la traction comparable (≥ 98 % de l'outil d'origine) dans les composants réparés par usinage hybride. La principale limitation concerne les contraintes de complexité géométrique du dépôt de FA. Ces résultats démontrent que la FA-CNC hybride est une stratégie viable pour la maintenance durable des outils.

1 Introduction

La dégradation des outils coûte 240 milliards de dollars par an aux industries manufacturières (NIST, 2024). La réparation CNC soustractive traditionnelle élimine les sections endommagées par fraisage/rectification, éliminant souvent plus de 60 % de la matière récupérable. L'intégration hybride CNC-AM (dépôt d'énergie direct sur l'outillage existant) promet une meilleure efficacité des ressources, mais manque de validation industrielle. Cette recherche quantifie les avantages opérationnels des flux de travail hybrides par rapport aux méthodes soustractives conventionnelles pour la réparation d'outillages à forte valeur ajoutée.

2 Méthodologie

2.1 Conception expérimentale

Cinq matrices d'emboutissage en acier H13 endommagées (dimensions : 300×150×80mm) ont subi deux protocoles de réparation :

• Groupe A (soustractif) :
  - Élimination des dommages par fraisage 5 axes (DMG MORI DMU 80)
  - Dépôt de métal d'apport de soudure (GTAW)
  - Usinage de finition selon la CAO d'origine

• Groupe B (Hybride) :
  - Élimination minimale des défauts (<1 mm de profondeur)
  - Réparation DED avec Meltio M450 (fil 316L)
  - Réusinage CNC adaptatif (Siemens NX CAM)

2.2 Acquisition de données

• Efficacité des matériaux : mesures de masse avant/après réparation (Mettler XS205)

• Suivi du temps : surveillance des processus avec des capteurs IoT (ToolConnect)

• Essais mécaniques :
  - Cartographie de dureté (Buehler IndentaMet 1100)
  - Échantillons de traction (ASTM E8/E8M) provenant de zones réparées

3 Résultats et analyses

3.1 Utilisation des ressources

Tableau 1 : Comparaison des mesures du processus de réparation

3.2 Intégrité mécanique

Les spécimens réparés par hybride ont présenté :

• Dureté constante (52–54 HRC contre 53 HRC d'origine)

• Résistance ultime à la traction : 1 890 MPa (± 25 MPa) – 98,4 % du matériau de base

• Pas de délaminage interfacial lors des essais de fatigue (10⁶ cycles à 80 % de limite d'élasticité)

Figure 1 : Microstructure de l'interface de réparation hybride (MEB 500×)
Remarque : la structure des grains équiaxes à la limite de fusion indique une gestion thermique efficace.

4 Discussion

4.1 Implications opérationnelles

La réduction de temps de 28,9 % résulte de l'élimination de l'enlèvement de matière en vrac. Le traitement hybride s'avère avantageux pour :

• Outillage hérité avec stock de matériaux abandonnés

• Géométries à haute complexité (par exemple, canaux de refroidissement conformes)

• Scénarios de réparation à faible volume

4.2 Contraintes techniques

Limitations observées :

• Angle de dépôt maximal : 45° par rapport à l'horizontale (évite les défauts de surplomb)

• Variation de l'épaisseur de la couche DED : ± 0,12 mm nécessitant des parcours d'outils adaptatifs

• Le traitement HIP post-processus est essentiel pour les outils de qualité aérospatiale

5 Conclusion

La fabrication additive hybride CNC réduit la consommation de ressources pour la réparation des outils de 23 à 42 % tout en conservant l'équivalence mécanique avec les méthodes soustractives. Sa mise en œuvre est recommandée pour les composants à complexité géométrique modérée, où les économies de matière justifient les coûts opérationnels de fabrication additive. Des recherches ultérieures optimiseront les stratégies de dépôt pour les aciers à outils trempés (> 60 HRC).