Obrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceObrabotka Metallov / Metal Working and Material ScienceОбработка металлов (технология • оборудование • инструменты)1994-63092541-819XНовосибирский государственный технический университет39225610.17212/1994-6309-2026-28.1-233-252EQUIPMENT. INSTRUMENTSОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫResearch ArticlePayback assessment of the metal–composite technology for modular drill bodies based on an experimentally confirmed increase in cutting head tool lifeОценка окупаемости металл-композитной технологии корпусов сборных сверл на основе экспериментально подтвержденного повышения стойкости режущей головкиhttps://orcid.org/0000-0002-6131-321757220289616AAF-5358-20209782-6737LubimyiNikolay S.ЛюбимыйНиколай Сергеевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

nslubim@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5809-445857415919700JXM-8999-20243387-5740PolshinAndrey A.ПольшинАндрей Александрович
Russian Federation

laboratory researcher

лаборант-исследователь

info@polshin.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1801-676756105163000E-5233-20148046-2647ChetverikovBoris S.ЧетвериковБорис Сергеевич
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

await_rescue@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2997-3282572017748235230-3519ZagorodniyNikolay A.ЗагороднийНиколай Александрович
Russian Federation

Ph.D. (Engineering), Associate Professor

канд. техн. наук, доцент

n.zagorodnij@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0878-3658590055143004174-6234MaltsevArdalion K.МальцевАрдалион Константинович
Russian Federation

Ph.D. (Engineering) student

аспирант

ardalion_bgtu@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0004-2133-885XOKT-0643-20251598-9839BytsenkoMikhail V.БыценкоМихаил Витальевич
Russian Federation

Student

Студент

b.michutka2005@gmail.comBelgorod State Technological University named after V.G. ShukhovБелгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова15032026281VOL 28, NO1 (2026)ТОМ 28, №1 (2026)23325207032026Copyright ©; 2026, Lubimyi N.S., Polshin A.A., Chetverikov B.S., Zagorodniy N.A., Maltsev A.K., Bytsenko M.V.Copyright ©; 2026, Любимый Н.С., Польшин А.А., Четвериков Б.С., Загородний Н.А., Мальцев А.К., Быценко М.В.2026Lubimyi N.S., Polshin A.A., Chetverikov B.S., Zagorodniy N.A., Maltsev A.K., Bytsenko M.V.Любимый Н.С., Польшин А.А., Четвериков Б.С., Загородний Н.А., Мальцев А.К., Быценко М.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://journals.rcsi.science/1994-6309/article/view/392256

Introduction. Metal–composite technology (MCT) for modular drill bodies, based on an additively manufactured thin-walled metal shell with internal coolant channels followed by metal–polymer infill, offers a way to enhance functional coolant delivery while reducing the additive metal volume. However, industrial adoption requires a transparent techno-economic justification that links manufacturing costs with in-service outcomes under a real drilling program. The purpose of the work is to assess the payback of MCT modular drill bodies using an experimentally validated increase in the tool life of a replaceable carbide cutting head and to outline the economically feasible application domain of the technology. Methodology. Two manufacturing routes were compared: a baseline subtractive route for a conventional drill body and the MCT route combining SLM shell fabrication, vibro-vacuum polymer infill, and final machining. Payback was evaluated using an integrated model that includes (a) manufacturing cost per body represented as variable costs plus one-time batch costs, and (b) in-service economics expressed through a cost-per-hole metric driven by the consumption rate of replaceable cutting heads within a fixed drilling program. Industrial drilling trials provided the tool-life input; the end of life of the cutting head was defined by a flank wear criterion of VB = 0.3 mm. Results and discussion. Topology optimization of the MCT body reduced the SLM metal volume and, consequently, the additive manufacturing cost component. Industrial validation demonstrated an increase in cutting-head tool life from 541 holes for the baseline body to 618 holes for the MCT body (+14.2%) . For a representative drilling program of 235,000 holes, the model predicts a reduced number of cutting heads and a positive overall economic effect dominated by the in-service component, while the manufacturing component can further shift the balance depending on batch size and one-time setup costs. Conclusions. The proposed framework enables mapping the economic feasibility of MCT drill bodies as a function of batch size, drilling volume, and cutting-head cost, providing decision-support criteria for industrial implementation.

Введение. Металл-композитная технология (МКТ) изготовления корпусов сборных сверл на основе аддитивно сформированной тонкостенной металлической оболочки с внутренними каналами подачи СОТС и последующего заполнения металлополимером позволяет повысить функциональность охлаждения, однако требует технико-экономического обоснования применимости в производстве. Цель работы: оценить окупаемость МКТ-корпусов сборных сверл на основе экспериментально подтвержденного повышения стойкости сменной твердосплавной режущей головки. Метод и методология. Сравнивались два маршрута изготовления корпуса: базовый субтрактивный и МКТ (SLM-оболочка + вибро-вакуумное заполнение + финишная мехобработка). Окупаемость оценивалась интегральной моделью, объединяющей себестоимость изготовления корпуса как сумму переменных затрат и разовых затрат на партию, а также эксплуатационную экономику через снижение потребности в сменных режущих головках при заданной программе сверления. Экспериментальные входные данные по стойкости получены при промышленных испытаниях сверления; критерий предельного состояния инструмента – износ по задней поверхности VB = 0,3 мм. Результаты и обсуждение. Показано, что топологическая оптимизация конструкции МКТ-корпуса снижает объем SLM-печати металлической части и соответствующие затраты на аддитивное формообразование. В промышленных испытаниях получен прирост стойкости режущей головки до 618 отверстий против 541 отверстия для базового исполнения, что соответствует увеличению стойкости на 14,2 %. На примере производственной программы 235 000 отверстий показано уменьшение потребности в режущих головках и положительный экономический эффект, формируемый преимущественно за счет эксплуатационной составляющей. Выводы. Предложенная методика позволяет определять границы экономически эффективного применения МКТ-корпусов в зависимости от серийности изготовления, объема сверления и стоимости сменной режущей головки.

Metal-composite systemsAdditive manufacturingTool lifeMetal–polymerDrillingМеталл-композитные системыАддитивные технологииСтойкостьМеталлополимерСверлениеThis study was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 23-79-10022), https://rscf.ru/project/23-79-10022/. The research was carried out using the equipment from the High Technologies Center of BSTU named after V.G. Shukhov.Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-79-10022, https://rscf.ru/project/23-79-10022/ . Исследование выполнено с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.

Funding

This study was supported by the Russian Science Foundation (grant No. 23-79-10022), https://rscf.ru/project/23-79-10022/

Acknowledgements

The research was carried out using the equipment from the High Technologies Center of BSTU named after V.G. Shukhov.

Финансирование

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда № 23-79-10022, https://rscf.ru/project/23-79-10022/

Благодарности

Исследование выполнено с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В.Г. Шухова.

Assessment of metal cutting tools using cost performance ratio and tool life analyses / D. Johansson, R. Lindvall, C. Windmark, R. M’;Saoubi, A. Can, V. Bushlya, J.E. Ståhl // Procedia Manufacturing. – 2019. – Vol. 38. – P. 816–823. – DOI: 10.1016/j.promfg.2020.01.114.Reducing the cost of 3D metal printing using selective laser melting (SLM) technology in the manufacture of a drill body by reinforcing thin-walled shell forms with met-al-polymers / N.S. Lubimyi, M. Chepchurov, A.A. Polshin, M.D. Gerasimov, B.S. Chetverikov, A. Chetverikova, A.A. Tikhonov, A. Maltsev // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (2). – P. 44. – DOI: 10.3390/jmmp8020044.Sultana N., Dhar N., Zaman B. A review on different cooling/lubrication techniques in metal cutting // American Journal of Mechanics and Applications. – 2019. – Vol. 7. – P. 71–87. – DOI: 10.11648/j.ajma.20190704.11.Kelliger T., Meurer M., Bergs T. Potentials of additive manufacturing for cutting tools: A review of scientific and industrial applications // Metals. – 2024. – Vol. 14 (9). – P. 982. – DOI: 10.3390/met14090982.CFD simulation to optimize the internal coolant channels of an additively manufactured milling tool / C. Zachert, H. Liu, T. Lakner, D. Schraknepper // Procedia CIRP. – 2021. – Vol. 102. – P. 234–239. – DOI: 10.1016/j.procir.2021.09.040.Effects of internal cooling channel structures on cutting forces and tool life in side milling of H13 steel under cryogenic minimum quantity lubrication condition / C. Zhang, S. Zhang, X. Yan, Q. Zhang // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. – 2016. – Vol. 83. – P. 975–984. – DOI: 10.1007/s00170-015-7644-7.What is the economic feasibility of manufacturing a metal-metal- polymer composite part compared to other technologies? / N. Lubimyi, V. Voronenko, A. Polshin, M. Gerasimov, S. Antsiferov, O.K. Öztürk, B. Chetverikov, A. Tikhonov, V. Ryazantsev, V. Shumyacher, N. Melentiev // Australian Journal of Mechanical Engineering. – 2022. – Vol. 20. – P. 1–12. – DOI: 10.1080/14484846.2022.2094533.Кузнецова М.Н., Улитичев В.С. Экономическая оценка влияния инновационных технологий на развитие металлообрабатывающей отрасли // Инновационное развитие экономики. – 2025. – № 1 (83). – С. 66–72. – DOI: 10.51832/22237984_2025_1_66.Оценка экономической эффективности аддитивного производства / М.Б. Ласкин, Л.А. Нефедова, И.В. Ильин, А.И. Левина // Глобальный научный потенциал. – 2025. – № 7 (172). – С. 421–426.Кяримов Р.Р., Шапошников Н.Н., Митрянин А.В. Технико-экономическое обоснование применения аддитивной технологии селективного лазерного сплавления на примере элементов космической техники из титана // Космическая техника и технологии. – 2022. – № 4 (39). – С. 5–21.Польшин А.А. Разработка технологии изготовления металл-композитных корпусов сборных свёрл в условиях импортозамещения // Транспортное машиностроение. – 2025. – № 10 (46). – С. 27–35. – DOI: 10.30987/2782-5957-2025-10-27-35.Cost models of additive manufacturing: A literature review / G. Costabile, M. Fera, F. Fruggiero, A. Lambiase, D.T. Pham // International Journal of Industrial Engineering Computations. – 2017. – Vol. 8 (2). – P. 263–282. – DOI: 10.5267/j.ijiec.2016.9.001.Rickenbacher L., Spierings A., Wegener K. An integrated cost-model for selective laser melting (SLM) // Rapid Prototyping Journal. – 2013. – Vol. 19 (3). – P. 208–214. – DOI: 10.1108/13552541311312201.Thomas D.S., Gilbert S.G. Costs and cost effectiveness of additive manufacturing. – Gaithersburg: NIST Publisher, 2014. – 89 p. – DOI: 10.6028/NIST.SP.1176.Cost sensitivity analysis for laser powder bed fusion / M. Mandolini, M. Sartini, C. Favi, M. Germani // Proceedings of the Design Society. – 2022. – Vol. 2. – P. 1411–1420. – DOI: 10.1017/pds.2022.143.Karas B., Shokrani A. Activity-based costing of laser powder-bed additive manufacturing incorporating discrete event simulation // NPJ Advanced Manufacturing. – 2025. – Vol. 2. – P. 24. – DOI: 10.1038/s44334-025-00036-x.17. Cost modelling for powder bed fusion and directed energy deposition additive manufacturing / N. Khanna, H. Salvi, B. Karas, I. Fairoz, A. Shokrani // Journal of Manufacturing and Materials Processing. – 2024. – Vol. 8 (4). – P. 142. – DOI: 10.3390/jmmp8040142.Kim J., Dornfeld D.A. Cost estimation of drilling operations by a drilling burr control chart and Bayesian statistics // Journal of Manufacturing Systems. – 2001. – Vol. 2. – P. 20. – DOI: 10.1016/S0278-6125(01)80032-7.Experimental study of cutting-parameter and tool life reliability optimization in Inconel 625 machining based on wear map approach / E. Liu, W. An, Z. Xu, H. Zhang // Journal of Manufacturing Processes. – 2020. – Vol. 53. – P. 34–42. – DOI: 10.1016/j.jmapro.2020.02.006.Topology optimization of a milling cutter head for additive manufacturing / I.B. Costa, B.R. Cunha, J. Marouvo, D. Figueiredo, B.M. Guimarães, M.F. Vieira, J.M. Costa // Metals. – 2025. – Vol. 15 (7). – P. 729. – DOI: 10.3390/met15070729.Lakner T., Bergs T., Döbbeler B. Additively manufactured milling tool with focused cutting fluid supply // Procedia CIRP. – 2019. – Vol. 81. – P. 464–469. – DOI: 10.1016/j.procir.2019.03.118.Biermann D., Oezkaya E. CFD simulation for internal coolant channel design of tapping tools to reduce tool wear // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2017. – Vol. 66. – P. 109–112. – DOI: 10.1016/j.cirp.2017.04.024.Kelliger T., Meurer M., Bergs T. Life cycle assessment of additively manufactured indexable milling tools with adapted cutting fluid supply // Procedia CIRP. – 2024. – Vol. 122. – P. 671–676. – DOI: 10.1016/j.procir.2024.01.094.