用3D打印技術增強軌(guǐ)道交通車輛零件的可用性
2019-7-3 來源:埃馬克 作者:
毋庸置(zhì)疑,機車、軌道車輛和列車是否可用,對軌道交通(tōng)的(de)可靠性至關重要。德(dé)國聯邦鐵路公司(Deutsche Bahn,以下簡稱德鐵))有 7,000 多名員(yuán)工從事著車輛(liàng)養護工作,為(wéi)由數千車輛組成的車隊保駕護航。其中,備件的庫存和采購是一項巨大的挑戰。對於那些難(nán)於采購的零件,采用 3D 打印的方式製造零件,則能夠顯著提升備件的可(kě)用(yòng)性。目前,德鐵(tiě)在一個試點項目中首次(cì)使用了(le) GEFERTEC 的 3DMP® 工藝。
1966 至 1974 年, 294 係(xì)列機車在德國聯邦(bāng)鐵路公司營運
“可用性對我們公司來說是一個非常重要的課題”, Tina Schlingmann 博士說道(dào),她從去年開始為(wéi)德鐵研究增材製造的潛在應用。這位材料學專家認為,除原型製造和(hé)工具領域,備件業務尤其大有可為。 德鐵所購買的數千輛列車和機車的養護都由自己進行,這就存在著一個很大的問(wèn)題:對於老(lǎo)舊的機(jī)車,經常麵臨原廠備(bèi)件停產的情(qíng)況。
Tina Schlingmann 博士在德國聯邦鐵路公司致力於增材製造方法的應用
9 個月的輪對(duì)軸(zhóu)箱(xiāng)蓋交貨期
在過去的幾年裏, 德(dé)鐵總共在 100 多(duō)個使用案例中進(jìn)行了有關增材(cái)製造的可行性研究。“事實證明,增材(cái)製造在與可用性相關的備件業務領域尤其大有可為”, Schlingmann 博士強調道。最近的一個案例是在 20 世紀 60 和 70 年(nián)代投入營運的一(yī)輛 BR 294 型機車的輪對軸(zhóu)箱蓋 ——這一配件的損壞(huài)和缺(quē)失,極有可能造(zào)成潤滑劑從軸承中逸出,導致軸承損壞,最糟糕的(de)情況(kuàng)下,機車甚至可能因此脫軌(guǐ)。然而,這(zhè)一備件的交貨期長達九個月,在此期間導致(zhì)的機車停運,給公司帶來了巨大的經濟損失。輪對軸(zhóu)箱蓋的原始鑄件重達 11.5 千(qiān)克,直徑 為 374 毫米,高 78毫米。在可行性研究中, 德鐵選擇與增材製造領域專家 Rolf Lenk GmbH 共同合作,以尋找替代解決(jué)方案。
重 11.5 千克的輪對軸箱蓋在 GEFERTEC 的(de) arc605 上打印生產
去(qù)年, Rolf Lenk 有一台(tái) GEFERTEC GmbH 的 arc605 機床(chuáng)投產,該機床所使用 3DMP® 工藝(見文本框),是能夠進行大型配件高(gāo)速增(zēng)材製造的理想選擇(zé)。
由於老舊車輛(liàng)的備件通常沒有數(shù)字形式的 3D 數據(jù),因此首先需要進行完整的逆向工程,在完成該步驟後,還必須為線(xiàn)切割機床(chuáng)整理 3D 數據。在這個項目中所(suǒ)使用的 3DMP®CAM 軟件可從配件的數字模(mó)型生成特殊的(de) CNC 數據,然後使用軟件由線切割機床逐個焊道進行工件構造。“包括設置在內,在 GEFERTEC 機床上的實際生產時間隻有大約 8 小時”, Rolf Lenk 公司項目專員 Matthias Otte 說道。在機床上完成基礎加工後,還需對近淨(jìng)成形的配件進行切削加工。從構想、逆向工程到(dào)最終生產,整個項目(mù)共計用(yòng)時(shí)兩個月。“這隻是在初次生產(chǎn)工件時需要花(huā)費的時間”, M. Otte 強調(diào)說:“將來(lái),根據機床的情況,我們可以將這一配件的(de)生產時(shí)間(jiān)縮短至 2 到 3 周。”
Matthias Otte 是 Rolf Lenk 公司的(de)項目專員,他說:“包(bāo)括設置在內,輪對軸箱蓋在
GEFERTEC 機床上(shàng)的實際生產時間隻有大約 8 個小時。”
德鐵和聯邦鐵路局的材料實驗室對成品配件進(jìn)行過全麵徹底的檢測。“除通常的材料(liào)學檢測之外,甚至(zhì)還進行了(le)計算機斷層掃描”, Schlingmann 博士講道。無一(yī)例外都是肯定結果(guǒ),確證(zhèng)了 3DMP® 工藝進行(háng)輪對軸箱蓋生產的高品質。現在,隻需完成德(dé)鐵組件的批(pī)準認(rèn)證流程,該備件就能被順利安裝了。
數字化備件倉庫列入未來願景(jǐng)
有關輪對軸箱(xiāng)蓋增材製造的可行性研究隻是一個開始——未(wèi)來,德鐵在(zài)該領域還(hái)有多項計劃(huá):將(jiāng)備件倉庫數字化,以解決倉庫(kù)運營成本高(gāo)昂、費用巨大的難題(tí)。所有配件將在其中以數字文件的形式提供使(shǐ)用(yòng),需要時,可以在合(hé)適的機(jī)床(chuáng)上進行增材製造。這一方案在提高備件可用性的同時,也將同步節約成本。因為除了生產(chǎn)成(chéng)本外,公(gōng)司還擔負(fù)著運輸和庫(kù)存成本。此外,關鍵配件還(hái)必須在其使用壽命結(jié)束後報廢。 Schlingmann 博士還特別指(zhǐ)出(chū)這(zhè)種解決方案的環(huán)境影(yǐng)響:“通過增材製造,可顯著減小零部件的碳(tàn)足跡。”因此,備件增材製造加工也非常貼合德鐵“That's Green”的環保主張(zhāng)。
輪對軸箱蓋采用 3DMP® 工藝打印(左)然後再進行切削(xuē)加工(右)
文本框
增材製造機床(chuáng)采用 3DMP® 工藝
GEFERTEC GmbH 的線切割機床(chuáng)使用了 3DMP® 工藝,該工藝已晉升為新的(de)行業(yè)標準。這些機床使近淨成形的金(jīn)屬坯件(jiàn)生產高效快速且成本(běn)低廉。工件的最終質量也完(wán)全符合使(shǐ)用標準加工方(fāng)法生產的工件質量。 3DMP® 工藝使用線(xiàn)材作為原材料,利用它逐個焊道進行工件打印。與使用粉末作為原材料的 3D 打印方法(fǎ)相比,這一製(zhì)造方法具備諸多優勢:無需進行成本高昂的粉末處理,生產更具經濟性,且已經(jīng)適(shì)用於大多數標準材料。但最大的優點還是累積率非常(cháng)高,根據(jù)所用材料的不同,每(měi)小時可多達 600 cm3。這使得線切割機床更適用於快速和經濟的生產,包括以鋼、鎳基、鈦(tài)或鋁(lǚ)為材質的大尺寸工件生產。線切割機床有適用於約(yuē) 3 m3 以下工件(jiàn)尺寸的 3 軸版(bǎn)、適用於 0.8 m3 以(yǐ)下(xià)工(gōng)件尺寸的 5 軸版,以及適用於 0.06 m3 以下工件尺(chǐ)寸(cùn)、更(gèng)加緊湊的 5 軸版可供(gòng)選擇。專門開發的 CAM 軟件可根據工件的 CAD 數據生成數(shù)據(jù), CNC 控製係統利用(yòng)這些數據可對焊接(jiē)機頭進行精確定位。然後,機(jī)床會自動(dòng)完成近淨成形工件的(de)生(shēng)產,並(bìng)可(kě)采用傳統(tǒng)的 CNC 銑削技術進行(háng)最後(hòu)加(jiā)工。與其他製造工藝相比, 3DMP® 工藝優化了材料(liào)利用(yòng)率,從而帶來了巨大的成本優勢,特別是對於鈦等貴金屬材料的生產(chǎn):根(gēn)據(jù)實(shí)際應用情況(kuàng)顯示,生產成本最多可降低 60 %。
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