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用3D打印技（jì）術增強軌道交通車輛（liàng）零件的可用性

2019-7-3 來源：埃馬克作者：

毋庸置疑，機車、軌道車輛和列車是否（fǒu）可用，對軌道交通的（de）可靠性至關重（chóng）要。德（dé）國聯（lián）邦鐵路公司（Deutsche Bahn，以下簡稱德鐵））有 7,000 多（duō）名員工從事（shì）著車輛養護工作，為由數（shù）千車輛組成的車隊保駕（jià）護航。其（qí）中，備件的庫存和（hé）采購是一項巨大的（de）挑戰。對於那些難於采購的零件，采（cǎi）用 3D 打（dǎ）印的方式製造零（líng）件，則能夠顯著提升備件（jiàn）的可用性。目前，德鐵在一個試點（diǎn）項目中首次使用了 GEFERTEC 的 3DMP® 工藝。

1966 至 1974 年， 294 係列機車在德國聯邦（bāng）鐵路公司營運

“可用性對我（wǒ）們公司來說是一（yī）個非常重要（yào）的（de）課題”， Tina Schlingmann 博士說道，她從去年開始（shǐ）為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（zhì）造和工具領域，備件業務尤其（qí）大有可為（wéi）。德鐵所購買的數千輛列車和機車的（de）養護都由自己進行，這就存在著一（yī）個很大的問題：對於老舊的機車，經常麵臨（lín）原廠備件停產的（de）情況（kuàng）。

Tina Schlingmann 博士（shì）在德（dé）國聯邦鐵路公司致力於增材製造方法的應用

9 個月（yuè）的輪對軸箱蓋交貨（huò）期

在過去的幾年裏，德鐵總共在 100 多個使用案例中進行了有關增材製造的可行性研（yán）究。“事實證明，增材（cái）製造在與可（kě）用性相關的備件業務領（lǐng）域尤其大有可為”， Schlingmann 博士強調（diào）道。最近的一個案例是在 20 世紀 60 和 70 年代投入（rù）營運的一輛 BR 294 型機車的輪（lún）對軸箱蓋 ——這一配件的損壞和缺失，極有可能造成潤滑（huá）劑從軸承中逸出，導致軸承損壞，最糟糕的情況下，機車甚至可（kě）能因此（cǐ）脫軌。然而，這一備件的交貨期長達九個月（yuè），在此期間導致的機車（chē）停運，給公司帶來了巨大的經（jīng）濟損失。輪（lún）對軸箱蓋的（de）原始鑄件重達 11.5 千克，直徑（jìng）為 374 毫米，高 78毫米。在可行性研（yán）究中，德鐵選擇與增材（cái）製造（zào）領域專家 Rolf Lenk GmbH 共同合作，以尋找替代解決方（fāng）案。

重 11.5 千克的輪對軸箱蓋在 GEFERTEC 的（de） arc605 上打印生產

去年， Rolf Lenk 有一台 GEFERTEC GmbH 的 arc605 機床投產，該（gāi）機床所使用 3DMP® 工藝（見文本框），是能（néng）夠進行大型配件高速增材製造（zào）的（de）理想選擇。

由於老舊車輛的備件通（tōng）常沒有（yǒu）數字形式的 3D 數據，因此首先（xiān）需要進行完整的逆向工程，在完成該步驟後，還必須為線切割機床整理 3D 數據。在這（zhè）個項目中所使用的（de） 3DMP®CAM 軟件可（kě）從配件的數字模型生成特殊的 CNC 數據，然後使用（yòng）軟件由（yóu）線切割機床逐個焊道進行工件構造（zào）。“包括設置（zhì）在內，在 GEFERTEC 機床上的實際生產時間隻有大約（yuē） 8 小（xiǎo）時”， Rolf Lenk 公司項目專（zhuān）員 Matthias Otte 說道。在機床上完成基礎加工後，還需對近淨成形的配件進行切（qiē）削加（jiā）工。從構想、逆向工程到最終生產（chǎn），整個（gè）項目共計用時兩個月。“這隻是在初次生產工件時需要花費的時間（jiān）”， M. Otte 強調說：“將來，根據機床的情況，我們可以將這一配件的（de）生產時間縮短至 2 到 3 周。”

Matthias Otte 是 Rolf Lenk 公（gōng）司的項目專員，他說：“包括設置在內，輪對軸箱蓋在

GEFERTEC 機床上的實際生產時間隻有大（dà）約 8 個小（xiǎo）時（shí）。”

德鐵和聯邦鐵路局的材料實驗室對成品配件（jiàn）進行過全（quán）麵徹底的檢測。“除通常的材料學檢（jiǎn）測之外，甚至還進行了計算機斷層掃描”， Schlingmann 博（bó）士講道。無一例外都是肯定結果，確證了 3DMP® 工藝進行輪對軸箱蓋生產的高品質。現在，隻需完（wán）成德鐵組件的批準認證（zhèng）流程，該（gāi）備件就能被（bèi）順利安裝了。

數字化備件倉庫列入未來願景

有關輪對軸（zhóu）箱蓋增（zēng）材（cái）製造的可行性研究隻是一（yī）個開始——未來，德（dé）鐵在該領域還有多項計（jì）劃：將備件倉庫數字化，以解決倉庫運營成本（běn）高昂、費用巨大的難題。所有配件將在其中以（yǐ）數字文件的形式提供使（shǐ）用，需要時，可（kě）以在合適的機床上進行增材製造。這一方案（àn）在（zài）提高備件可用（yòng）性（xìng）的同時，也將同步節約成本。因為除了生產成本外，公（gōng）司（sī）還擔負著運輸和庫存成本。此外，關鍵配件還必須在其使用（yòng）壽命結束後報廢。 Schlingmann 博士還特別（bié）指出這種解決方案的環境影響：“通（tōng）過增材製造，可顯著減小零（líng）部件的碳足跡。”因此，備件增材製造加工也非（fēi）常貼合德鐵“That's Green”的環（huán）保主張。

輪對（duì）軸箱蓋采用 3DMP® 工藝打印（左）然後再進行（háng）切削加工（右）

文本框

增材製造機床采用 3DMP® 工藝

GEFERTEC GmbH 的線切割機床使用了 3DMP® 工藝，該（gāi）工藝已晉升為新的行業標準。這些機床使近淨成形的金屬坯件生產高效快速且（qiě）成本（běn）低廉。工件的最終（zhōng）質量也完全（quán）符合使用標準加工方（fāng）法生（shēng）產的工件質量。 3DMP® 工藝使（shǐ）用線材作為原材料，利用它逐個焊（hàn）道進行工件打印。與使用粉末作為原材（cái）料的 3D 打印（yìn）方法相（xiàng）比，這一製造方法具備諸多優勢：無（wú）需進行成本高昂的粉末處（chù）理（lǐ），生產更具經濟性（xìng），且已經適用於大多數標準材料。但（dàn）最大的優點還是累積率非常高，根據所用材料（liào）的（de）不同，每小時可多達 600 cm3。這使得線切割機床（chuáng）更適用於快速和（hé）經濟的生產，包括以鋼、鎳基（jī）、鈦或鋁為（wéi）材質的大尺（chǐ）寸工件生產。線切割機床有適用於約 3 m3 以下工件尺寸的（de） 3 軸版、適（shì）用於 0.8 m3 以下工件尺寸的 5 軸版，以及適用於 0.06 m3 以下工件尺寸、更加緊湊（còu）的 5 軸版可（kě）供選擇。專門開發（fā）的 CAM 軟件可根據工件的（de） CAD 數據生成數據， CNC 控製係統利用這些（xiē）數據可對焊（hàn）接機頭進行精確定位。然後，機床會自動完成近淨成形工件的生產（chǎn），並可采用傳統的 CNC 銑削技術進（jìn）行最後加工（gōng）。與其（qí）他製造工藝相比， 3DMP® 工藝優化了材料利用率（lǜ），從而（ér）帶來了巨大的成本優勢，特別是對於鈦等貴金（jīn）屬（shǔ）材料的生（shēng）產：根據實際應用情況顯示，生產成本最多可降低 60 %。

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