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用3D打印技術增強軌道（dào）交通車輛零件的可用性

2019-7-3 來源：埃馬克作者：

毋（wú）庸置疑，機車、軌道車輛和列車是否可用，對軌道交通的可靠性至關重要。德（dé）國聯邦鐵路公司（Deutsche Bahn，以下簡（jiǎn）稱（chēng）德鐵（tiě）））有 7,000 多名員工從事著車輛養護工作，為由數千車（chē）輛組成的車隊保駕護航。其（qí）中，備件的庫存和采購是一項巨大的挑戰。對於那些難於采購的零件，采用 3D 打印的方式製造零件，則能夠顯著提升（shēng）備件的可用性（xìng）。目前，德鐵在一個試點項目中首次使用了 GEFERTEC 的 3DMP® 工藝。

1966 至 1974 年（nián）， 294 係列機車在德國聯邦鐵路公司營（yíng）運（yùn）

“可用性對（duì）我們公司來（lái）說（shuō）是一個（gè）非常重要的課題”， Tina Schlingmann 博士說道（dào），她從去年開（kāi）始為德鐵研究增材（cái）製造的（de）潛在應用。這（zhè）位材料學專家認為，除原型製造和工具領（lǐng）域，備件業務尤其大有可為。德鐵所購買的（de）數千輛列車和機車的養護都由自己（jǐ）進行，這就存在著一個（gè）很大（dà）的問（wèn）題：對於老舊的機車，經常麵臨原廠備（bèi）件停產的情況。

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（gè）月的輪對軸箱蓋交貨期

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究。“事實證明，增材製造在與可用性相關的備件業務領域尤其大有（yǒu）可為”， Schlingmann 博士強（qiáng）調道。最近的一個案例是在 20 世紀 60 和（hé） 70 年代投入營運的一（yī）輛 BR 294 型機車的（de）輪對軸箱蓋 ——這一配件（jiàn）的損壞和缺失，極有可能造成潤滑劑從軸承（chéng）中逸出，導致軸（zhóu）承損壞，最糟糕的情（qíng）況下（xià），機車（chē）甚（shèn）至可能因此（cǐ）脫軌。然而，這（zhè）一備件的交貨期長達九個月，在此期間導致的（de）機車停運，給（gěi）公司帶來了巨大的經濟（jì）損失。輪對（duì）軸箱蓋的原（yuán）始鑄件（jiàn）重達 11.5 千克，直徑為 374 毫米，高（gāo） 78毫米。在可（kě）行性研究（jiū）中，德鐵選擇與增材製造領域專家 Rolf Lenk GmbH 共同合（hé）作，以尋找替代解決方（fāng）案。

重 11.5 千（qiān）克的輪對軸箱（xiāng）蓋在 GEFERTEC 的 arc605 上打印生產

去年， Rolf Lenk 有一台 GEFERTEC GmbH 的 arc605 機床投產，該機床（chuáng）所使用 3DMP® 工藝（見文本框），是能夠進行大型配件高速增材製造的理想選擇。

由於老舊車輛的備件通常沒有數字形式（shì）的（de） 3D 數據，因此首先（xiān）需要進行完整的逆（nì）向工程（chéng），在完成該步驟後，還必須為線切割機（jī）床整理 3D 數據。在這個項目中所使用的 3DMP®CAM 軟件可從配件的數字模型生成（chéng）特殊的 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（shàng）的實際生產時間隻有大約 8 小時（shí）”， Rolf Lenk 公司項目（mù）專員 Matthias Otte 說（shuō）道（dào）。在機床上完成基礎加工後，還需對近淨成形的配（pèi）件進行切削加工（gōng）。從構想（xiǎng）、逆向工程到最終生產，整（zhěng）個項目共計用時兩（liǎng）個月。“這隻是在初次生產工件時需要花費的時間”， M. Otte 強調說：“將來，根據機床的情（qíng）況，我們可以將這一配件的生產時間縮短至 2 到 3 周。”

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

GEFERTEC 機床上的實際生產時（shí）間隻有大約（yuē） 8 個小時。”

德鐵和（hé）聯邦鐵路（lù）局的材（cái）料實驗室對成品配件進行（háng）過全麵徹底的檢測。“除通常的材（cái）料（liào）學檢測之外，甚至還進行了計算機（jī）斷層掃描”， Schlingmann 博士講道。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，隻需完成德鐵組件的批準認證流程，該備件就能被（bèi）順利安裝了。

數字（zì）化備件倉庫列入未來願景

有關輪對軸箱蓋增材製造的可行性研究（jiū）隻（zhī）是一個開（kāi）始——未來，德鐵在該領域還有多項（xiàng）計劃：將備件倉庫數字化，以解決倉庫運營成本高昂、費用巨大的難題。所有配件將在其中以數字文件的形式提供使用，需要時，可以在合適的機床上進行增材製造。這一方案在提（tí）高備件（jiàn）可用性的同時，也將同步節約成本（běn）。因為除了生產成本外，公司（sī）還擔負著（zhe）運輸和庫存成本。此外，關鍵配件還必須在其使用壽命結束後報廢。 Schlingmann 博士還特別指出這種解決方案的環境影響：“通過（guò）增材製造，可顯著減小零部件的碳足跡。”因此，備件增材製造加工也非（fēi）常貼合德鐵“That's Green”的環保主張。

輪對軸箱（xiāng）蓋采用 3DMP® 工藝打（dǎ）印（左）然後再進行切削加工（右）

文本框

增材製造機床采用 3DMP® 工（gōng）藝

GEFERTEC GmbH 的（de）線切割機床使用了（le） 3DMP® 工藝，該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（jiàn）生產高效（xiào）快速且成（chéng）本低廉。工件的最終質量也完（wán）全符合使用標準（zhǔn）加工方法生（shēng）產的工件質量。 3DMP® 工藝使用線材作（zuò）為（wéi）原材（cái）料，利用它逐個焊道進行工件打（dǎ）印。與使用粉末作為原材料的 3D 打印方法（fǎ）相比，這一製造方法具備諸多優勢：無需（xū）進行成本高昂的粉末處理，生產更具（jù）經濟性，且已經適用於大多數標準材料。但最大的優（yōu）點還是累積率非常高，根據所用材料的不同，每小時可多達 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、鈦或（huò）鋁為材質的大尺寸工件生產。線切割（gē）機床有適用於（yú）約 3 m3 以下工件尺（chǐ）寸的 3 軸版、適用於 0.8 m3 以下工件尺寸的 5 軸版（bǎn），以及適用於 0.06 m3 以下工（gōng）件尺寸、更（gèng）加（jiā）緊湊的 5 軸版可供（gòng）選擇。專門開發的 CAM 軟（ruǎn）件可根據工件的 CAD 數據生成數據， CNC 控製係統利用這（zhè）些（xiē）數據可（kě）對焊接機頭進行精（jīng）確定位。然後，機床會自動完成近淨成形（xíng）工件的（de）生產，並可采用傳統的 CNC 銑（xǐ）削技術進行最後加工。與其他製造工藝相比， 3DMP® 工藝（yì）優化了（le）材料利用率（lǜ），從而帶來了巨大的（de）成本優勢，特別是對於鈦等貴金屬材（cái）料的生產：根據實際應用情況顯示，生（shēng）產成本最多可降低 60 %。

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