3D 打印技術在鐵路行業(yè)的應用

1 背景

使鐵路系統(tǒng)的可用性達到100%是處于巨大競爭壓力下的德國鐵路運營商的首要任務。鐵路車輛的維護尤其是一項重大挑戰(zhàn)，因為其由數(shù)千個部件組成，一個微小、簡單部件的故障就可能導致整列列車運行異常。鐵路運營商應對需要經(jīng)常更換的部件進行儲備，以供維修之用，但生產(chǎn)和儲存所有這些部件可能要付出巨大的成本，因為其中的許多部件最終并未得到使用。

對某部件可能產(chǎn)生缺陷或損壞的運行時間周期進行預測并非易事。事故、自然災害和故意破壞等意外狀況的發(fā)生也難以預測。一旦發(fā)生這些情況，通常會造成列車停運，危及鐵路運營安全，并為鐵路運營商帶來損失。因此，問題解決得越快，損失越小。

此外，鐵路運營不僅對鐵路系統(tǒng)的可用性和安全性有極高的要求，而且在設計美學、乘客舒適度等方面也設立了高標準。設備故障造成的乘客不良乘車體驗會對鐵路運營產(chǎn)生消極影響。例如，列車衛(wèi)生間的馬桶故障會嚴重影響乘客的乘車舒適度，并對運營商的形象產(chǎn)生負面影響，從而間接影響其價格定位和品牌價值。

只有確保維修中心的材料供應順暢，才能解決上述問題，實現(xiàn)使鐵路系統(tǒng)可用性達到100%的目標。而工業(yè)3D打印可滿足這一要求。

2 3D 打印技術

2.1 概述

3D打?。ㄓ址Q“增材制造”）技術是一種快速成型技術，以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體。目前，該技術已在各行業(yè)得到應用，其在鐵路行業(yè)的附加值也不斷上升。3D打印的原材料包括各種塑料、金屬（如鋁合金（AlSi10Mg）、不銹鋼（1.4404）等）及復合材料。這些原材料通過逐層打印的方式被塑造成所需的物體，每層的厚度只有不到1 mm。在打印過程中，無需模具，僅以數(shù)字模型為基礎塑造3D物體。

打印時間由部件大小決定，對于小型塑料按鈕或選擇器開關僅需幾分鐘，而對于大型護板部件則需要數(shù)小時。

打印質(zhì)量的決定性因素是對復雜材料混合物相關專業(yè)知識的掌握。

此外，為保障3D打印部件的高質(zhì)量、順暢生產(chǎn)，必須進行全生產(chǎn)過程數(shù)字化管理。

2.2 使用范圍

3D打印技術的巨大優(yōu)勢在于其高度的靈活性，即可以制造出各種形狀的產(chǎn)品，實現(xiàn)多樣化的功能（甚至仿生學功能）。因此，利用此技術，可以實施在其他制造過程中無法實施的技術解決方案和產(chǎn)品改進方案。從制造用于展示或測試的單個物品，到小、中規(guī)模生產(chǎn)，再到批量生產(chǎn)，其應用廣泛，可滿足各種規(guī)模的生產(chǎn)要求。其應用目的在于，通過降低成本提升用戶收益。

在鐵路行業(yè)，3D打印可應用于以下場景：

（1）通過設計調(diào)整對部件進行技術改進和優(yōu)化；

（2）由于該技術具有高度靈活性的特點，無需設計和生產(chǎn)昂貴的模具，因此可用于生產(chǎn)所需數(shù)量少的部件，以節(jié)約成本；

（3）生產(chǎn)組件中的單個零件；

（4）針對個性化或非常特殊的產(chǎn)品需求，進行快速、低成本的部件生產(chǎn)；

（5）當部件由于老舊而不可用時，利用該技術能夠以合理成本重新生產(chǎn)部件；

（6）由于該技術具有生產(chǎn)快速的特點，可用于生產(chǎn)交貨期短的產(chǎn)品，以防止延遲交貨。

3D打印的產(chǎn)品范圍包括功能部件、備件、樣件、工具、設備等。每當產(chǎn)品生產(chǎn)涉及以下因素時，即優(yōu)化組件、降低一次性成本、縮短維修時間或?qū)崿F(xiàn)設計靈活性，可考慮采用此技術。

3 Siemens Mobility 的 3D 打印技術

西門子交通公司（Siemens Mobility）憑借其一貫推行的數(shù)字化方法、數(shù)十年積累的鐵路系統(tǒng)部件知識以及先進的3D打印基礎設施，成為世界鐵路行業(yè)3D打印技術的先驅(qū)之一。

3.1 概述

為確保其鐵路系統(tǒng)的高可用性，Siemens Mobility創(chuàng)建可用性聯(lián)盟（Alliance for Availability）。這是一個開放的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，鐵路產(chǎn)品制造商、供應商、運營商和研究機構(gòu)可通過數(shù)字化平臺分享其專業(yè)知識、技術、經(jīng)驗和流程。利用此系統(tǒng)，還可在智能監(jiān)控和智能測量的基礎上采集各鐵路系統(tǒng)及其部件狀況相關的精確數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)安全、實時地傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)服務中心，并采用最新算法對其進行評估，以實現(xiàn)對各系統(tǒng)和部件的預測性維修。通過在該系統(tǒng)中與各方緊密合作，以及采用最先進的技術，Siemens Mobility各系統(tǒng)的可用性高達100%。

3D打印技術是該系統(tǒng)的重要內(nèi)容。利用這項技術，可在極短的時間內(nèi)生產(chǎn)出各種部件，小至門把手，大至完整的車頭；能夠以低成本對部件設計進行改進，從而為相關應用提供智能且經(jīng)濟的解決方案。例如，列車無線調(diào)度電話（圖1）是為鐵路行車指揮人員和列車駕駛員之間進行聯(lián)絡而設置的專用電話，其經(jīng)常發(fā)生的故障是電話按鈕失靈，這會導致整部電話被更換和廢棄。針對這個問題，Siemens Mobility在利用3D打印技術制造該按鈕的同時，還對其設計進行了改進，以便在短時間內(nèi)通過幾個簡單的步驟對其進行更換。這就是Siemens Mobility提供的高度靈活的“Easy Sparovation Part”服務。其目標在于，與用戶緊密合作，對車輛部件進行現(xiàn)代化改造，以優(yōu)化人體工程學設計，集成新功能，減少所需的單個部件數(shù)量。此外，在設計部件時，Siemens Mobility還會將材料研究的最新發(fā)現(xiàn)和相關法律條文的變更納入考慮范圍。

圖1 列車無線調(diào)度電話及其3D打印按鈕

Siemens Mobility還為其客戶提供3D打印相關的咨詢、培訓、智能解決方案以及360°全方位服務，包括按需打印和批量生產(chǎn)部件，對部件進行測量、掃描和數(shù)字化，制造和再造部件，以及根據(jù)相關標準和法規(guī)對產(chǎn)品進行測試、檢驗和批準。迄今為止，Siemens Mobility已為超過100家客戶打印了13 000多個部件。

3.2 全球互聯(lián)的工業(yè) 3D 打印機網(wǎng)絡

為充分發(fā)揮3D打印技術的優(yōu)勢和潛力，Siemens Mobility建立了一個全球互聯(lián)的工業(yè)3D打印機網(wǎng)絡，提供從設計到最終檢驗各環(huán)節(jié)無縫銜接的數(shù)據(jù)鏈。該網(wǎng)絡的核心是德國埃爾朗根（Erlangen）總部的3D打印技術中心（圖2）。此技術中心擁有十幾位工程、研發(fā)和生產(chǎn)領域的專家，以及諸多先進的3D打印設備，包括用于獲取部件輪廓并將其轉(zhuǎn)換為CAD數(shù)據(jù)的高分辨率3D掃描儀、用于制造鋁合金和不銹鋼部件的選擇性激光熔化（SLM）3D打印機、用于制造阻燃塑料部件的熔融沉積建模（FDM）3D打印機，以及用于對打印部件進行后續(xù)機械和熱處理（包括涂層）的專用設備。

圖2 埃爾朗根3D打印技術中心

此外，Siemens Mobility在世界其他國家和地區(qū)建立了6個擁有專門技術和相關工業(yè)3D打印機的基地，分別是德國的多特蒙德（Dortmund）、韋格伯格-維爾登拉特（Wegberg-Wildernrath）和布倫瑞克（Braunschweig）基地，英國的奇彭納姆（Chippenham）基地，以及俄羅斯的莫斯科（Moscow）和圣彼得堡（St.Petersburg）基地。該網(wǎng)絡還在不斷擴展，最近加入該網(wǎng)絡的是奧地利維也納（Vienna）基地，它可以批量生產(chǎn)部件和備件。

Siemens Mobility在世界各地分散設置生產(chǎn)基地，創(chuàng)建全球互聯(lián)的工業(yè)3D打印機網(wǎng)絡，為其贏得了巨大的運營優(yōu)勢，具體體現(xiàn)在：①縮短產(chǎn)品運輸（尤其是跨國運輸）的時間和距離，降低運輸成本，減少CO2排放量；②盡可能靠近客戶，以便與客戶進行直接、近距離的交流。

此外，該網(wǎng)絡的優(yōu)點還在于，可以將各地、各用戶的需求和問題集中到技術中心，由其制定出適合的解決方案，再共享到網(wǎng)絡中。一個應用范例可以推廣到世界各地類似的任務和情況中，從而顯著加快對問題案例的評估和相關解決方案的開發(fā)。

4 結(jié)語

隨著3D打印技術的發(fā)展，其軟硬件不斷得到改進，其功能將更加強大。這些發(fā)展都將加速3D打印在鐵路行業(yè)的推廣應用，使鐵路系統(tǒng)的維修保養(yǎng)更加快捷、靈活、經(jīng)濟、智能和可持續(xù)。