3D 打印技術在鐵路行業(yè)的應用

1 引言

增材制造（Additive Manufacturing，AM），也稱3D打印，是一種快速成型技術，應用該技術可對許多零件進行低成本的結構改進，并使之更快地投入使用，從而解決零件供應緊張的問題，顯著提高相關系統(tǒng)的可用性。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。

奧地利聯(lián)邦鐵路公司（?BB）作為奧地利最大的鐵路運輸服務供應商，每年運輸超過4.69億乘客及1.2 億 t貨物，其鐵路線網(wǎng)上每天運行6 500多列列車（圖 1）。為使鐵路車輛及基礎設施順暢運轉(zhuǎn)，必須有充足的零件儲備作為保障。為此，?BB技術服務子公司（?BB-TS）

每年收到超過237 000份備件訂單，大至輪對、車體護板，小到按鈕、螺栓，任何零件的失靈都有可能導致列車故障。備件來源為不同的車輛制造商、備件供應商，以及該公司自有的5個大型備件生產(chǎn)車間。隨著技術的不斷發(fā)展，鐵路車輛、基礎設施零件的更新?lián)Q代也日益加速，導致一些零件難以在市場上找到替代品，而用傳統(tǒng)方法生產(chǎn)又會大幅提高成本。為在保證備件100%可用性的同時降低生產(chǎn)成本，?BB-TS引入3D打印技術，其購買的第一臺3D打印設備為熔絲制造法（FFF）3D打印機，目前已有15臺3D打印設備投入生產(chǎn)。

本文將對?BB-TS在3D打印技術應用方面的實踐與經(jīng)驗進行介紹。

2 3D 打印技術概述

3D打印技術是融合計算機輔助設計、材料加工與成型技術，以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬、非金屬及醫(yī)用生物材料，采用擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品的制造技術。該技術與對原材料進行去除、切削、組裝的傳統(tǒng)加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加實現(xiàn)物件成型的制造方法，可擺脫傳統(tǒng)制造方式的制約，完成復雜結構件的制造生產(chǎn)。

3D打印技術的優(yōu)點如下。

（1）可以打印各種復雜的三維形狀，使設計者能夠自由地創(chuàng)造出比傳統(tǒng)替代品性能更好或成本更低的部件。

（2）不需要模具，可省去耗時的模具制造和加工操作，加快產(chǎn)品的開發(fā)和生產(chǎn)，為大規(guī)模定制鋪平道路。

（3）可按需生產(chǎn)零件，實現(xiàn)在短時間內(nèi)的備件快速提供和更換，減少對備件庫存的需求，因此無需保留大型備件存儲倉庫，從而大幅節(jié)省倉儲開支、簡化產(chǎn)品的維護工作。

3 3D 打印技術應用實踐

最初，?BB-TS只能現(xiàn)場打印非常小的塑料零件，因為歐洲鐵路行業(yè)的防火標準非常嚴格，并且當時可用于大型備件打印且通過防火認證的材料稀缺。后來，隨著專門針對各應用領域、符合EN 45545《軌道車輛的防火保護》系列標準要求的材料的開發(fā)，大型備件3D打印應用案例不斷增多，目前已有3 500多個由不同金屬合金制成的備件通過3D打印技術生產(chǎn)出來。歐洲鐵路行業(yè)的各種應用案例表明，3D打印技術已經(jīng)達到了生產(chǎn)安全相關部件所需的成熟度。未來，其將在具有防火認證的復合材料及新型金屬合金材料備件生產(chǎn)領域有進一步發(fā)展的空間。

為推廣3D打印技術，使其更適應各領域、各專業(yè)的需求，?BB-TS針對?BB管轄的各區(qū)段、各部門、各專業(yè)工作人員進行需求調(diào)查，向其展示相關領域的應用可能性，并根據(jù)其需求量身定制3D打印解決方案。這是一項復雜的工作，因為每個區(qū)段、每列列車、每個零件對3D打印生產(chǎn)均有不同的要求，有的強調(diào)生產(chǎn)輔助設備的開發(fā)，有的重視備件生命周期的延長等。

?BB-TS還加強與供應商、合作伙伴的合作，并從鐵路運營部門和維修人員處獲悉已安裝零件的薄弱環(huán)節(jié)，這些信息是上述機構和人員在日常工作中發(fā)現(xiàn)并總結的，制造商無法憑借自身經(jīng)驗獲得。此舉措具有以下積極意義：在產(chǎn)品開發(fā)方面，可根據(jù)這些信息，對相關零件進行優(yōu)化，從而大幅節(jié)省開發(fā)成本（圖2）；在維護方面，零件的優(yōu)化可減小發(fā)生故障的概率，降低備件的采購成本，從而確保鐵路更高效地運營。

為提高生產(chǎn)效率，?BB-TS通過引入5S（即整理、整頓、清掃、清潔、素養(yǎng)）、CIP（即不斷改進流程）車間和價值流分析等精益管理方法，對3D打印技術流程中的待改進方面進行持續(xù)分析和優(yōu)化；此外，還對生產(chǎn)場所進行改善，使其安全、有序、符合人體工程學要求，從而為員工創(chuàng)造更好的工作環(huán)境，提高其工作效率。

4 結語

?BB-TS將3D打印技術引入鐵路相關設備設施生產(chǎn)領域，發(fā)起了一場面向未來的變革，并積極推動創(chuàng)新，從單純的用戶發(fā)展成為該領域的技術領導者。其在該領域的實踐也為業(yè)內(nèi)其他企業(yè)的相關發(fā)展提供了參考和借鑒。