摘 要: 目前，軌道交通行業正在以構建快速、柔性制造模式和開發輕量化、綠色化產品為目標，積極探索將 3D 打印技術應用于產品備品備件、車輛鑄件產品用鑄型以及復雜高性能結構件的開發和制造過程中。文中分析了主流 3D 打印技術的技術特色和用途，歸納了現階段軌道交通領域 3D打印技術的應用研究工作，并對急需解決的關鍵問題以及應用前景進行了展望。
1、3D 打印技術現狀和發展趨勢
美國權威行業調研機構 － 技術咨詢服務協會Wohlers 的最新研究報告指出，全球 3D 打印市場規模依然呈現高速增長的趨勢。從專利申請及分布情況來看，3D 打印的專利申請量仍逐年上升，3D 打印技術應用范圍不斷擴大。尤其近幾年，3D 打印技術取得了快速發展，具體表現為各類 3D 打印技術層出不窮，可所用的材料種類越來越多，可成型結構構型越來越復雜，零件的精度水平越來越高。用于工業產品的材料可大致劃分為金屬和非金屬 2 大類，3D 打印技術的具體細分技術可分別滿足多種類別金屬和非金屬材料的打印，通過新型結構設計技術、材料復合技術、數控加工技術與 3D 打印技術的有效融合，可以開發出結構部件和功能性部件產品，滿足寬幅的應用領域。
典型的非金屬材料打印技術有選區激光燒結( SLS) 、激光立體光固化( SLA) 、樹脂微滴噴射技術( 3DP) 等。選區激光燒結技術多采用尼龍粉末、熱塑性樹脂覆膜砂、PS 粉作為原材料來制造尼龍結構件、鑄造用砂型( 芯) 、蠟模等產品。激光立體光固化技術采用添加光觸媒的液態樹脂作為原材料，在特定波長紫外激光的照射下促使光固化反應進行，可制造剛性和軟性的樹脂制件產品。樹脂微滴噴射技術多采用預混酸類固化劑的石英砂作為原材料，通過陣列噴頭對砂層表面選區噴射呋喃樹脂來實現砂型的自反應固化。而目前金屬材料 3D 打印技術的常用方式包括激光立體成型( LSF) 、選區激光熔化( SLM) 、選區電子束熔化( SEBM) 等方式。激光立體成型技術是一種材料的近凈成型技術，打印過程中通過同軸輸送的激光和金屬粉材實現材料的逐點熔化 － 凝固、搭接和疊加，可用于打印大型承力結構金屬零部件產品，但表面粗糙度水平較低。選區激光熔化和選區電子束熔化技術多用于小型金屬零部件產品的打印，產品不受形狀自由度約束，表面粗糙度水平較好( 見圖 1) 。
2、3D 打印在軌道交通領域的應用研究現狀
2.1 3D 打印在軌道交通運維領域的應用
2015 年，德國聯邦鐵路與 SIEMENS、Concept Laser、Materialize、EOS、Stratasys、Autodesk 成立了德國鐵路的移動增材制造網絡，在行業內首次將 3D打印技術制造的備品備件應用于軌道車輛的運營維護當中，目前打印的備件包括塑料零件( 接線盒、開關箱、搖桿等) 和金屬零件( 砂箱、軸承蓋等) 。為發揮 3D 打印的自由成型優勢，德國聯邦鐵路對部分零部件的設計進行了改進，如列車軸承蓋備件通過內部中空結構設計，優化了部件的抗振動性能和耐磨性能，應用于電機部件維保中。通過分布式的 3D打印制造網絡，用戶可以根據零部件的更換需求開展就近、快速制造，極大地減輕了倉儲、物流壓力。
國內，中車株洲電力機車有限公司也聯合軌道交通產品產業鏈中的 12 家企業組建了“國家先進軌道交通裝備制造業創新中心”，對國內軌道交通裝備 維 保 領 域 的 3D 打印技術進行研究和產業孵化。
2.2 3D 打印在軌道交通鑄件開發和制造中的應用
現階段，軌道交通車輛包含有大量的金屬材質零部件產品，鑄造是其中主要成型方式之一，如鉤緩、制動、齒輪傳動等多采用鑄鋼、鑄鋁、鑄鐵材質。在鑄件新品開發和小批量試制過程中，采用 3D 打印技術來制造鑄型可以有效節省模具開發時間和研發成本，因此獲得了大量應用。目前，中車戚墅堰所、中車齊齊哈爾公司、長江公司等產品研發和生產單位均建立起了相關技術儲備，并在深入開展產業化拓展工作。其中，中車戚墅堰所在技術儲備的基礎上成立了快速制造工程化示范中心，采用 SLS 砂型打印技術、SLA 高分子剛性模具打印技術和數控加工技術的組合模式，可以實現覆膜砂型( 芯) 、蠟 模、模具的多品種小批量生產能力，常態服務于軌道交通鑄件的開發和生產中，并將砂型鏤空設計、自體支撐、梯度打印等專有技術進一步深化，已拓展至汽車零部件等新產業服務領域。圖 2 分別為中車長江公司和中車戚墅堰所采用 3D 打印制造的軌道交通零部件砂型( 芯) 及模具產品。
2.3 金屬 3D 打印技術在軌道交通產品應用的探索
不同于傳統金屬鑄造過程中的宏觀凝固過程，金屬 3D 打印技術具備微區熔池的快速熔化 － 凝固特點，產品微觀晶粒細小均勻、溶質偏析傾向小，輔助采用遠離平衡態的溫場控制技術、支撐設計技術、合金化匹配技術等，可實現高性能金屬零部件的直接成型，產品精度、復雜程度、力學性能遠高于鑄件產品，如國內西北工業大學、西安鉑力特公司開發的C919 大飛機中央翼緣條產品的綜合性能測試已達到鍛件水平，高于波音公司產品標準。國內軌道交通裝備制造企業已開始認知到金屬 3D 打印技術的特殊優勢并開展相關應用技術研究，中車株洲電力機車研究所采用英國 Ｒenishaw 的選區激光熔化設備已經成功打印了機車高壓接地開關傳動件( 見圖3) 。這種傳動件最早采用 316L 不銹鋼材質的傳動桿與傳動盤經鉚接或電阻焊連接制成，結合部位強度低，經常由于扭轉應力的作用在服役過程中脫落。采用 SLM 金屬 3D 打印技術一體化成型后，傳動桿與傳動盤冶金結合強度大大提高，抗壓性能較原件提高了 25% ～ 75% ，力學性能也優于不銹鋼鍛件水平，并且零件各方向上的尺寸精度均小于 0． 1 mm，滿足使用要求。這說明金屬 3D 打印技術在解決軌道交通異形件、復雜件以及連接件一體成型方面具有較大的應用潛力。
目前，結合 3D 打印技術本身的發展現狀和軌道交通裝備的現實需求，各裝備制造企業已開始孵化應用方式多元化、服務模式多方位的發展格局，但基于技術本身的深入研究尚在探索之中。未來，隨著原材料種類、設計拓撲優化、檢測驗證體系的進一步發展，3D 打印技術將會發展成為軌道交通裝備設計、開發、制造過程中的主要載體之一，來有效補充傳統鑄造、焊接、鍛壓技術的發展瓶頸，實現軌道交通輕量化、綠色化、智能化的遠景目標。
參考文獻: ［1］李壯，閆亞飛，陳小莉，等． 3D 打印技術專利發展態勢分析［J］． 科學觀察，2016( 3) : 44 － 54．
［2］馬明明，譚邁之，孫德祥，等． 激光選區熔化成形高壓接地開關傳動件工藝與性能研究［J］． 電力機車與城軌車輛，2018，1( 41) :76 － 80
作者：曹 金，祝弘濱，鮑 飛，劉 昱
中車工業研究院有限公司 中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司
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