摘 要: 目前，軌道交通行業(yè)正在以構(gòu)建快速、柔性制造模式和開發(fā)輕量化、綠色化產(chǎn)品為目標，積極探索將 3D 打印技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品備品備件、車輛鑄件產(chǎn)品用鑄型以及復(fù)雜高性能結(jié)構(gòu)件的開發(fā)和制造過程中。文中分析了主流 3D 打印技術(shù)的技術(shù)特色和用途，歸納了現(xiàn)階段軌道交通領(lǐng)域 3D打印技術(shù)的應(yīng)用研究工作，并對急需解決的關(guān)鍵問題以及應(yīng)用前景進行了展望。
1、3D 打印技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
美國權(quán)威行業(yè)調(diào)研機構(gòu) － 技術(shù)咨詢服務(wù)協(xié)會Wohlers 的最新研究報告指出，全球 3D 打印市場規(guī)模依然呈現(xiàn)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(shù)應(yīng)用范圍不斷擴大。尤其近幾年，3D 打印技術(shù)取得了快速發(fā)展，具體表現(xiàn)為各類 3D 打印技術(shù)層出不窮，可所用的材料種類越來越多，可成型結(jié)構(gòu)構(gòu)型越來越復(fù)雜，零件的精度水平越來越高。用于工業(yè)產(chǎn)品的材料可大致劃分為金屬和非金屬 2 大類，3D 打印技術(shù)的具體細分技術(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、材料復(fù)合技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)與 3D 打印技術(shù)的有效融合，可以開發(fā)出結(jié)構(gòu)部件和功能性部件產(chǎn)品，滿足寬幅的應(yīng)用領(lǐng)域。
典型的非金屬材料打印技術(shù)有選區(qū)激光燒結(jié)( SLS) 、激光立體光固化( SLA) 、樹脂微滴噴射技術(shù)( 3DP) 等。選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)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(jié)構(gòu)件、鑄造用砂型( 芯) 、蠟?zāi)５犬a(chǎn)品。激光立體光固化技術(shù)采用添加光觸媒的液態(tài)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(yīng)進行，可制造剛性和軟性的樹脂制件產(chǎn)品。樹脂微滴噴射技術(shù)多采用預(yù)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(qū)噴射呋喃樹脂來實現(xiàn)砂型的自反應(yīng)固化。而目前金屬材料 3D 打印技術(shù)的常用方式包括激光立體成型( LSF) 、選區(qū)激光熔化( SLM) 、選區(qū)電子束熔化( SEBM) 等方式。激光立體成型技術(shù)是一種材料的近凈成型技術(shù)，打印過程中通過同軸輸送的激光和金屬粉材實現(xiàn)材料的逐點熔化 － 凝固、搭接和疊加，可用于打印大型承力結(jié)構(gòu)金屬零部件產(chǎn)品，但表面粗糙度水平較低。選區(qū)激光熔化和選區(qū)電子束熔化技術(shù)多用于小型金屬零部件產(chǎn)品的打印，產(chǎn)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(lǐng)域的應(yīng)用研究現(xiàn)狀
2.1 3D 打印在軌道交通運維領(lǐng)域的應(yīng)用
2015 年，德國聯(lián)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(wǎng)絡(luò)，在行業(yè)內(nèi)首次將 3D打印技術(shù)制造的備品備件應(yīng)用于軌道車輛的運營維護當(dāng)中，目前打印的備件包括塑料零件( 接線盒、開關(guān)箱、搖桿等) 和金屬零件( 砂箱、軸承蓋等) 。為發(fā)揮 3D 打印的自由成型優(yōu)勢，德國聯(lián)邦鐵路對部分零部件的設(shè)計進行了改進，如列車軸承蓋備件通過內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)設(shè)計，優(yōu)化了部件的抗振動性能和耐磨性能，應(yīng)用于電機部件維保中。通過分布式的 3D打印制造網(wǎng)絡(luò)，用戶可以根據(jù)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(nèi)，中車株洲電力機車有限公司也聯(lián)合軌道交通產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈中的 12 家企業(yè)組建了“國家先進軌道交通裝備制造業(yè)創(chuàng)新中心”，對國內(nèi)軌道交通裝備 維 保 領(lǐng) 域 的 3D 打印技術(shù)進行研究和產(chǎn)業(yè)孵化。
2.2 3D 打印在軌道交通鑄件開發(fā)和制造中的應(yīng)用
現(xiàn)階段，軌道交通車輛包含有大量的金屬材質(zhì)零部件產(chǎn)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(zhì)。在鑄件新品開發(fā)和小批量試制過程中，采用 3D 打印技術(shù)來制造鑄型可以有效節(jié)省模具開發(fā)時間和研發(fā)成本，因此獲得了大量應(yīng)用。目前，中車戚墅堰所、中車齊齊哈爾公司、長江公司等產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)單位均建立起了相關(guān)技術(shù)儲備，并在深入開展產(chǎn)業(yè)化拓展工作。其中，中車戚墅堰所在技術(shù)儲備的基礎(chǔ)上成立了快速制造工程化示范中心，采用 SLS 砂型打印技術(shù)、SLA 高分子剛性模具打印技術(shù)和數(shù)控加工技術(shù)的組合模式，可以實現(xiàn)覆膜砂型( 芯) 、蠟 模、模具的多品種小批量生產(chǎn)能力，常態(tài)服務(wù)于軌道交通鑄件的開發(fā)和生產(chǎn)中，并將砂型鏤空設(shè)計、自體支撐、梯度打印等專有技術(shù)進一步深化，已拓展至汽車零部件等新產(chǎn)業(yè)服務(wù)領(lǐng)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(chǎn)品。
2.3 金屬 3D 打印技術(shù)在軌道交通產(chǎn)品應(yīng)用的探索
不同于傳統(tǒng)金屬鑄造過程中的宏觀凝固過程，金屬 3D 打印技術(shù)具備微區(qū)熔池的快速熔化 － 凝固特點，產(chǎn)品微觀晶粒細小均勻、溶質(zhì)偏析傾向小，輔助采用遠離平衡態(tài)的溫場控制技術(shù)、支撐設(shè)計技術(shù)、合金化匹配技術(shù)等，可實現(xiàn)高性能金屬零部件的直接成型，產(chǎn)品精度、復(fù)雜程度、力學(xué)性能遠高于鑄件產(chǎn)品，如國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)、西安鉑力特公司開發(fā)的C919 大飛機中央翼緣條產(chǎn)品的綜合性能測試已達到鍛件水平，高于波音公司產(chǎn)品標準。國內(nèi)軌道交通裝備制造企業(yè)已開始認知到金屬 3D 打印技術(shù)的特殊優(yōu)勢并開展相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究，中車株洲電力機車研究所采用英國 Ｒenishaw 的選區(qū)激光熔化設(shè)備已經(jīng)成功打印了機車高壓接地開關(guān)傳動件( 見圖3) 。這種傳動件最早采用 316L 不銹鋼材質(zhì)的傳動桿與傳動盤經(jīng)鉚接或電阻焊連接制成，結(jié)合部位強度低，經(jīng)常由于扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用在服役過程中脫落。采用 SLM 金屬 3D 打印技術(shù)一體化成型后，傳動桿與傳動盤冶金結(jié)合強度大大提高，抗壓性能較原件提高了 25% ～ 75% ，力學(xué)性能也優(yōu)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(shù)在解決軌道交通異形件、復(fù)雜件以及連接件一體成型方面具有較大的應(yīng)用潛力。
目前，結(jié)合 3D 打印技術(shù)本身的發(fā)展現(xiàn)狀和軌道交通裝備的現(xiàn)實需求，各裝備制造企業(yè)已開始孵化應(yīng)用方式多元化、服務(wù)模式多方位的發(fā)展格局，但基于技術(shù)本身的深入研究尚在探索之中。未來，隨著原材料種類、設(shè)計拓撲優(yōu)化、檢測驗證體系的進一步發(fā)展，3D 打印技術(shù)將會發(fā)展成為軌道交通裝備設(shè)計、開發(fā)、制造過程中的主要載體之一，來有效補充傳統(tǒng)鑄造、焊接、鍛壓技術(shù)的發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)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(shù)專利發(fā)展態(tài)勢分析［J］． 科學(xué)觀察，2016( 3) : 44 － 54．
［2］馬明明，譚邁之，孫德祥，等． 激光選區(qū)熔化成形高壓接地開關(guān)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(yè)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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