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用3D打印技術(shù)增強(qiáng)軌道交通車輛零件的可用性

2019-7-3 來源：埃馬克作者：

毋庸置疑，機(jī)車、軌道車輛和列車是否可用，對軌道交通的可靠性至關(guān)重要。德國聯(lián)邦鐵路公司（Deutsche Bahn，以下簡稱德鐵））有 7,000 多名員工從事著車輛養(yǎng)護(hù)工作，為由數(shù)千車輛組成的車隊(duì)保駕護(hù)航。其中，備件的庫存和采購是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。對于那些難于采購的零件，采用 3D 打印的方式制造零件，則能夠顯著提升備件的可用性。目前，德鐵在一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目中首次使用了 GEFERTEC 的 3DMP® 工藝。

1966 至 1974 年， 294 系列機(jī)車在德國聯(lián)邦鐵路公司營運(yùn)

“可用性對我們公司來說是一個(gè)非常重要的課題”， Tina Schlingmann 博士說道，她從去年開始為德鐵研究增材制造的潛在應(yīng)用。這位材料學(xué)專家認(rèn)為，除原型制造和工具領(lǐng)域，備件業(yè)務(wù)尤其大有可為。德鐵所購買的數(shù)千輛列車和機(jī)車的養(yǎng)護(hù)都由自己進(jìn)行，這就存在著一個(gè)很大的問題：對于老舊的機(jī)車，經(jīng)常面臨原廠備件停產(chǎn)的情況。

Tina Schlingmann 博士在德國聯(lián)邦鐵路公司致力于增材制造方法的應(yīng)用

9 個(gè)月的輪對軸箱蓋交貨期

在過去的幾年里，德鐵總共在 100 多個(gè)使用案例中進(jìn)行了有關(guān)增材制造的可行性研究。“事實(shí)證明，增材制造在與可用性相關(guān)的備件業(yè)務(wù)領(lǐng)域尤其大有可為”， Schlingmann 博士強(qiáng)調(diào)道。最近的一個(gè)案例是在 20 世紀(jì) 60 和 70 年代投入營運(yùn)的一輛 BR 294 型機(jī)車的輪對軸箱蓋 ——這一配件的損壞和缺失，極有可能造成潤滑劑從軸承中逸出，導(dǎo)致軸承損壞，最糟糕的情況下，機(jī)車甚至可能因此脫軌。然而，這一備件的交貨期長達(dá)九個(gè)月，在此期間導(dǎo)致的機(jī)車停運(yùn)，給公司帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。輪對軸箱蓋的原始鑄件重達(dá) 11.5 千克，直徑為 374 毫米，高 78毫米。在可行性研究中，德鐵選擇與增材制造領(lǐng)域?qū)＜?Rolf Lenk GmbH 共同合作，以尋找替代解決方案。

重 11.5 千克的輪對軸箱蓋在 GEFERTEC 的 arc605 上打印生產(chǎn)

去年， Rolf Lenk 有一臺 GEFERTEC GmbH 的 arc605 機(jī)床投產(chǎn)，該機(jī)床所使用 3DMP® 工藝（見文本框），是能夠進(jìn)行大型配件高速增材制造的理想選擇。

由于老舊車輛的備件通常沒有數(shù)字形式的 3D 數(shù)據(jù)，因此首先需要進(jìn)行完整的逆向工程，在完成該步驟后，還必須為線切割機(jī)床整理 3D 數(shù)據(jù)。在這個(gè)項(xiàng)目中所使用的 3DMP®CAM 軟件可從配件的數(shù)字模型生成特殊的 CNC 數(shù)據(jù)，然后使用軟件由線切割機(jī)床逐個(gè)焊道進(jìn)行工件構(gòu)造。“包括設(shè)置在內(nèi)，在 GEFERTEC 機(jī)床上的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間只有大約 8 小時(shí)”， Rolf Lenk 公司項(xiàng)目專員 Matthias Otte 說道。在機(jī)床上完成基礎(chǔ)加工后，還需對近凈成形的配件進(jìn)行切削加工。從構(gòu)想、逆向工程到最終生產(chǎn)，整個(gè)項(xiàng)目共計(jì)用時(shí)兩個(gè)月。“這只是在初次生產(chǎn)工件時(shí)需要花費(fèi)的時(shí)間”， M. Otte 強(qiáng)調(diào)說：“將來，根據(jù)機(jī)床的情況，我們可以將這一配件的生產(chǎn)時(shí)間縮短至 2 到 3 周。”

Matthias Otte 是 Rolf Lenk 公司的項(xiàng)目專員，他說：“包括設(shè)置在內(nèi)，輪對軸箱蓋在

GEFERTEC 機(jī)床上的實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間只有大約 8 個(gè)小時(shí)。”

德鐵和聯(lián)邦鐵路局的材料實(shí)驗(yàn)室對成品配件進(jìn)行過全面徹底的檢測。“除通常的材料學(xué)檢測之外，甚至還進(jìn)行了計(jì)算機(jī)斷層掃描”， Schlingmann 博士講道。無一例外都是肯定結(jié)果，確證了 3DMP® 工藝進(jìn)行輪對軸箱蓋生產(chǎn)的高品質(zhì)。現(xiàn)在，只需完成德鐵組件的批準(zhǔn)認(rèn)證流程，該備件就能被順利安裝了。

數(shù)字化備件倉庫列入未來愿景

有關(guān)輪對軸箱蓋增材制造的可行性研究只是一個(gè)開始——未來，德鐵在該領(lǐng)域還有多項(xiàng)計(jì)劃：將備件倉庫數(shù)字化，以解決倉庫運(yùn)營成本高昂、費(fèi)用巨大的難題。所有配件將在其中以數(shù)字文件的形式提供使用，需要時(shí)，可以在合適的機(jī)床上進(jìn)行增材制造。這一方案在提高備件可用性的同時(shí)，也將同步節(jié)約成本。因?yàn)槌松a(chǎn)成本外，公司還擔(dān)負(fù)著運(yùn)輸和庫存成本。此外，關(guān)鍵配件還必須在其使用壽命結(jié)束后報(bào)廢。 Schlingmann 博士還特別指出這種解決方案的環(huán)境影響：“通過增材制造，可顯著減小零部件的碳足跡。”因此，備件增材制造加工也非常貼合德鐵“That's Green”的環(huán)保主張。

輪對軸箱蓋采用 3DMP® 工藝打印（左）然后再進(jìn)行切削加工（右）

文本框

增材制造機(jī)床采用 3DMP® 工藝

GEFERTEC GmbH 的線切割機(jī)床使用了 3DMP® 工藝，該工藝已晉升為新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這些機(jī)床使近凈成形的金屬坯件生產(chǎn)高效快速且成本低廉。工件的最終質(zhì)量也完全符合使用標(biāo)準(zhǔn)加工方法生產(chǎn)的工件質(zhì)量。 3DMP® 工藝使用線材作為原材料，利用它逐個(gè)焊道進(jìn)行工件打印。與使用粉末作為原材料的 3D 打印方法相比，這一制造方法具備諸多優(yōu)勢：無需進(jìn)行成本高昂的粉末處理，生產(chǎn)更具經(jīng)濟(jì)性，且已經(jīng)適用于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)材料。但最大的優(yōu)點(diǎn)還是累積率非常高，根據(jù)所用材料的不同，每小時(shí)可多達(dá) 600 cm3。這使得線切割機(jī)床更適用于快速和經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)，包括以鋼、鎳基、鈦或鋁為材質(zhì)的大尺寸工件生產(chǎn)。線切割機(jī)床有適用于約 3 m3 以下工件尺寸的 3 軸版、適用于 0.8 m3 以下工件尺寸的 5 軸版，以及適用于 0.06 m3 以下工件尺寸、更加緊湊的 5 軸版可供選擇。專門開發(fā)的 CAM 軟件可根據(jù)工件的 CAD 數(shù)據(jù)生成數(shù)據(jù)， CNC 控制系統(tǒng)利用這些數(shù)據(jù)可對焊接機(jī)頭進(jìn)行精確定位。然后，機(jī)床會(huì)自動(dòng)完成近凈成形工件的生產(chǎn)，并可采用傳統(tǒng)的 CNC 銑削技術(shù)進(jìn)行最后加工。與其他制造工藝相比， 3DMP® 工藝優(yōu)化了材料利用率，從而帶來了巨大的成本優(yōu)勢，特別是對于鈦等貴金屬材料的生產(chǎn)：根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況顯示，生產(chǎn)成本最多可降低 60 %。

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