3D打印技術(shù)在鐵路制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)展*

張浩然， 孫廣合,2， 鄭慧超， 張一帆

(1　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司, 北京 100094;2　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

3D(3 Dimensions)打印技術(shù)自1980年代發(fā)明以來(lái)，取得了較快的發(fā)展，特別是2013年2月美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在國(guó)情咨文中強(qiáng)調(diào)了3D打印技術(shù)的重要性，再次掀起了3D打印技術(shù)研究的熱潮。2013年11月美國(guó)德克薩斯州奧斯汀的3D打印公司Solid Concepts用3D打印技術(shù)打印了金屬手槍。2014年7月1日美國(guó)海軍試驗(yàn)了利用3D打印等先進(jìn)制造技術(shù)快速制造艦艇零件，希望借此提升執(zhí)行任務(wù)速度并降低成本。2014年10月29日在芝加哥舉行的國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)上，美國(guó)亞利桑那州的Local Motors汽車公司現(xiàn)場(chǎng)演示世界上第一款3D打印電動(dòng)汽車Strati的制造過(guò)程，整個(gè)制造過(guò)程僅用了45 h。Strati采用一體成型車身，最大速度可達(dá)到64 km/h。除動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、懸架、電池、輪胎、車輪、線路、電動(dòng)馬達(dá)和擋風(fēng)玻璃采用傳統(tǒng)技術(shù)制造外，包括底盤、儀表板、座椅和車身在內(nèi)的余下部件均由3D打印機(jī)打印，所用材料為碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。2015年4月21日美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)官網(wǎng)報(bào)道正通過(guò)利用增材制造技術(shù)制造首個(gè)全尺寸銅合金火箭發(fā)動(dòng)機(jī)零件以節(jié)約成本，NASA空間技術(shù)任務(wù)部負(fù)責(zé)人表示，這是航空航天領(lǐng)域3D打印技術(shù)應(yīng)用的新里程碑。另外，據(jù)報(bào)道2015年6月22日俄羅斯技術(shù)集團(tuán)公司以3D打印技術(shù)制造出一架無(wú)人機(jī)樣機(jī)，重3.8 kg，翼展2.4 m，飛行速度可達(dá)90～100 km/h，續(xù)航能力1～1.5 h。

國(guó)內(nèi)的3D打印技術(shù)發(fā)展也比較迅猛。如西北工業(yè)大學(xué)采用激光3D打印技術(shù)為中國(guó)商飛公司制造了大飛機(jī)C919的中央翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件，尺寸為3 000 mm×350mm×450mm，質(zhì)量196 kg，并通過(guò)了中國(guó)商飛公司的性能測(cè)試[1-2]。北京航空航天大學(xué)王華明等人[3]成功制造了單件質(zhì)量超過(guò)110 kg的多個(gè)鈦合金結(jié)構(gòu)件及國(guó)內(nèi)尺寸最大的大型整體鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件，在國(guó)際上首次全面突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工、大型復(fù)雜的整體關(guān)鍵構(gòu)件的激光成型工藝、成套裝備和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)成為迄今唯一掌握大型整體鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件激光成型技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家[4]。另外，清華大學(xué)也在電子束激光選區(qū)熔化EBSM(Electronic Beam Selective Melting)、細(xì)胞受控組裝方面展開(kāi)了卓有成效的研究。我國(guó)在2015年發(fā)布的國(guó)家"十三五"中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃中，明確提出要重視和加速發(fā)展3D打印技術(shù)，且于2016年4月在北京正式成立了全國(guó)增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)，這對(duì)于促進(jìn)3D打印技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用將起到很重要的支撐和引領(lǐng)作用[4]。

1　3D在鐵路制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在鐵路行業(yè)應(yīng)用暫未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，鐵路行業(yè)的制動(dòng)系統(tǒng)用到大量的氣動(dòng)零部件，這些零件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往都非常復(fù)雜，氣路細(xì)長(zhǎng)且相互交錯(cuò)，采用傳統(tǒng)的機(jī)加工制造方法，難于保證精度，需要增開(kāi)大量的工藝孔，其最終的加工精度與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度有很大關(guān)系；采用鑄造方法，對(duì)于零件的鑄造工藝性要求較高，而制動(dòng)類零件由于其自身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，鑄造工藝性并不好，容易產(chǎn)生鑄造缺陷，重要的密封面仍需要二次機(jī)加工。針對(duì)這一情況，分別采用幾種典型的3D打印方法打印了幾種不同的鐵路制動(dòng)系統(tǒng)零件，并分析了這些工藝的特點(diǎn)及其適用性。

1.1　熔融沉積技術(shù)在閥類的應(yīng)用

熔融沉積FDM(Fused Deposition Modeling)方法由美國(guó)Stratasys公司發(fā)明，圖1為FDM工藝原理的簡(jiǎn)介。該技術(shù)通過(guò)噴頭將塑料絲材加熱熔化，逐層堆積成型，送絲機(jī)構(gòu)自動(dòng)將絲材供給到噴頭。該方法具有良好的成型工藝性、價(jià)格低廉、打印快捷、成型環(huán)境好等特點(diǎn)。成型材料主要為ABS、PC、PP、PLA等塑料材質(zhì)。圖2為采用熔融沉積技術(shù)打印的1∶1制動(dòng)控制閥類的模型，尺寸為200 mm×180 mm×120 mm，內(nèi)部具有多個(gè)復(fù)雜的氣路截面，不同氣路相互連通。FDM技術(shù)可以幫助研發(fā)人員更直觀的了解產(chǎn)品復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。該成型材質(zhì)為PLA，層厚精度達(dá)到了0.05～0.4 mm。目前國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了很多桌面型的FDM打印設(shè)備，價(jià)格低廉。

1-基板；2-噴嘴；3-送絲機(jī)構(gòu)；4-線卷盤；5-加熱部件。圖1　熔融沉積技術(shù)FDM原理簡(jiǎn)介[5]

圖2　閥類零件的FDM打印實(shí)例

1.2　立體光固化成型技術(shù)在制動(dòng)盤、氣路板類零件的3D打印應(yīng)用

立體光固化SLA(Stereo lithography Appearance)技術(shù)的原理如圖3所示，在盛滿液態(tài)樹(shù)脂的液槽中，通過(guò)偏轉(zhuǎn)鏡控制激光的行走路徑，液態(tài)光固化樹(shù)脂在激光的照射下迅速聚合成型，完成一層后液槽下沉一定高度，刮平繼續(xù)成型下一層，逐層照射，最終形成所需要的零件。該3D打印技術(shù)具有成型精度高、表面光潔、成型尺寸大等特點(diǎn)，通過(guò)選取透光性光固化樹(shù)脂，可以打印透明的零件，便于觀察產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖4為采用SLA技術(shù)打印的火車用制動(dòng)盤，尺寸達(dá)到了φ640 mm×80 mm，由于尺寸較大，采用兩半分別打印、整體粘接的技術(shù)，材質(zhì)為Somos WaterShed XC，精度達(dá)到0.15 mm，該模型可以用來(lái)制作消失模；圖5為采用SLA技術(shù)打印的機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)的氣路板零件，尺寸為500 mm×291 mm×22 mm，材質(zhì)為全透光敏樹(shù)脂，可以非常清晰的觀察產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由上下兩個(gè)部分組成。

1-零件；2-制板；3-氦-鎘激光器；4-光固化樹(shù)脂；5-液體表面；6-升降臺(tái)。圖3　立體光固化技術(shù)SLA成型原理[6]

圖4　鐵路制動(dòng)盤SLA打印實(shí)例

圖5　制動(dòng)控制氣路板SLA打印實(shí)例

1.3　3D打印金屬間接成型

比較常用的3D打印金屬間接成型工藝，是將聚合物粉末和金屬粉末的混合物進(jìn)行3D打印，通過(guò)聚合物粘接金屬粉末，然后加熱以降解聚合物并二次燒結(jié)金屬粉末，最后滲入熔點(diǎn)較低的金屬提高零件致密度。另外一種比較常用的3D打印金屬間接成型工藝，是先通過(guò)3D打印技術(shù)打印出金屬零件的原型蠟?zāi)；蛏靶湍改＃缓髮⒃拖災(zāi)７瞥赡改＿M(jìn)行澆注，或者用砂型母模直接進(jìn)行鑄造。這種工藝成本不高，相比于金屬直接成型，費(fèi)用大大降低，同時(shí)不需要開(kāi)金屬模具，適用于小批量的試制。圖6為采用激光選擇性燒結(jié)SLS(Selective Laser Sintering)技術(shù)打印蠟?zāi)＃缓笸ㄟ^(guò)蠟?zāi)７剖嗄６蛴〉慕饘倭慵瑘D7為采用SLS技術(shù)打印的覆膜砂型以及使用該砂型鑄造出的鋁合金零件。

圖6　SLS打印蠟?zāi)５拈g接成型工藝

圖7　SLS打印砂模的間接成型工藝

圖8為采用EOSINT M設(shè)備打印的尼龍材質(zhì)物料托盤，該托盤表面有凸起、有凹坑，采用機(jī)加工方法比較費(fèi)料、耗時(shí)，采用SLS工藝不受結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度影響，可以快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)的托盤是否滿足生產(chǎn)要求。

圖8　采用SLS工藝打印 尼龍物料托盤

1.4　3D打印金屬直接成型

金屬零件的3D打印直接成型原理是將金屬粉末或絲材，在激光或電子束等加熱條件下，按軟件設(shè)定的路徑同步熔化、堆積，最終成形出設(shè)計(jì)的零件實(shí)體[2]。金屬3D打印的熱源主要有激光、電子束或電弧，原材料狀態(tài)主要為粉末和絲材，成形方式主要包括鋪料、送料條件下的燒結(jié)成形及熔化成形[7-8]。選擇性激光熔化SLM(Selective Laser Melting)技術(shù)的成型原理如圖9所示。該工藝不需要制備毛坯件、模具加工，省去了中間反復(fù)翻模的過(guò)程，成型過(guò)程簡(jiǎn)單。另外，近年來(lái)還出現(xiàn)了將金屬的直接3D打印與傳統(tǒng)機(jī)加工工藝相結(jié)合的新技術(shù)，進(jìn)一步提高了3D打印零件的尺寸精度，如德國(guó)弗朗和夫生產(chǎn)技術(shù)研究所融合材料添加和去除方法開(kāi)發(fā)了控制金屬堆積CMB(Controlled Metal Buildup)技術(shù)，該技術(shù)配備了銑切裝置，在掃描沉積了一層后，利用銑切來(lái)加工每一層的表面輪廓使之平整，這樣就改善了零件的精度和表面光潔度。據(jù)報(bào)道在制造不銹鋼零件時(shí)，可以達(dá)到100%致密度。該系統(tǒng)增材工藝采用同軸送絲激光熔覆技術(shù)，所用材料為所有可焊接金屬[10]。圖10為采用德國(guó)Concept公司3D打印設(shè)備，利用SLM技術(shù)打印的鐵路用制動(dòng)控制器的蓋板和支架，尺寸為270 mm×220 mm×140 mm，材質(zhì)為鋁合金。

1-送料桶；2-鋪粉刮刀；3-氮?dú)饣驓鍤夤ぷ魇遥?-掃描系統(tǒng)；5-光纖激光器；6-多余粉末收集桶；7-工作平臺(tái)。圖9　選區(qū)激光熔化SLM技術(shù)原理[11]

圖10　制動(dòng)控制器零件的SLM打印實(shí)例

2　常用3D打印技術(shù)的對(duì)比

如上面所述，不同的3D打印技術(shù)具有不同的打印材質(zhì)、精度、成本、應(yīng)用場(chǎng)合。為了更好地對(duì)比它們的特點(diǎn)，通過(guò)表1選擇幾種典型的3D打印技術(shù)進(jìn)行對(duì)比。由于成型精度主要取決于層厚，因此表1用層厚代表成型精度，可成型的層厚越小，精度越高。

表1　3D打印技術(shù)的對(duì)比

通過(guò)表1，可以看出FDM、SLA、SLM等技術(shù)的加工周期較短，主要是因?yàn)椴簧婕爸颇：丸T造的過(guò)程，零件直接打印成型，并且打印金屬的SLM技術(shù)成本要大大高于打印塑料的FDM和SLA技術(shù)，但塑料零件顯然無(wú)法進(jìn)行功能試驗(yàn)；SLS和砂型鑄造的間接成型方法，周期相對(duì)較長(zhǎng)，但仍然比一般的鑄造工藝節(jié)省40%的時(shí)間，其鑄造精度與普通砂型鑄造無(wú)區(qū)別，主要取決于鑄件的尺寸和具體結(jié)構(gòu)，采用ZL105材質(zhì)打印的零件，精度可達(dá)到GB6414-CT10級(jí)；SLS和石膏鑄造的間接成型方法，周期不長(zhǎng)，同樣尺寸規(guī)格的零件，鑄造精度可達(dá)到GB6414-CT4級(jí)，成本只有SLS和砂型鑄造的一半左右。因此，綜合比較來(lái)看，采用SLS與石膏鑄造是一種比較經(jīng)濟(jì)、精度相對(duì)較高、周期響應(yīng)比較快的間接成型方法，同時(shí)由于是金屬零件，可以進(jìn)行零件的功能試驗(yàn)，快速驗(yàn)證設(shè)計(jì)。需要指出的是，即便精度達(dá)到GB6414-CT4級(jí)，但關(guān)鍵配合尺寸仍然需要機(jī)加工。

3　結(jié)束語(yǔ)

目前3D打印技術(shù)特別是金屬成型工藝，主要應(yīng)用在航空、航天領(lǐng)域，鐵路行業(yè)應(yīng)用的不多，但隨著對(duì)3D打印技術(shù)的研究和成本降低，其在鐵路行業(yè)必將具有廣闊的應(yīng)用前景，特別是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件試制，比如閥體、氣路板、制動(dòng)盤等。不同3D打印技術(shù)能發(fā)揮不同的作用，如FDM和SLA工藝可以用于零件原理分析和生產(chǎn)教學(xué)，SLS可用于金屬間接成型加工，SLM或EBSM可用于金屬的直接成型加工。

隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，如何有效融合增材加工和減材加工技術(shù)，進(jìn)一步提升3D打印金屬零件的精度，減少甚至消除3D打印的后續(xù)機(jī)加工工序，將成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。另外，如何有效拓展3D打印應(yīng)用的金屬材質(zhì)，并降低3D打印的成本，使其應(yīng)用更加普及，對(duì)于該技術(shù)本身在鐵路領(lǐng)域的成長(zhǎng)也至關(guān)重要。更早的摸索3D打印在鐵路制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用，將有助于我們對(duì)于前沿技術(shù)的理解，提升開(kāi)發(fā)效率，避免鐵路行業(yè)在新一代前沿技術(shù)革命中喪失先機(jī)。