3D 打印技術在鐵路行業的應用

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，顯著提高相關系統的可用性。目前，該技術已在各行業得到應用，其在鐵路行業的附加值也不斷上升。

奧地利聯邦鐵路公司（?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，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個大型備件生產車間。隨著技術的不斷發展，鐵路車輛、基礎設施零件的更新換代也日益加速，導致一些零件難以在市場上找到替代品，而用傳統方法生產又會大幅提高成本。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。

本文將對?BB-TS在3D打印技術應用方面的實踐與經驗進行介紹。

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，以數字模型文件為基礎，通過軟件與數控系統將專用的金屬、非金屬及醫用生物材料，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、組裝的傳統加工模式不同，是一種“自下而上”通過材料累加實現物件成型的制造方法，可擺脫傳統制造方式的制約，完成復雜結構件的制造生產。

3D打印技術的優點如下。

（1）可以打印各種復雜的三維形狀，使設計者能夠自由地創造出比傳統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，加快產品的開發和生產，為大規模定制鋪平道路。

（3）可按需生產零件，實現在短時間內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，從而大幅節省倉儲開支、簡化產品的維護工作。

3 3D 打印技術應用實踐

最初，?BB-TS只能現場打印非常小的塑料零件，因為歐洲鐵路行業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，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打印技術生產出來。歐洲鐵路行業的各種應用案例表明，3D打印技術已經達到了生產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領域有進一步發展的空間。

為推廣3D打印技術，使其更適應各領域、各專業的需求，?BB-TS針對?BB管轄的各區段、各部門、各專業工作人員進行需求調查，向其展示相關領域的應用可能性，并根據其需求量身定制3D打印解決方案。這是一項復雜的工作，因為每個區段、每列列車、每個零件對3D打印生產均有不同的要求，有的強調生產輔助設備的開發，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節，這些信息是上述機構和人員在日常工作中發現并總結的，制造商無法憑借自身經驗獲得。此舉措具有以下積極意義：在產品開發方面，可根據這些信息，對相關零件進行優化，從而大幅節省開發成本（圖2）；在維護方面，零件的優化可減小發生故障的概率，降低備件的采購成本，從而確保鐵路更高效地運營。

為提高生產效率，?BB-TS通過引入5S（即整理、整頓、清掃、清潔、素養）、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分析和優化；此外，還對生產場所進行改善，使其安全、有序、符合人體工程學要求，從而為員工創造更好的工作環境，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領域，發起了一場面向未來的變革，并積極推動創新，從單純的用戶發展成為該領域的技術領導者。其在該領域的實踐也為業內其他企業的相關發展提供了參考和借鑒。