用3D打印技術增強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，機車、軌道車輛和列車是否可用，對軌道交通的可靠性至關重要。德國聯邦鐵路公司（Deutsche Bahn，以下簡稱德鐵））有 7,000 多名員工從事著車輛養護工作，為由數千車輛組成的車隊保駕護航。其中，備件的庫存和采購是一項巨大的挑戰。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，德鐵在一個試點項目中首次使用了 GEFERTEC 的 3DMP® 工藝。
1966 至 1974 年， 294 系列機車在德國聯邦鐵路公司營運
“可用性對我們公司來說是一個非常重要的課題”， 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用。這位材料學專家認為，除原型制造和工具領域，備件業務尤其大有可為。 德鐵所購買的數千輛列車和機車的養護都由自己進行，這就存在著一個很大的問題：對于老舊的機車，經常面臨原廠備件停產的情況。
Tina Schlingmann 博士在德國聯邦鐵路公司致力于增材制造方法的應用
9 個月的輪對軸箱蓋交貨期
在過去的幾年里， 德鐵總共在 100 多個使用案例中進行了有關增材制造的可行性研究。“事實證明，增材制造在與可用性相關的備件業務領域尤其大有可為”， Schlingmann 博士強調道。最近的一個案例是在 20 世紀 60 和 70 年代投入營運的一輛 BR 294 型機車的輪對軸箱蓋 ——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，導致軸承損壞，最糟糕的情況下，機車甚至可能因此脫軌。然而，這一備件的交貨期長達九個月，在此期間導致的機車停運，給公司帶來了巨大的經濟損失。輪對軸箱蓋的原始鑄件重達 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域專家 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
去年， Rolf Lenk 有一臺 GEFERTEC GmbH 的 arc605 機床投產，該機床所使用 3DMP® 工藝（見文本框），是能夠進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字形式的 3D 數據，因此首先需要進行完整的逆向工程，在完成該步驟后，還必須為線切割機床整理 3D 數據。在這個項目中所使用的 3DMP®CAM 軟件可從配件的數字模型生成特殊的 CNC 數據，然后使用軟件由線切割機床逐個焊道進行工件構造。“包括設置在內，在 GEFERTEC 機床上的實際生產時間只有大約 8 小時”， Rolf Lenk 公司項目專員 Matthias Otte 說道。在機床上完成基礎加工后，還需對近凈成形的配件進行切削加工。從構想、逆向工程到最終生產，整個項目共計用時兩個月。“這只是在初次生產工件時需要花費的時間”， M. Otte 強調說：“將來，根據機床的情況，我們可以將這一配件的生產時間縮短至 2 到 3 周。”
Matthias Otte 是 Rolf Lenk 公司的項目專員，他說：“包括設置在內，輪對軸箱蓋在
GEFERTEC 機床上的實際生產時間只有大約 8 個小時。”
德鐵和聯邦鐵路局的材料實驗室對成品配件進行過全面徹底的檢測。“除通常的材料學檢測之外，甚至還進行了計算機斷層掃描”， Schlingmann 博士講道。無一例外都是肯定結果，確證了 3DMP® 工藝進行輪對軸箱蓋生產的高品質。現在，只需完成德鐵組件的批準認證流程，該備件就能被順利安裝了。
數字化備件倉庫列入未來愿景
有關輪對軸箱蓋增材制造的可行性研究只是一個開始——未來，德鐵在該領域還有多項計劃：將備件倉庫數字化，以解決倉庫運營成本高昂、費用巨大的難題。所有配件將在其中以數字文件的形式提供使用，需要時，可以在合適的機床上進行增材制造。這一方案在提高備件可用性的同時，也將同步節約成本。因為除了生產成本外，公司還擔負著運輸和庫存成本。此外，關鍵配件還必須在其使用壽命結束后報廢。 Schlingmann 博士還特別指出這種解決方案的環境影響：“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”的環保主張。
輪對軸箱蓋采用 3DMP® 工藝打印（左）然后再進行切削加工（右）
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增材制造機床采用 3DMP® 工藝
GEFERTEC GmbH 的線切割機床使用了 3DMP® 工藝，該工藝已晉升為新的行業標準。這些機床使近凈成形的金屬坯件生產高效快速且成本低廉。工件的最終質量也完全符合使用標準加工方法生產的工件質量。 3DMP® 工藝使用線材作為原材料，利用它逐個焊道進行工件打印。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勢：無需進行成本高昂的粉末處理，生產更具經濟性，且已經適用于大多數標準材料。但最大的優點還是累積率非常高，根據所用材料的不同，每小時可多達 600 cm3。這使得線切割機床更適用于快速和經濟的生產，包括以鋼、鎳基、鈦或鋁為材質的大尺寸工件生產。線切割機床有適用于約 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。專門開發的 CAM 軟件可根據工件的 CAD 數據生成數據， CNC 控制系統利用這些數據可對焊接機頭進行精確定位。然后，機床會自動完成近凈成形工件的生產，并可采用傳統的 CNC 銑削技術進行最后加工。與其他制造工藝相比， 3DMP® 工藝優化了材料利用率，從而帶來了巨大的成本優勢，特別是對于鈦等貴金屬材料的生產：根據實際應用情況顯示，生產成本最多可降低 60 %。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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