3D 打印技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用

1 背景

使鐵路系統(tǒng)的可用性達(dá)到100%是處于巨大競(jìng)爭(zhēng)壓力下的德國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)商的首要任務(wù)。鐵路車輛的維護(hù)尤其是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，因?yàn)槠溆蓴?shù)千個(gè)部件組成，一個(gè)微小、簡(jiǎn)單部件的故障就可能導(dǎo)致整列列車運(yùn)行異常。鐵路運(yùn)營(yíng)商應(yīng)對(duì)需要經(jīng)常更換的部件進(jìn)行儲(chǔ)備，以供維修之用，但生產(chǎn)和儲(chǔ)存所有這些部件可能要付出巨大的成本，因?yàn)槠渲械脑S多部件最終并未得到使用。

對(duì)某部件可能產(chǎn)生缺陷或損壞的運(yùn)行時(shí)間周期進(jìn)行預(yù)測(cè)并非易事。事故、自然災(zāi)害和故意破壞等意外狀況的發(fā)生也難以預(yù)測(cè)。一旦發(fā)生這些情況，通常會(huì)造成列車停運(yùn)，危及鐵路運(yùn)營(yíng)安全，并為鐵路運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)?yè)p失。因此，問(wèn)題解決得越快，損失越小。

此外，鐵路運(yùn)營(yíng)不僅對(duì)鐵路系統(tǒng)的可用性和安全性有極高的要求，而且在設(shè)計(jì)美學(xué)、乘客舒適度等方面也設(shè)立了高標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備故障造成的乘客不良乘車體驗(yàn)會(huì)對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生消極影響。例如，列車衛(wèi)生間的馬桶故障會(huì)嚴(yán)重影響乘客的乘車舒適度，并對(duì)運(yùn)營(yíng)商的形象產(chǎn)生負(fù)面影響，從而間接影響其價(jià)格定位和品牌價(jià)值。

只有確保維修中心的材料供應(yīng)順暢，才能解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)使鐵路系統(tǒng)可用性達(dá)到100%的目標(biāo)。而工業(yè)3D打印可滿足這一要求。

2 3D 打印技術(shù)

2.1 概述

3D打印（又稱“增材制造”）技術(shù)是一種快速成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。目前，該技術(shù)已在各行業(yè)得到應(yīng)用，其在鐵路行業(yè)的附加值也不斷上升。3D打印的原材料包括各種塑料、金屬（如鋁合金（AlSi10Mg）、不銹鋼（1.4404）等）及復(fù)合材料。這些原材料通過(guò)逐層打印的方式被塑造成所需的物體，每層的厚度只有不到1 mm。在打印過(guò)程中，無(wú)需模具，僅以數(shù)字模型為基礎(chǔ)塑造3D物體。

打印時(shí)間由部件大小決定，對(duì)于小型塑料按鈕或選擇器開(kāi)關(guān)僅需幾分鐘，而對(duì)于大型護(hù)板部件則需要數(shù)小時(shí)。

打印質(zhì)量的決定性因素是對(duì)復(fù)雜材料混合物相關(guān)專業(yè)知識(shí)的掌握。

此外，為保障3D打印部件的高質(zhì)量、順暢生產(chǎn)，必須進(jìn)行全生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化管理。

2.2 使用范圍

3D打印技術(shù)的巨大優(yōu)勢(shì)在于其高度的靈活性，即可以制造出各種形狀的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)多樣化的功能（甚至仿生學(xué)功能）。因此，利用此技術(shù)，可以實(shí)施在其他制造過(guò)程中無(wú)法實(shí)施的技術(shù)解決方案和產(chǎn)品改進(jìn)方案。從制造用于展示或測(cè)試的單個(gè)物品，到小、中規(guī)模生產(chǎn)，再到批量生產(chǎn)，其應(yīng)用廣泛，可滿足各種規(guī)模的生產(chǎn)要求。其應(yīng)用目的在于，通過(guò)降低成本提升用戶收益。

在鐵路行業(yè)，3D打印可應(yīng)用于以下場(chǎng)景：

（1）通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)整對(duì)部件進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)和優(yōu)化；

（2）由于該技術(shù)具有高度靈活性的特點(diǎn)，無(wú)需設(shè)計(jì)和生產(chǎn)昂貴的模具，因此可用于生產(chǎn)所需數(shù)量少的部件，以節(jié)約成本；

（3）生產(chǎn)組件中的單個(gè)零件；

（4）針對(duì)個(gè)性化或非常特殊的產(chǎn)品需求，進(jìn)行快速、低成本的部件生產(chǎn)；

（5）當(dāng)部件由于老舊而不可用時(shí)，利用該技術(shù)能夠以合理成本重新生產(chǎn)部件；

（6）由于該技術(shù)具有生產(chǎn)快速的特點(diǎn)，可用于生產(chǎn)交貨期短的產(chǎn)品，以防止延遲交貨。

3D打印的產(chǎn)品范圍包括功能部件、備件、樣件、工具、設(shè)備等。每當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)涉及以下因素時(shí)，即優(yōu)化組件、降低一次性成本、縮短維修時(shí)間或?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性，可考慮采用此技術(shù)。

3 Siemens Mobility 的 3D 打印技術(shù)

西門子交通公司（Siemens Mobility）憑借其一貫推行的數(shù)字化方法、數(shù)十年積累的鐵路系統(tǒng)部件知識(shí)以及先進(jìn)的3D打印基礎(chǔ)設(shè)施，成為世界鐵路行業(yè)3D打印技術(shù)的先驅(qū)之一。

3.1 概述

為確保其鐵路系統(tǒng)的高可用性，Siemens Mobility創(chuàng)建可用性聯(lián)盟（Alliance for Availability）。這是一個(gè)開(kāi)放的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，鐵路產(chǎn)品制造商、供應(yīng)商、運(yùn)營(yíng)商和研究機(jī)構(gòu)可通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)分享其專業(yè)知識(shí)、技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)和流程。利用此系統(tǒng)，還可在智能監(jiān)控和智能測(cè)量的基礎(chǔ)上采集各鐵路系統(tǒng)及其部件狀況相關(guān)的精確數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)安全、實(shí)時(shí)地傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)服務(wù)中心，并采用最新算法對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各系統(tǒng)和部件的預(yù)測(cè)性維修。通過(guò)在該系統(tǒng)中與各方緊密合作，以及采用最先進(jìn)的技術(shù)，Siemens Mobility各系統(tǒng)的可用性高達(dá)100%。

3D打印技術(shù)是該系統(tǒng)的重要內(nèi)容。利用這項(xiàng)技術(shù)，可在極短的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出各種部件，小至門把手，大至完整的車頭；能夠以低成本對(duì)部件設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，從而為相關(guān)應(yīng)用提供智能且經(jīng)濟(jì)的解決方案。例如，列車無(wú)線調(diào)度電話（圖1）是為鐵路行車指揮人員和列車駕駛員之間進(jìn)行聯(lián)絡(luò)而設(shè)置的專用電話，其經(jīng)常發(fā)生的故障是電話按鈕失靈，這會(huì)導(dǎo)致整部電話被更換和廢棄。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，Siemens Mobility在利用3D打印技術(shù)制造該按鈕的同時(shí)，還對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，以便在短時(shí)間內(nèi)通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的步驟對(duì)其進(jìn)行更換。這就是Siemens Mobility提供的高度靈活的“Easy Sparovation Part”服務(wù)。其目標(biāo)在于，與用戶緊密合作，對(duì)車輛部件進(jìn)行現(xiàn)代化改造，以優(yōu)化人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，集成新功能，減少所需的單個(gè)部件數(shù)量。此外，在設(shè)計(jì)部件時(shí)，Siemens Mobility還會(huì)將材料研究的最新發(fā)現(xiàn)和相關(guān)法律條文的變更納入考慮范圍。

圖1 列車無(wú)線調(diào)度電話及其3D打印按鈕

Siemens Mobility還為其客戶提供3D打印相關(guān)的咨詢、培訓(xùn)、智能解決方案以及360°全方位服務(wù)，包括按需打印和批量生產(chǎn)部件，對(duì)部件進(jìn)行測(cè)量、掃描和數(shù)字化，制造和再造部件，以及根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試、檢驗(yàn)和批準(zhǔn)。迄今為止，Siemens Mobility已為超過(guò)100家客戶打印了13 000多個(gè)部件。

3.2 全球互聯(lián)的工業(yè) 3D 打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)

為充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和潛力，Siemens Mobility建立了一個(gè)全球互聯(lián)的工業(yè)3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)，提供從設(shè)計(jì)到最終檢驗(yàn)各環(huán)節(jié)無(wú)縫銜接的數(shù)據(jù)鏈。該網(wǎng)絡(luò)的核心是德國(guó)埃爾朗根（Erlangen）總部的3D打印技術(shù)中心（圖2）。此技術(shù)中心擁有十幾位工程、研發(fā)和生產(chǎn)領(lǐng)域的專家，以及諸多先進(jìn)的3D打印設(shè)備，包括用于獲取部件輪廓并將其轉(zhuǎn)換為CAD數(shù)據(jù)的高分辨率3D掃描儀、用于制造鋁合金和不銹鋼部件的選擇性激光熔化（SLM）3D打印機(jī)、用于制造阻燃塑料部件的熔融沉積建模（FDM）3D打印機(jī)，以及用于對(duì)打印部件進(jìn)行后續(xù)機(jī)械和熱處理（包括涂層）的專用設(shè)備。

圖2 埃爾朗根3D打印技術(shù)中心

此外，Siemens Mobility在世界其他國(guó)家和地區(qū)建立了6個(gè)擁有專門技術(shù)和相關(guān)工業(yè)3D打印機(jī)的基地，分別是德國(guó)的多特蒙德（Dortmund）、韋格伯格-維爾登拉特（Wegberg-Wildernrath）和布倫瑞克（Braunschweig）基地，英國(guó)的奇彭納姆（Chippenham）基地，以及俄羅斯的莫斯科（Moscow）和圣彼得堡（St.Petersburg）基地。該網(wǎng)絡(luò)還在不斷擴(kuò)展，最近加入該網(wǎng)絡(luò)的是奧地利維也納（Vienna）基地，它可以批量生產(chǎn)部件和備件。

Siemens Mobility在世界各地分散設(shè)置生產(chǎn)基地，創(chuàng)建全球互聯(lián)的工業(yè)3D打印機(jī)網(wǎng)絡(luò)，為其贏得了巨大的運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)，具體體現(xiàn)在：①縮短產(chǎn)品運(yùn)輸（尤其是跨國(guó)運(yùn)輸）的時(shí)間和距離，降低運(yùn)輸成本，減少CO2排放量；②盡可能靠近客戶，以便與客戶進(jìn)行直接、近距離的交流。

此外，該網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)還在于，可以將各地、各用戶的需求和問(wèn)題集中到技術(shù)中心，由其制定出適合的解決方案，再共享到網(wǎng)絡(luò)中。一個(gè)應(yīng)用范例可以推廣到世界各地類似的任務(wù)和情況中，從而顯著加快對(duì)問(wèn)題案例的評(píng)估和相關(guān)解決方案的開(kāi)發(fā)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，其軟硬件不斷得到改進(jìn)，其功能將更加強(qiáng)大。這些發(fā)展都將加速3D打印在鐵路行業(yè)的推廣應(yīng)用，使鐵路系統(tǒng)的維修保養(yǎng)更加快捷、靈活、經(jīng)濟(jì)、智能和可持續(xù)。