论文《修理机车车辆时使用增材制造技术探讨》-仁创编译转载
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摘要：文章首先介绍了增材制造技术的定义。详细论述了世界上3D打印技术的发展现状及在机车车辆上的应用情况。指出应用该项技术的优势和某些不足。
关键词：增材制造技术;3D打印;应用;优势;机车车辆
现行的机车车辆技术维修保养方法之一为增材制造技术。增材制造技术或者3D打印技术的创始国是美国。3D系统公司的创立者是美国工程师査尔斯.赫尔。他在1986年装配出了世界上第一台3D打印机(SLA打印法，下文中简称SLA)。该项技术的首次实际应用是在国防领域。1986年，另一位美国工程师斯考特.克伦普研发并开始生产一种以逐层堆积原理工作的装置(FDM打印，下文中简称FDM)。至于“3D打印”这个名词则于1995年由麻省理工学院首次提出。FDM的原理是：通过将一层层的聚合物材料逐层堆积起来建造成一个三维的物体。SLA则是在紫外线激光辐射的作用下将照相聚合材料一层接一层地凝固下来，“培养”成立体的三维物体3如今还有一些其他的方法：多结构的模拟法(MJM)，用此方法可以获得细节高度清晰的制品。还有SLS技术和SLM技术。这两种方法可以制造由金属粉末作为原料的零件。工业上应用最为广泛的两种生产金属零件的增材制造技术是：直接引导能量和材料的方法(DMD)和合成添加法(PBF)。在第一种情况下，打印头会沿着零件的外形轮廓移动，同时供应一份金属粉末或者金属丝料。而热辐射源(激光、电子束、等离子体)的能量使打印材料熔化，最终形成全金属的零件。在第二种情况下，预先涂覆上去的金属粉末层被熔化。这些工艺称之为金属的增材制造工艺，英文名为MetalAdditiveManufacturing。如今，3D打印在许多领域获得了越来越广泛的应用。3D打印技术广泛应用于如图1所示的领域中(根据WohlersReport2018)〇国外一些铁路技术装备的生产厂商也在自己的收稿日期：2020-06-13生产中开始采用3D打印技术。例如，2018年9月，西门子集团的列车技术维修保养数码中心，即RRX多特蒙德铁路服务中心开张，在RRX中心里，安装了由Stratasis公司生产的3D打印机Fortus450mc。使用该打印机是为了制造非金属备件和工具。其中，在该设备上打印出了RRX中心内部供移动小车使用的专用附件(见图2)。以前使用传统方法制造的机车车辆非金属配件，现在可以以快好几倍的速度制造出来。与其他先进的工艺一起，在RRX中心里引人注目的增材制造技术可以确保列车完好性保持在超过99%的水平。AngelTrains是一家处于国际领导地位的英国机车车辆租赁公司。一开始它与ESGRail和Strata-sis公司进行合作，这两家公司为AngelTrains公司提供工程-咨询服务。该项合作的目的是在生产中通过使用3D打印技术来解决更换陈旧的铁路备件的问题。在初期生产的框架里，英国首创的想法是要生产出4种机车车辆上的零件。这4种零件，其中包括把手、手柄、座椅上的折叠小桌。对于3D打印技术来说，制造这些零件是完全有把握的。借助于Stmtasis公司所谓的“熔化成型”(FDM熔化堆积成型)工艺，许多适合于增材制造的零件被设计出来。ESGRail公司则对这些零件进行了结构评估，以便今后采用Stmtasis公司的打印机和热塑性材料(准许在铁路领域使用)来生产某些零件。
新的高科技材料(其中有StratasisAntero800NA。这是一种以聚脂酮为基的热塑性塑料)已经按照EN45545-2铁路标准的规定在进行试验。荷兰的铁路(NS)在修理列车时也使用由3D打印技术生产的零件。首个在3D打印机上生产的零件是司机室里GSM-R系统车载装置的操纵台架。要搞到老式的操纵台架已经不可能了，此时，大约也就需要10个这样的制品。新的台架就按照老样子来生产，而且当时生产厂家随机附带的图样老早就没有了。后来，按同样的工艺制造出了其他的配件，在它们中间可分解为扬声器、放置电缆的嵌槽等。今后，荷兰铁路打算扩大3D打印技术在列车技术维修保养方面的使用，并计划发展同从事该领域的公司的合作。2016年8月，拉脱维亚铁路(LDZ)开始了与Baltic，eu公司的合作。Baltic，eu公司是一?家用3D打印机生产零件的公司。2016年底，LDZ公司的实验室在采购了“PhareahED40”3D打印机后开始了使用3D打印技术生产零件的实践。道加夫皮尔斯中心(LDZ公司的下属机构)继续制造所有能造的零件，其中包括通风装置、防风玻璃清洁器雨刷传动装置保护壳、灯光指示器、风管扩散器。在3D打印技术的基础上打印出了一些零件，它们中有些已经退出使用，例如换向器手柄、自动停车装置的电空阀锁扣、各种接线盒和其他比较简单的零件。
统计表明，在生产灯光指示器时使用增材制造技术可以得到最大的收益。灯光指示器常常会产生问题，且无法拆解。因此，二极管过热后就要全部更换。它们的采购费用为90欧元，而用增材制造技术生产只需要上述费用的五分之一。此外，该项技术可以节省时间，因为在一昼夜里就可制造出20个类似的灯管。风管扩散器的打印制造也是一个成功的例子。现在工厂里已经不生产风管扩散器，这种产品在制造时比较复杂。而在用3D打印机制造这种金属零件时，仅仅需要25h。该零件在道加夫皮尔斯机车修理中心进行了试验。在俄罗斯，增材制造技术领域的标准化由专业技术委员会TK182负责。至今已经为增材技术制订了一些标准文件，例如r〇CTP57558-2017/ISO/ASTM52900：2015“增材制造技术方法原则第一部分名词和定义”。还制订了国家标准：“增材制造技术方法用的材料的缺陷类型”和“增材制造技术金属制品质量和性能的确认”。采用增材制造技术的较大优势是，减少了后勤方面的花费，优化了物料储存的可能性和优化资源管理的方式。有可能打印出任何形状的由各种各样材料制造的附件和零件，包括金属基的材料。3D打印方法可以只制造所需数量的备件，从而可明显减少生产的花费和时间。应用于3D打印的非金属材料并不昂贵，在先进的3D打印机上用增材制造技术建造一个样件在样件制造阶段来说是最为合适的。先进的通讯技术可以远程接人机床。从而没有必要再去重新培训大量人员。今天，越来越多地把注意力放在生态问题上。所以增材制造技术得到了代表绿色环保运动人士的大力支持。因为3D打印技术要比传统的生产方法大幅减少了废弃物。采用增材制造技术可以在修理企业直接打印出必需的零件，而专业化的自动设计系统(CAI1P)，例如Nettabb程序软件，具有计算零件理想形状的功能。这样就有可能减轻零件的质量，以及降低为打印出零件所必需的材料数量。图3为借助专业化的自动设计系统改进了零件设计的例子。增材制造技术的缺点是，至今用于制造金属零件的3D打印机以及供其打印的材料的价格比较高。此外，某些类型的制品需要作进一步的处理，例如抛光处理;对于机车车辆重要部件上的一些零件需要得到相应的认证;现行的一些修理工艺和标准文件也需要作一些修改。国外在进行机车车辆的技术维修保养时，主要采用3D打印机打印非金属零件。不过随着3D打印机和耗材的生产竞争越发激烈，它们的价格会越来越越便宜。增材制造技术已经开始经常用来制造金属零件。为了使用类似技术而获得最大的经济效益，俄罗斯必须在考虑该领域最新研发成果(包括考虑修理企业所在城市中能提供该项服务的公司)的情况下，评估在机车车辆技术维修作业过程中采用增材制造技术的可能性。
作者：谢小海
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