应用聚焦：铁路行业的 3D 打印

在过去的 12 个月中，包括 Deutsche Bahn、Bombardier 和 Angel Trains 在内的许多铁路公司已投资 3D 打印或一直在提高其 3D 打印能力。

根据安永最近的一份报告，物流和运输行业中有 16% 的公司现在正在使用 3D 打印来制造备件。

是什么推动了这种采用？

在本周的应用聚焦中，我们将着眼于铁路行业增加采用增材制造 (AM) 背后的驱动因素，同时探索最激动人心的用例。

看看本系列中涵盖的其他应用程序：

热交换器的 3D 打印

轴承3D打印

用于自行车制造的 3D 打印

用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

用于医疗植入物的 3D 打印

3D 打印火箭和航天器制造的未来

鞋类制造的3D打印

电子元件3D打印

3D 打印眼镜

用于终端零件生产的 3D 打印

支架的 3D 打印

涡轮机零件的 3D 打印

3D 打印如何实现性能更好的液压元件

3D 打印如何支持核电行业的创新

铁路公司为何采用工业3D打印？

建造火车绝非易事，因为它需要高质量的组件来使火车保持在轨道上，通常可以运行数十年。

但是当某些组件损坏时会发生什么？为最近制造的零件找到替代品可能相对容易，但是，对于 20 到 30 年前制造的零件，过程变得复杂。

在很多情况下，铁路公司都面临着所需备件停产或厂家停业的情况。鉴于所需的备件数量很少，重新设计和制造零件，使用适合大批量生产的传统方法，通常没有经济意义。

火车每天的停机成本是也相当高，促使铁路公司寻求以更快、更便宜的方式生产过时备件的新方法。

3D 打印正在成为可以解决此类问题的技术之一。它是一种数字化制造技术，这意味着它依赖于数字化工作流程，不需要模具等额外工具来创建零件。

无工具生产，由 3D 打印提供，可以显着减少过时备件的制造时间，在某些情况下可以减少多达 95%。该过程还经常与逆向工程相结合，特别是当零件的原始设计丢失时。

通过这种方式，铁路公司可以加快列车的维护过程，使列车比以前更有效地恢复使用。

铁路行业3D打印的早期采用者像德国铁路公司一样，已经确定了多个可以 3D 打印的部件作为替代品。其中包括咖啡机零件、衣帽钩、方向盘套、头枕框架，甚至盲人旅行者的盲文路标。但是，可以为铁路行业进行 3D 打印的零件清单正在不断扩大。

在铁路行业采用 3D 打印的另一个驱动因素是能够更快地按需生产夹具和固定装置等制造辅助工具。虽然不太公开的用例，但 3D 打印工具通常比传统工具更轻，并且可以按照人体工程学设计，为工人提供更大的易用性。

用于铁路零件的 3D 打印技术

铁路行业的大多数 3D 打印备件和工具都是使用聚合物添加剂技术制造的，例如熔融长丝制造 (FFF) 和选择性激光烧结 (SLS)。这些技术经过优化，可用于高性能热塑性塑料，如尼龙和 ULTEM。

要用于列车部件，这些材料必须符合行业的防火安全标准。有几家公司提供阻燃热塑性塑料。例如，Stratasys 开发了一种符合铁路标准 EN45545-2 的防火安全材料。

复合 3D 打印机开发商 Markforged 最近还推出了一种阻燃尼龙基复合材料。除了航空航天、汽车和国防工业外，该材料还旨在扩大 3D 打印在铁路行业的应用范围。

虽然铁路行业 3D 打印的大多数零件都是聚合物零件，但金属 3D 打印也越来越受欢迎。选择性激光熔化 (SLM) 和金属粘合剂喷射等技术最常用于制造铝、钢和最近的钛等金属零件。

3D打印在铁路行业的应用

Deutsche Bahn 3D 打印金属替换零件

德国铁路公司 Deutsche Bahn 一直是采用 3D 打印备件的先驱之一。在过去几年中，德国铁路已经确定了将 AM 用于 100 多个用例的可能性。大多数零件都与可用性相关，这意味着它们可能难以采购，从而导致长达一个月的车辆停机时间。

此类零件的一个示例是用于 294 类机车的轮对轴承盖。该型号于 1960 年代和 1970 年代投入使用，并且缺少某些组件的备件，例如此盖。

传统上，德国铁路需要使用铸造工艺生产新零件。但是，这种方法通常涉及较高的最低采购数量，并且零件交付可能需要几个月的时间。

AM 似乎是一种自然的替代方案，因为它能够更快地按需创建此部件。该公司求助于服务局，该服务局使用电弧增材制造 (WAAM) 技术 3D 打印了轴承盖。 WAAM 工艺使用线材作为原材料。金属丝通过喷嘴送入并逐层焊接到最终工件中。

该部件重 13 公斤，仅用 7 小时就完成了打印，为德国铁路公司提供了增加部件等优点可用性和显着降低的制造成本。

Siemens Mobility：3D 打印工具

Siemens Mobility 是一家专门从事智能交通系统和铁路技术的公司，在其 RRX 铁路服务中心采用 3D 打印技术生产复杂的工具和备件。

在一个例子中，新的维修站用 3D 打印技术打印了一种用于列车转向架维修的重要连接器工具（转向架是承载轮对轴的底盘或结构）。使用传统方法生产非常困难，因为该工具具有复杂的形状，需要高度定制。

此外，转向架重达数吨，这意味着它们需要由坚固耐用的材料制成，以承受火车行驶时施加的巨大压力。

作为替代方案，该中心的团队使用了 Stratasys 的 FDM 技术和工业级 ULTEM 9085。3D 打印使 Siemens Mobility 能够利用 3D 打印的定制优势并为此取代传统的制造方法工具应用。

该公司还报告说，3D 打印工具帮助他们减少了对通过供应商的外包工具的依赖，并降低了每个零件的成本。

Angel Trains 对 3D 打印的探索

机车车辆租赁公司 Angel Trains 最近与 Stratasys 合作，寻求 3D 打印列车内部组件，例如扶手、把手和座椅靠背桌。

所选择的组件现在正在在役旅客列车上进行试验。到目前为止，审判是积极的。例如，3D 打印扶手的生产只用了一周——与使用传统制造方法相比减少了 94%

该公司正在使用 Stratasys FDM 技术，并结合高温 ULTEM 9085热塑性塑料，可按需 3D 打印备件。据说使用的灯丝符合铁路行业标准（特别是铁路标准 EN45545-2），并且比传统的热塑性塑料具有更高的耐火性和耐用性。

在另一种情况下，3D 打印有助于Angel Trains 生产把手替换件。原厂备件陈旧，供应商倒闭。使用传统方法制造备件需要生产新的制造工具，这可能会产生高达 15,000 英镑的成本和两个半月的交货时间。

但是，使用 FDM 3D 打印，该公司能够在短短三周内以显着降低的成本生产火车所需的所有七个把手。

令人兴奋的是，Angel Trains 也在探索新的 3D 打印定制可能性。例如，该公司正在寻找机会使用盲文 3D 打印座椅靠背桌，告知乘客厕所距离他们的座位十排。

如果成功，这样的应用可以显着改善未来的列车服务和乘客体验。

CAF 在 3D 打印方面的成就

西班牙铁路车辆、设备和公共汽车制造商 CAF 也成功地使用 3D 打印生产备件和功能部件。据称，自 2016 年 9 月以来，CAF 已经生产了大约 2400 个 3D 打印部件用于其机车车辆，包括杯架、无线电支架、窗框、雨刷盖和门支架。

该公司还使用大规模 3D 打印来生产长达数米的外部零件。其中包括一个前端组件，它是为 Urbos 有轨电车进行 3D 打印的。据推测，该部件是使用由西班牙制造商 CNC Bárcenas 开发的 Super Discovery FFF 3D 打印机进行 3D 打印的。

CAF 将生产具有不同尺寸和复杂几何形状的零件的能力称为 3D 打印技术的主要优势。该公司表示，这有助于他们在生产组件时打破对模具和原始图案的依赖，从而缩短新零件的上市时间。

其他示例

开始探索 3D 打印的铁路公司数量正在增加。

例如，庞巴迪准备安装 Stratasys 3D 打印机，以加速和定制轨道零件生产。该制造商计划使用该技术来 3D 打印列车内部和外部部件，例如风管、外壳和电缆支架。

Wabtec Corporation 是轨道交通行业的全球制造商，也加入了 3D 打印的行列。今年夏天，该公司投资了 GE Additive 的 H2 粘合剂喷射技术。 Wabtec 已经确定了其产品线中多达 250 个组件的用例，可以使用 AM 制造。

铁路行业的 3D 打印：变革性影响

在铁路行业使用 3D 打印的好处越来越明显。该行业的公司渴望实施该技术，以解决过时的备件以及工具和最终使用组件的交货时间过长的问题。

但是，上面的例子表明，对于大多数公司来说，3D 打印之旅才刚刚开始。他们需要时间和金钱来弄清楚如何最大程度地利用这项技术。但在旅程结束时等待的奖励有望为铁路的供应链和服务运营带来变革性的积极影响。