增材制造技術(shù)越來越多的應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療保健、汽車和能源領(lǐng)域。盡管具有良好的設(shè)計靈活性、較短的交貨時間和較高的材料利用率，但鐵路行業(yè)對增材制造的應(yīng)用與航空航天和汽車行業(yè)相比仍有一段差距。此外，各種增材制造組件在維護(hù)、優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)中的作用尚不完全清楚。

近日，3D打印技術(shù)參考注意到，西南交大聯(lián)合華中科技、中車工業(yè)研究院、中車青島四方機(jī)車、北理工以及曼徹斯特大學(xué)發(fā)表了聯(lián)合綜述，總結(jié)了當(dāng)前鐵路行業(yè)利用增材制造技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，對增材制造部件的疲勞評估進(jìn)行了強(qiáng)調(diào)，詳細(xì)討論了應(yīng)對挑戰(zhàn)的潛在設(shè)計方法，包括公認(rèn)的結(jié)構(gòu)完整性和未來前景。研究結(jié)果不僅有利于鐵路工程增材制造技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，也有利于實現(xiàn)金屬部件的輕量化設(shè)計，改進(jìn)性能評估和安全檢查策略。

(a) 火車轉(zhuǎn)向架中使用的候選部件；(b) 防側(cè)傾系統(tǒng)支撐的拓?fù)鋬?yōu)化流程圖

一. 增材制造對鐵路行業(yè)帶來改變

與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，增材制造將3D制造轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚淖韵露系?D層沉積，從而大大降低了設(shè)計和制造的復(fù)雜性?？梢钥焖偕a(chǎn)出幾乎任何形狀的零件，這是增材制造的核心優(yōu)勢。

（1）設(shè)計自由度高

由于3D零件是逐層構(gòu)建的，因此在設(shè)計零件時，不再需要考慮傳統(tǒng)的設(shè)計規(guī)范，例如底切、工具進(jìn)入和拔模角度。這為設(shè)計師提供了前所未有的設(shè)計自由度，可以輕松創(chuàng)建非常復(fù)雜的幾何零件。結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化和其他設(shè)計工具，增材制造可用于生產(chǎn)性能優(yōu)異的輕量化零件。它還提供了整個部件的微觀結(jié)構(gòu)和成分變化的可能性，以局部定制屬性。

（2）縮短交貨期

作為一種數(shù)字制造技術(shù)，增材制造過程依賴于使用數(shù)字工作流程，無需工具（如模具）來構(gòu)建零件。以前，獲得原型可能需要幾天或幾周的時間，而增材制造將其縮短到幾個小時。增材制造支持的一步制造減少了其他工藝的使用，如機(jī)加工和焊接。盡管有些零件需要更長的后處理時間，但與傳統(tǒng)制造工藝相比，增材制造小批量生產(chǎn)最終用途零件的能力仍然可以節(jié)省大量時間，并能夠按需制造，從而避免可能會損壞的產(chǎn)品的可能性和最終變得過時/過剩。

（3）材料浪費減少

提高原材料和最終組件之間的重量比對于減少制造的經(jīng)濟(jì)影響至關(guān)重要。對于通過CNC銑削等減材制造制造的物體，在極端情況下，不到5%的原始材料可能構(gòu)成成品部件，從而產(chǎn)生高達(dá)95%的廢物。增材制造工藝通常會產(chǎn)生更少的浪費，因為材料只在必要時熔化，而且大多數(shù)原材料都可以回收利用。在激光熔化過程中，該過程生產(chǎn)出接近最終形狀的零件，導(dǎo)致廢品率約為5%。需要注意的是，增材制造原料可能無法完全回收，支撐材料和后處理加工也會產(chǎn)生廢料

（4）原型制造風(fēng)險降低

原型制作成本是設(shè)計師最關(guān)心的問題。即使是制造過程中的微小變化也可能對時間和成本造成巨大影響。在生產(chǎn)昂貴的組件（例如模具或工具和夾具）之前，通過增材制造制作的原型驗證設(shè)計可以消除原型制作過程中的重大風(fēng)險。

（5）小批量生產(chǎn)更具成本效益

如果需要數(shù)以千計的重復(fù)零件，設(shè)計模具可能是最經(jīng)濟(jì)的方式。但是，如果只需要少數(shù)相同的零件或過時的備件（不再制造的舊零件或制造商不再營業(yè)），增材制造可能是最經(jīng)濟(jì)、最快速的生產(chǎn)方法。增材制造不需要工具，使其成為小批量生產(chǎn)的最合適選擇。增材制造不僅適用于需要一次性生產(chǎn)的定制零件，也適用于按需制造零件。它允許企業(yè)根據(jù)需要生產(chǎn)備件，從而減少對倉庫空間和成堆備件的需求。

二. 增材制造技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用

經(jīng)過30多年發(fā)展，增材制造技術(shù)已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，然而應(yīng)用于鐵路行業(yè)卻是在最近十年才發(fā)生，許多鐵路公司和研究人員已經(jīng)開始考慮在本行業(yè)中使用該技術(shù)。相關(guān)應(yīng)用涉及使用激光熔覆修復(fù)表面損壞、制造不再生產(chǎn)的零件、打印復(fù)雜零件以及開發(fā)超高強(qiáng)度材料等等。?

（1）損壞零件修復(fù)

在鐵路車橋裝配、卸車、運行維護(hù)過程中，車橋的輪座、齒輪座、軸身等部位會受到劃傷、凹痕、微動磨損等，激光熔覆廣泛用于局部損壞部件的快速修復(fù)和再制造。

鐵路車軸的激光熔覆

激光熔覆鐵路軸材料

2010年，澳大利亞Hardchrome Engineering Pty Ltd首次提出利用激光熔覆技術(shù)對鐵路車軸進(jìn)行試修；2013年，皇家墨爾本理工大學(xué)針對軸面損傷開展了基于激光熔覆修復(fù)軸頸位置的研究；2017年，焊接研究所 (TWI) 檢測了大型金屬部件的激光熔覆工藝，該項目證明了激光涂層對鐵路車軸的適用性；中國中車、西南交通大學(xué)等國內(nèi)機(jī)構(gòu)也探索了激光熔覆用于鐵路車軸修復(fù)的研究，相關(guān)研究旨在為電動多單元車橋的再制造選擇最佳工藝參數(shù)，以滿足車橋的機(jī)械性能要求和輪對壓裝條件。除了鐵路車軸，激光熔覆還被用于修復(fù)鐵路車輪踏面、輻條板、齒輪箱等，并取得了一些成功。

（2）更換常規(guī)零件

在許多情況下，鐵路公司所需備件的生產(chǎn)可能已經(jīng)停止。此外，還必須考慮列車每天停運所產(chǎn)生的成本。為了解決這些問題，增材制造成為及時且低成本生產(chǎn)過時備件的一種選擇。德國國家鐵路德國鐵路DB公司在2015年就將增材制造技術(shù)應(yīng)用于鐵路設(shè)備的運維，其為每個維護(hù)車間配備了至少一到兩名增材制造專家，確定哪些部件可以有效打?。蝗鸬銼J AB列車運營公司也部署了該技術(shù)用來生產(chǎn)過時零件。

(a) 使用 WAAM 技術(shù)打印二次擋輥的過程；(b) WAAM 打印的近凈形輪對軸承蓋；(c) 打印的?轉(zhuǎn)向架連接器

使用增材制造技術(shù)快速生產(chǎn)模具也是鐵路行業(yè)的重要應(yīng)用，采用砂模打印無需其他工具即可快速生產(chǎn)原型和所需要的零件。除此之外，該技術(shù)的定制制造特點還可以減少對外包工具的以來，西門子移動在其 RRX鐵路服務(wù)中心采用增材制造來生產(chǎn)工具。

（3）優(yōu)化設(shè)計

近年來，增加有效載荷和降低維護(hù)成本一直是鐵路行業(yè)提高效率的最大問題。有效載荷的效率可以通過有效載荷比來量化，鐵路部件的重量優(yōu)化設(shè)計是提高有效載荷比的一種方法。

(a) 二級垂直阻尼器座(b) 抗蛇形阻尼器座?(c) 橫向止動器的拓?fù)鋬?yōu)化流程圖

基于增材制造復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)零件設(shè)計流程圖

雖然增材制造技術(shù)可以提供更多的設(shè)計自由度，但傳統(tǒng)零件（設(shè)計用于鑄造或其他CNC加工技術(shù)的零件）無法充分利用該工藝。在增材制造可行性研究中，克諾爾制造了一種用于鐵路打磨系統(tǒng)的創(chuàng)新控制面板功能載體，該面板比傳統(tǒng)的鋁面板輕90%，允許更緊湊的組件排列方式。在低地板車輛和未來可能的鐵路應(yīng)用中，這是一個極具吸引力的解決方案。越來越多的案例證明，增材制造與結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，包括集成設(shè)計、拓?fù)鋬?yōu)化和點陣結(jié)構(gòu)，可以在結(jié)構(gòu)輕量化、裝配集成等方面取得突破。