中車專家：軌交制造瓶頸帶來百億損失，增材制造可有效彌補

來源：新材料在線

隨著增材制造技術的不斷進步與成熟，其應用領域已從一般的原型制造逐漸拓展到航空航天、醫(yī)療器械、軌道交通等高端裝備制造行業(yè)。對于軌道交通裝備制造而言，由于傳統(tǒng)制造工藝瓶頸、新車試制及快速維保等制造需求所帶來市場達上百億元，而增材制造技術正好可充分發(fā)揮其優(yōu)勢，助力軌交裝備零部件制造提質(zhì)升級。

在由國家先進軌道交通裝備創(chuàng)新中心、尋材問料®、中國先進軌道交通裝備創(chuàng)新聯(lián)盟、《電力機車和城軌車輛》期刊、智慧軌道交通產(chǎn)業(yè)觀察共同舉辦的“軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)線上直播大講堂”上，中車株洲電力機車有限公司高級工程師、國家先進軌道交通裝備創(chuàng)新中心技術專家馬明明博士介紹了增材制造技術及其在軌道交通行業(yè)的應用情況。

增材制造俗稱3D打印，是以數(shù)字模型為基礎，將材料逐層堆積制造出實體零件的新型制造技術。其特點是數(shù)字化、智能化制造；無模具制造，工藝流程簡單；點、線、面、體的制造模式，控制方便，性能穩(wěn)定；適合材料廣泛，以“粉”“絲”兩種形式增加材料，以高能束熔化材料；常見金屬采用增材制造性能超過鍛造水平。在制造行業(yè)，增材制造是傳統(tǒng)制造工藝的有益補充。

增材制造技術始于從上世紀八十年代，從最初的熱固化成型技術、紫外光固化技術，逐漸演變到可適用于高性能金屬零部件成形的高能束成形技術。該技術通過把金屬材料作為一種成形材料，通過激光、電子束、電弧等高能束得到高性能金屬零部件增材制造。馬明明博士表示，由于激光能量的密度高、柔性化程度比較高，所以它在增材制造領域所應用的范圍比較廣。


據(jù)他介紹，金屬零部件激光增材制造技術有5大優(yōu)勢。
一是可成形零件的結構復雜、提升零部件的設計空間。通過增材制造技術，可以成形出傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的結構。通過拓撲優(yōu)化設計，可以實現(xiàn)零件的減重、節(jié)約材料。同樣的性能和功能，所需要的工藝更少。

二是可以一體化成型，減少零件數(shù)量。零部件數(shù)量可以由多件減少至1件，成本降低約30%，重量減少20%以上，部件壽命提升5倍以上。


三是制造小批量、多品種產(chǎn)品。可滿足產(chǎn)品定制化需求，小批量零部件成形時無需開模，節(jié)省大量的時間和模具費用。

四是材料利用率高、減少材料浪費。產(chǎn)品一次成型，材料利用率達到90%以上。


五是力學性能優(yōu)異。在增材制造過程中，由于熔池冷卻速率高、組織結構可控性好以及使用專用粉末材料等原因，因此可以達到靜強度提升、疲勞強度提升和表面硬度提升等效果，提升零件的性能。

突破軌交裝備制造瓶頸的新工藝
美國通電氣公司是增材制造應用探索的先行者，其增材制造產(chǎn)業(yè)鏈從粉末、設備到工程化應用，都走在世界前列。馬明明分析了其增材制造的應用案例，以燃料噴嘴為例，傳統(tǒng)的燃料噴嘴是用二十多個零件所組成的，而增材制造技術只用了一個零件。得到的效果是成本降低30%，重量降低25%，使用壽命提升5倍，庫存降低95%。

這一技術同樣啟發(fā)了其他的行業(yè)。

馬明明表示，軌道交通車輛零部件的制造需要提質(zhì)升級。目前軌交裝備行業(yè)存在慣性工藝瓶頸需要突破、定制化車輛增多要求車輛快速試制、小批量的維修保護需要快速且低成本等需求。而上述問題的解決很難再依賴于傳統(tǒng)制造工藝，引進新工藝，或者新工藝與傳統(tǒng)工藝相結合是破解上述難題的最有效方法。

他分析了激光增材制造在軌道交通車輛的應用案例。如某接頭7系鋁合金焊縫裂紋解決方案，傳統(tǒng)的焊接劣勢在于會產(chǎn)生疲勞裂紋、應力腐蝕裂紋、應力集中、焊接殘余應力、焊接氣孔缺陷、組織不均勻等問題。此外，直角過渡的時候焊縫數(shù)量多，需要多個零件組成。

經(jīng)過設計師進行結構優(yōu)化設計，直角過渡變成了彎角過渡，但這需要一體化成型技術實現(xiàn)，也就是需要采用增材制造工藝。采用增材制造技術成形，在結構上可以優(yōu)化，減少應力集中，材料設計上避免晶間裂紋等等，使其更加符合空氣動力學、提升壽命及提升質(zhì)量穩(wěn)定性。

他還對導向桿零件、連接座等零部件的制造瓶頸解決方案以及產(chǎn)品試制、維保檢修等案例進行了分析。

他總結道，激光增材制造在軌道交通裝備行業(yè)應用的優(yōu)勢在于：單件需求量高、試制件與小批量件較多、零件驗證時間短、性能要求不苛刻。

而不足之處在于，零件復雜度較低、對增材制造的剛需不高、對零件成本較為注重、普及程度較慢和較低。

“相關行業(yè)的人正在尋找可應用的點，將增材制造技術引入到軌交裝備行業(yè)里面，我們也看到了可喜的收獲�！�