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(shù)的不斷進(jìn)步與成熟,，其應(yīng)用領(lǐng)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(dá)上百億元,，而增材制造技術(shù)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(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新中心,、尋材問料®,、中國先進(jìn)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(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新中心技術(shù)專家馬明明博士介紹了增材制造技術(shù)及其在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用情況,。

增材制造俗稱3D打印，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ),，將材料逐層堆積制造出實體零件的新型制造技術(shù),。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(shù)始于從上世紀(jì)八十年代,，從最初的熱固化成型技術(shù),、紫外光固化技術(shù)，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(shù),。該技術(shù)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(lǐng)域所應(yīng)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(shù)有5大優(yōu)勢,。
一是可成形零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、提升零部件的設(shè)計空間。通過增材制造技術(shù),，可以成形出傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的結(jié)構(gòu),。通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)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(dá)到90%以上,。


五是力學(xué)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(jié)構(gòu)可控性好以及使用專用粉末材料等原因,，因此可以達(dá)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(yīng)用探索的先行者，其增材制造產(chǎn)業(yè)鏈從粉末,、設(shè)備到工程化應(yīng)用,，都走在世界前列,。馬明明分析了其增材制造的應(yīng)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(shù)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(shù)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(hù)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(jìn)新工藝，或者新工藝與傳統(tǒng)工藝相結(jié)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(yīng)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(yīng)力腐蝕裂紋、應(yīng)力集中,、焊接殘余應(yīng)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(shè)計師進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,，直角過渡變成了彎角過渡，但這需要一體化成型技術(shù)實現(xiàn),，也就是需要采用增材制造工藝,。采用增材制造技術(shù)成形，在結(jié)構(gòu)上可以優(yōu)化,，減少應(yīng)力集中,，材料設(shè)計上避免晶間裂紋等等，使其更加符合空氣動力學(xué),、提升壽命及提升質(zhì)量穩(wěn)定性,。

他還對導(dǎo)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(jìn)行了分析,。

他總結(jié)道,，激光增材制造在軌道交通裝備行業(yè)應(yīng)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(fù)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(guān)行業(yè)的人正在尋找可應(yīng)用的點，將增材制造技術(shù)引入到軌交裝備行業(yè)里面,，我們也看到了可喜的收獲,。”