3D打印技术在轨道交通领域的应用与展望

崔少晨

（西安铁路职业技术学院 机电工程学院，陕西 西安710026）

轨道交通是指运营车辆需要在特定轨道上行驶的一类交通工具或运输系统，主要包括传统火车组成的铁路系统、来往于中短距离城市之间的城际铁路和随着城市快速发展为解决城市交通问题而形成的城市轨道交通系统。据国家统计局数据显示，到2015年底，我国的铁路运营里程已经达到12.1万公里，国家铁路客货车拥有量已达到83.6万台[1]。钢轨是轨道交通系统的重要组成之一，与列车轮对直接接触，引导列车行走。车轮和钢轨的磨耗是普遍且难解决的问题，可影响列车运行的平稳性和稳定性[2，3]。随着铁路运输载荷的增加，不可避免使轮轨间的作用力增大，车轮与钢轨磨损加剧，减少了钢轨的使用周期，提高了铁路的运营成本[4]。因此，对钢轨磨损的研究逐渐提上日程。近年来，列车在高速、轻量化和重载方面的研究已取得初步进展[5]，基本明确了轮对与轴承、车轴与轴承等车辆部件因接触面微动引起磨损的问题。Zhu等[6]认为降低摩擦系数、增加表面硬度、改变材料表面化学性能等措施可减缓微动损伤。目前国内外研究的主要方向是材料的表面性能处理和易磨损零部件的结构改进，这便对材料的加工和处理工艺提出了新的要求。另外，以高速动车组为例，我国现有动车组有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等型号，而 CRH2型列车又有 CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E、CRH380A 和 CRH380AL等不同型号[7]。多种型号的动车组使得我国无法形成单一的动车组检修制度，而是根据车辆的牵引质量、线路、温差、地域等具体情况，针对特定系统或部件采用不同的检修模式，现有的部件加工程序难以满足不同规格的个性化设计要求。因此，在轨道、机车及车辆部件设计、生产和维护过程中引入新技术、新材料是一种较为有效的解决方案。

3D打印是快速成型技术的一种，通过构建数字模型文件，并使用金属或塑料粉末制品等可粘合材料，将其逐层打印制作目标产品[8]。与传统制造技术相比，3D打印可以实现复杂结构加工和无模具制造、个性化定制、多零部件和多材料的整合，同时减少了材料的浪费[9]。3D打印技术发展迅速，在航空航天、汽车、石油化工、精密制造及医疗产品开发等领域已得到广泛应用[10-12]。3D打印的技术优势使得研究人员开始关注3D打印技术与轨道交通领域的有效结合。这一过程仍处在探索阶段，在实际应用方面鲜有报道。利用3D打印技术来强化轨道部件性能，延长维修周期，快速制造、修复易磨损零部件（钢轨、道岔、闸瓦、轮对等），从而降低轨道交通系统的成本，提高工作效率，具有重要的实用价值。本文拟通过概括介绍3D打印的技术优势，对其在轨道交通相关领域的研究进展、应用于轨道交通领域尚需解决的问题等进行分析讨论，并对今后的发展趋势做出展望。

1 3D打印的技术优势

3D打印制造技术是一种利用计算机软件完成三维设计和分析，结合数控系统，逐层堆积功能材料的新兴制造技术。与传统制造工艺相比，省略了零件拼装、切割和焊接等繁琐工序，将其应用于轨道交通领域具有一定的技术优势：

（1）材料利用率高。传统机床对工件进行切削“减材”加工，加工过程中产生的边角废料很难进行二次利用。而3D打印技术对材料进行“增材”制作，材料的利用率最高可达95%.

（2）经济效益比较高。3D打印在制作需求量小而结构复杂的零部件时，无需进行机械加工或使用模具，直接将三维模型导入计算机中进行打印。在很大程度上减少了加工工序，缩短了工件的生产周期。

（3）可实现产品的个性化制作。产品的制造模式，从原来的生产线大规模生产逐渐转变为个性化的定制设计。基于3D打印只要有三维模型就可进行打印的特点，3D打印比传统制造业更容易实现个性化定制。这使得3D打印技术在生产批量小而结构复杂的零部件时具有较明显的优势。

（4）可实现产品的远程制造。3D打印可借助互联网将产品的数字模型发送到拥有互联网的任何地方，不再依赖专业工厂进行产品的生产。任何拥有3D打印机和原材料的地方，都可以自行打印所需的产品和零部件。

（5）缩短新产品的研发周期。传统方法加工出来的工件，还需进入市场进行检验，对不合理结构及时进行修正，使得从产品设计到产品成熟需要较长时间，增加了产品的研发使用周期。使用3D打印技术对新产品进行快速制造并投入市场验证，可对产品进行及时调整和改进，从而缩短新产品的开发周期。

2 3D打印在轨道交通领域的研究进展

2.1 激光宽带融覆技术改变钢轨耐磨性

钢轨作为轨道交通的重要组成部分，引导列车轮对沿着既有轨道前进，与轮对直接接触并承受来自轮对的巨大压力。钢轨在长时间工作下，便会出现影响其使用性能的伤损，如折断、裂纹和磨损等。为了尽可能的减少钢轨损伤，改善钢轨的材质，提高钢轨耐磨性是有效的方法之一。例如，高硬稀土轨的耐磨性是普通刚轨的2倍左右，淬火轨的耐磨性为普通钢轨的1倍以上。整个钢轨都使用高耐磨性材料则成本较高。杨胶溪等[13]使用激光宽带熔覆技术，对普通钢轨表面进行强化，效果明显。激光熔覆其本质是在钢轨表面附加高耐磨性材料而改善其耐磨性。通过在钢轨表面添加高耐磨型材料，并在高能量密度的激光束作用下与钢轨表面薄层一起熔凝的方法，可在钢轨表面构建一层高耐磨性的熔覆层。在对钢轨表面强化时需将自熔性Fe基粉末以同步送粉的方式输送到钢轨表面，进行激光熔覆。这一技术可使用3D打印机完成，并适用于轨道交通系统中对耐磨性有较高要求的其它零部件。

2.2 易磨损零部件的修复

钢轨、道岔、闸瓦、轮对等在使用过程中发生各种伤损难以避免，其伤损会直接降低正常功能，在反复交变载荷作用下，零部件因使用过度而疲劳，从而引起损伤，对行车安全造成一定的影响。常规的解决方式是更换新部件，耗时长、成本高。随着对铁路运能要求的不断提升，对于铁路施工效率的要求也越来越高。若能实现钢轨局部的3D打印修复，可不用拆卸待修复钢轨，直接切削钢轨表面的破损、裂缝部位，利用3D技术在钢轨切削表面上进行打印修复，避免拆卸钢轨，可以缩短工期，降低成本。前期的一些研究为该设想提供了一定的理论和技术基础。3D成形修复技术的提出[14]突破了激光熔覆技术仅能在规则曲面上涂覆熔合层的技术局限，实现了表面凹凸不平或复杂/异形结构零件表面成形修复/修补；王海军[15]等探讨了基于3D打印激光成形修复技术在矿机易损设备修复的应用范围及应用前景，认为3D打印激光修复设备易损零部件具备可行性，可达到仿形精确修复并提高矿用设备易损件使用寿命的目的；杨亮等[16]在产生裂缝、细纹或破损的钢轨接触面上切削一定的厚度，利用3D打印技术在切削后的工件表面打印高性能的合金材料，从而达到改善钢轨性能、延长使用寿命的目的。此外，对于缺损部件，可尝试采用数字化扫描设备对切削后的零部件进行三维重建，利用3D打印技术在切削后的表面上打印强度、硬度和耐磨性都较高的合金材料，从而提高上述零部件的耐磨性。

2.3 辅助研发和制造

在新结构设计验证阶段，采用塑料材料打印出模型，打印速度快，成本低。在设计完成后即可使用3D打印技术进行模型制造，去除了开模试制组装试件环节，从而节省了模型试制时间。此外，如果装配中发现问题，可立即修改设计并再次快速制成模型。铁科院铁建所三维打印技术实验室[17]使用3D打印设备打印1∶1零部件模型，进行组装，验证装配尺寸和合理性，并首次将3D打印技术应用于铁垫板试件制造，其流程是直接用3D打印机打印出铸造砂模，然后在铸造车间浇铸成试件。整个过程用时15小时，比传统工艺制造周期缩短了25天，节省成本近2万元。王波等[18]利用3D打印技术生产制造限位块模具型芯，打破了传统的模具设计与制造方法，实现了绿色、快速模具制造。张磊[19]等采用选区激光烧结和三维喷印两种工艺快速打印出铁路典型铸钢件砂芯，铸件形位尺寸精确、表面光洁，达到试制要求。此外，已有学者[20，21]提出利用3D打印技术强化轨道部件性能，快速制造铁路阔大货物模型并进行模拟教学、试运测试和装载加固等设想，并分析讨论了其理论可行性和实际应用价值。

2.4 提高机车检修效率

我国轨道列车检修采用计划预防修制度，即先通过统计分析车辆零部件损耗的相关数据，推算出不同零件的损伤规律、速度以及损伤极限，科学地有计划地将零部件划分成若干组，并制定相应的检修期限和检修范围。以我国CRH系列高速动车组为例[22]，将检修分为5个等级：一级和二级检修是指日常的运用检修，三至五级检修是指定期的更高级别检修，检修周期根据列车运行的里程或时间的长短确定。列车每次入库均须进行一级检修，包括机车设备、车厢设施、车载信息系统、车顶设备及其它性能试验；列车运行3万公里后须进行二级检修，包括清洗列车外部，检查电气设备及车体等机械部件的状态，并进行其它性能的试验。由于一二级检修频率较高、总修时较短，传统的工厂制作耗时较长。列车一二级检修涉及的零部件种类较多，全部备齐的同时又难以避免浪费。针对轨道交通形态各异的零部件，3D打印的优势在于小部件加工精准、模块、快速，利用3D打印技术来制造易磨损、加工工序复杂的零部件，能够实现即刻设计、即可生产，若未来可以实现大规模的使用3D打印技术生产零部件，将极大提高列车检修效率。

3 应用于轨道交通领域尚需解决的问题

3D打印技术作为一种新兴技术有着诸多优点，我国研究人员使用3D打印技术在轨道交通领域的应用上理论成果已经开始显现。但是，3D打印技术自身的缺点使其在轨道交通的应用仍有一定的局限性。

（1）难以规模化生产。轨道交通作为人们生活和出行必不可少的一种交通工具，其零部件的数量非常之多。目前3D打印无法将产品进行大规模生产，或大规模制造时成本较大。随着轨道交通的快速发展，我国拥有的铁路公里数、机车和车辆数量都在不断增长，需要更换维修的铁轨和零部件也越来越。而3D打印在大规模生产零件上的局限性，使得其在轨道交通领域上无法快速发展。

（2）材料的局限性。现有的3D打印技术能够使用的材料无法满足轨道交通上零部件材料的要求。3D打印技术常用的材料有工程类材料、光敏型树脂、橡胶、金属、陶瓷材料等。其中金属材料又包括了钛合金、钴铬合金、不锈钢和铝合金等材料。在轨道交通领域使用最多的原材料为钢材，而钢材在3D打印技术中使用较少，使得3D打印技术在轨道交通的应用上有了一定的局限性。

（3）修复后零部件的性能能否满足要求。轨道交通的安全问题关系到千万人的生命安全，至关重要。而3D打印技术是将金属粉末进行粘合，无法保证打印后的材料性能和机械加工后材料的性能一致。金属粉末粘合后材料的性能是否符合要求还未有明确结论。使用3D打印技术修复材料后的精度、强度和硬度等性能能否满足轨道交通系统的要求，仍需进一步的探索。

（4）修复时磨损零部件的固定问题。使用3D打印技术修复破损零部件时，需要将零部件的破损部分切削后进行3D打印。无论是在切削破损表面还是进行3D打印时，都需要将零部件进行固定。而轨道交通零部件形状各异，对再次加工前的固定造成了一定困难。

4 展望

3D打印制造技术被认为是第三次工业革命的代表，其以数字模型文件为基础，通过逐层打印来进行增材制造。与传统制造技术相比，3D打印可以实现复杂结构加工和无模具制造、个性化定制、多零部件和多材料的整合，高、经济效益潜力巨大。尽管目前难以实现规模化生产，适用于打印的材料种类较少，部分性能难满足实际需求，但随着新材料研发技术的不断进步，3D打印技术和设备的不断成熟，其在轨道交通领域的应用范围将越来越广泛。把握3D打印引领的技术革命契机，创新思路、积极研发，对于改善轨道交通领域的生产、加工模式，提高经济效益、运输效率，具有十分重要的意义。