德国铁路开发的3D打印轮对轴承盖备件

 解决轨道车辆备件短缺问题

德国铁路公司（DB）正在开展轨道车辆备品备件的增材制造项目。近日，德国铁路揭示了使用金属3D打印技术进行备件按需生产试点项目的结果。

德国铁路公司表示，对于负责维护数千辆车辆的7,000多名德国铁路员工而言，备件的存储和采购工作是一个重大挑战，而3D打印备件的技术将提高车辆备件的可用性。

德国铁路在购买轨道车辆之后，后续的车辆维护工作是在内部开展的。在数千辆轨道车辆的维护过程中存在的一个问题是，较旧的机车面临着备件缺货的挑战。

在过去的几年里，德国铁路已经研究了100多个零件的增材制造可能性，最近开展的一项研究是294级机车轮对轴承盖的3D打印可行性。

这种型号的机车是20世纪60年代-70年代投入使用的，原铸件直径为374毫米，高度为78毫米，重量为11.5千克，如果盖子缺失，润滑剂可能会泄漏，导致轴承损坏，甚至可能导致机车脱轨。在传统备件供应体系中，车轮对轴承盖备用件的交付时间长达9个月，在此期间机车将停止服务。机车因缺少备件而停止服务，导致德国铁路产生高成本。

德国铁路与增材制造合作伙伴共同开发科替代性的备件制造解决方案，他们使用了德国Gefertec基于电弧焊技术的金属3D打印设备，并通过逆向工程技术创建备件的3D打印文件。在试点项目中，通过该技术进行备件的增材制造约需要8小时，在得到近净成型部件之后，还需要进行机械加工，从最初设计到逆向工程，再到完成备件制造，时间在2个月之内。但根据德国铁路，这一试点项目在投入正常使用之后，同样的备件可在2-3周内完成制造。

德国铁路公司与德国联邦铁路管理局材料实验室对成品备件进行了全面测试，包括材料科学分析与计算机断层扫描测试。测试结果显示，3D打印备件的质量是合格的，在接下来完成认证之后，即可投入使用。

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在铁路机车的维保领域引入3D打印技术，一个直观的变化就是对供应链带来的改变。3D打印技术对产品供应链产生的潜在影响是3D打印技术受到关注的重要原因之一。传统模式下，标准化的产品需要在特定的工厂中集中进行大批量生产，然后通过仓储、物流、分销抵达用户手中。在此过程中，不仅生产时间长，碳排放高，还包含了昂贵的物流成本。而采用3D打印制造模式，用户可以将产品的3D模型提交至最近的3D打印工厂或服务中心，按需进行生产。

不仅是铁路机车，航空公司飞机维护、汽车售后服务都是3D打印备件的应用场景。根据3D科学谷的市场观察，飞机与汽车备件的3D打印已经进入了应用阶段，例如东方航空在飞机中安装了3D打印的客舱内饰件；汽车制造商戴姆勒从2016年起，提供梅赛德斯- 奔驰卡车中的部分塑料配件的订购服务，这些配件是通过3D打印制造的，戴姆勒接受100个以内的任何数量订购订单。

3D打印在汽车备件制造中的应用。来源《3D打印与新能源汽车白皮书》

目前以上这些领域能够通过3D打印技术生产的备件种类还很少，已开展的工作也往往是以非关键零部件为切入点的。根据3D科学谷的市场研究，现有备件进行3D打印可行性研究与开发是一个长期的过程，而每个成功开发的零部件后续还将涉及到行业认证的问题。尽管前行速度有限，将3D打印引入到备件按需生产领域，对备件供应链优化升级的意义是值得重视的。

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然而，3D打印技术对于德国铁路公司来说并不仅仅是制造公交车，这种技术还被广泛用到了维修领域。

全面地引入3D打印技术并非一帆风顺，德国铁路公司负责增材制造项目的团队先后在德国走访了公司内部四十个维修点，试图说服他们消除对3D打印所持的怀疑态度。增材制造项目团队还给他们的同事展示了沉甸甸的金属3D打印零件，由此逐渐说服德国铁路的售后维修部门接受3D打印技术。

此后，德国铁路公司在每个维修工作站中确定了至少一名或两名3D打印专家，并确定哪些零部件可以通过3D打印技术受益。事实证明，有很多火车零件适用于3D打印，包括咖啡机的备件、外挂钩、方向盘盖、头枕框架、盲人旅行者的盲文路标等等。

德国铁路并不局限于使用一种3D打印技术，因为他们已经发现了塑料和金属增材制造的不同优势。当前德国铁路公司用于塑料打印的材料主要是PA-12尼龙材料。用于金属3D打印的材料主要是铝合金材料，最近德国铁路还开始通过3D打印来制造钛合金零件。

通过与专门从事3D打印的公司合作，德国铁路已经能够利用最先进的增材制造技术，而不是投资设备本身。事实上，为了促进物流部门增材制造解决方案，德国铁路甚至于2016年9月成立了“移动增材制造”网络。

目前，德国铁路的移动增材制造网络已有50名公司，其中包括西门子、Concept Laser、Materialize、EOS、Stratasys、Autodesk等公司。

像航空航天工业那样，德国铁路在采用3D打印零件方面面临的主要挑战之一就是符合严格的安全要求。 某些方面，火车的安全要求甚至比飞机要严格得多，主要因为乘客需要乘坐长时间，而这对零件的抗磨损性和稳定性提出了很高的要求，并且列车的零件需要满足阻燃的性能要求。

零件的阻燃性能对火车来说至关重要，当前，德国铁路想要制作一种阻燃的3D打印材料，可用于与乘客紧密接触的位置，如头枕或扶手。

补充资料：德国铁路股份公司（Deutsche Bahn AG），简称德国铁路（DB），是一家总部设于柏林的德国国有运输公司，于1994年在法兰克福创立，由原德国联邦铁路及德国国营铁路合并而成。公司重心于2000年迁至柏林，入驻位于波茨坦广场旁新落成的铁路塔。该集团的开发和其它一些中央部门则仍设在法兰克福。目前，它是仅次于德国邮政的世界第二大运输企业，也是欧洲最大的铁路运营商及铁路基建商。

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3D打印技术对产品供应链产生的潜在影响是3D打印技术受到关注的重要原因之一。传统模式下，标准化的产品需要在特定的工厂中集中进行大批量生产，然后通过仓储、物流、分销抵达用户手中。在此过程中，不仅生产时间长，碳排放高，还包含了昂贵的物流成本。而采用3D打印制造模式，用户可以将产品的3D模型提交至最近的3D打印工厂或服务中心，按需进行生产。

3D打印对备品备件的供应链也在产生同样的影响。为此，有的企业已进行布局，例如，波音公司申请的飞机备品备件3D打印相关的专利，按照这个专利进行管理，波音公司可以不用设立多个库存中心存放零件备件，然后再运输到需要的位置，而只需搭建其一个拥有零备件CAD设计文件的在线模型库，任何地方只需一台3D打印机就可以在几分钟或几小时内制造出想要的备件。2016年法国的家用电器零售商推出了在线的备品备件模型库，向3D打印备品备件领域迈出了正式的一步。

不仅仅是德国铁路和家用电器，2016年，戴姆勒公司曾通过两项新计划将3D打印技术的应用推向生产领域，戴姆勒的计划包括包括推出奔驰卡车塑料配件的3D打印服务，以及在2018奔驰S级轿车中使用3D打印零部件。戴姆勒公司将3D打印技术应用在巴士零部件及配件的生产领域主要出于两方面的原因。一方面，是3D打印技术在小批量生产中的便捷性，戴姆勒公司表示，利用3D打印设备制造汽车零部件时，在几日之内即可进行交付。相比注塑成型工艺来说，用3D打印设备直接制造塑料零部件时无需制造注塑模具，这对于订购50个以下小批量零部件的客户来说是非常经济的。同时对于戴姆勒来说，不需要进行这些零部件的大批量生产，该方式避免了零部件的库存压力。

最近奔驰汽车通过3D打印技术生产了汽车零件，此零件是由铸铝合金制成用来替代老梅赛德斯-奔驰卡车的恒温器。因为成本效益和创造的灵活性，所以这个豪华品牌会选择将专业的3D技术运用到备品备件领域。为那些存有量稀少的车型保有大量的备品备件无疑是不经济的，而通过3D打印技术意味着梅赛德斯-奔驰可以灵活快速地生产小批量或单个零件。

在交通领域，通过3D打印来完成备品备件的生产对于航空航天领域来说优势尤其明显，增材制造在新的零件和备品备件制造方面对于缩短交货期有着显著的优点。航空专家认为比传统方式缩短80％的制造时间，同时还可以显著提高零部件的性能。 增材制造方式可以显著改变目前航空零部件的库存状态。把设计图纸输入到打印机就可以快速制造出零部件将大大降低航空零部件的库存。

商用飞机的使用寿命在30年，而维护和保养飞机的原制造设备是非常昂贵的。根据空客，通过增材制造技术，测试和替换零部件可以在2周内完成，这些零件可以被快速运到需要维修的飞机所在地，省时省力的帮助飞机重新起飞。通过3D打印技术，不再需要保有大量的零部件以防飞机有维修需求，这些大量的零部件的生产也是十分昂贵和浪费资源的。当然，对于旧的机型，尤其是数据丢失的型号，保有原来的零部件还是需要的。

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