中车专家：轨交制造瓶颈带来百亿损失，增材制造可有效弥补

来源：新材料在线

随着增材制造技术的不断进步与成熟，其应用领域已从一般的原型制造逐渐拓展到航空航天、医疗器械、轨道交通等高端装备制造行业。对于轨道交通装备制造而言，由于传统制造工艺瓶颈、新车试制及快速维保等制造需求所带来市场达上百亿元，而增材制造技术正好可充分发挥其优势，助力轨交装备零部件制造提质升级。

在由国家先进轨道交通装备创新中心、寻材问料®、中国先进轨道交通装备创新联盟、《电力机车和城轨车辆》期刊、智慧轨道交通产业观察共同举办的“轨道交通装备产业线上直播大讲堂”上，中车株洲电力机车有限公司高级工程师、国家先进轨道交通装备创新中心技术专家马明明博士介绍了增材制造技术及其在轨道交通行业的应用情况。

增材制造俗称3D打印，是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造出实体零件的新型制造技术。其特点是数字化、智能化制造；无模具制造，工艺流程简单；点、线、面、体的制造模式，控制方便，性能稳定；适合材料广泛，以“粉”“丝”两种形式增加材料，以高能束熔化材料；常见金属采用增材制造性能超过锻造水平。在制造行业，增材制造是传统制造工艺的有益补充。

增材制造技术始于从上世纪八十年代，从最初的热固化成型技术、紫外光固化技术，逐渐演变到可适用于高性能金属零部件成形的高能束成形技术。该技术通过把金属材料作为一种成形材料，通过激光、电子束、电弧等高能束得到高性能金属零部件增材制造。马明明博士表示，由于激光能量的密度高、柔性化程度比较高，所以它在增材制造领域所应用的范围比较广。


据他介绍，金属零部件激光增材制造技术有5大优势。
一是可成形零件的结构复杂、提升零部件的设计空间。通过增材制造技术，可以成形出传统方法无法实现的结构。通过拓扑优化设计，可以实现零件的减重、节约材料。同样的性能和功能，所需要的工艺更少。

二是可以一体化成型，减少零件数量。零部件数量可以由多件减少至1件，成本降低约30%，重量减少20%以上，部件寿命提升5倍以上。


三是制造小批量、多品种产品。可满足产品定制化需求，小批量零部件成形时无需开模，节省大量的时间和模具费用。

四是材料利用率高、减少材料浪费。产品一次成型，材料利用率达到90%以上。


五是力学性能优异。在增材制造过程中，由于熔池冷却速率高、组织结构可控性好以及使用专用粉末材料等原因，因此可以达到静强度提升、疲劳强度提升和表面硬度提升等效果，提升零件的性能。

突破轨交装备制造瓶颈的新工艺
美国通电气公司是增材制造应用探索的先行者，其增材制造产业链从粉末、设备到工程化应用，都走在世界前列。马明明分析了其增材制造的应用案例，以燃料喷嘴为例，传统的燃料喷嘴是用二十多个零件所组成的，而增材制造技术只用了一个零件。得到的效果是成本降低30%，重量降低25%，使用寿命提升5倍，库存降低95%。

这一技术同样启发了其他的行业。

马明明表示，轨道交通车辆零部件的制造需要提质升级。目前轨交装备行业存在惯性工艺瓶颈需要突破、定制化车辆增多要求车辆快速试制、小批量的维修保护需要快速且低成本等需求。而上述问题的解决很难再依赖于传统制造工艺，引进新工艺，或者新工艺与传统工艺相结合是破解上述难题的最有效方法。

他分析了激光增材制造在轨道交通车辆的应用案例。如某接头7系铝合金焊缝裂纹解决方案，传统的焊接劣势在于会产生疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、应力集中、焊接残余应力、焊接气孔缺陷、组织不均匀等问题。此外，直角过渡的时候焊缝数量多，需要多个零件组成。

经过设计师进行结构优化设计，直角过渡变成了弯角过渡，但这需要一体化成型技术实现，也就是需要采用增材制造工艺。采用增材制造技术成形，在结构上可以优化，减少应力集中，材料设计上避免晶间裂纹等等，使其更加符合空气动力学、提升寿命及提升质量稳定性。

他还对导向杆零件、连接座等零部件的制造瓶颈解决方案以及产品试制、维保检修等案例进行了分析。

他总结道，激光增材制造在轨道交通装备行业应用的优势在于：单件需求量高、试制件与小批量件较多、零件验证时间短、性能要求不苛刻。

而不足之处在于，零件复杂度较低、对增材制造的刚需不高、对零件成本较为注重、普及程度较慢和较低。

“相关行业的人正在寻找可应用的点，将增材制造技术引入到轨交装备行业里面，我们也看到了可喜的收获。”