3D 打印技术在铁路行业的应用

1 背景

使铁路系统的可用性达到100%是处于巨大竞争压力下的德国铁路运营商的首要任务。铁路车辆的维护尤其是一项重大挑战，因为其由数千个部件组成，一个微小、简单部件的故障就可能导致整列列车运行异常。铁路运营商应对需要经常更换的部件进行储备，以供维修之用，但生产和储存所有这些部件可能要付出巨大的成本，因为其中的许多部件最终并未得到使用。

对某部件可能产生缺陷或损坏的运行时间周期进行预测并非易事。事故、自然灾害和故意破坏等意外状况的发生也难以预测。一旦发生这些情况，通常会造成列车停运，危及铁路运营安全，并为铁路运营商带来损失。因此，问题解决得越快，损失越小。

此外，铁路运营不仅对铁路系统的可用性和安全性有极高的要求，而且在设计美学、乘客舒适度等方面也设立了高标准。设备故障造成的乘客不良乘车体验会对铁路运营产生消极影响。例如，列车卫生间的马桶故障会严重影响乘客的乘车舒适度，并对运营商的形象产生负面影响，从而间接影响其价格定位和品牌价值。

只有确保维修中心的材料供应顺畅，才能解决上述问题，实现使铁路系统可用性达到100%的目标。而工业3D打印可满足这一要求。

2 3D 打印技术

2.1 概述

3D打印（又称“增材制造”）技术是一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。目前，该技术已在各行业得到应用，其在铁路行业的附加值也不断上升。3D打印的原材料包括各种塑料、金属（如铝合金（AlSi10Mg）、不锈钢（1.4404）等）及复合材料。这些原材料通过逐层打印的方式被塑造成所需的物体，每层的厚度只有不到1 mm。在打印过程中，无需模具，仅以数字模型为基础塑造3D物体。

打印时间由部件大小决定，对于小型塑料按钮或选择器开关仅需几分钟，而对于大型护板部件则需要数小时。

打印质量的决定性因素是对复杂材料混合物相关专业知识的掌握。

此外，为保障3D打印部件的高质量、顺畅生产，必须进行全生产过程数字化管理。

2.2 使用范围

3D打印技术的巨大优势在于其高度的灵活性，即可以制造出各种形状的产品，实现多样化的功能（甚至仿生学功能）。因此，利用此技术，可以实施在其他制造过程中无法实施的技术解决方案和产品改进方案。从制造用于展示或测试的单个物品，到小、中规模生产，再到批量生产，其应用广泛，可满足各种规模的生产要求。其应用目的在于，通过降低成本提升用户收益。

在铁路行业，3D打印可应用于以下场景：

（1）通过设计调整对部件进行技术改进和优化；

（2）由于该技术具有高度灵活性的特点，无需设计和生产昂贵的模具，因此可用于生产所需数量少的部件，以节约成本；

（3）生产组件中的单个零件；

（4）针对个性化或非常特殊的产品需求，进行快速、低成本的部件生产；

（5）当部件由于老旧而不可用时，利用该技术能够以合理成本重新生产部件；

（6）由于该技术具有生产快速的特点，可用于生产交货期短的产品，以防止延迟交货。

3D打印的产品范围包括功能部件、备件、样件、工具、设备等。每当产品生产涉及以下因素时，即优化组件、降低一次性成本、缩短维修时间或实现设计灵活性，可考虑采用此技术。

3 Siemens Mobility 的 3D 打印技术

西门子交通公司（Siemens Mobility）凭借其一贯推行的数字化方法、数十年积累的铁路系统部件知识以及先进的3D打印基础设施，成为世界铁路行业3D打印技术的先驱之一。

3.1 概述

为确保其铁路系统的高可用性，Siemens Mobility创建可用性联盟（Alliance for Availability）。这是一个开放的数字生态系统，在此系统中，铁路产品制造商、供应商、运营商和研究机构可通过数字化平台分享其专业知识、技术、经验和流程。利用此系统，还可在智能监控和智能测量的基础上采集各铁路系统及其部件状况相关的精确数据，将这些数据安全、实时地传输到地面数据服务中心，并采用最新算法对其进行评估，以实现对各系统和部件的预测性维修。通过在该系统中与各方紧密合作，以及采用最先进的技术，Siemens Mobility各系统的可用性高达100%。

3D打印技术是该系统的重要内容。利用这项技术，可在极短的时间内生产出各种部件，小至门把手，大至完整的车头；能够以低成本对部件设计进行改进，从而为相关应用提供智能且经济的解决方案。例如，列车无线调度电话（图1）是为铁路行车指挥人员和列车驾驶员之间进行联络而设置的专用电话，其经常发生的故障是电话按钮失灵，这会导致整部电话被更换和废弃。针对这个问题，Siemens Mobility在利用3D打印技术制造该按钮的同时，还对其设计进行了改进，以便在短时间内通过几个简单的步骤对其进行更换。这就是Siemens Mobility提供的高度灵活的“Easy Sparovation Part”服务。其目标在于，与用户紧密合作，对车辆部件进行现代化改造，以优化人体工程学设计，集成新功能，减少所需的单个部件数量。此外，在设计部件时，Siemens Mobility还会将材料研究的最新发现和相关法律条文的变更纳入考虑范围。

图1 列车无线调度电话及其3D打印按钮

Siemens Mobility还为其客户提供3D打印相关的咨询、培训、智能解决方案以及360°全方位服务，包括按需打印和批量生产部件，对部件进行测量、扫描和数字化，制造和再造部件，以及根据相关标准和法规对产品进行测试、检验和批准。迄今为止，Siemens Mobility已为超过100家客户打印了13 000多个部件。

3.2 全球互联的工业 3D 打印机网络

为充分发挥3D打印技术的优势和潜力，Siemens Mobility建立了一个全球互联的工业3D打印机网络，提供从设计到最终检验各环节无缝衔接的数据链。该网络的核心是德国埃尔朗根（Erlangen）总部的3D打印技术中心（图2）。此技术中心拥有十几位工程、研发和生产领域的专家，以及诸多先进的3D打印设备，包括用于获取部件轮廓并将其转换为CAD数据的高分辨率3D扫描仪、用于制造铝合金和不锈钢部件的选择性激光熔化（SLM）3D打印机、用于制造阻燃塑料部件的熔融沉积建模（FDM）3D打印机，以及用于对打印部件进行后续机械和热处理（包括涂层）的专用设备。

图2 埃尔朗根3D打印技术中心

此外，Siemens Mobility在世界其他国家和地区建立了6个拥有专门技术和相关工业3D打印机的基地，分别是德国的多特蒙德（Dortmund）、韦格伯格-维尔登拉特（Wegberg-Wildernrath）和布伦瑞克（Braunschweig）基地，英国的奇彭纳姆（Chippenham）基地，以及俄罗斯的莫斯科（Moscow）和圣彼得堡（St.Petersburg）基地。该网络还在不断扩展，最近加入该网络的是奥地利维也纳（Vienna）基地，它可以批量生产部件和备件。

Siemens Mobility在世界各地分散设置生产基地，创建全球互联的工业3D打印机网络，为其赢得了巨大的运营优势，具体体现在：①缩短产品运输（尤其是跨国运输）的时间和距离，降低运输成本，减少CO2排放量；②尽可能靠近客户，以便与客户进行直接、近距离的交流。

此外，该网络的优点还在于，可以将各地、各用户的需求和问题集中到技术中心，由其制定出适合的解决方案，再共享到网络中。一个应用范例可以推广到世界各地类似的任务和情况中，从而显著加快对问题案例的评估和相关解决方案的开发。

4 结语

随着3D打印技术的发展，其软硬件不断得到改进，其功能将更加强大。这些发展都将加速3D打印在铁路行业的推广应用，使铁路系统的维修保养更加快捷、灵活、经济、智能和可持续。