中車唐山機車陳彥宏：增材制造技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用及探索

2019年6月28日，激光制造與再制造技術(shù)及應(yīng)用研討會 在北京興基鉑爾曼酒店召開�，F(xiàn)場專業(yè)人士眾多，南極熊3D打印網(wǎng)是本次研討會的合作媒體。


下面是現(xiàn)場速記，或許有些不完美之處，但總體上干貨信息量很大，值得閱讀。

中車唐山機車車輛有限公司的陳彥宏老師，給大家演講的題目是“增材制造技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用及探索”

    各位今天比較累，我解釋一下，因為今天早晨很多專家跟我說昨天晚上來的比較晚，是火車晚點，也是這么多年第一次，因為以前我們太關(guān)注于車廂內(nèi)有沒有人放火，昨天外邊被放火了，所以以后我們也得注意一下這方面的技術(shù)發(fā)展。今天很高興邀請我們軌道行業(yè)參加這個會議，本身我們這方面的發(fā)展比較少，激光應(yīng)用我們很多，切割、焊接比較多，但是激光制造應(yīng)用比較少，不像上午很多航空企業(yè)在用。我們軌道行業(yè)有自身的特點，所以這方面的應(yīng)用偏少。這里面有兩點：
    第一是跟行業(yè)本身特點有關(guān)系，因為軌道行業(yè)是標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型審查的行業(yè)，車輛在上線前必須做標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型檢查，當(dāng)符合標(biāo)準(zhǔn)才可以上線，不符合標(biāo)準(zhǔn)不可以上線，跟今天上午討論的很多點，假如大家都成熟了，標(biāo)準(zhǔn)了，軌道行業(yè)可以用，但是我們還在探索，所以我里面寫了一個字，叫“探索”。另外，我們也在做應(yīng)用，跟技術(shù)的發(fā)展�，F(xiàn)在的軌道交通發(fā)展大約200多年，今后軌道交通是什么樣的模式，利用材料的特點，我們也要做探索，今后是什么樣子的。
    第二個特點，航空企業(yè)涉及到安全性，有些戰(zhàn)斗機送一兩人上去了，軌道交通送一百人，甚至上千人，這一點的制約使我們發(fā)展比較慢。
    今天從幾個方面給大家匯報一下，第一方面，簡單介紹一下行業(yè)需求，從需求來看一下我們在增材制造方面有哪些點可以找到機會。另外我們也做了一些應(yīng)用研究，不完全是應(yīng)用，因為應(yīng)用現(xiàn)在還在完成起步和探索過程中。第三方面提一點我個人的建議和方向的思考。
    第一方面是軌道車輛裝備的一個特點，交通方式多種多樣，軌道交通作為里面的一個重要的組成部分，尤其在國內(nèi)能感受到，每年大的人流涌動的時候，軌道交通起到核心的作用，所以它的一個主要的特點還是大用量。如果跟公路交通相比，第一占地面積要小，因為雙車道在25米，如果高速公路，它單向三車道就占到30多米寬，所以說整個占地面積偏小。第二塊，在整個人員每小時人員用數(shù)量方面比較大。第二個特點，綠色低碳，相比于其他的軌道交通，它的二氧化碳排放量比較高，這也是這幾年，包括中國和其他國外大力發(fā)展軌道交通的一個原因，因為它二氧化碳排放量相比汽車航空的確非常小。但是還有一個問題，自身的一個問題，它的能效偏低，因為按照每公里單個乘客的能耗，這個車型能耗相對比較重，待會兒我會解釋一下來自于什么原因。
    還有一個特點就是快速準(zhǔn)時，昨天的一個特例，昨天是特色情況。軌道交通在氣候變化性和人文景觀，還有噪音排放方面的確有優(yōu)勢。發(fā)展方向是需要針對它的問題解決的方向，第一是要提升這種交通方式的競爭力。第二個方面互聯(lián)互通，因為咱們的交通方式單一存在，有太多的優(yōu)點，所以要互聯(lián)互通。除了跟汽車互聯(lián)互通之外，自身也要互聯(lián)互通，它核心也是一個互聯(lián)互通。另外，我們現(xiàn)在高鐵是國家的名片，所以還要做一些工作，是全球領(lǐng)先者的角色。這是戰(zhàn)略層面。
    技術(shù)方面，提高乘客舒適性，降低成本，增強操作性，和用戶維護性、安全性，同時簡化商業(yè)流程，尤其認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)方面也需要做一些工作。下面是做推動。同時軌道交通領(lǐng)域，我們也在探索我們的下一代，剛剛上午在飛機領(lǐng)域也有不的代際，我們下一代車輛是什么樣的，我們唐山公司在5月16日展出一款車，基本的點里面標(biāo)紅色，是第一次增加載荷量，這樣對運營商會提高收入。第二減重，降低能耗，所以這是兩個方向。包括中車青島四方也在做這方面的工作，也是更艱難，減重10%、15%不同的等級。另外綜合節(jié)能也要達到一定的數(shù)量。我們中車常客，因為大家都從不同的點來做，也是減重節(jié)能，這里面在增材制造里面能用上，但是在復(fù)合材料以及其他的一些技術(shù)，就是朝這個輕量化節(jié)能方向在做。
    這是給大家舉一個例子，在軌道特運裝備，因為我們是干乘客運輸和運貨。在乘客方面，土建成本在36%，車輛購置成本僅占10%。待會兒我給大家講一下相關(guān)性，我們以后發(fā)展為什么需要降低這部分費用。如果在維護層面和運營層面，車輛維護成本占16%、維護成本占15%，所以車輛跟維護有直接相關(guān)性。另外能耗占10%，雖然不是很大，但是這方面跟車輛有直接的相關(guān)性。直接相關(guān)到車，可以看到不同的車輛有些人有感觸，現(xiàn)在有不同類型的車，包括地鐵、干線的車，還有高鐵，但是每一個都有通常的一些技術(shù)特點，都是車輛本身重量比較重，基本在40噸到50噸，我們用40到50噸一節(jié)車廂運送100人左右，所以為什么說它能效偏低，如果自行車，我們能搬動，但是搬火車搬不動，能效是這方面來的。自重跟載客運輸量差異比較大。
    帶來什么需求呢？供應(yīng)層面更經(jīng)濟，投資成本方面更低，車輛基建會發(fā)生相關(guān)性。同時高可靠性和低的全生命周期成本，這樣對于運營端比較有利。
    對于技術(shù)方面，我們其實追求的是這樣，我本身是研發(fā)人員，技術(shù)層面要更輕、節(jié)能、舒適、快，同時要更易制造、易操作、易維護。
    第二方面，簡單給大家匯報一下我們在增材制造在軌道交通車輛領(lǐng)域的應(yīng)用，雖然沒有像航空企業(yè)做的那么直接應(yīng)用上，但是我們在探索。給大家講到標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合型，我們是在慢慢探索，如果一步步成熟，有標(biāo)準(zhǔn)，我們才能逐漸裝車，所以我們今天可能是未來十年后在軌道上見到的，但是近兩三年見不到，這是給大家介紹一下軌道交通的特點，為什么跟中車制造有一定的相關(guān)性，如果單純拿增材制造來做，其實它的優(yōu)勢不明顯，如果再結(jié)合軌道車輛的特點，本身我們是多品種、小批量、高度定制化。在中國可能大家不是太感受，因為中國一直是有鐵道部和鐵路總公司在統(tǒng)籌，所以多品種不是太明顯，如果放到全球來看，它有成千上萬業(yè)主，每個人的要求不一樣高度定制化。這些就帶來了每個車跟每個車就不一樣，所以它是高度定制化，交互周期非常短。所以根據(jù)這個特點，中車制造有可能在我們的軌道交通上有幾個方面的應(yīng)用。第一方面是樣車的快速制造，現(xiàn)在軌道交通裝備作為一個大宗商品，交貨周期大約在兩到三年，如何縮短這個周期，有一部分我們樣車。因為高度定制化，樣車必須做實驗，所以這部分也會給整個的交付周期做一點貢獻。
    第二是背景備件，上午也講到航空領(lǐng)域，我們也面臨同樣的問題，一個是賣到國外，備件也及時到了，所以如何消滅這個物流成本，或者是備品備件庫，在制造方面還是有一定的發(fā)達的方面。還有我們做工具過程中，其實也占到產(chǎn)品研發(fā)的周期。如果我們用這部分做一下，因為它也不需要太高的強度，就是功能性，所以我們也可以發(fā)揮一定的作用，另外其他的公司也做了一些研究。最后走的過程比較遠(yuǎn)，時間長一點，就是直接制造，從我個人來說，它如何從這種技術(shù)特點進行原創(chuàng)性的設(shè)計，再去應(yīng)用，這樣給它的項目會成倍的增長。
    給大家簡單舉幾個例子，因為可能從事軌道交通的比較少，第一在業(yè)內(nèi)全球的競爭對手也做了一些研究工作，在法國的阿爾斯通在軌道車輛城際車上的部件。因為軌道交通有探索，探索完了，小部分應(yīng)用情況下再制定標(biāo)準(zhǔn)，之后再直接應(yīng)用到車輛上，所以大家還是在探索，他拿了一個部件做這部分的制造，他的核心目的跟我剛才講到軌道較交通有關(guān)，因為他的自重跟乘客比例不是太協(xié)調(diào)，大家都是降低重量70%，對軌道車輛主機廠的吸引力還是比較大。第二是加拿大的BOMBARDIER，他們做了系統(tǒng)的規(guī)劃，第一2016年以前還是拿耳朵聽，聽大家做了哪些工作，之后再慢慢探索。2017年到2019年做小范圍的探索，之后再根據(jù)探索結(jié)果去取決于下一步開展什么樣的工作。另外BOMBARDIER有一個優(yōu)勢，它是航空產(chǎn)業(yè)，所以跨領(lǐng)域的借鑒有一點作用。
    西門子。大家也知道西門子本身自己零部件之外，它也生產(chǎn)中車制造的設(shè)備，所以它是研發(fā)設(shè)計，它的驅(qū)動來說相對好一點。當(dāng)然，這里面GE也有軌道交通業(yè)務(wù)，他們邁的步子可能比我們更遠(yuǎn)一點。
    第三方面看一下國內(nèi)軌道交通方面的政策現(xiàn)狀。其實在綜合制造2025里面已經(jīng)明確寫了這么一條，軌道交通裝備推進制造技術(shù)實現(xiàn)新產(chǎn)品研發(fā)、工藝研究和快速延伸制造等多批量、少批量的發(fā)展，寫了這么一大堆。但是在軌道交通領(lǐng)域，不像航空里面發(fā)展這么快，其實跟左邊的一個圖是有關(guān)的，就是我的價值回饋，這基本是這個表更偏向于航空，其實軌道交通對我們制造商，第一依賴度偏低。第二，對我的價值回饋比較低，現(xiàn)在有一些不太相關(guān)，所以它會帶來應(yīng)用層面，大家不愿意往前推的原因也在這個方面�，F(xiàn)在是制造2025也陸續(xù)在做，包括我們跟董教授也在做一個項目。
    第四方面簡單介紹一下我們公司在軌道交通增材制造利用方面做的工作。工作主要是做了哪些部件，軌道交通區(qū)別于其他交通的特點，建筑在鋼軌和車輪上，核心技術(shù)在轉(zhuǎn)向架，基本是全鋼的，這部分應(yīng)用中車制造的空間比較大，所以我們選取這個部件作為應(yīng)用探索。另外它的價值和關(guān)鍵性都占到整車大約三分之一，所以也是在應(yīng)用層面和價格回饋方面比較好。
    下一步給大家簡單介紹一下我們探索的方面。第一方面跟董教授也做了一個項目，就是國家重點計劃，明天上午也會給專題，我們一起做這方面的工作，我們所負(fù)責(zé)的工作就是把這個技術(shù)裝我們車上，做一些臺架試驗，做考核，這些方面的探究。至于以后的市場再去拓展去。
    第二個方面，我們還有一個平臺，我們是中車公司在意大利有一個控股子公司，我本人也在那任職。我們在這兩方面做了科研工作，大家有幾方面值得借鑒。同時這個公司也是我們中車在海外的研發(fā)中心，第一項目是參加歐洲地平線對2020的項目，這個項目里面本身提出來一個方向，根據(jù)新技術(shù)和新材料來探究交付方式的一個創(chuàng)新性的設(shè)計理念，之后再把這個技術(shù)植入進去，看能不能實現(xiàn)這個創(chuàng)新的理念，所以我們在承擔(dān)這部分工作。
    第二方面的工作，還有在意大利一個省的科研項目，這個科研項目是從另外一個層面，它集合了類似于設(shè)計公司，還有仿真模軟件公司，就是大家上午提到的增材制造過程中進行模擬，能讓它達到更高的軟件商。第三還有設(shè)備制造商，提供技術(shù)。這三方面的公司一起加進來做研究工作，這些項目目前在進行中。
    下面舉幾個例子，不像航空做得深，但是我們?yōu)槭裁磳懥颂剿鳎康谝环矫�，我們在一款車上面找部件，如果用傳統(tǒng)的鍛鑄，這一部分我們探索。第一我們想探索的就是增材制造會對我們設(shè)計和制造過程中有多大的影響，如果是影響大，我們需要慢慢適應(yīng)這個影響，去適應(yīng)之后再去制造，所以我們從設(shè)計端一直推送到模擬端，當(dāng)然沒制造出來，因為制造也是可以探究的，但是我們目前來說不是太關(guān)心制造，因為制造上午也提到了，其實制造也有難題，但是可以實現(xiàn)，只不過成本和一些關(guān)鍵點的瓶頸問題。
    第二個例子，我們還有一個在軌道輕量化的車上有部件，這個部件從我個人的角度來說，這個部件太重了。因為傳統(tǒng)拿部件做，我們就認(rèn)為它太重了，但是一直沒有太好的方法，把這個零部件減重做得更極致一點，所以我們探究用增材制造是不是能做得更精致一點。這兩個方面，減重大約能減40%到50%，我們來說還是有一定的吸引力。
    第三方面，我們還有一個創(chuàng)新性項目，在軌道車輛軸承車輪后，外面還有軸箱體，我們寨軸箱體部分做的研究。左邊我們傳統(tǒng)的還是制造，因為它也發(fā)熱，還需要一定的散熱，另外它也承載，軸箱用3D打印。同時包括小的航架支撐，又能支撐，還起到一定的散熱，功能性也實現(xiàn)了，所以我們在做這方面的探究。
    剛才是探索，我們沒往下推，現(xiàn)在我們在做的是應(yīng)用型，但是我們看到這個例子，還是推到臺架實驗端，選取了轉(zhuǎn)架有個座，我們這個件選的比較大，理想在4公斤左右，這樣對我們探索制造成本比較低。另外這個件承載的功能偏少，所以對我們開發(fā)的壓力也比較小，所以選取了裝兩個減振器的安裝柱，受力是兩個來回往復(fù)的力，我們也有約束。現(xiàn)在大家講的就是我們在拿這個事例，我們在設(shè)計層面一步一步是怎么走的。因為我們傳統(tǒng)還是這種設(shè)計，傳統(tǒng)焊接和鑄造，所以我們開始利用這種增材制造。還有一個點，我們以后可以不用增材制造，可以用其他的方式實現(xiàn)，哪怕是中后一點，所以增材制造可以帶來拓?fù)鋬?yōu)化的方法，第一是優(yōu)化。第二，我們接下來做了實體建模，看它的效果是怎么樣。模型修正完之后，我們接下來會做一個結(jié)構(gòu)的強度，看它是不是能滿足要求。這方面我們軌道交通的壽命大約30年到40年，所以我們還會做仿真計算，因為它的材料和打印方向都有相關(guān)性，所以我們也做了一些試樣，去把這些數(shù)據(jù)帶到我們這個過程中，所以我們也是通過0度、60度、90度方面拿一些數(shù)據(jù)，帶到我們的仿真軟件里面，做了精強度，滿足了我們的要求。我們也可以做疲勞強度，疲勞強度也可以滿足我們的疲勞要求。另外還有剛度，所以這三方面都滿足要求。
    滿足要求之后，我們想做結(jié)果是什么樣的，傳統(tǒng)化如果是焊接，大約是3.5公斤，這部分大約是17公斤，這樣我們大約減了50%的重量。這50%的重量對我們的吸引力還是比較大的，因為我們這個零部件在車下，具體的例子就是我們轉(zhuǎn)向架鋼鐵是垂的，我們對鋼軌的損傷小，所以對于維護的成本也會偏低，我們會把這部分的重量首先降低。車上面還有懸掛，已經(jīng)減震了，這部分對我們車下還是比較有吸引力的。同時，我們作為主機廠還很關(guān)注一個點，設(shè)計端已經(jīng)做完，制造端我們怎么模擬一下，而不是持續(xù)打出來，我們?nèi)ピ嚾�，因為這對我們也不是一個好處，對長遠(yuǎn)來說不是一個可行的方法，所以我們再聯(lián)合另外一個公司，也優(yōu)化算法，我們在如何擺放供應(yīng)件，在它的支撐、變形、應(yīng)力方面都做了探究。這份工作還沒有做完，我們會對比一下模擬過程和實際過程差別有多大，陸續(xù)修復(fù)軟件。這部分工作還在繼續(xù)進行。
    當(dāng)然，這是我們目前做的工作，長遠(yuǎn)來說還是想把這個部件做出來，首先把這個部件的供應(yīng)實驗先做了，之后裝到我們車上，再去做分工實驗，這樣我們從應(yīng)用層面去定性這個技術(shù)能不能直接應(yīng)用，之后再去推動標(biāo)準(zhǔn)，那是下一個層面的問題。
    第三方面就我個人的理解，給大家分享一下今后的一個方向和建議。其實上午大家也提到一個問題，如何利用增材制造的特點去驅(qū)動。
    我們提出了幾個特點。第一老舊的車，車窗都是方方的，門也很規(guī)矩，但是這從力學(xué)來說不是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。這個很多的結(jié)構(gòu)是沒有必要的，這就帶來一個問題，假設(shè)我們利用全尺度打印，坐的是另外的車，所以今后是這樣的方面發(fā)展，從正向驅(qū)動。
    第二個方面，軌道車輛是載人，將人的舒適性達到，空間足夠，其實車的大小跟人沒有直接關(guān)系。但是車的大小跟什么有關(guān)系？就是基建費用，能占到40%，這個工程量，我們盡量把車做小一點，打隧道把車打小一點，不要打那么大�，F(xiàn)在通常是6米的直徑，有不同的直徑。如果我們把這個作為試點，土方也會小，機械成本也會降下來，這樣很多的地鐵投資費用會降低一點。今后軌道交通，第一增材制造或者其他的復(fù)合材料是不是會把車輛方式變化，第二會不會帶來車輛整體趨勢變小，給大家更多的吸引力，也就是更經(jīng)濟。
    另外是更環(huán)保，它增材制造制造也能降低重量。另外還有其他的新材料，所以增材制造要跟其他的材料匹配，搭配起來，不可能一種技術(shù)打天下。這里面有一些指標(biāo)，有一些教授去研究，今后能不能運行過程中把損耗降低，同時裝配時間降低、維護時間降低，有很多指標(biāo)。這里面我有一點思考，現(xiàn)在目前很多人講的都是偏重于金屬，其實我們還做了一份探究，這份探究偏少，就是增材制造和其他的復(fù)合材料，在非功能件或者功能件上進行應(yīng)用，上次做的探究，就是尼龍跟碳纖維絲混合打印，邊打印的時候，把攤纖維絲弄進去，這樣它的剛度也就夠，功能實現(xiàn)，而且分量非常輕，因為變形小。所以可以關(guān)注其他復(fù)合材料的發(fā)展趨勢，這樣用其他的件就會好一點。金屬應(yīng)用面稍微窄一點。
    同時環(huán)保車輛整體小了之后，還帶來一個特點，現(xiàn)在看F1賽車，很多的構(gòu)件藏在里面，其實當(dāng)時我們高速列車，大家的東西都包起來之后，把它節(jié)約以后，大約能降到30%，因為高速列車其實在高速跑起來，300公里以上，其實空氣阻力給它帶來的是呈正次方增加，所以速度越高，這樣開放的空間就會帶來更大的阻力，所以我們把它包起來，所以是小型化，也會帶來這種好處。
    還有幾個方面的思考，更經(jīng)濟、更舒適、更安全，這里面當(dāng)你輕的時候，當(dāng)我們下面震動也小的時候，也帶來經(jīng)濟的費用，制造費用、維護費用更低了。舒適方面，因為輕震動也會減少，所以會更舒適一點，更安全。這是一個方向，現(xiàn)在我們試探的是圖中綠色的部分，我們在做一些研究。反過來說，這個藍(lán)色組成的結(jié)構(gòu)，今后用增材制造，這可能是今后十年二十年的趨勢。
    還有兩方面的原因，我們軌道交通做的沒有其他行業(yè)那么好，因為軌道行業(yè)還有一個特點，我們這個是裝配，在退卸的時候，可以看到個別的拉傷很嚴(yán)重，一般是修復(fù)的，不修復(fù)會直接報廢，為什么會帶來這個問題？不是你不能修復(fù)，其實修復(fù)還是需要你驗證它的壽命、強度、剛度，還有疲勞，其實有一些問題。所以我們以前做過探究，它的方向是沒有很大，這是以后大家做的一個方向，可能需要推很多東西。
    另外還是背景備件，它備件非常多，不比航空零部件少，也是上萬個零部件。所以這些零部件，我們能不能移到客戶端，直接去對它進行備件的打印，這也是大家需要探究的問題。
    回到前邊一步，再探究下一代，其實還是在重量和界面完善，精度下一代是什么樣的，可能是今后大家看軌道列車不一樣的地方，更經(jīng)濟、成本更低，高可靠性和低精密性，這是原創(chuàng)做的。假如以后打出來是這樣的，重量也會輕，因為現(xiàn)在車輛是10噸，可能打出來5噸有可能。這樣帶來的特點就是更新更節(jié)能，舒適、快，所以準(zhǔn)點率更高一點，更舒適，希望以后大家乘坐火車更舒適一點，謝謝大家。

激光制造與再制造技術(shù)及應(yīng)用研討會 介紹

會議以激光技術(shù)、增材制造及再制造相關(guān)光電技術(shù)為主題，針對航空航天交通領(lǐng)域高質(zhì)量復(fù)雜產(chǎn)品的全產(chǎn)業(yè)鏈以及全壽命維護等迫切需求，開展面向增材制造及再制造的設(shè)計、材料、工藝及裝備、檢測以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等相關(guān)光電技術(shù)應(yīng)用研討，提升增材制造及再制造技術(shù)的數(shù) 字化、智能化、高穩(wěn)定能力，驅(qū)動中國制造高質(zhì)量發(fā)展。

新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革與我國加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式形成歷史性交匯，為我國實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略提供了難得的重大機遇。制造業(yè)是創(chuàng)新驅(qū)動的主戰(zhàn)場，推動制造業(yè)先進性發(fā)展，是扭轉(zhuǎn)制造業(yè)低質(zhì)低效、重塑產(chǎn)業(yè)競爭力，實現(xiàn)新舊動能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵所在。大力發(fā)展先進制造業(yè)，是加快制造強國建設(shè)步伐，加速推動經(jīng)濟發(fā)展由數(shù)量和規(guī)模擴張向質(zhì)量和效益提升轉(zhuǎn)變的重要途徑，以實際行動貫徹落實黨的十九大精神的具體體現(xiàn)。

主辦單位：
中國光學(xué)工程學(xué)會
北京亦莊國際投資發(fā)展有限公司
承辦單位：
國際激光技術(shù)產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用協(xié)同聯(lián)盟
再制造技術(shù)國家級重點實驗室
高能束流加工技術(shù)國家級重點實驗室
增材制造航空科技重點實驗室
高能束流增量制造工藝及裝備北京市重點實驗室
會議網(wǎng)址https://b2b.csoe.org.cn/meeting/show-48.html