中車專家：軌交制造瓶頸帶來百億損失，增材制造可有效彌補(bǔ)

來源：新材料在線

隨著增材制造技術(shù)的不斷進(jìn)步與成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域已從一般的原型制造逐漸拓展到航空航天、醫(yī)療器械、軌道交通等高端裝備制造行業(yè)。對于軌道交通裝備制造而言，由于傳統(tǒng)制造工藝瓶頸、新車試制及快速維保等制造需求所帶來市場達(dá)上百億元，而增材制造技術(shù)正好可充分發(fā)揮其優(yōu)勢，助力軌交裝備零部件制造提質(zhì)升級。

在由國家先進(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新中心、尋材問料®、中國先進(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新聯(lián)盟、《電力機(jī)車和城軌車輛》期刊、智慧軌道交通產(chǎn)業(yè)觀察共同舉辦的“軌道交通裝備產(chǎn)業(yè)線上直播大講堂”上，中車株洲電力機(jī)車有限公司高級工程師、國家先進(jìn)軌道交通裝備創(chuàng)新中心技術(shù)專家馬明明博士介紹了增材制造技術(shù)及其在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用情況。

增材制造俗稱3D打印，是以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，將材料逐層堆積制造出實(shí)體零件的新型制造技術(shù)。其特點(diǎn)是數(shù)字化、智能化制造；無模具制造，工藝流程簡單；點(diǎn)、線、面、體的制造模式，控制方便，性能穩(wěn)定；適合材料廣泛，以“粉”“絲”兩種形式增加材料，以高能束熔化材料；常見金屬采用增材制造性能超過鍛造水平。在制造行業(yè)，增材制造是傳統(tǒng)制造工藝的有益補(bǔ)充。

增材制造技術(shù)始于從上世紀(jì)八十年代，從最初的熱固化成型技術(shù)、紫外光固化技術(shù)，逐漸演變到可適用于高性能金屬零部件成形的高能束成形技術(shù)。該技術(shù)通過把金屬材料作為一種成形材料，通過激光、電子束、電弧等高能束得到高性能金屬零部件增材制造。馬明明博士表示，由于激光能量的密度高、柔性化程度比較高，所以它在增材制造領(lǐng)域所應(yīng)用的范圍比較廣。


據(jù)他介紹，金屬零部件激光增材制造技術(shù)有5大優(yōu)勢。
一是可成形零件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、提升零部件的設(shè)計(jì)空間。通過增材制造技術(shù)，可以成形出傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)。通過拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)零件的減重、節(jié)約材料。同樣的性能和功能，所需要的工藝更少。

二是可以一體化成型，減少零件數(shù)量。零部件數(shù)量可以由多件減少至1件，成本降低約30%，重量減少20%以上，部件壽命提升5倍以上。


三是制造小批量、多品種產(chǎn)品。可滿足產(chǎn)品定制化需求，小批量零部件成形時(shí)無需開模，節(jié)省大量的時(shí)間和模具費(fèi)用。

四是材料利用率高、減少材料浪費(fèi)。產(chǎn)品一次成型，材料利用率達(dá)到90%以上。


五是力學(xué)性能優(yōu)異。在增材制造過程中，由于熔池冷卻速率高、組織結(jié)構(gòu)可控性好以及使用專用粉末材料等原因，因此可以達(dá)到靜強(qiáng)度提升、疲勞強(qiáng)度提升和表面硬度提升等效果，提升零件的性能。

突破軌交裝備制造瓶頸的新工藝
美國通電氣公司是增材制造應(yīng)用探索的先行者，其增材制造產(chǎn)業(yè)鏈從粉末、設(shè)備到工程化應(yīng)用，都走在世界前列。馬明明分析了其增材制造的應(yīng)用案例，以燃料噴嘴為例，傳統(tǒng)的燃料噴嘴是用二十多個(gè)零件所組成的，而增材制造技術(shù)只用了一個(gè)零件。得到的效果是成本降低30%，重量降低25%，使用壽命提升5倍，庫存降低95%。

這一技術(shù)同樣啟發(fā)了其他的行業(yè)。

馬明明表示，軌道交通車輛零部件的制造需要提質(zhì)升級。目前軌交裝備行業(yè)存在慣性工藝瓶頸需要突破、定制化車輛增多要求車輛快速試制、小批量的維修保護(hù)需要快速且低成本等需求。而上述問題的解決很難再依賴于傳統(tǒng)制造工藝，引進(jìn)新工藝，或者新工藝與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合是破解上述難題的最有效方法。

他分析了激光增材制造在軌道交通車輛的應(yīng)用案例。如某接頭7系鋁合金焊縫裂紋解決方案，傳統(tǒng)的焊接劣勢在于會產(chǎn)生疲勞裂紋、應(yīng)力腐蝕裂紋、應(yīng)力集中、焊接殘余應(yīng)力、焊接氣孔缺陷、組織不均勻等問題。此外，直角過渡的時(shí)候焊縫數(shù)量多，需要多個(gè)零件組成。

經(jīng)過設(shè)計(jì)師進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，直角過渡變成了彎角過渡，但這需要一體化成型技術(shù)實(shí)現(xiàn)，也就是需要采用增材制造工藝。采用增材制造技術(shù)成形，在結(jié)構(gòu)上可以優(yōu)化，減少應(yīng)力集中，材料設(shè)計(jì)上避免晶間裂紋等等，使其更加符合空氣動(dòng)力學(xué)、提升壽命及提升質(zhì)量穩(wěn)定性。

他還對導(dǎo)向桿零件、連接座等零部件的制造瓶頸解決方案以及產(chǎn)品試制、維保檢修等案例進(jìn)行了分析。

他總結(jié)道，激光增材制造在軌道交通裝備行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)勢在于：單件需求量高、試制件與小批量件較多、零件驗(yàn)證時(shí)間短、性能要求不苛刻。

而不足之處在于，零件復(fù)雜度較低、對增材制造的剛需不高、對零件成本較為注重、普及程度較慢和較低。

“相關(guān)行業(yè)的人正在尋找可應(yīng)用的點(diǎn)，將增材制造技術(shù)引入到軌交裝備行業(yè)里面，我們也看到了可喜的收獲。”