全球140家公司組成協(xié)會，推動增材制造在鐵路行業(yè)的應用

2023年2月，俄亥俄州一列有毒化學品火車出軌事故受到人們的高度關注，大家把目光紛紛落在了鐵路領域。要知道，在交通領域中，增材制造 (AM) 主要的作用之一就是解決安全問題。對此負主要責任的是貿易組織Mobility goes Additive (MGA)，這是一個總部位于德國的國際公司網絡，主要關注AM在鐵路行業(yè)的應用。


△用于蒸汽機車的 3D 打印渦輪機葉輪。圖片由德國鐵路提供

MGA 的常務董事是Stefanie Brickwede ，他也是德國鐵路（德國國家鐵路）AM 的負責人。Brickwede 監(jiān)管著一個由全球 140 多家公司組成的協(xié)會，這些公司以 MGA成員的身份聯(lián)合起來組成了13個不同的工作組。其中一個工作組“鐵路審批”特別關注安全問題。 Brickwede指出，在鐵路行業(yè)使用增材制造的考慮因素與大多數(shù)其他增材制造細分市場的考慮因素不同。


△3D 打印輪組軸承蓋。圖片由德國鐵路提供


△國鐵路公司 MGA 董事總經理兼 AM 負責人 Stefanie Brickwede。

舉個例子，在航空航天領域，使用增材制造的一大原因是為了輕量化。但由于火車上的負載必須保持在一定數(shù)值上，輕量化部件本身并不一定是好事，很容易導致脫軌等重大問題。因此，與飛機或汽車相比，鐵路增材制造的目標是復制現(xiàn)有零件的設計。

由于鐵路車隊通常預計會運營 30-50 年，因此十年以上的維修零件合是行業(yè)標準的最低限度。例如，德國工業(yè)巨頭西門子，是AM 的長期支持者，也是 MGA 的成員，在印度簽署了其歷史上最有價值的鐵路合同之一，為期 35 年，這意味著備件需要過長時間的存放。Brickwede 在她的主題演講中指出，目前，MGA 成員認為高達 10% 的鐵路部件可以 3D 打印，最終可能達到 50%。

與其他領域一樣，鐵路公司可以通過增材制造避免囤積未使用的備件來降低管理費用。不過，除了通過及時生產提高盈利能力之外，鐵路運輸，尤其是貨運鐵路運輸?shù)陌踩�性會極大的提高。之所以如此，是因為公司可以利用 AM 來提高已經證明的備件的可負擔性和可及性，他們可以避免在成本節(jié)約和安全性之間做出選擇。


△帶有電子傳感器的 3D 打印鐵路制動鉗。

此外，已經有一些項目，有意使用 AM 來提高鐵路安全。例如，F(xiàn)raunhofer ILT 項目的一部分，將嵌入式傳感器整合到3D打印的軌道部件中，其最終目的是創(chuàng)建一個由人工智能驅動的系統(tǒng)，用于通知鐵路公司其車隊的狀態(tài)，并提醒鐵路售票員最急需更換的部件。有時鐵路部門會運輸大量有毒的材料，大大增加了危險性，這種應用可能特別有利于貨運鐵路運輸?shù)陌踩��?br />
如此龐大、國際化和多方面的合作公司網絡的存在表明，鐵路行業(yè) 3D 打印部件的標準化潛力遠高于飛機甚至汽車。

3D打印在鐵路中的應用
●SNCF：3D打印備件減少庫存
法國鐵路行業(yè)的主要參與者SNCF（法國國家鐵路公司）已將增材制造運用到日常的生產制造中，能夠更快地設計備件，避免長時間停運。SNCF設備總監(jiān)Bruno Langlois解釋說：“為確保列車可用性，SNCF必須能夠在同一天更換有缺陷的部件。然而，由于列車由大量零件組成，我們必須管理大量庫存。借助增材制造，我們可以根據(jù)需要制造零件減少庫存�！�2021年，SNCF宣布集成3YOURMIND軟件，可以識別和鑒定能夠3D打印的備件。利用此軟件SNCF在30,000多個備件中確定了可以使用AM制造的10.3%的3D打印部件，并將交付時間縮短了85%。



●Alstom（阿爾斯通）：3D打印備件
Alstom，是一家大型的法國公司，總部位于法國巴黎附近，其主要業(yè)務為電力及軌道交通基礎設施。
2016年，Alstom推出了“未來工業(yè)”計劃，增材制造在其中發(fā)揮了主要作用。Alstom相信3D技術在鐵路行業(yè)一定會產生額外的價值，特別是在獲得靈活性和減少可能造成重大財務損失的停運方面。2021年，Alstom提出了關于電車軌道的具體案例研究，利用3D打印設計出由TPU 92A制成的排水塞，防止前燈破裂。在48小時內打印了十幾個零件，將固定成本降低了80%。（通常，需要45天才能收到更換零件）


△通過利用 3D 打印，Alstom可以使用靈活且堅固的材料更快地進行設計（圖片來源：Alstom）

●POLGAR KFT：3D打印座椅原型
POLGARKFT是一家匈牙利汽車零部件制造商作為汽車行業(yè)的零部件制造商，Polgar為火車設計了一些零部件。它使用Omni3D的Factory 2.0工業(yè)3D打印機，并與公司Metris 3D合作，Polgar 3D打印了原型座椅。該公司表示，它顯著降低了原型制作成本，節(jié)省了370,000歐元，即成本的90%。Polgar補充說，它能夠在短短三周內完成該部分，而傳統(tǒng)方法需要16周。為了設計相對較大的部分，座椅在組裝之前被打印在不同的組件中。


△3D打印座椅的原型（照片來源：Polgar）

●Renfe：3D打印備件
Renfe是西班牙國有主要鐵路運行商,可提供包括地區(qū)鐵路運營和高速城際列車在內的各級鐵路運營。它擁有一個制造和維護部門，該部門集成了一系列用于開發(fā)備件的3D技術。這些新技術的整合應該使Renfe能夠制造備件以及小批量和快速交付訂單。與其他傳統(tǒng)方法相比，增材制造的優(yōu)勢是在制造零件時節(jié)省了成本和時間，這也是他們將目前市場上最先進的方法整合到他們的業(yè)務中的目標的一部分。


△位于馬德里的試點中心（圖片來源：Renfe）

●Run2Rail 項目
歐洲Run2Rail項目于2018年啟動，由University of Huddersfield（哈德斯菲爾德大學）鐵路研究所(IRR)的Simon Iwnicki教授領導，旨在改變火車制造流程。研究人員希望使用3D打印和碳纖維來設計更輕、更安全、更安靜的火車。由于所使用的復合材料和技術，參與該項目的人相信他們將能夠制造具有復雜幾何形狀的零件，達到重量減輕但強度增加的目的。Simon Iwnicki教授解釋說，3D打印將使制造小型部件成為可能，例如軸箱或軸承零件。Run2Rail匯集了不少于15個歐洲合作伙伴，同時也希望減少歐洲鐵路行業(yè)的生態(tài)足跡。



●Angel Trains與Stratasys合作
Angel Trains是一家貨物和客運車輛提供商，服務于英國和歐洲大陸市場。英國火車租賃專家AngelTrains與ESG Rail和Stratasys合作設計了一些專門用于火車內部的部件。他們希望通過3D打印技術改變鐵路行業(yè)并提供更快、更重要且更經濟的制造方法。目前，項目成員已經使用Stratasys FD 打印機設計了扶手、把手和折疊架。AngelTrains表示他們使用了美國制造商Antero 800 NA燈絲，這是一種由PEKK制成的材料，比傳統(tǒng)的熱塑性塑料具有更好的性能。


△3D打印平板電腦（圖片來源：Angel Trains）

●HS2使用混凝土3D 打印
英國高速鐵路2號（HighSpeed 2）即英國HS2工程，是英國政府于2012年1月8日批準的一項高鐵工程，首期投資達到320億英鎊，預計2033年全線投入運營。
HS2被認為是一種不僅可以改善英國基礎設施的方式，還可以為旅行者提供更環(huán)保的交通選擇。減少環(huán)境污染和減少制造成本一直是該項目的目標。出倫敦隧道承包商SCS JV(Skanska Costain STRABAG Joint Venture)已使用混凝土3D打印來實現(xiàn)其建造這條鐵路的上述目標。SCS JV計劃使用計算機操作的機器人打印混凝土，能夠在現(xiàn)場制作所需結構。


△HS2完成后的外觀（圖片來源：HS2 Ltd）

●NS進入3D技術世界
NS是荷蘭主要的鐵路公司，負責運營荷蘭的鐵路系統(tǒng)。Nederlandse Spoorwegen (NS)公司宣布為火車的20個部件進行3D打印。它不僅專注于增材制造，還采用了其他類型的技術，例如3D掃描儀和數(shù)字化。NS稱，他們已經能夠制造復雜且難以復制的零件，例如儀表板框架。他們對舊模型進行3D掃描，然后使用增材制造創(chuàng)建新組件。NS 這種集成有助于顯著減少制造時間和維護過程。


△3D打印部件示例（圖片來源：Nederlandse Spoorwegen）

●Bombardier Transportation與Stratasys的合作伙伴關系
龐巴迪運輸（Bombardier Transportation）是龐巴迪公司集團的子公司之一，負責供應鐵路設備，也是全球最大的鐵路設備制造及服務公司。Bombardier Transportation是世界知名的軌道車輛制造公司。，這家總部位于德國的公司與 3D打印領域的領先公司之一Stratasys合作已有一段時間。Stratasys使Bombardier Transportation能夠生產各種原型、工具以及火車和有軌電車的最終零件——所有這些都來自3D打印機！由于使用了增材制造，Bombardier Transportation可以減少成本并提高時間效率。StratasysF900 3D打印機的打印體積為914x610x914mm特別適合Bombardier Transportation的3D打印風管、保護外殼和電纜橋架。


△BombardierTransportation正在通過使用Stratasys F900進行制造。（圖片來源：Bombardier Transportation）

●Mobility Goes Additive使3D打印民主化
總部位于柏林的Mobility Goes Additive (MGA)多年來一直專注于增材制造。MGA的目標很明確：使3D打印在鐵路部門和整個交通部門的使用民主化。在2019年，鐵路部門的第一個3D打印組件獲得批準。具體來說，這是一種由金屬制成的制動懸架，現(xiàn)在在Hamburg的地鐵中使用。對于成立于2017年的MGA，制動組件的批準得益于與眾多合作伙伴的合作：西門子交通、德國鐵路公司和弗勞恩霍夫研究所。最后，在最終批準3D打印部件之前，TüV還進行了必要的質量保證。



●Union Pacific集成3D打印
太平洋聯(lián)合鐵路公司(Union Pacific Railroad)承擔美國西部三分之二地區(qū)的貨物運輸，運輸線路全長3萬6千英里。
與許多其他大陸，尤其是歐洲和亞洲不同，商業(yè)鐵路運輸在美國并不那么突出。話雖如此，鐵路仍然穿越美國，主要用于貨運，在美國經濟中發(fā)揮著關鍵作用。聯(lián)合太平洋(UP)早在2013年，就開始通過增材制造技術，幫助機車運行更安全、更高效。盡管他們沒有透露使用了哪些3D打印技術，但顯然該公司已將3D打印廣泛用于原型制作。


△圖片來源：聯(lián)合太平洋鐵路公司

●CAF將增材制造用于火車部件
CAF Manufacturing是一家致力于制造火車和鐵路設備的西班牙公司。幾年前，CAF開發(fā)了第一輛集成了一系列3D打印前端組件的輕軌車輛。該項目與薩拉戈薩有軌電車一起進行，為CAF Urbos車輛設計和制造零件。為此，他們使用了先進聚合物的3D打印，這些聚合物符合最嚴格的鐵路行業(yè)關于火災和煙霧的規(guī)定。此外，該技術在備件供應方面被視為具有競爭力的替代方案。同時，RL Components還能夠使用3D掃描開發(fā)備件的逆向工程。


△項目背后的團隊（圖片來源：CAF Manufacturing / Zaragoza Tramway）

●Siemens Mobility Services和Fortus 450mc
Siemens Mobility Services自2020 年以來一直使用3D打印服務。它使用Stratasys開發(fā)的Fortus 450mc 3D打印機進行鐵路行業(yè)的創(chuàng)新制造。Siemens Mobility Service投資的原因很明確：通過增材制造，該公司希望能夠在重要部件的生產和維護中更加靈活高效。特別是，某些火車模型和相關備件在某些情況下不再生產，這使得維修工作變得更加困難。


△SiemensMobility Services使用來自3D打印公司Stratasys的技術（圖片來源：Siemens Mobility Services）

●Deutsche Bahn應用增材制造
德國鐵路股份公司（Deutsche Bahn AG）一般簡稱為德國鐵路（DB），是一家總部設于柏林的德國國有運輸公司，于1994年在法蘭克福創(chuàng)立。自從收購和大量使用大尺寸3D打印機以來，DB始終與時俱進。這家德國壟斷公司主要使用增材制造來維護其列車，以提高效率和速度。因此，除了用于火車維修的工具外，準確地說是由塑料制成的備件，已經在使用3D打印機生產。DB早在2021年就表示將利用增材制造技術，因為這將使他們能夠在現(xiàn)場擁有必要的備件庫存，而不必考慮供應鏈問題和原材料短缺問題。


△德國鐵路以其創(chuàng)新性而聞名（圖片來源：德國鐵路）