3D打印技术在铁路制动系统的应用进展*

张浩然， 孙广合,2， 郑慧超， 张一帆

(1　北京纵横机电技术开发公司, 北京 100094;2　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081)

3D(3 Dimensions)打印技术自1980年代发明以来，取得了较快的发展，特别是2013年2月美国总统奥巴马在国情咨文中强调了3D打印技术的重要性，再次掀起了3D打印技术研究的热潮。2013年11月美国德克萨斯州奥斯汀的3D打印公司Solid Concepts用3D打印技术打印了金属手枪。2014年7月1日美国海军试验了利用3D打印等先进制造技术快速制造舰艇零件，希望借此提升执行任务速度并降低成本。2014年10月29日在芝加哥举行的国际制造技术展览会上，美国亚利桑那州的Local Motors汽车公司现场演示世界上第一款3D打印电动汽车Strati的制造过程，整个制造过程仅用了45 h。Strati采用一体成型车身，最大速度可达到64 km/h。除动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃采用传统技术制造外，包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由3D打印机打印，所用材料为碳纤维增强热塑性塑料。2015年4月21日美国国家航空航天局(NASA)官网报道正通过利用增材制造技术制造首个全尺寸铜合金火箭发动机零件以节约成本，NASA空间技术任务部负责人表示，这是航空航天领域3D打印技术应用的新里程碑。另外，据报道2015年6月22日俄罗斯技术集团公司以3D打印技术制造出一架无人机样机，重3.8 kg，翼展2.4 m，飞行速度可达90～100 km/h，续航能力1～1.5 h。

国内的3D打印技术发展也比较迅猛。如西北工业大学采用激光3D打印技术为中国商飞公司制造了大飞机C919的中央翼肋TC4上、下缘条构件，尺寸为3 000 mm×350mm×450mm，质量196 kg，并通过了中国商飞公司的性能测试[1-2]。北京航空航天大学王华明等人[3]成功制造了单件质量超过110 kg的多个钛合金结构件及国内尺寸最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件，在国际上首次全面突破了钛合金、超高强度钢等难加工、大型复杂的整体关键构件的激光成型工艺、成套装备和应用关键技术，使我国成为迄今唯一掌握大型整体钛合金关键构件激光成型技术并成功实现装机工程应用的国家[4]。另外，清华大学也在电子束激光选区熔化EBSM(Electronic Beam Selective Melting)、细胞受控组装方面展开了卓有成效的研究。我国在2015年发布的国家"十三五"中长期发展规划中，明确提出要重视和加速发展3D打印技术，且于2016年4月在北京正式成立了全国增材制造标准化技术委员会，这对于促进3D打印技术在中国的发展和应用将起到很重要的支撑和引领作用[4]。

1　3D在铁路制动系统中的应用

3D打印技术在铁路行业应用暂未见报导，铁路行业的制动系统用到大量的气动零部件，这些零件的内部结构往往都非常复杂，气路细长且相互交错，采用传统的机加工制造方法，难于保证精度，需要增开大量的工艺孔，其最终的加工精度与产品的结构复杂度有很大关系；采用铸造方法，对于零件的铸造工艺性要求较高，而制动类零件由于其自身结构的特点，铸造工艺性并不好，容易产生铸造缺陷，重要的密封面仍需要二次机加工。针对这一情况，分别采用几种典型的3D打印方法打印了几种不同的铁路制动系统零件，并分析了这些工艺的特点及其适用性。

1.1　熔融沉积技术在阀类的应用

熔融沉积FDM(Fused Deposition Modeling)方法由美国Stratasys公司发明，图1为FDM工艺原理的简介。该技术通过喷头将塑料丝材加热熔化，逐层堆积成型，送丝机构自动将丝材供给到喷头。该方法具有良好的成型工艺性、价格低廉、打印快捷、成型环境好等特点。成型材料主要为ABS、PC、PP、PLA等塑料材质。图2为采用熔融沉积技术打印的1∶1制动控制阀类的模型，尺寸为200 mm×180 mm×120 mm，内部具有多个复杂的气路截面，不同气路相互连通。FDM技术可以帮助研发人员更直观的了解产品复杂的内部结构，快速实现设计。该成型材质为PLA，层厚精度达到了0.05～0.4 mm。目前国内出现了很多桌面型的FDM打印设备，价格低廉。

1-基板；2-喷嘴；3-送丝机构；4-线卷盘；5-加热部件。图1　熔融沉积技术FDM原理简介[5]

图2　阀类零件的FDM打印实例

1.2　立体光固化成型技术在制动盘、气路板类零件的3D打印应用

立体光固化SLA(Stereo lithography Appearance)技术的原理如图3所示，在盛满液态树脂的液槽中，通过偏转镜控制激光的行走路径，液态光固化树脂在激光的照射下迅速聚合成型，完成一层后液槽下沉一定高度，刮平继续成型下一层，逐层照射，最终形成所需要的零件。该3D打印技术具有成型精度高、表面光洁、成型尺寸大等特点，通过选取透光性光固化树脂，可以打印透明的零件，便于观察产品的内部结构。图4为采用SLA技术打印的火车用制动盘，尺寸达到了φ640 mm×80 mm，由于尺寸较大，采用两半分别打印、整体粘接的技术，材质为Somos WaterShed XC，精度达到0.15 mm，该模型可以用来制作消失模；图5为采用SLA技术打印的机车车辆制动系统的气路板零件，尺寸为500 mm×291 mm×22 mm，材质为全透光敏树脂，可以非常清晰的观察产品的内部结构，由上下两个部分组成。

1-零件；2-制板；3-氦-镉激光器；4-光固化树脂；5-液体表面；6-升降台。图3　立体光固化技术SLA成型原理[6]

图4　铁路制动盘SLA打印实例

图5　制动控制气路板SLA打印实例

1.3　3D打印金属间接成型

比较常用的3D打印金属间接成型工艺，是将聚合物粉末和金属粉末的混合物进行3D打印，通过聚合物粘接金属粉末，然后加热以降解聚合物并二次烧结金属粉末，最后渗入熔点较低的金属提高零件致密度。另外一种比较常用的3D打印金属间接成型工艺，是先通过3D打印技术打印出金属零件的原型蜡模或砂型母模，然后将原型蜡模翻制成母模进行浇注，或者用砂型母模直接进行铸造。这种工艺成本不高，相比于金属直接成型，费用大大降低，同时不需要开金属模具，适用于小批量的试制。图6为采用激光选择性烧结SLS(Selective Laser Sintering)技术打印蜡模，然后通过蜡模翻制石膏模而打印的金属零件，图7为采用SLS技术打印的覆膜砂型以及使用该砂型铸造出的铝合金零件。

图6　SLS打印蜡模的间接成型工艺

图7　SLS打印砂模的间接成型工艺

图8为采用EOSINT M设备打印的尼龙材质物料托盘，该托盘表面有凸起、有凹坑，采用机加工方法比较费料、耗时，采用SLS工艺不受结构的复杂度影响，可以快速验证设计的托盘是否满足生产要求。

图8　采用SLS工艺打印 尼龙物料托盘

1.4　3D打印金属直接成型

金属零件的3D打印直接成型原理是将金属粉末或丝材，在激光或电子束等加热条件下，按软件设定的路径同步熔化、堆积，最终成形出设计的零件实体[2]。金属3D打印的热源主要有激光、电子束或电弧，原材料状态主要为粉末和丝材，成形方式主要包括铺料、送料条件下的烧结成形及熔化成形[7-8]。选择性激光熔化SLM(Selective Laser Melting)技术的成型原理如图9所示。该工艺不需要制备毛坯件、模具加工，省去了中间反复翻模的过程，成型过程简单。另外，近年来还出现了将金属的直接3D打印与传统机加工工艺相结合的新技术，进一步提高了3D打印零件的尺寸精度，如德国弗朗和夫生产技术研究所融合材料添加和去除方法开发了控制金属堆积CMB(Controlled Metal Buildup)技术，该技术配备了铣切装置，在扫描沉积了一层后，利用铣切来加工每一层的表面轮廓使之平整，这样就改善了零件的精度和表面光洁度。据报道在制造不锈钢零件时，可以达到100%致密度。该系统增材工艺采用同轴送丝激光熔覆技术，所用材料为所有可焊接金属[10]。图10为采用德国Concept公司3D打印设备，利用SLM技术打印的铁路用制动控制器的盖板和支架，尺寸为270 mm×220 mm×140 mm，材质为铝合金。

1-送料桶；2-铺粉刮刀；3-氮气或氩气工作室；4-扫描系统；5-光纤激光器；6-多余粉末收集桶；7-工作平台。图9　选区激光熔化SLM技术原理[11]

图10　制动控制器零件的SLM打印实例

2　常用3D打印技术的对比

如上面所述，不同的3D打印技术具有不同的打印材质、精度、成本、应用场合。为了更好地对比它们的特点，通过表1选择几种典型的3D打印技术进行对比。由于成型精度主要取决于层厚，因此表1用层厚代表成型精度，可成型的层厚越小，精度越高。

表1　3D打印技术的对比

通过表1，可以看出FDM、SLA、SLM等技术的加工周期较短，主要是因为不涉及制模和铸造的过程，零件直接打印成型，并且打印金属的SLM技术成本要大大高于打印塑料的FDM和SLA技术，但塑料零件显然无法进行功能试验；SLS和砂型铸造的间接成型方法，周期相对较长，但仍然比一般的铸造工艺节省40%的时间，其铸造精度与普通砂型铸造无区别，主要取决于铸件的尺寸和具体结构，采用ZL105材质打印的零件，精度可达到GB6414-CT10级；SLS和石膏铸造的间接成型方法，周期不长，同样尺寸规格的零件，铸造精度可达到GB6414-CT4级，成本只有SLS和砂型铸造的一半左右。因此，综合比较来看，采用SLS与石膏铸造是一种比较经济、精度相对较高、周期响应比较快的间接成型方法，同时由于是金属零件，可以进行零件的功能试验，快速验证设计。需要指出的是，即便精度达到GB6414-CT4级，但关键配合尺寸仍然需要机加工。

3　结束语

目前3D打印技术特别是金属成型工艺，主要应用在航空、航天领域，铁路行业应用的不多，但随着对3D打印技术的研究和成本降低，其在铁路行业必将具有广阔的应用前景，特别是具有复杂结构的零件试制，比如阀体、气路板、制动盘等。不同3D打印技术能发挥不同的作用，如FDM和SLA工艺可以用于零件原理分析和生产教学，SLS可用于金属间接成型加工，SLM或EBSM可用于金属的直接成型加工。

随着3D打印技术的快速发展，如何有效融合增材加工和减材加工技术，进一步提升3D打印金属零件的精度，减少甚至消除3D打印的后续机加工工序，将成为一个重要的发展方向。另外，如何有效拓展3D打印应用的金属材质，并降低3D打印的成本，使其应用更加普及，对于该技术本身在铁路领域的成长也至关重要。更早的摸索3D打印在铁路制动系统的应用，将有助于我们对于前沿技术的理解，提升开发效率，避免铁路行业在新一代前沿技术革命中丧失先机。