摘 要:目前，轨道交通行业正在以构建快速、柔性制造模式和开发轻量化、绿色化产品为目标，积极探索将 3D 打印技术应用于产品备品备件、车辆铸件产品用铸型以及复杂高性能结构件的开发和制造过程中。文中分析了主流 3D 打印技术的技术特色和用途，归纳了现阶段轨道交通领域 3D打印技术的应用研究工作，并对急需解决的关键问题以及应用前景进行了展望。

1、 3D 打印技术现状和发展趋势

美国权威行业调研机构 － 技术咨询服务协会Wohlers 的最新研究报告指出，全球 3D 打印市场规模依然呈现高速增长的趋势。从专利申请及分布情况来看，3D 打印的专利申请量仍逐年上升，3D 打印技术应用范围不断扩大。尤其近几年，3D 打印技术取得了快速发展，具体表现为各类 3D 打印技术层出不穷，可所用的材料种类越来越多，可成型结构构型越来越复杂，零件的精度水平越来越高。用于工业产品的材料可大致划分为金属和非金属 2 大类，3D 打印技术的具体细分技术可分别满足多种类别金属和非金属材料的打印，通过新型结构设计技术、材料复合技术、数控加工技术与 3D 打印技术的有效融合，可以开发出结构部件和功能性部件产品，满足宽幅的应用领域。

典型的非金属材料打印技术有选区激光烧结( SLS) 、激光立体光固化( SLA) 、树脂微滴喷射技术( 3DP) 等。选区激光烧结技术多采用尼龙粉末、热塑性树脂覆膜砂、PS 粉作为原材料来制造尼龙结构件、铸造用砂型( 芯) 、蜡模等产品。激光立体光固化技术采用添加光触媒的液态树脂作为原材料，在特定波长紫外激光的照射下促使光固化反应进行，可制造刚性和软性的树脂制件产品。树脂微滴喷射技术多采用预混酸类固化剂的石英砂作为原材料，通过阵列喷头对砂层表面选区喷射呋喃树脂来实现砂型的自反应固化。而目前金属材料 3D 打印技术的常用方式包括激光立体成型( LSF) 、选区激光熔化( SLM) 、选区电子束熔化( SEBM) 等方式。激光立体成型技术是一种材料的近净成型技术，打印过程中通过同轴输送的激光和金属粉材实现材料的逐点熔化 － 凝固、搭接和叠加，可用于打印大型承力结构金属零部件产品，但表面粗糙度水平较低。选区激光熔化和选区电子束熔化技术多用于小型金属零部件产品的打印，产品不受形状自由度约束，表面粗糙度水平较好( 见图 1) 。

2、 3D 打印在轨道交通领域的应用研究现状

2.1 3D 打印在轨道交通运维领域的应用

2015 年，德国联邦铁路与 SIEMENS、Concept Laser、Materialize、EOS、Stratasys、Autodesk 成立了德国铁路的移动增材制造网络，在行业内首次将 3D打印技术制造的备品备件应用于轨道车辆的运营维护当中，目前打印的备件包括塑料零件( 接线盒、开关箱、摇杆等) 和金属零件( 砂箱、轴承盖等) 。为发挥 3D 打印的自由成型优势，德国联邦铁路对部分零部件的设计进行了改进，如列车轴承盖备件通过内部中空结构设计，优化了部件的抗振动性能和耐磨性能，应用于电机部件维保中。通过分布式的 3D打印制造网络，用户可以根据零部件的更换需求开展就近、快速制造，极大地减轻了仓储、物流压力。

国内，中车株洲电力机车有限公司也联合轨道交通产品产业链中的 12 家企业组建了“国家先进轨道交通装备制造业创新中心”，对国内轨道交通装备 维 保 领 域 的 3D 打印技术进行研究和产业孵化。

2.2 3D 打印在轨道交通铸件开发和制造中的应用

现阶段，轨道交通车辆包含有大量的金属材质零部件产品，铸造是其中主要成型方式之一，如钩缓、制动、齿轮传动等多采用铸钢、铸铝、铸铁材质。在铸件新品开发和小批量试制过程中，采用 3D 打印技术来制造铸型可以有效节省模具开发时间和研发成本，因此获得了大量应用。目前，中车戚墅堰所、中车齐齐哈尔公司、长江公司等产品研发和生产单位均建立起了相关技术储备，并在深入开展产业化拓展工作。其中，中车戚墅堰所在技术储备的基础上成立了快速制造工程化示范中心，采用 SLS 砂型打印技术、SLA 高分子刚性模具打印技术和数控加工技术的组合模式，可以实现覆膜砂型( 芯) 、蜡 模、模具的多品种小批量生产能力，常态服务于轨道交通铸件的开发和生产中，并将砂型镂空设计、自体支撑、梯度打印等专有技术进一步深化，已拓展至汽车零部件等新产业服务领域。图 2 分别为中车长江公司和中车戚墅堰所采用 3D 打印制造的轨道交通零部件砂型( 芯) 及模具产品。

2.3 金属 3D 打印技术在轨道交通产品应用的探索

不同于传统金属铸造过程中的宏观凝固过程，金属 3D 打印技术具备微区熔池的快速熔化 － 凝固特点，产品微观晶粒细小均匀、溶质偏析倾向小，辅助采用远离平衡态的温场控制技术、支撑设计技术、合金化匹配技术等，可实现高性能金属零部件的直接成型，产品精度、复杂程度、力学性能远高于铸件产品，如国内西北工业大学、西安铂力特公司开发的C919 大飞机中央翼缘条产品的综合性能测试已达到锻件水平，高于波音公司产品标准。国内轨道交通装备制造企业已开始认知到金属 3D 打印技术的特殊优势并开展相关应用技术研究，中车株洲电力机车研究所采用英国 Ｒenishaw 的选区激光熔化设备已经成功打印了机车高压接地开关传动件( 见图3) 。这种传动件最早采用 316L 不锈钢材质的传动杆与传动盘经铆接或电阻焊连接制成，结合部位强度低，经常由于扭转应力的作用在服役过程中脱落。采用 SLM 金属 3D 打印技术一体化成型后，传动杆与传动盘冶金结合强度大大提高，抗压性能较原件提高了 25% ～ 75% ，力学性能也优于不锈钢锻件水平，并且零件各方向上的尺寸精度均小于 0． 1 mm，满足使用要求。这说明金属 3D 打印技术在解决轨道交通异形件、复杂件以及连接件一体成型方面具有较大的应用潜力。

3、 3D 打印在轨道交通领域的应用前景展望

目前，结合 3D 打印技术本身的发展现状和轨道交通装备的现实需求，各装备制造企业已开始孵化应用方式多元化、服务模式多方位的发展格局，但基于技术本身的深入研究尚在探索之中。未来，随着原材料种类、设计拓扑优化、检测验证体系的进一步发展，3D 打印技术将会发展成为轨道交通装备设计、开发、制造过程中的主要载体之一，来有效补充传统铸造、焊接、锻压技术的发展瓶颈，实现轨道交通轻量化、绿色化、智能化的远景目标。

参考文献: ［1］李壮，闫亚飞，陈小莉，等． 3D 打印技术专利发展态势分析［J］． 科学观察，2016( 3) : 44 － 54．

［2］马明明，谭迈之，孙德祥，等． 激光选区熔化成形高压接地开关传动件工艺与性能研究［J］． 电力机车与城轨车辆，2018，1( 41) :76 － 80

作者：曹 金，祝弘滨，鲍 飞，刘 昱

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