崔少晨

（西安鐵路職業(yè)技術學院 機電工程學院，陜西 西安710026）

軌道交通是指運營車輛需要在特定軌道上行駛的一類交通工具或運輸系統(tǒng)，主要包括傳統(tǒng)火車組成的鐵路系統(tǒng)、來往于中短距離城市之間的城際鐵路和隨著城市快速發(fā)展為解決城市交通問題而形成的城市軌道交通系統(tǒng)。據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，到2015年底，我國的鐵路運營里程已經(jīng)達到12.1萬公里，國家鐵路客貨車擁有量已達到83.6萬臺[1]。鋼軌是軌道交通系統(tǒng)的重要組成之一，與列車輪對直接接觸，引導列車行走。車輪和鋼軌的磨耗是普遍且難解決的問題，可影響列車運行的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性[2，3]。隨著鐵路運輸載荷的增加，不可避免使輪軌間的作用力增大，車輪與鋼軌磨損加劇，減少了鋼軌的使用周期，提高了鐵路的運營成本[4]。因此，對鋼軌磨損的研究逐漸提上日程。近年來，列車在高速、輕量化和重載方面的研究已取得初步進展[5]，基本明確了輪對與軸承、車軸與軸承等車輛部件因接觸面微動引起磨損的問題。Zhu等[6]認為降低摩擦系數(shù)、增加表面硬度、改變材料表面化學性能等措施可減緩微動損傷。目前國內(nèi)外研究的主要方向是材料的表面性能處理和易磨損零部件的結(jié)構改進，這便對材料的加工和處理工藝提出了新的要求。另外，以高速動車組為例，我國現(xiàn)有動車組有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等型號，而 CRH2型列車又有 CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E、CRH380A 和 CRH380AL等不同型號[7]。多種型號的動車組使得我國無法形成單一的動車組檢修制度，而是根據(jù)車輛的牽引質(zhì)量、線路、溫差、地域等具體情況，針對特定系統(tǒng)或部件采用不同的檢修模式，現(xiàn)有的部件加工程序難以滿足不同規(guī)格的個性化設計要求。因此，在軌道、機車及車輛部件設計、生產(chǎn)和維護過程中引入新技術、新材料是一種較為有效的解決方案。

3D打印是快速成型技術的一種，通過構建數(shù)字模型文件，并使用金屬或塑料粉末制品等可粘合材料，將其逐層打印制作目標產(chǎn)品[8]。與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印可以實現(xiàn)復雜結(jié)構加工和無模具制造、個性化定制、多零部件和多材料的整合，同時減少了材料的浪費[9]。3D打印技術發(fā)展迅速，在航空航天、汽車、石油化工、精密制造及醫(yī)療產(chǎn)品開發(fā)等領域已得到廣泛應用[10-12]。3D打印的技術優(yōu)勢使得研究人員開始關注3D打印技術與軌道交通領域的有效結(jié)合。這一過程仍處在探索階段，在實際應用方面鮮有報道。利用3D打印技術來強化軌道部件性能，延長維修周期，快速制造、修復易磨損零部件（鋼軌、道岔、閘瓦、輪對等），從而降低軌道交通系統(tǒng)的成本，提高工作效率，具有重要的實用價值。本文擬通過概括介紹3D打印的技術優(yōu)勢，對其在軌道交通相關領域的研究進展、應用于軌道交通領域尚需解決的問題等進行分析討論，并對今后的發(fā)展趨勢做出展望。

1 3D打印的技術優(yōu)勢

3D打印制造技術是一種利用計算機軟件完成三維設計和分析，結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)，逐層堆積功能材料的新興制造技術。與傳統(tǒng)制造工藝相比，省略了零件拼裝、切割和焊接等繁瑣工序，將其應用于軌道交通領域具有一定的技術優(yōu)勢：

（1）材料利用率高。傳統(tǒng)機床對工件進行切削“減材”加工，加工過程中產(chǎn)生的邊角廢料很難進行二次利用。而3D打印技術對材料進行“增材”制作，材料的利用率最高可達95%.

（2）經(jīng)濟效益比較高。3D打印在制作需求量小而結(jié)構復雜的零部件時，無需進行機械加工或使用模具，直接將三維模型導入計算機中進行打印。在很大程度上減少了加工工序，縮短了工件的生產(chǎn)周期。

（3）可實現(xiàn)產(chǎn)品的個性化制作。產(chǎn)品的制造模式，從原來的生產(chǎn)線大規(guī)模生產(chǎn)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閭€性化的定制設計?；?D打印只要有三維模型就可進行打印的特點，3D打印比傳統(tǒng)制造業(yè)更容易實現(xiàn)個性化定制。這使得3D打印技術在生產(chǎn)批量小而結(jié)構復雜的零部件時具有較明顯的優(yōu)勢。

（4）可實現(xiàn)產(chǎn)品的遠程制造。3D打印可借助互聯(lián)網(wǎng)將產(chǎn)品的數(shù)字模型發(fā)送到擁有互聯(lián)網(wǎng)的任何地方，不再依賴專業(yè)工廠進行產(chǎn)品的生產(chǎn)。任何擁有3D打印機和原材料的地方，都可以自行打印所需的產(chǎn)品和零部件。

（5）縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期。傳統(tǒng)方法加工出來的工件，還需進入市場進行檢驗，對不合理結(jié)構及時進行修正，使得從產(chǎn)品設計到產(chǎn)品成熟需要較長時間，增加了產(chǎn)品的研發(fā)使用周期。使用3D打印技術對新產(chǎn)品進行快速制造并投入市場驗證，可對產(chǎn)品進行及時調(diào)整和改進，從而縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。

2 3D打印在軌道交通領域的研究進展

2.1 激光寬帶融覆技術改變鋼軌耐磨性

鋼軌作為軌道交通的重要組成部分，引導列車輪對沿著既有軌道前進，與輪對直接接觸并承受來自輪對的巨大壓力。鋼軌在長時間工作下，便會出現(xiàn)影響其使用性能的傷損，如折斷、裂紋和磨損等。為了盡可能的減少鋼軌損傷，改善鋼軌的材質(zhì)，提高鋼軌耐磨性是有效的方法之一。例如，高硬稀土軌的耐磨性是普通剛軌的2倍左右，淬火軌的耐磨性為普通鋼軌的1倍以上。整個鋼軌都使用高耐磨性材料則成本較高。楊膠溪等[13]使用激光寬帶熔覆技術，對普通鋼軌表面進行強化，效果明顯。激光熔覆其本質(zhì)是在鋼軌表面附加高耐磨性材料而改善其耐磨性。通過在鋼軌表面添加高耐磨型材料，并在高能量密度的激光束作用下與鋼軌表面薄層一起熔凝的方法，可在鋼軌表面構建一層高耐磨性的熔覆層。在對鋼軌表面強化時需將自熔性Fe基粉末以同步送粉的方式輸送到鋼軌表面，進行激光熔覆。這一技術可使用3D打印機完成，并適用于軌道交通系統(tǒng)中對耐磨性有較高要求的其它零部件。

2.2 易磨損零部件的修復

鋼軌、道岔、閘瓦、輪對等在使用過程中發(fā)生各種傷損難以避免，其傷損會直接降低正常功能，在反復交變載荷作用下，零部件因使用過度而疲勞，從而引起損傷，對行車安全造成一定的影響。常規(guī)的解決方式是更換新部件，耗時長、成本高。隨著對鐵路運能要求的不斷提升，對于鐵路施工效率的要求也越來越高。若能實現(xiàn)鋼軌局部的3D打印修復，可不用拆卸待修復鋼軌，直接切削鋼軌表面的破損、裂縫部位，利用3D技術在鋼軌切削表面上進行打印修復，避免拆卸鋼軌，可以縮短工期，降低成本。前期的一些研究為該設想提供了一定的理論和技術基礎。3D成形修復技術的提出[14]突破了激光熔覆技術僅能在規(guī)則曲面上涂覆熔合層的技術局限，實現(xiàn)了表面凹凸不平或復雜/異形結(jié)構零件表面成形修復/修補；王海軍[15]等探討了基于3D打印激光成形修復技術在礦機易損設備修復的應用范圍及應用前景，認為3D打印激光修復設備易損零部件具備可行性，可達到仿形精確修復并提高礦用設備易損件使用壽命的目的；楊亮等[16]在產(chǎn)生裂縫、細紋或破損的鋼軌接觸面上切削一定的厚度，利用3D打印技術在切削后的工件表面打印高性能的合金材料，從而達到改善鋼軌性能、延長使用壽命的目的。此外，對于缺損部件，可嘗試采用數(shù)字化掃描設備對切削后的零部件進行三維重建，利用3D打印技術在切削后的表面上打印強度、硬度和耐磨性都較高的合金材料，從而提高上述零部件的耐磨性。

2.3 輔助研發(fā)和制造

在新結(jié)構設計驗證階段，采用塑料材料打印出模型，打印速度快，成本低。在設計完成后即可使用3D打印技術進行模型制造，去除了開模試制組裝試件環(huán)節(jié)，從而節(jié)省了模型試制時間。此外，如果裝配中發(fā)現(xiàn)問題，可立即修改設計并再次快速制成模型。鐵科院鐵建所三維打印技術實驗室[17]使用3D打印設備打印1∶1零部件模型，進行組裝，驗證裝配尺寸和合理性，并首次將3D打印技術應用于鐵墊板試件制造，其流程是直接用3D打印機打印出鑄造砂模，然后在鑄造車間澆鑄成試件。整個過程用時15小時，比傳統(tǒng)工藝制造周期縮短了25天，節(jié)省成本近2萬元。王波等[18]利用3D打印技術生產(chǎn)制造限位塊模具型芯，打破了傳統(tǒng)的模具設計與制造方法，實現(xiàn)了綠色、快速模具制造。張磊[19]等采用選區(qū)激光燒結(jié)和三維噴印兩種工藝快速打印出鐵路典型鑄鋼件砂芯，鑄件形位尺寸精確、表面光潔，達到試制要求。此外，已有學者[20，21]提出利用3D打印技術強化軌道部件性能，快速制造鐵路闊大貨物模型并進行模擬教學、試運測試和裝載加固等設想，并分析討論了其理論可行性和實際應用價值。

2.4 提高機車檢修效率

我國軌道列車檢修采用計劃預防修制度，即先通過統(tǒng)計分析車輛零部件損耗的相關數(shù)據(jù)，推算出不同零件的損傷規(guī)律、速度以及損傷極限，科學地有計劃地將零部件劃分成若干組，并制定相應的檢修期限和檢修范圍。以我國CRH系列高速動車組為例[22]，將檢修分為5個等級：一級和二級檢修是指日常的運用檢修，三至五級檢修是指定期的更高級別檢修，檢修周期根據(jù)列車運行的里程或時間的長短確定。列車每次入庫均須進行一級檢修，包括機車設備、車廂設施、車載信息系統(tǒng)、車頂設備及其它性能試驗；列車運行3萬公里后須進行二級檢修，包括清洗列車外部，檢查電氣設備及車體等機械部件的狀態(tài)，并進行其它性能的試驗。由于一二級檢修頻率較高、總修時較短，傳統(tǒng)的工廠制作耗時較長。列車一二級檢修涉及的零部件種類較多，全部備齊的同時又難以避免浪費。針對軌道交通形態(tài)各異的零部件，3D打印的優(yōu)勢在于小部件加工精準、模塊、快速，利用3D打印技術來制造易磨損、加工工序復雜的零部件，能夠?qū)崿F(xiàn)即刻設計、即可生產(chǎn)，若未來可以實現(xiàn)大規(guī)模的使用3D打印技術生產(chǎn)零部件，將極大提高列車檢修效率。

3 應用于軌道交通領域尚需解決的問題

3D打印技術作為一種新興技術有著諸多優(yōu)點，我國研究人員使用3D打印技術在軌道交通領域的應用上理論成果已經(jīng)開始顯現(xiàn)。但是，3D打印技術自身的缺點使其在軌道交通的應用仍有一定的局限性。

（1）難以規(guī)?；a(chǎn)。軌道交通作為人們生活和出行必不可少的一種交通工具，其零部件的數(shù)量非常之多。目前3D打印無法將產(chǎn)品進行大規(guī)模生產(chǎn)，或大規(guī)模制造時成本較大。隨著軌道交通的快速發(fā)展，我國擁有的鐵路公里數(shù)、機車和車輛數(shù)量都在不斷增長，需要更換維修的鐵軌和零部件也越來越。而3D打印在大規(guī)模生產(chǎn)零件上的局限性，使得其在軌道交通領域上無法快速發(fā)展。

（2）材料的局限性?，F(xiàn)有的3D打印技術能夠使用的材料無法滿足軌道交通上零部件材料的要求。3D打印技術常用的材料有工程類材料、光敏型樹脂、橡膠、金屬、陶瓷材料等。其中金屬材料又包括了鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼和鋁合金等材料。在軌道交通領域使用最多的原材料為鋼材，而鋼材在3D打印技術中使用較少，使得3D打印技術在軌道交通的應用上有了一定的局限性。

（3）修復后零部件的性能能否滿足要求。軌道交通的安全問題關系到千萬人的生命安全，至關重要。而3D打印技術是將金屬粉末進行粘合，無法保證打印后的材料性能和機械加工后材料的性能一致。金屬粉末粘合后材料的性能是否符合要求還未有明確結(jié)論。使用3D打印技術修復材料后的精度、強度和硬度等性能能否滿足軌道交通系統(tǒng)的要求，仍需進一步的探索。

（4）修復時磨損零部件的固定問題。使用3D打印技術修復破損零部件時，需要將零部件的破損部分切削后進行3D打印。無論是在切削破損表面還是進行3D打印時，都需要將零部件進行固定。而軌道交通零部件形狀各異，對再次加工前的固定造成了一定困難。

4 展望

3D打印制造技術被認為是第三次工業(yè)革命的代表，其以數(shù)字模型文件為基礎，通過逐層打印來進行增材制造。與傳統(tǒng)制造技術相比，3D打印可以實現(xiàn)復雜結(jié)構加工和無模具制造、個性化定制、多零部件和多材料的整合，高、經(jīng)濟效益潛力巨大。盡管目前難以實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，適用于打印的材料種類較少，部分性能難滿足實際需求，但隨著新材料研發(fā)技術的不斷進步，3D打印技術和設備的不斷成熟，其在軌道交通領域的應用范圍將越來越廣泛。把握3D打印引領的技術革命契機，創(chuàng)新思路、積極研發(fā)，對于改善軌道交通領域的生產(chǎn)、加工模式，提高經(jīng)濟效益、運輸效率，具有十分重要的意義。