导读

本文综述了3D打印技术在轨道交通复杂零部件铸造、易损件修复及零部件高效维护更换中的应用进展，探讨了其面临的挑战与未来发展方向。

研究背景介绍

随着轨道交通行业的迅猛发展，铁路机车逐渐向高速化、重载化方向迈进，复杂铸件的需求日益增长，而传统制造和修复方式在效率和成本上面临诸多挑战。钢轨、车轮等关键部件的磨损问题尤为突出，现有仓储模式难以满足快速更换的需求。3D打印技术凭借其快速制造、高精度和复杂结构成型的优势，为轨道交通零部件的生产与修复提供了新的解决方案，但其在该领域的应用仍处于探索阶段。

文章来源及内容

“3D打印技术在轨道交通零部件生产中的应用进展”由孙华清、成磊和代宣军撰写，发表于《特种铸造及有色合金》2024年第44卷第12期。作者分别来自桂林理工大学机械与控制工程学院、先进半导体光电器件与系统集成山西省重点实验室以及晋城市光机电产业研究院。文章总结了3D打印技术在轨道交通复杂零部件铸造开发、易磨损件快速修复及零部件高效维护更换等方面的研究进展，并探讨了其在该领域应用中面临的问题和发展方向。

研究亮点

· 3D打印技术在轨道交通零部件制造和修复中的应用研究取得重要进展，显著降低了生产成本和时间。

· 激光熔覆技术在钢轨、车轮和车轴等易损件的修复中表现出优异的耐磨性和耐蚀性。

· 3D打印技术有望通过分布式制造网络减轻仓储压力，提高轨道交通零部件的维护效率。

研究方法

文章通过文献综述的方式，系统总结了国内外在3D打印技术应用于轨道交通零部件铸造、修复及维护方面的研究进展。研究方法包括对3D打印技术在复杂零部件铸造中的应用案例分析、激光熔覆技术在易损件修复中的性能测试以及3D打印技术在零部件维护中的实际应用效果评估。

图文内容

1.3D打印技术在轨道交通复杂零部件铸造方面的研究进展

在轨道交通产品传统研发中，尤其是复杂结构的零件试制，如阀体、气路板、制动盘等，均需采用铸造加工方法。传统的砂型铸造需提前制备模样和芯盒，工艺较为复杂，时间周期长、经济投入大。3D打印技术在单件、小批量生产中具有生产流程简单、节省时间的优势。

在轨道交通复杂零部件方面，WU Z K等利用3D打印技术以较低的成本快速小批量生产二级辊挡块，见图1。其在材料完整性、表面质量等方面符合要求，成本降低了30%，生产时间缩短了5个月。此外，还使用Stratasys公司的熔融沉积成形技术和工业级ULTEM 9085成功制造出制动钳的悬挂支架，见图2。经测试，可以承受超过250 kN的应变力，使用寿命长达45年。

图1　二级辊挡块增材制造

图2　DT4制动钳单元的悬挂支架

此外，国内的研发取得一定进展。周正等应用3D打印机，进行零部件模型的打印、组装并验证尺寸误差和装配合理性，并在铁垫板试件制造过程中首次尝试3D打印技术，直接使用3D打印完成铸造砂模并在铸造车间浇注试件，见图3，整个流程缩短25天并节约2万元成本。缪锋等用3D打印镂空设计加上自由成形建模的半自动钩体铸件，见图4，有效避免了中间体车钩浇注过程中泥芯气体无法快速排出在铸件内腔表面形成脉纹现象，与传统工艺相比时间缩短30 天，且内腔表面品质要远高于原铸件，经过探伤检测，内部无任何组织缺陷。张磊等利用SLS和3DP技术，无需开模即可快速打印出轨道交通典型铸钢件钩舌砂芯，产品满足试制要求。王波等通过3D打印技术来制造限位块模具砂芯，颠覆传统流程，实现绿色快速制造。

图3　3D打印的铁垫板铸造砂模

图4　半自动钩体铸件

目前，国内外在利用3D打印技术对轨道交通复杂零部件铸造方面的研究均取得了一定的进展。但对组织演变、残余应力及服役性能三者的基础理论研究及相互作用机理还较少涉及，限制了3D打印技术在轨道交通零部件铸造应用领域的发展。

2　3D打印技术在轨道交通易损件修复及维护方面的研究进展

随着铁路高速化、重载化的推进，钢轨和车轮服役环境日益严苛，列车运行过程中，易发生车轮与钢轨的磨损、车轴磨损等。此外，我国铁路车组型号众多，不同车型的系统或部件不可通用，在机车维护中给仓储带来了巨大的压力。

2.1　钢轨与车轮的修复研究进展

钢轨常见损伤有剥离掉块、轨面擦伤、裂纹及飞边等。车轮的常见损伤形式有车轮踏面及轮缘的磨损、裂纹，踏面的缺损、剥落、擦伤等。根据《维修规则》，钢轨可以通过打磨或铣磨的方式来进行维修或直接换轨，而打磨或铣磨的工作量较大，直接大量换轨则会导致资源浪费。车轮镟修的精度要求非常高，在车轮轮廓形状误差、滚动圆的圆度误差、同轴轮的直径偏差等方面都有严格的标准，操作难度较大。相较于传统修复方法，利用3D打印技术对钢轨与车轮损伤部进行修复，通过高能激光束对放置在基体上的熔覆材料进行辐照加热，使熔覆材料与基体表面熔化形成冶金结合，其原理见图5，此方法操作难度低，并可有效提高轮轨耐磨性、耐蚀性等综合性能。

图5　铁路部件3D打印原理图

1.待熔覆层　2.保护气体　3.铜管嘴　4.熔池　5.已熔覆层　6.基体材料

欧盟实施的“基础之星”项目通过在钢轨轨头应用激光熔覆技术，施加表面涂层，形成双材料钢轨。结果表明，激光熔覆后的钢轨与普通钢轨相比塑性变形能力和抗磨损能力增强，钢轨使用寿命延长近1倍。RICHARD P R应用激光熔覆技术，在钢轨轨距角制造一层硬化层，替代在钢轨轨头涂润滑油，见图6。结果表明，激光熔覆部分的布氏硬度约是非熔覆部分的两倍。LEWIS S等通过滚-滑摩擦试验装置对轮轨熔覆层性能进行评定，耐磨性和滚动接触疲劳（RCF）是测试的两个重要指标。将6种不同的材料涂层熔覆到标准R260钢轨材料表面，对熔覆层的性能进行测试和评价。结果表明，马氏体不锈钢、Stellite12和Stellite6试样磨损率相比标准R260级轨道材料更小，所有熔覆试样的抗RCF性都比R260级材料更好。

图6　激光熔凝钢轨现场试验

陈慧斌利用激光熔覆与激光冲击强化技术相结合，采用43X53-150 μm合金粉末和FeSP465V2（45～180 μm）合金粉末，对U71Mn钢表面进行改性处理，熔覆层硬度和耐磨性都显著提高。慕鑫鹏选用钴基合金粉末和铁基合金粉末，利用CO2多模激光器对轮轨材料进行激光熔覆处理，轮轨试样表面硬度明显增加，见图7，显著降低磨损率和塑性变形，见图8。付志凯等、杨文斌等也进行了相似研究，得到了相同的结论。华亮等修复踏面擦伤车轮时，采用激光熔覆再制造技术，并结合车辆动力学分析，修正车轮损伤评估模型，为铁路车轮的运用维修提供了新的思路。为了延长车轮的使用寿命，提高车轮钢的耐磨和耐腐蚀性能， ZHU Y等使用316L、410和420不锈钢激光熔覆修复车轮上的局部缺陷，并对修复后车轮的磨损和RCF性能进行研究。结果表明，3个熔覆轮盘的磨损率都有所降低，磨损率随着熔覆材料硬度的增加而降低。未熔覆的试样表面存在塑性变形和棘轮纹，见图9。

综上，在测试条件下，将合适的优质合金熔覆到钢轨上有显著增加RCF起始寿命的潜力。目前，激光熔覆适用于高价值轨道部件的维修、增强，如道岔、道口和绝缘轨道接头。利用激光熔覆进行车轮修复可显著提高耐磨性、耐蚀性。

图7　轮轨试样表面硬度和磨损率

图8　轮轨试样塑性变形金相组织

图9　420熔覆车轮表面形貌

2.2　车轴的修复研究进展

轨道车辆车轴在运行过程中难以避免地会发生微动磨损、磕碰等而导致表面缺陷，其在复杂服役环境和弯曲旋转疲劳载荷作用下生长扩展，进而导致车轴失效断裂威胁车辆行车安全。利用3D打印技术对其进行修复，修复后品质和性能都能与新品媲美。

SOODI M等首次提出使用激光熔覆技术对铁路车轴进行翻新，并利用不同材料进行激光熔覆修复一个带有缺口的杆轴试样，对该试样进行旋转疲劳测试，发现激光熔覆后的最佳疲劳性能高于原始试样。杨冰等研究大型金属部件的激光熔覆工艺，见图10，该工艺提高了车轴的疲劳寿命并降低了废品率，但是在修复层中也发现了一些冶金缺陷，如裂纹等。

图10　激光熔覆车轴上的轮座区域

为验证激光增材修复技术在高速动车组车轴损伤修复应用中的可行性，何广忠等在车轴基材上开展激光修复工艺试验，研究扫描速度和激光功率对熔覆质量的影响。通过分析研究不同扫描速度、激光功率下所得试样的微观熔覆形貌、宏观金相分析等，筛选出较优的工艺参数，并进一步对熔覆试样的拉伸性能、冲击性能等多项力学性能检测。结果表明，使用优化后的工艺参数，熔覆试样拉伸性能优于母材标准要求，冲击性能优于基材，疲劳寿命与基材相当，达到了车轴服役性能要求。肖棚等在EA4T车轴钢表面激光熔覆24CrNiMo合金粉末，并探索热处理对熔覆层性能的影响。发现熔覆层显微硬度、抗拉强度和屈服强度远高于基体。热处理后， 熔覆层硬度和强度下降，塑韧性提高，并且试样疲劳强度有所下降。

对于车轴修复，目前主要是在车轴表面制备熔覆层，并进行性能测试，熔覆工艺的研究还需深入。另外，车轴运行时所受载荷复杂，缺口经过激光熔覆修复后，车轴上应力和载荷的分布以及实际的疲劳性能表现应引起关注，有待今后通过数值模拟与试验相结合的方法对其进一步研究和分析。

2.3　零部件维护方面的研究进展

以CRH系列动车组为例，采用计划预防的检修体制，可概括为“定期检查、按时保养、计划修理”。CRH系列动车组的检修分为5个等级。其中，一级和二级检修为日常运用检修，频率高、耗时短、涉及零部件较多，给仓储带来了较大的压力。2017年三季度末，铁路运输物资总库存为117.5亿元，其中机车零部件库存为56.22亿元，占总库存的47.85%。3D打印可以准确、快速、随时制造所需的零部件，有效降低铁路运输物资库存，减轻仓储压力。

2015年，德国铁路与SIEMENS等多家企业合作，成立了德国铁路移动增材制造网络。这是铁路行业中首次将运用3D打印技术制造的零件备品运用于轨道交通车辆的运营维护中。目前，使用3D打印技术制造的备件包括接线盒、开关箱等塑料零件和砂箱、轴承盖等金属零件。为充分利用3D打印技术的自由成形优势，通过分布式的3D打印网络，备件的制造变得便捷和高效。这一创新提高了德国铁路的运营效率，推动了3D打印技术在制造业的应用，极大地减轻了仓储物流压力。

马明明等针对采用传统技术制造的传动件容易出现脱落的现象，采用SLM 技术成形传动件，在确保传动杆与传动盘实现冶金结合前提下，还能保证传动件的整体力学性能，优于锻件水平，抗压性能也表现出较大优势。中车株洲与轨道交通产业链中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。

目前，用3D打印减轻仓储压力的难点主要是零部件的材料、尺寸数据等信息共享。未来若建立起数据库，每个检修站的3D打印机连接到数据库，对需要的零件进行快速打印，将极大地提高检修效率，减轻仓储压力。

主要结论

3D打印技术在轨道交通零部件的铸造、修复和维护中展现出巨大的应用潜力。通过3D打印技术，复杂零部件的铸造时间大幅缩短，成本显著降低；激光熔覆技术有效提升了钢轨、车轮和车轴等易损件的耐磨性和耐蚀性，延长了使用寿命；此外，3D打印技术还可通过分布式制造网络减轻仓储压力，提高零部件的维护效率。然而，目前该技术在轨道交通领域的应用仍面临组织演变、残余应力及服役性能等基础理论研究不足、修复认证标准不完善以及材料研发滞后等挑战。

中英文引用格式

· 中文引用格式：孙华清，成磊，代宣军. 3D打印技术在轨道交通零部件生产中的应用进展［J］. 特种铸造及有色合金，2024，44（12）：1 706-1 711.

· 英文引用格式：SUN H Q，CHENG L，DAI X J. Application and prospect of 3D printing technology in rail transit parts［J］. Special Casting & Nonferrous Alloys，2024，44（12）：1 706-1 711.

扩展阅读

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编辑/排版：江姗

校对：刘晨辉

审核：张正贺