更加紧凑的机车发动机部件

3D打印技术节省了铸造工序，节约了模具生产的时间，可以快速生产原型，这样部件的设计周期将会大幅减少。增材制造对于部件的复杂性不敏感，能够一次加工完成复杂的组件。以发动机热交换器为例，它具有2000个单独的零件，接头或焊点，而通过3D打印技术制造热交换器，就可以在设计时采用功能集成的设计方案。

GE运输表示，粘结剂喷射3D打印技术是非常适合于制造轨道机车部件的。虽然这些零部件在经过粘结剂喷射3D打印之后还需要在高温熔炉中进行烧结，比一些增材制造方法环节复杂一些，但该技术具有一些特有的优势，比如说成本低，可批量生产，打印速度快等。

GE运输的一个愿景是，使轨道机车发动机部件变得更加紧凑，他们在3D打印技术方面的发展也是与GE在轨道机车发动机战略部署紧密结合的。3D科学谷了解到，GE目前提供的是4000马力标准和4400马力标准的机车，为了丰富产品，GE正在实施“电池-柴油混合动力机车”项目，最终的目标是在城市和其他敏感环境区域内，重型货运列车仅依靠电池运行。但这种“混合”动力需要电池和超级电容器单元提供强大的动力。如果能通过增材制造先进技术制造设计更为紧凑的柴油发动机，那么就可以增加电池的空间，提供更强大的动力。

GE运输表示希望明年开始试用3D打印机车零件，以期待在未来十年中广泛采用增材制造技术。

 3D科学谷Review

根据3D科学谷的市场观察，国内外多家轨道交通企业在使用3D打印技术，以增强竞争力。

株洲市先进轨道交通装备制造业创新中心将对适用于轨道交通装备维保领域的3D打印技术进行产业孵化。运用3D打印技术打印轨道交通关键零部件，通过这一技术，可提高零件精密度、减少成本。

在西门子铁路服务中心，安装了Stratasys 3D打印机，使用增材制造技术来辅助列车维护。利用这一技术，零件制造时间缩短了95%。将一系列创新数字技术整合在一起，可以显著提高客户铁路运营的效率，能够以更低的成本和更短的时间框架优化备件，延长使用寿命。此外，该中心还与道路与运输管理局合作，为无人驾驶的迪拜地铁提供3D打印部件。

德国铁路股份公司通过3D打印技术进行机车零部件的维修，德国铁路公司在每个维修工作站中确定了至少一名或两名3D打印专家，并确定哪些零部件可以通过3D打印技术受益。事实证明，有很多火车零件适用于3D打印，包括咖啡机的备件、外挂钩、方向盘盖、头枕框架、盲人旅行者的盲文路标等等。德国铁路并不局限于使用一种3D打印技术，用于塑料打印的材料主要是PA-12尼龙材料，用于金属3D打印的材料主要是铝合金材料，德国铁路还开始通过3D打印来制造钛合金零件。

在SpaceX举办的超级高铁车厢设计大赛（Hyperloop PodRace）上，3D打印机专家voxeljet（维捷）为荷兰Delft科技大学的作品Hyperloop POD提供了3D打印的PMMA熔模铸造模具用于铸造铝件，助力其夺得大赛的第二名。Delft科技大学设计了一个形状十分复杂的铝制吊舱悬挂系统，这样的产品需要采用熔模铸造工艺来完成。他们发现voxeljet（维捷）的PMMA材料带来非常出色的燃烧结果，达到非常低的灰分含量，并且膨胀系数低，所以陶瓷壳没有形成裂纹的风险，打印技术与材料技术的结合带来了优秀的铸造质量。在这个过程中，3D打印技术能够生产复杂铸件模具，不仅经济、高效而且还满足了复杂零件的细节要求。

像航空航天工业那样，铁路/轨道机车制造企业在采用3D打印零件方面面临的主要挑战之一就是符合严格的安全要求。 由于乘客需要长时间乘坐，这对零件的抗磨损性和稳定性提出了很高的要求，列车的零件还需要满足阻燃的性能要求。

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此前，国际上只有德国、法国和日本等少数几个国家能够生产高速列车制动闸片，其中德国克诺尔公司曾垄断全球80%以上高铁刹车片的市场。

近几年，国内高铁刹车片的研发与生产技术逐步获得突破，打破了国际公司垄断的局面，其中包括天宜上佳、贵州新安航空机械、博深工具、北京瑞斯福等。

随着金属3D打印技术与应用面的深度结合，国内出现了将金属3D打印技术应用于制动闸片的探索。

制动闸片是高速列车组制动装置中的关键材料，利用闸片材料与配对制动盘材料的摩擦力使高速列车组的动能转化成热能或其他形式的能量，散发到空气中。闸片根据材料的不同可分为合成闸片、复合材料闸片以及粉末冶金闸片等。早期高速列车使用的合成闸片由于其机械强度较低、冲击韧性较差，磨损量较大，闸片在运行中会出现微裂纹，而且这种闸片材料对水比较敏感，列车在雨季和潮湿地区运行时，会因为闸片潮湿导致材料摩擦力减小，使其制动性能降低。

复合材料闸片一般采用碳/碳复合材料，这种复合材料材是以碳为基体的碳纤维增强的新型结构材料，其增强组分一般为短切碳纤维。这种复合材料目前大部分只应用于航空航天等重要领域。现有高速列车用闸片材料还是粉末冶金闸片为主。

粉末冶金闸片的制备工艺采用传统的粉末冶金方法，将原料粉末混合均匀后压制成型，然后将压坯固定在钢背上一起随炉烧结，最终得到耐磨层与钢背结合的闸片整体，将闸片整体与燕尾板焊接为一体安装到支架上，即可与制动盘组成刹车副。现有技术采用粉末冶金方法制备闸片在烧结过程中，由于闸片内各组分的收缩系数不同，容易产生孔隙、夹粗等缺陷，导致闸片的致密度较低，从而影响其最终的力学性能和摩擦性能。

而且，由于是将闸片压坯和钢背一同烧结，烧结过程中闸片压坯本身的收缩与钢背的收缩不一致，使两者的结合强度较低，在使用过程中容易造成闸片脱落的情况。另外，烧结过程中高温会使钢背内部组织结构的变化，影响钢背的机械性能，进而影响整个制动闸片以及刹车副的制动效果。

根据3D科学谷的市场研究，通过电子束选区熔化或激光选区熔化3D打印技术，西迪技术股份有限公司将耐磨层直接打印在钢背表面，3D打印过程中采用的高能电子束能够使闸片材料中各组分充分反应、高度致密化，使得到的闸片具有较好的力学性能和摩擦性能。

西迪技术股份有限公司的这一应用特点包括：

- 闸片原料为铜基闸片原料、铁基闸片原料、镍基闸片原料或钛基闸片原料。

- 将闸片原料粉末在附着有金属层的钢背表面进行3D打印，得到闸片。金属层的成分与闸片原料成分中的金属成分相同。

- 在3D打印过程中高能电子束能够使闸片材料中各组分充分反应，使得到的闸片具有较好的力学性能和摩擦性能。

- 采用表面附着有与闸片原料中金属成分相同的金属层的钢背，3D打印过程中在高能电子束的扫描下，金属层熔化形成一层较薄的熔池，与闸片原料粉末进行充分的冶金结合，使闸片中的耐磨层和钢背具有较高的结合强度。

- 3D打印过程中电子束能量在钢背表面的粉体原料上扫描，不会对钢背内部的组织结构造成影响，保证了钢背本身的机械性能。

参考资料：CN106378453A

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