干货:3D打印在轨道交通领域的应用及探索,中车唐山机车陈彦宏

南极熊3D打印 2019/07/14 12:29

2019年6月28日,激光制造与再制造技术及应用研讨会 在北京兴基铂尔曼酒店召开。现场专业人士众多,南极熊3D打印网是本次研讨会的合作媒体。

新知图谱, 干货:3D打印在轨道交通领域的应用及探索,中车唐山机车陈彦宏

下面是现场速记,或许有些不完美之处,但总体上干货信息量很大,值得阅读。

中车唐山机车车辆有限公司的陈彦宏老师,给大家演讲的题目是“增材制造技术在轨道交通领域的应用及探索”

各位今天比较累,我解释一下,因为今天早晨很多专家跟我说昨天晚上来的比较晚,是火车晚点,也是这么多年第一次,因为以前我们太关注于车厢内有没有人放火,昨天外边被放火了,所以以后我们也得注意一下这方面的技术发展。今天很高兴邀请我们轨道行业参加这个会议,本身我们这方面的发展比较少,激光应用我们很多,切割、焊接比较多,但是激光制造应用比较少,不像上午很多航空企业在用。我们轨道行业有自身的特点,所以这方面的应用偏少。这里面有两点:

第一是跟行业本身特点有关系,因为轨道行业是标准复合型审查的行业,车辆在上线前必须做标准复合型检查,当符合标准才可以上线,不符合标准不可以上线,跟今天上午讨论的很多点,假如大家都成熟了,标准了,轨道行业可以用,但是我们还在探索,所以我里面写了一个字,叫“探索”。另外,我们也在做应用,跟技术的发展。现在的轨道交通发展大约200多年,今后轨道交通是什么样的模式,利用材料的特点,我们也要做探索,今后是什么样子的。

第二个特点,航空企业涉及到安全性,有些战斗机送一两人上去了,轨道交通送一百人,甚至上千人,这一点的制约使我们发展比较慢。

今天从几个方面给大家汇报一下,第一方面,简单介绍一下行业需求,从需求来看一下我们在增材制造方面有哪些点可以找到机会。另外我们也做了一些应用研究,不完全是应用,因为应用现在还在完成起步和探索过程中。第三方面提一点我个人的建议和方向的思考。

第一方面是轨道车辆装备的一个特点,交通方式多种多样,轨道交通作为里面的一个重要的组成部分,尤其在国内能感受到,每年大的人流涌动的时候,轨道交通起到核心的作用,所以它的一个主要的特点还是大用量。如果跟公路交通相比,第一占地面积要小,因为双车道在25米,如果高速公路,它单向三车道就占到30多米宽,所以说整个占地面积偏小。第二块,在整个人员每小时人员用数量方面比较大。第二个特点,绿色低碳,相比于其他的轨道交通,它的二氧化碳排放量比较高,这也是这几年,包括中国和其他国外大力发展轨道交通的一个原因,因为它二氧化碳排放量相比汽车航空的确非常小。但是还有一个问题,自身的一个问题,它的能效偏低,因为按照每公里单个乘客的能耗,这个车型能耗相对比较重,待会儿我会解释一下来自于什么原因。

还有一个特点就是快速准时,昨天的一个特例,昨天是特色情况。轨道交通在气候变化性和人文景观,还有噪音排放方面的确有优势。发展方向是需要针对它的问题解决的方向,第一是要提升这种交通方式的竞争力。第二个方面互联互通,因为咱们的交通方式单一存在,有太多的优点,所以要互联互通。除了跟汽车互联互通之外,自身也要互联互通,它核心也是一个互联互通。另外,我们现在高铁是国家的名片,所以还要做一些工作,是全球领先者的角色。这是战略层面。

技术方面,提高乘客舒适性,降低成本,增强操作性,和用户维护性、安全性,同时简化商业流程,尤其认证标准方面也需要做一些工作。下面是做推动。同时轨道交通领域,我们也在探索我们的下一代,刚刚上午在飞机领域也有不的代际,我们下一代车辆是什么样的,我们唐山公司在5月16日展出一款车,基本的点里面标红色,是第一次增加载荷量,这样对运营商会提高收入。第二减重,降低能耗,所以这是两个方向。包括中车青岛四方也在做这方面的工作,也是更艰难,减重10%、15%不同的等级。另外综合节能也要达到一定的数量。我们中车常客,因为大家都从不同的点来做,也是减重节能,这里面在增材制造里面能用上,但是在复合材料以及其他的一些技术,就是朝这个轻量化节能方向在做。

这是给大家举一个例子,在轨道特运装备,因为我们是干乘客运输和运货。在乘客方面,土建成本在36%,车辆购置成本仅占10%。待会儿我给大家讲一下相关性,我们以后发展为什么需要降低这部分费用。如果在维护层面和运营层面,车辆维护成本占16%、维护成本占15%,所以车辆跟维护有直接相关性。另外能耗占10%,虽然不是很大,但是这方面跟车辆有直接的相关性。直接相关到车,可以看到不同的车辆有些人有感触,现在有不同类型的车,包括地铁、干线的车,还有高铁,但是每一个都有通常的一些技术特点,都是车辆本身重量比较重,基本在40吨到50吨,我们用40到50吨一节车厢运送100人左右,所以为什么说它能效偏低,如果自行车,我们能搬动,但是搬火车搬不动,能效是这方面来的。自重跟载客运输量差异比较大。

带来什么需求呢?供应层面更经济,投资成本方面更低,车辆基建会发生相关性。同时高可靠性和低的全生命周期成本,这样对于运营端比较有利。

对于技术方面,我们其实追求的是这样,我本身是研发人员,技术层面要更轻、节能、舒适、快,同时要更易制造、易操作、易维护。

第二方面,简单给大家汇报一下我们在增材制造在轨道交通车辆领域的应用,虽然没有像航空企业做的那么直接应用上,但是我们在探索。给大家讲到标准复合型,我们是在慢慢探索,如果一步步成熟,有标准,我们才能逐渐装车,所以我们今天可能是未来十年后在轨道上见到的,但是近两三年见不到,这是给大家介绍一下轨道交通的特点,为什么跟中车制造有一定的相关性,如果单纯拿增材制造来做,其实它的优势不明显,如果再结合轨道车辆的特点,本身我们是多品种、小批量、高度定制化。在中国可能大家不是太感受,因为中国一直是有铁道部和铁路总公司在统筹,所以多品种不是太明显,如果放到全球来看,它有成千上万业主,每个人的要求不一样高度定制化。这些就带来了每个车跟每个车就不一样,所以它是高度定制化,交互周期非常短。所以根据这个特点,中车制造有可能在我们的轨道交通上有几个方面的应用。第一方面是样车的快速制造,现在轨道交通装备作为一个大宗商品,交货周期大约在两到三年,如何缩短这个周期,有一部分我们样车。因为高度定制化,样车必须做实验,所以这部分也会给整个的交付周期做一点贡献。

第二是背景备件,上午也讲到航空领域,我们也面临同样的问题,一个是卖到国外,备件也及时到了,所以如何消灭这个物流成本,或者是备品备件库,在制造方面还是有一定的发达的方面。还有我们做工具过程中,其实也占到产品研发的周期。如果我们用这部分做一下,因为它也不需要太高的强度,就是功能性,所以我们也可以发挥一定的作用,另外其他的公司也做了一些研究。最后走的过程比较远,时间长一点,就是直接制造,从我个人来说,它如何从这种技术特点进行原创性的设计,再去应用,这样给它的项目会成倍的增长。

给大家简单举几个例子,因为可能从事轨道交通的比较少,第一在业内全球的竞争对手也做了一些研究工作,在法国的阿尔斯通在轨道车辆城际车上的部件。因为轨道交通有探索,探索完了,小部分应用情况下再制定标准,之后再直接应用到车辆上,所以大家还是在探索,他拿了一个部件做这部分的制造,他的核心目的跟我刚才讲到轨道较交通有关,因为他的自重跟乘客比例不是太协调,大家都是降低重量70%,对轨道车辆主机厂的吸引力还是比较大。第二是加拿大的BOMBARDIER,他们做了系统的规划,第一2016年以前还是拿耳朵听,听大家做了哪些工作,之后再慢慢探索。2017年到2019年做小范围的探索,之后再根据探索结果去取决于下一步开展什么样的工作。另外BOMBARDIER有一个优势,它是航空产业,所以跨领域的借鉴有一点作用。

西门子。大家也知道西门子本身自己零部件之外,它也生产中车制造的设备,所以它是研发设计,它的驱动来说相对好一点。当然,这里面GE也有轨道交通业务,他们迈的步子可能比我们更远一点。

第三方面看一下国内轨道交通方面的政策现状。其实在综合制造2025里面已经明确写了这么一条,轨道交通装备推进制造技术实现新产品研发、工艺研究和快速延伸制造等多批量、少批量的发展,写了这么一大堆。但是在轨道交通领域,不像航空里面发展这么快,其实跟左边的一个图是有关的,就是我的价值回馈,这基本是这个表更偏向于航空,其实轨道交通对我们制造商,第一依赖度偏低。第二,对我的价值回馈比较低,现在有一些不太相关,所以它会带来应用层面,大家不愿意往前推的原因也在这个方面。现在是制造2025也陆续在做,包括我们跟董教授也在做一个项目。

第四方面简单介绍一下我们公司在轨道交通增材制造利用方面做的工作。工作主要是做了哪些部件,轨道交通区别于其他交通的特点,建筑在钢轨和车轮上,核心技术在转向架,基本是全钢的,这部分应用中车制造的空间比较大,所以我们选取这个部件作为应用探索。另外它的价值和关键性都占到整车大约三分之一,所以也是在应用层面和价格回馈方面比较好。

下一步给大家简单介绍一下我们探索的方面。第一方面跟董教授也做了一个项目,就是国家重点计划,明天上午也会给专题,我们一起做这方面的工作,我们所负责的工作就是把这个技术装我们车上,做一些台架试验,做考核,这些方面的探究。至于以后的市场再去拓展去。

第二个方面,我们还有一个平台,我们是中车公司在意大利有一个控股子公司,我本人也在那任职。我们在这两方面做了科研工作,大家有几方面值得借鉴。同时这个公司也是我们中车在海外的研发中心,第一项目是参加欧洲地平线对2020的项目,这个项目里面本身提出来一个方向,根据新技术和新材料来探究交付方式的一个创新性的设计理念,之后再把这个技术植入进去,看能不能实现这个创新的理念,所以我们在承担这部分工作。

第二方面的工作,还有在意大利一个省的科研项目,这个科研项目是从另外一个层面,它集合了类似于设计公司,还有仿真模软件公司,就是大家上午提到的增材制造过程中进行模拟,能让它达到更高的软件商。第三还有设备制造商,提供技术。这三方面的公司一起加进来做研究工作,这些项目目前在进行中。

下面举几个例子,不像航空做得深,但是我们为什么写了探索?第一方面,我们在一款车上面找部件,如果用传统的锻铸,这一部分我们探索。第一我们想探索的就是增材制造会对我们设计和制造过程中有多大的影响,如果是影响大,我们需要慢慢适应这个影响,去适应之后再去制造,所以我们从设计端一直推送到模拟端,当然没制造出来,因为制造也是可以探究的,但是我们目前来说不是太关心制造,因为制造上午也提到了,其实制造也有难题,但是可以实现,只不过成本和一些关键点的瓶颈问题。

第二个例子,我们还有一个在轨道轻量化的车上有部件,这个部件从我个人的角度来说,这个部件太重了。因为传统拿部件做,我们就认为它太重了,但是一直没有太好的方法,把这个零部件减重做得更极致一点,所以我们探究用增材制造是不是能做得更精致一点。这两个方面,减重大约能减40%到50%,我们来说还是有一定的吸引力。

第三方面,我们还有一个创新性项目,在轨道车辆轴承车轮后,外面还有轴箱体,我们寨轴箱体部分做的研究。左边我们传统的还是制造,因为它也发热,还需要一定的散热,另外它也承载,轴箱用3D打印。同时包括小的航架支撑,又能支撑,还起到一定的散热,功能性也实现了,所以我们在做这方面的探究。

刚才是探索,我们没往下推,现在我们在做的是应用型,但是我们看到这个例子,还是推到台架实验端,选取了转架有个座,我们这个件选的比较大,理想在4公斤左右,这样对我们探索制造成本比较低。另外这个件承载的功能偏少,所以对我们开发的压力也比较小,所以选取了装两个减振器的安装柱,受力是两个来回往复的力,我们也有约束。现在大家讲的就是我们在拿这个事例,我们在设计层面一步一步是怎么走的。因为我们传统还是这种设计,传统焊接和铸造,所以我们开始利用这种增材制造。还有一个点,我们以后可以不用增材制造,可以用其他的方式实现,哪怕是中后一点,所以增材制造可以带来拓扑优化的方法,第一是优化。第二,我们接下来做了实体建模,看它的效果是怎么样。模型修正完之后,我们接下来会做一个结构的强度,看它是不是能满足要求。这方面我们轨道交通的寿命大约30年到40年,所以我们还会做仿真计算,因为它的材料和打印方向都有相关性,所以我们也做了一些试样,去把这些数据带到我们这个过程中,所以我们也是通过0度、60度、90度方面拿一些数据,带到我们的仿真软件里面,做了精强度,满足了我们的要求。我们也可以做疲劳强度,疲劳强度也可以满足我们的疲劳要求。另外还有刚度,所以这三方面都满足要求。

满足要求之后,我们想做结果是什么样的,传统化如果是焊接,大约是3.5公斤,这部分大约是17公斤,这样我们大约减了50%的重量。这50%的重量对我们的吸引力还是比较大的,因为我们这个零部件在车下,具体的例子就是我们转向架钢铁是垂的,我们对钢轨的损伤小,所以对于维护的成本也会偏低,我们会把这部分的重量首先降低。车上面还有悬挂,已经减震了,这部分对我们车下还是比较有吸引力的。同时,我们作为主机厂还很关注一个点,设计端已经做完,制造端我们怎么模拟一下,而不是持续打出来,我们去试去,因为这对我们也不是一个好处,对长远来说不是一个可行的方法,所以我们再联合另外一个公司,也优化算法,我们在如何摆放供应件,在它的支撑、变形、应力方面都做了探究。这份工作还没有做完,我们会对比一下模拟过程和实际过程差别有多大,陆续修复软件。这部分工作还在继续进行。

当然,这是我们目前做的工作,长远来说还是想把这个部件做出来,首先把这个部件的供应实验先做了,之后装到我们车上,再去做分工实验,这样我们从应用层面去定性这个技术能不能直接应用,之后再去推动标准,那是下一个层面的问题。

第三方面就我个人的理解,给大家分享一下今后的一个方向和建议。其实上午大家也提到一个问题,如何利用增材制造的特点去驱动。

我们提出了几个特点。第一老旧的车,车窗都是方方的,门也很规矩,但是这从力学来说不是最优的结构。这个很多的结构是没有必要的,这就带来一个问题,假设我们利用全尺度打印,坐的是另外的车,所以今后是这样的方面发展,从正向驱动。

第二个方面,轨道车辆是载人,将人的舒适性达到,空间足够,其实车的大小跟人没有直接关系。但是车的大小跟什么有关系?就是基建费用,能占到40%,这个工程量,我们尽量把车做小一点,打隧道把车打小一点,不要打那么大。现在通常是6米的直径,有不同的直径。如果我们把这个作为试点,土方也会小,机械成本也会降下来,这样很多的地铁投资费用会降低一点。今后轨道交通,第一增材制造或者其他的复合材料是不是会把车辆方式变化,第二会不会带来车辆整体趋势变小,给大家更多的吸引力,也就是更经济。

另外是更环保,它增材制造制造也能降低重量。另外还有其他的新材料,所以增材制造要跟其他的材料匹配,搭配起来,不可能一种技术打天下。这里面有一些指标,有一些教授去研究,今后能不能运行过程中把损耗降低,同时装配时间降低、维护时间降低,有很多指标。这里面我有一点思考,现在目前很多人讲的都是偏重于金属,其实我们还做了一份探究,这份探究偏少,就是增材制造和其他的复合材料,在非功能件或者功能件上进行应用,上次做的探究,就是尼龙跟碳纤维丝混合打印,边打印的时候,把摊纤维丝弄进去,这样它的刚度也就够,功能实现,而且分量非常轻,因为变形小。所以可以关注其他复合材料的发展趋势,这样用其他的件就会好一点。金属应用面稍微窄一点。

同时环保车辆整体小了之后,还带来一个特点,现在看F1赛车,很多的构件藏在里面,其实当时我们高速列车,大家的东西都包起来之后,把它节约以后,大约能降到30%,因为高速列车其实在高速跑起来,300公里以上,其实空气阻力给它带来的是呈正次方增加,所以速度越高,这样开放的空间就会带来更大的阻力,所以我们把它包起来,所以是小型化,也会带来这种好处。

还有几个方面的思考,更经济、更舒适、更安全,这里面当你轻的时候,当我们下面震动也小的时候,也带来经济的费用,制造费用、维护费用更低了。舒适方面,因为轻震动也会减少,所以会更舒适一点,更安全。这是一个方向,现在我们试探的是图中绿色的部分,我们在做一些研究。反过来说,这个蓝色组成的结构,今后用增材制造,这可能是今后十年二十年的趋势。

还有两方面的原因,我们轨道交通做的没有其他行业那么好,因为轨道行业还有一个特点,我们这个是装配,在退卸的时候,可以看到个别的拉伤很严重,一般是修复的,不修复会直接报废,为什么会带来这个问题?不是你不能修复,其实修复还是需要你验证它的寿命、强度、刚度,还有疲劳,其实有一些问题。所以我们以前做过探究,它的方向是没有很大,这是以后大家做的一个方向,可能需要推很多东西。

另外还是背景备件,它备件非常多,不比航空零部件少,也是上万个零部件。所以这些零部件,我们能不能移到客户端,直接去对它进行备件的打印,这也是大家需要探究的问题。

回到前边一步,再探究下一代,其实还是在重量和界面完善,精度下一代是什么样的,可能是今后大家看轨道列车不一样的地方,更经济、成本更低,高可靠性和低精密性,这是原创做的。假如以后打出来是这样的,重量也会轻,因为现在车辆是10吨,可能打出来5吨有可能。这样带来的特点就是更新更节能,舒适、快,所以准点率更高一点,更舒适,希望以后大家乘坐火车更舒适一点,谢谢大家。

激光制造与再制造技术及应用研讨会 介绍

会议以激光技术、增材制造及再制造相关光电技术为主题,针对航空航天交通领域高质量复杂产品的全产业链以及全寿命维护等迫切需求,开展面向增材制造及再制造的设计、材料、工艺及装备、检测以及标准规范等相关光电技术应用研讨,提升增材制造及再制造技术的数 字化、智能化、高稳定能力,驱动中国制造高质量发展。

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