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增材制造為西門子等企業(yè)創(chuàng)造了許多新的機(jī)會(huì)，在服務(wù)行業(yè)尤其如此。位于德國埃爾蘭根的西門子增材制造能力中心已在高效快速地為鐵路行業(yè)制造單獨(dú)的定制化備件。

埃爾蘭根是一個(gè)位于紐倫堡北部的大學(xué)城，城中的西門子園區(qū)內(nèi)有一棟兩層的建筑物。它看起來并不像一座備件生產(chǎn)工廠。這里既沒有煙囪，也沒有廠房，更沒有裝配線。相反，這里有巨大的窗戶、百葉窗和一塵不染的過道。

然而，在過道門后，西門子交通集團(tuán)正大步邁向備件制造的新時(shí)代。在這里，部件是打印出來的，而不是從模具中取出或是由金屬塊銑削而來。以西門子在3D打印方面的專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，2014年，西門子在埃爾蘭根設(shè)立了增材制造能力中心。

鐵路行業(yè)的理想之選

在工廠展廳，業(yè)務(wù)運(yùn)營負(fù)責(zé)人Tina Eufinger從玻璃陳列柜中取出一只黑色的塑料扶手。乍看之下，它似乎只是有軌電車上一個(gè)符合人機(jī)工程學(xué)的組件，但其實(shí)遠(yuǎn)不止于此。這個(gè)組件是工廠為展示3D打印技術(shù)在制造備件領(lǐng)域應(yīng)用的*性而開展的試點(diǎn)項(xiàng)目的成果。

西門子增材制造能力中心內(nèi)的激光裝置打印出金屬部件。

3D打印的大潮正在襲來。美國市場調(diào)查機(jī)構(gòu)IDC預(yù)計(jì)，從2016年到2019年，全球3D打印市場銷售額每年將增加30%，最終達(dá)到260億美元以上。在這個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)創(chuàng)新也將有助于各行各業(yè)大幅提升靈活性。例如，由于相關(guān)技術(shù)將幫助人們更快推出設(shè)計(jì)和原型，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)將能夠使用更多經(jīng)濟(jì)劃算且批量打印而得的備件。3D打印也適用于生產(chǎn)少量組件。在鐵路行業(yè)，列車的使用壽命往往長達(dá)30年以上。3D打印可以快速、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)出鮮少使用的塑料或金屬備件。而從打印組件中積累的操作經(jīng)驗(yàn)將有助于進(jìn)一步推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。中心研發(fā)負(fù)責(zé)人Maximilian Kunkel表示：“增材制造技術(shù)將非常適合交通集團(tuán)。我們可以制造出復(fù)雜部件，而無需擔(dān)心最小生產(chǎn)量或使用工具的成本。”

德國南部烏爾姆市的市政公用事業(yè)公司就是增材制造技術(shù)的受惠者。2003年，這家公司投放了少量西門子Combino有軌電車。后來，一些有軌電車司機(jī)提出希望在駕駛座扶手上加裝轉(zhuǎn)彎信號(hào)燈開關(guān)和切換軌道開關(guān)。但由于所需數(shù)量很少，常規(guī)制造方法比較不便。然而，借助扶手的數(shù)字模型，制造者可以在上面重新設(shè)計(jì)出用于安裝開關(guān)的空間。生產(chǎn)過程采用激光燒結(jié)，首先在3D打印機(jī)中鋪一層塑料粉末，以此為底可逐層打印出每一個(gè)扶手。當(dāng)激光照射到塑料粉末上時(shí)，粉末會(huì)立即變粘，并很快變成塊狀。清除多余粉末之后，操作人員便得到了一個(gè)坯件，經(jīng)過著色和表面處理后即可使用。

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)專家Linda Schönweiß和Nina Meller制作出用于3D打印的模型。

Lars Buchmann從3D打印裝置中取出剛剛制作好的金屬組件。

3D打印專家Thomas Harsch站在塑料組件打印裝置前。

在過去，每當(dāng)備件缺貨，有軌電車運(yùn)營商通常需要花費(fèi)數(shù)周甚至數(shù)月時(shí)間來等待昂貴的制造工具被生產(chǎn)出來。不僅如此，他們通常還不得不按最小批量購買部件。如今，埃爾蘭根能力中心能在短短幾天內(nèi)制作出備件并交付給客戶。3D打印還可以快速而又輕松地制作出采用常規(guī)方法極難制作的具有復(fù)雜幾何形狀的組件。事實(shí)上，3D打印往往比采用其他方法制造部件再貯存?zhèn)溆酶鼮榻?jīng)濟(jì)劃算。

不只是扶手

針對(duì)增材制造任務(wù)，西門子能力中心團(tuán)隊(duì)會(huì)首先創(chuàng)建一個(gè)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)、選用優(yōu)質(zhì)材料，以及改進(jìn)打印過程等，這個(gè)模型往往比部件的初始模型好得多。為制作出與模型相對(duì)應(yīng)的實(shí)物，相關(guān)數(shù)據(jù)被發(fā)送至中心的三臺(tái)打印裝置之一處，裝置會(huì)利用塑料、鋁或不銹鋼制作出部件。之后，還需要進(jìn)行操縱測(cè)試、硬度測(cè)試，以及較為重要的防火測(cè)試。為了防火，整個(gè)中心幾乎全部使用了一種低易燃性的高性能塑料。Maximilian Kunkel表示：“當(dāng)其他制造商還在進(jìn)行部件測(cè)試時(shí)，我們已在標(biāo)準(zhǔn)化金屬和塑料的打印過程，這樣就能事先保證諸如功能和使用壽命等屬性達(dá)到要求。自中心建立以來，埃爾蘭根和柏林的西門子中央研究院的同事一直給予我們鼎力支持。”

根據(jù)Combino有軌電車司機(jī)提出的要求，少量扶手經(jīng)重新設(shè)計(jì)配備了集成開關(guān)。這些扶手是采用增材制造技術(shù)打印出來的。

毫無疑問，3D打印專家Michael Kuczmik帶領(lǐng)的11人團(tuán)隊(duì)不僅僅只會(huì)制造扶手。Tina Eufinger向我們展示了一個(gè)電機(jī)軸承蓋。與原來的部件不同，這個(gè)打印出的組件是中空的并填充了粉末。新組件有許多優(yōu)點(diǎn)，包括減少振動(dòng)以防止磨損。另一個(gè)例子是*代ICE高鐵列車的定制開關(guān)柜。這個(gè)組件現(xiàn)已不再大規(guī)模生產(chǎn)。德國聯(lián)邦鐵路公司很少用到這個(gè)組件，也無法提前計(jì)劃其需求。因此，通過3D打印來制造開關(guān)柜可以縮短列車停運(yùn)時(shí)間，從而節(jié)省一大筆費(fèi)用。

打印出的備件還有其他優(yōu)點(diǎn)。由于改進(jìn)了設(shè)計(jì)，需要的材料通常比原來的組件少，因而更加輕巧。此外，它們通常使用壽命更長。有時(shí)候，還可以集成附加功能。不過，這些組件也有一些不足。例如，備件尺寸不能超過打印裝置的打印室。不過，操作人員有時(shí)可以用小組件組裝出大部件。例如，有軌電車的擋泥板由三個(gè)部分組成，由于有軌電車交通事故一般只損壞擋泥板的右側(cè)，因此通常僅需更換這個(gè)組件的三分之一左右。

虛擬庫房

新能力中心收到的訂單也在不斷豐富其備件的虛擬庫房，目前這里已儲(chǔ)存了450個(gè)數(shù)字模型?，F(xiàn)在，再也不需要實(shí)物庫房來貯存這些備件，制造過程也不要求任何火花四濺的電焊機(jī)，更不要說鑄造間了。相反，西門子埃爾蘭根園區(qū)處處綠意盎然，在綠色深處有一座集研發(fā)實(shí)驗(yàn)室和制造工廠于一體的能力中心，它將持續(xù)快速而又經(jīng)濟(jì)地借助按需打印流程，為軌道列車提供備件。