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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(guó)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(yíng)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(guó)市場(chǎng)調(diào)查機(jī)構(gòu)IDC預(yù)計(jì)，從2016年到2019年，3D打印市場(chǎng)銷售額每年將增加30%，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(zhǎng)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)心小生產(chǎn)量或使用工具的成本。”

德國(guó)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(yíng)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小批量購(gòu)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(guó)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(zhǎng)。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(kù)房

新能力中心收到的訂單也在不斷豐富其備件的虛擬庫(kù)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(kù)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。