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摘 要：在现代化城市轨道交通运营中，轨道车辆及相关设备的部件经常会出现损坏的情况。为了保证轨道车辆正常运营，则需要将此类已失效的部件及时更换。为了保证正常的轨道交通运营，公司会对一些常规、常用的部件进行储备，但是某些使用频率低、不易购买的非标性的部件因备货困难，常会导致无法第一时间更换进而延误了正常运营。3D打印技术的灵活制造、快速响应恰好可以解决此类问题，因此本文针对3D打印技术在轨交运营的机械零件柔性制造的应用进行相关研究，为3D打印在实际应用的过程中提供指导。

关键词：轨道交通运营；机械零件；非标；3D打印技术；柔性制造

一、引言

在城市轨道交通车辆及其设备的维修保养中，为了保证车辆的安全稳定运行需要时常更换一些非标件，然而更换或制造此类零件时往往会出现以下几种问题：

1.自行制作精度差：由于无法准确获知机械零件的原始尺寸参数，自行制造的试错成本较高且精度较差，零件制造周期长且安装使用后无法保持长久的稳定工作。

2.种类多数量少：轨交列车中的相关零件数量众多且通用性不高，对于此种情况，公司无法做到长期稳定备货。

3.非标零件制造周期长：由于公司的运用及体制流程等因素，导致零件的申报获批周期较长。此外，针对某些小批量零件的受理制造周期等不确定因素影响，非标零件的更换所耗工时会更长。

4.成本问题：对于一些易损件的非标异性垫圈，往往需要周期性更换。但是对于批量生产所需要的开模注塑模具制造成本，产生了两难的情况。

针对已上的这些问题，3D打印技术恰好能够解决一部分关键性的技术问题，由于该技术具有：1.制造成本低、2.制造响应快、3.针对小批量非标性制造等特点。所以3D打印可以因地制宜的解决一些在轨道交通在机械零件维护方面存在的问题。

打印材料及打印方式的选择：常见的打印方式有光固化打印（LCD、SLA等）、热熔沉积打印（FDM）、金属粉末激光烧结打印（SLM）、尼龙粉末激光烧结打印机（SLS）等，其相关参数见表1。采用不同的材料打印不同材料零部件来适应不同的使用环境，这就需要对所打印的材料的特性进行分析，从而选取合适的材料。在制造前工作人员需要考虑到温度、振动、硬度、韧性等参数。例如，变扭箱观察口盖密封垫是软性材质还需要考虑到温度、振动等因素，JZ-7制动阀的密封垫片还需要考虑对高压气体的气密性，高压水枪水管接头是螺纹紧固不仅需要一定的硬度，还需要有一定的韧性，如果材料韧性不足，则会导致螺纹断裂，因此再制造前期需要考虑不同的工况及使用环境，从而选取适应的材料。

日常维护中我们使用的密封件以及塑料件比较多，所以使用热熔沉积打印（FDM）就可以满足相当一部分部件的制作，密封件等软性材料可以使用TPU材质打印，普通的塑料件可以使用PLA打印，对韧性和硬度都有要求的可以使用ABS材料打印。

光固化（SLA）打印的材料普遍较脆，且在长时间的使用过程中接触过多的紫外线后，所打印的材料会变得更脆，所以无法在城轨交通中使用。

激光烧结打印机（包括金属和尼龙材质）的价格较贵，对于运营方来说使用成本过高，且打印后的零件需要配合线切割机等设备使用，边际成本太高。因此使用3D打印技术解决实际问题的同时，也应当注意精益最大化。

综上考虑，选择热熔沉积打印方式（FDM）作为基础打印方式兼具便捷性和制造柔性（如图1所示）。

二、实验与测试

以往非标机械零件的问题集中在四种不同零件中：1.道依茨柴油机专用导油装置、2.变扭箱加油口盖密封垫（如图2所示）、3.JZ-7制动阀密封垫（如图3所示）、4.高压水枪水管接头。本文主要以变扭箱加油口盖密封垫、JZ-7制动阀密封垫为研究对象进行研究和分析。

原厂生产的变扭箱加油口盖密封垫零件材料采用柔性橡胶（硬度在80D左右），其工作环境温度大概在45℃～60℃之间。经过材料参数对比和研究发现：TPU（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）材料在40℃～120℃的温度范围内（TPU材质的熔点为190℃左右），都具有良好的柔韧性，依旧能保持85D左右的硬度。与此同时，TPU材质的物理化学性质稳定，不易于周围物质发生反应，所以非常适合制做密封垫类零件。

针对3D打印制造的TPU材料密封垫（如图4所示）能否经受轨道列车的恶劣工作环境，本文采用模拟实验的方式：利用3D打印制作一个硬质塑料可视化储油箱体和TPU材质的密封垫，在箱体里装入一些传动油，将TPU材料密封垫安装在加油口盖附近，并摆放在列车的相应工作位置以此来模拟正常的工作环境，并在每天日常工作保养维护列车时检查箱体表面是否出现渗油状况，及密封垫的老化腐蚀情况，由于普通密封垫的更新周期为三个月，为了保证3D打印零件的稳定性，本文采取的采样周期为六个月以保证实验数据的可靠性。

JZ-7制动阀密封垫原厂材料为软性工业橡胶，工作温度为-20℃～40℃。设计使用环境为高压气体环境，气体压力最高可达900kpa（0.9Mpa）。TPU材质的弹性模量（10～1000Mpa），最低工作温度为-50℃。因此，TPU材料能够具有良好的气密性和低温稳定性，为此JZ-7制动阀密封垫也采用TPU材质进行制造。测试平台为公司研发的JZ-7试验模拟平台上，完成测试完及技术指标即可装车实际测试。

三、结果与讨论

变扭箱加油口盖的密封垫和JZ-7制动阀的密封垫需要进一步的装车测试（如图5所示），将密封垫装车后，需要定期进行检查，每次月检检查时记录各项状态并汇总成记录表，需要记录的状态包括：是否漏气（漏油）、相关压力数据是否正常、相关设备运作是否正常等，连续记录12个月，在进行第6个月的检查时，需要将密封垫拆下，并观察其有无变形、破损等情况，各项状态确认无误后，再装回车上继续测试并记录。在跟踪和记录橡胶垫的使用情况的一年后（橡胶垫的更换周期为一年），如果没有异常情况就可以更换新的橡胶垫，在今后的维护保养工作中，以一年的时间为更换周期，转为常态化使用。

四、总结与展望

3D打印并不是用来替代其他生产工艺的技术，而是利用自身的优势，解决一些普通生产工序无法解决的问题。在轨道交通运营中，运营方几乎是没有自行生产能力的，而成熟的3D打印技术能给予轨道交通运营方一定程度的自行生产能力，可以为解决运营方所面临的问题提供可能。