德國鐵路如何使用 3D 列印簡化車輛維護

作為世界上最大的鐵路公司之一，德國鐵路股份有限公司（Deutsche Bahn）每天負責超過 1000 萬名乘客的旅行。維持運送數百萬人所需的大型基礎設施並非易事——該公司在德國各地運營 50 家工廠，為其客運和貨運列車車隊提供服務。

德國鐵路車輛維修子公司最北端的工廠位於新明斯特，擁有近 750 名員工，負責對城際和通勤列車客車進行維護、修理，有時甚至徹底檢修或現代化改造。它也是設有現場 3D 列印工廠以提高營運效率的地點之一。

「我們從 2015 年開始使用 3D 列印，從那時起，我們已經在德國鐵路公司生產了超過 100,000 個零件，節省了數百萬歐元。」－Susanne Tost，德國鐵路團隊 3D 列印專案行銷專家

繼續閱讀了解德國鐵路汽車保養的製造工程師兼積層製造專家 Carsten Wolfgramm 和德國鐵路團隊 3D 列印專案行銷長 Susanne Tost，以了解德國鐵路如何使用 Formlabs 3D 列印解決方案來生產製造輔助工具，從而簡化工作流程、降低成本，並幫助火車更快地回到軌道上。

按需現場生產製造輔助工具

城際快車（ICE）針對商務旅客和長途通勤者，旅行速度高達 320 公里/小時，是德國鐵路的旗艦服務。 

第一代 ICE 1 客車已經在鐵軌上運行了 30 多年，現在正在徹底翻新——幾乎被拆除、從頭開始重建、升級為現代化設施並重新粉刷。

這項重大的現代化工程需要多個工廠和部門以及各行業的密切合作，例如油漆工、鎖匠、電工等。新明斯特是作為跨國運作樞紐的工廠之一。

▲新明斯特德國鐵路車輛維修廠是參與 ICE 1 客車重大現代化工程的工廠之一。 

「製造輔助工具至關重要，因為您無法使用可購買的傳統工具完成所有工作，」Wolfgramm 說。

在每個部件的翻新過程中以及客車拆卸或重新組裝時，有許多步驟可以更輕鬆地完成，以節省時間或確保品質和一致性。當數十個部件現代化時，這些工具的好處很快就會增加。

「透過與工廠以及其他工廠員工的密切合作，我們正在開發許多實用工具，幫助工人貼上象形圖、畫線或標記鑽孔點，而無需花費大量時間測量事物。如今，3D 列印技術可用於製作出色的模板，使工作變得更加輕鬆。」Wolfgramm 說。

傳統上，這些製造輔助工具是在木匠車間透過鋸切、打磨和銑削木材來生產的，或在需要金屬零件時使用傳統的金屬加工機器，例如車床或銑床。然而，這些解決方案更加耗時、勞力密集且昂貴。

「積層製造提供了無與倫比的能力，可以快速接近初始形狀，然後對其進行改進。因為我們在 CAD 軟體中擁有數位設計，所以如果它們不適合或需要更改，我們可以快速調整它們。設計是否需要更新、放大、縮小等等？3D 列印——尤其是粉末列印——是無與倫比的。」－Carsten Wolfgramm，德國鐵路製造工程師兼積層製造專家

▲新明斯特的 3D 列印車間擁有十台不同的 3D 列印機，其中包括兩台 Fuse 系列 SLS 列印機。

新明斯特的 3D 列印車間現場有 10 台不同的 3D 列印機，採用了多種技術。其中兩台是 Fuse 系列 SLS 列印機，一台使用多功能且堅固的尼龍 12 粉末，而另一台則使用柔性 TPU 90A 粉末進行列印。車間裡還有兩台樹脂列印機機，一台是大型 Form 3L，一台是 Form 3。

根據詢問和對組件的要求，Wolfgramm 和他的團隊可以簡單地選擇最適合該工作的列印工藝和材料。

「我們使用 Formlabs 機器，因為它的性價比對我們來說是無與倫比的。它們非常可靠且真正即插即用，尤其是 SLS 列印機。當您不斷迭代部件時，這使得工作變得更加容易。他們每週 7 天、每天 24 小時全年無休地運行。」－Carsten Wolfgramm，德國鐵路製造工程師兼積層製造專家

位於新明斯特的 3D 列印車間可讓團隊保持敏捷並根據需求快速回應請求。「我們不依賴供應鏈和漫長的交貨時間，」Wolfgramm 說。

「透過現場 3D 列印，我們能夠非常非常快速地回應工廠的日常需求。我們可以提前針對不同的應用進行設計，直接在現場生產，然後在工廠實施。沒有其他製造選項可以為我們提供這一點」，Tost 補充道。

新明斯特的積層製造應用

繪畫用遮蔽工具

在 ICE1 客車的修復過程中，所有塑膠零件都被拆除、打磨、填充和重新噴漆。其中一個部件是一塊大型的帶凹槽的塑膠面板，安裝在每節火車車廂的門把手後面。每個面板都需要新的雙色調油漆設計，以便深色部分提供更持久的保護，防止污垢和使用痕跡。

繪製彎曲形狀和更複雜的油漆方案通常需要使用可折疊的尺和卡尺進行艱苦的測量，因此油漆工可以正確標記位置和遮蓋表面，以實現一致的表面效果。

▲傳統上，遮蓋原始形狀是一項耗時的手動操作。	▲3D 列印掩模工具可以大幅減少測量時間。

「透過 3D 列印，我們可以輕鬆開發模板。我們這樣做一次，然後就可以在其他工廠和地點以多種方式使用它。我們有一些例子可以將 30 分鐘的繪畫工作減少到 2 分鐘。」Tost說。

與傳統工具相比，3D 列印提供了更多的設計自由度來創造適合某些工作的複雜工具。「積層製造，尤其是 SLS 工藝，可以實現複雜的幾何形狀，例如半徑和小凸起，」Wolfgramm 補充道。

行李架防刮保護

當客車被拆卸時，行李架被拆除。修復後，一旦牆壁被粉刷並重新貼箔，就需要將它們放回原位。架子又大又重，架子與牆壁之間的間隙非常窄，因此需要一種柔性材料來防止刮擦和碰撞。如果工人們不小心刮傷了牆壁，就會導致昂貴且耗時的返工。德國鐵路團隊設計了客製化保護蓋，並使用柔性 TPU 90A 粉末將其在 Fuse 1+ 30W 上列印。

▲該團隊使用一種柔性材料 TPU 90A 粉末來提供刮痕和衝擊保護。	▲SLS 3D 列印實現了纖薄的設計，可安裝在行李架和牆壁之間。

「在我們開發這種防刮擦並進行 3D 列印之前，我們的同事總是用氣泡膜或類似工具以傳統方式掩蓋它，以避免刮傷摩擦 - 但這並不總是成功。得益於新的 TPU 部件，這是我們第一次最終成功地完全消除了划痕。」Wolfgramm 說。

電纜導管蓋原型

由於 ICE 1 客車是 30 多年前製造的，因此有些零件已經不存在了。在修復過程中，團隊發現許多用於保護和引導安裝在座椅下方的電源插座電纜的帽蓋在清潔過程中被損壞或完全遺失。由於這些是定制零件，他們無法輕鬆找到替代品。

▲ICE1 客車上許多保護和引導電源插座電纜的帽蓋都遺失了。	▲德國鐵路團隊對設計進行逆向工程，並使用 SLS 3D 列印原型來測試貼合度並感受真實尺寸。

「它們由德國鐵路團隊重建，我們被要求使用 SLS 雷射燒結 3D 列印和尼龍 12 粉末列印原型，以測試貼合度並感受真實尺寸。我認為第二個版本已經完美貼合，很容易滑動。SLS 列印提供的可能性是一流的。貼合度、速度和材料都足夠堅固，所以我們可以真正嘗試一下，」Wolfgramm 說。

手持式掃描器支架

製造輔助工具也可用於簡化各個工廠工人的日常任務。德國鐵路長途運輸股份公司（DB Fernverkehr）從事材料管理工作的員工使用手持式掃描器來識別和管理材料。通常情況下，如果他們想拿起東西或用雙手，就必須將掃描器放在手中，然後將設備放下。

▲材料管理員工需要一種安裝手持式掃描器的方法，這樣他們就可以將手持式掃描器放在身邊，而無需持續佔用一隻手。	▲團隊創建了三種不同的安裝座，可以安裝在包包、腰帶或影子板上。

「他們問：『你不能為這款手持式掃描器設計一個支架，以便我們可以隨身攜帶它並隨時可以使用它嗎？』最終，我們創建了三種不同的支架，您可以將它們固定在包包、腰帶或工具板上。SLS 雷射燒結 3D 列印很簡單，因為它列印出來的效果非常貼合，而且我沒有任何需要移除的大型支撐結構，因此除了除粉和噴砂之外，我不需要進行大量的後處理，」Wolfgramm 說道。

未來車輛維護的數位化

「積層製造將繼續存在。它使得傳統機器無法實現的複雜幾何形狀成為可能，並且可以簡單地製造和複製工具，而不會產生高昂的額外成本。一旦工具或零件被數位化，它就可以在世界任何地方進行列印。」Wolfgramm 說。

當然，最終目標是能夠為其車隊製造更多最終用途的 3D 列印備件。然而，火車的安全規定與飛機一樣嚴格，有時甚至更嚴格。如今，只有在現場使用工業 FDM 列印機才能滿足嚴格的規定。德國鐵路公司正在與 Formlabs 和其他合作夥伴合作開發工作流程、流程和材料，這些工作流程和材料經過認證可以在未來滿足這些要求。

「我們的目標是到 2030 年將車輛維護中 10% 的備件實現數位化。這將使我們能夠在很短的時間內按需再製造零件。它將確保我們能夠繼續快速交付零件，同時也確保我們是環保的，以生態方式處理材料和資源，從而解決許多其他挑戰。」