アプリケーションスポットライト：鉄道業界での3D印刷

過去12か月間、ドイツ鉄道、ボンバルディア、エンゼルトレインズを含む多くの鉄道会社は、3D印刷に投資したか、3D印刷機能を強化してきました。

EYの最近のレポートによると、ロジスティクスおよび運輸部門の企業の16％が、スペアパーツの製造に3D印刷を使用しています。

この採用を推進しているのは何ですか？

今週のアプリケーションスポットライトでは、鉄道業界での積層造形（AM）の採用の増加の背後にある推進要因を見て、最もエキサイティングなユースケースを探ります。

このシリーズで取り上げている他のアプリケーションを見てみましょう：

熱交換器用の3D印刷

ベアリングの3Dプリント

自転車製造用の3Dプリント

デジタル歯科およびクリアアライナー製造のための3D印刷

医療用インプラントの3Dプリント

3Dプリントロケットと宇宙船製造の未来

靴製造のための3Dプリント

電子部品の3Dプリント

3Dプリントアイウェア

最終部品生産のための3D印刷

ブラケットの3Dプリント

タービン部品の3Dプリント

3Dプリントで高性能の油圧コンポーネントを実現する方法

3Dプリントが原子力産業のイノベーションをどのようにサポートするか

鉄道会社が産業用3D印刷を採用しているのはなぜですか？

列車を建設することは、通常何十年もの間、列車を軌道に乗せるために高品質のコンポーネントを必要とするため、意味のある偉業ではありません。

しかし、一部のコンポーネントが破損するとどうなりますか？最近製造された部品の代替品を見つけるのは比較的簡単ですが、20〜30年前に作成されたコンポーネントの場合、プロセスは複雑になります。

多くの場合、鉄道会社は、必要なスペアパーツの生産が中止されたり、メーカーが廃業したりする状況に直面しています。必要なスペアパーツの数が少ないことを考えると、大量生産に合わせた従来の方法を使用してパーツを新たに設計して製造することは、経済的に意味がないことがよくあります。

列車の1日あたりのダウンタイムコストは、また、非常に高く、鉄道会社は、時代遅れのスペアパーツをより速く、より安価に製造する新しい方法を模索しています。

3D印刷は、このような問題を解決できるテクノロジーの1つになりつつあります。これはデジタル製造技術です。つまり、デジタルワークフローに依存しており、部品を作成するために金型などの追加のツールを必要としません。

3D印刷による工具不要の生産により、廃止されたスペアパーツの製造時間を大幅に短縮できます。場合によっては95％も短縮できます。このプロセスは、特にパーツの元の設計が失われた場合に、リバースエンジニアリングと頻繁に組み合わされます。

このようにして、鉄道会社は列車のメンテナンスプロセスをスピードアップし、列車を以前よりも効率的に使用できるようになります。

鉄道業界で3Dプリントを早期に採用した、Deutsche Bahnのように、代替品として3Dプリントできる複数の部品を特定しました。その中には、コーヒーマシンの部品、コートフック、ハンドルカバー、ヘッドレストフレーム、さらには目の不自由な旅行者のための点字標識があります。しかし、鉄道業界向けに3Dプリントできる部品のリストは増え続けています。

鉄道業界で3D印刷を採用するもう一つの推進力は、治具や固定具などの製造補助器具をより迅速かつオンデマンドで製造できることです。あまり公表されていないユースケースですが、3D印​​刷されたツールは通常、従来のツールよりも軽量で、人間工学的に設計できるため、作業者の使いやすさが向上します。

鉄道部品に使用される3D印刷技術

鉄道業界向けのほとんどの3D印刷されたスペアパーツと工具は、溶融フィラメント製造（FFF）や選択的レーザー焼結（SLS）などのポリマー添加剤技術を使用して製造されています。これらのテクノロジーは、ナイロンやULTEMなどの高性能熱可塑性プラスチックで機能するように最適化されています。

列車のコンポーネントに使用するには、これらの材料は業界の火災安全基準に準拠している必要があります。いくつかの会社が難燃性熱可塑性プラスチックを提供しています。たとえば、Stratasysは、火災安全のためにRail StandardEN45545-2に準拠した材料を開発しました。

複合3Dプリンターの開発者であるMarkforgedも、最近、難燃性のナイロンベースの複合材料を発表しました。この材料は、航空宇宙、自動車、防衛産業に加えて、鉄道産業における3D印刷アプリケーションの範囲を広げることを目的としています。

鉄道業界向けに3Dプリントされた部品の大部分はポリマー製ですが、金属製の3Dプリントも注目を集めています。選択的レーザー溶融（SLM）や金属バインダー噴射などの技術は、アルミニウム、鋼、最近ではチタンなどの金属で部品を製造するために最も頻繁に採用されています。

鉄道業界における3D印刷アプリケーション

Deutsche Bahn3Dは金属製の交換部品を印刷します

ドイツの鉄道会社、ドイツ鉄道は、スペアパーツに3Dプリントを採用したパイオニアの1つです。過去数年にわたって、ドイツ鉄道は100を超えるユースケースでAMを使用する可能性を特定してきました。ほとんどの部品は可用性に関連しているため、調達が難しく、1か月間の車両のダウンタイムが発生する可能性があります。

このような部品の一例として、クラス294機関車用のホイールセットベアリングカバーがあります。このモデルは1960年代と1970年代に使用され、このカバーなどの一部のコンポーネントのスペアパーツが欠落しています。

従来、ドイツ鉄道は鋳造プロセスを使用して新しい部品を製造する必要がありました。ただし、この方法では通常、最小購入数量が多く、部品の納品には数か月かかる場合があります。

AMは、このパーツをより高速かつオンデマンドで作成できたため、自然な代替手段として登場しました。同社は、ワイヤーアーク添加剤製造（WAAM）技術を使用してベアリングカバーを3Dプリントしたサービスビューローに目を向けました。 WAAMプロセスでは、ワイヤーを原料として使用します。ワイヤーはノズルから供給され、層ごとに最終的なワークピースに溶接されます。

13 kgの部品は、わずか7時間で印刷され、ドイツ鉄道に部品の増加などの利点をもたらしました。可用性と大幅に低い製造コスト。

Siemens Mobility：3Dプリントされた工具

インテリジェントな交通システムと鉄道技術を専門とする会社、Siemens Mobilityは、スペアパーツに加えて複雑な工具を製造するために、RRX Rail ServiceCenterで3D印刷を採用しています。

一例では、新しいメンテナンスデポには、列車のボギーのメンテナンスに使用される重要なコネクタツールが3Dプリントされています（ボギーは、ホイールセットの車軸を支えるシャーシまたは構造です）。工具は複雑な形状をしており、高度なカスタマイズが必要なため、従来の方法で製作することは非常に困難です。

さらに、台車の重量は数トンです。つまり、列車が動いているときにかかる大きな応力に耐えることができる、頑丈で耐久性のある材料で作る必要があります。

代わりに、センターのチームはStratasysのFDMテクノロジーと工業用グレードのULTEM 9085を使用しました。3D印刷により、Siemens Mobilityは3D印刷のカスタマイズの利点を活用し、従来の製造方法に取って代わりました。ツーリングアプリケーション。

同社はまた、3D印刷されたツールが、サプライヤーを介したアウトソーシングツールへの依存を減らし、部品あたりのコストを削減するのに役立ったと報告しています。

エンゼルトレインズによる3Dプリントの調査

車両リース会社のエンゼル・トレインズは最近Stratasysと提携し、アームレスト、グラブハンドル、シートバックテーブルなどの3Dプリントの列車内部コンポーネントを検討しています。

現在、選択されたコンポーネントは、運行中の旅客列車で試用されています。これまでのところ、裁判は前向きでした。たとえば、3Dプリントされたアームレストの製造には1週間しかかかりませんでした。これは、従来の製造方法を使用した場合と比較して94％の減少です。

同社は、StratasysFDMテクノロジーを高温のULTEM9085と組み合わせて使用​​しています。熱可塑性、必要に応じてスペアパーツを3Dプリントします。使用されているフィラメントは、鉄道業界標準（特に鉄道標準EN45545-2）と互換性があり、従来の熱可塑性プラスチックよりも優れた耐火性と耐久性を備えていると言われています。

別のケースでは、3D印刷が役立ちましたグラブハンドルの代替品を製造するエンゼルトレインズ。元のスペアパーツは廃止され、サプライヤは廃業していました。従来の方法を使用してスペアパーツを作成するには、新しい製造ツールの製造が必要でした。これには、最大15,000ポンドのコストと、2か月半のリードタイムが発生する可能性があります。

ただし、FDM 3D印刷を使用することで、同社は列車に必要な7つのハンドルすべてを、わずか3週間で大幅に低コストで製造できるようになりました。

エキサイティングなことに、Angel Trainsは、3Dプリントによる新しいカスタマイズの可能性も模索しています。たとえば、同社は点字でシートバックテーブルを3Dプリントする機会を検討しており、トイレがシートから10列後ろにあることを乗客に知らせています。

成功した場合、このようなアプリケーションは、将来の列車の運行と乗客の体験を大幅に改善する可能性があります。

3DプリントにおけるCAFの成果

スペインの鉄道車両、機器、バスのメーカーであるCAFも、スペアパーツや機能部品の製造に3Dプリントを使用することに成功しました。 2016年9月以降、CAFは、カップホルダー、ラジオブラケット、ウィンドウフレーム、ワイパーカバー、ドアサポートなど、車両で使用する3Dプリント部品を約2,400個製造したと言われています。

また、大規模な3D印刷を使用して、最大数メートルの外部部品を製造します。そのような部品の中には、Urbosトラム用に3Dプリントされたフロントエンドコンポーネントがあります。おそらく、この部品は、スペインのメーカーであるCNCBárcenasによって開発されたSuper Discovery FFF3Dプリンターを使用して3Dプリントされました。

CAFは、3D印刷技術の主な利点として、さまざまな寸法と複雑な形状の部品を製造する機能を挙げています。同社によれば、部品を製造する際に金型や元のパターンへの依存を解消し、新しい部品の市場投入までの時間を短縮するのに役立ちます。

その他の例

3Dプリントを模索し始めている鉄道会社の数は増え続けています。

たとえば、ボンバルディアはStratasys 3Dプリンターをインストールして、レール部品の生産を加速およびカスタマイズするように設定されています。製造業者は、この技術を使用して、エアダクト、ハウジング、ケーブルホルダーなどの内部および外部の列車部品を3Dプリントすることを計画しています。

鉄道および輸送業界のグローバルメーカーであるワブテックコーポレーションも、3Dプリントの時流に乗っています。この夏、同社はGEAdditiveのH2バインダージェットテクノロジーに投資しました。 Wabtecは、AMで製造できる製品ラインの250ものコンポーネントのユースケースをすでに特定しています。

鉄道業界における3D印刷：変革の影響

鉄道業界で3D印刷を使用することの利点は、ますます明らかになっています。このセクターの企業は、このテクノロジーの実装、廃止されたスペアパーツの問題、および工具や最終用途のコンポーネントの長いリードタイムへの取り組みに熱心に取り組んでいます。

ただし、上記の例は、ほとんどの企業にとって3Dプリントの旅が始まったばかりであることを示しています。テクノロジーを最大限に活用する方法を理解するには、時間とお金の両方が必要です。しかし、旅の終わりに待っている報酬は、鉄道のサプライチェーンとサービス運営に変革的で前向きな影響をもたらすことを約束します。