I sistemi di trasporto urbano hanno beneficiato in modo significativo della stampa 3D negli ultimi anni. Ora anche il sistema ferroviario ne sta beneficiando. La velocità delle ferrovie può raggiungere i 350 km/h. Sebbene sia relativamente facile guidare un treno, è meno facile fermarlo. La difficoltà principale è la frenata. Considerando che ogni vagone può pesare più di 60 tonnellate, il peso produce una notevole inerzia che, a sua volta, genera energia cinetica proporzionale, e il riscaldamento dei dischi freno (in frenata) dovuto all’attrito. Pertanto, le pastiglie e i dischi dei freni non devono solo resistere alle alte temperature (circa 900 °C), ma devono anche garantire che le parti funzionino bene allo stesso tempo. Le parti devono anche funzionare in ambienti difficili come pioggia, neve, sabbia e polvere.
Negli ultimi anni, la ricerca, lo sviluppo e la tecnologia di produzione di pastiglie e dischi per freni ferroviari ad alta velocità hanno fatto progressi graduali. Con l’integrazione approfondita della tecnologia di stampa 3D in metallo nel settore ferroviario, i produttori di 3D in metallo hanno iniziato a esplorare l’applicazione della tecnologia di stampa 3D in metallo per il miglioramento delle prestazioni di pastiglie e dischi dei freni.
Il funzionamento sicuro e stabile di un treno è inseparabile dalla manutenzione a lungo termine e dalla funzionalità delle sue parti. Quando queste parti sono danneggiate e devono essere sostituite, ma le parti non sono immediatamente disponibili presso le strutture di stoccaggio, i fornitori di servizi ferroviari devono ordinare le parti dal produttore, con conseguente aumento dei costi di approvvigionamento e gestione. Oltre al tempo di attesa non redditizio e, in definitiva, non necessario. Pertanto, non dovrebbe sorprendere che la stampa 3D sia ora il mezzo di produzione scelto per alcune di queste parti, fornendo parti personalizzate e di alta qualità su richiesta.
All’inizio di quest’anno, Eplus3D, uno dei principali produttori cinesi di AM, ha collaborato con una compagnia ferroviaria, fornendo all’azienda una soluzione AM in metallo su misura. Eplus3D lo ha fatto stampando diversi dischi freno con la sua macchina AM in metallo di grande formato, EP-M650 (quad-laser), che è stata acquisita anche da JINGYE Additive Manufacturing per l’uso nell’industria aerospaziale.
Prima che il 24CrNiMo fosse utilizzato per produrre dischi dei freni, i treni ad alta velocità dei primi tempi utilizzavano freni compositi. A causa della sua bassa resistenza meccanica e della scarsa resistenza agli urti, i dischi dei freni compositi utilizzati nei primi treni ad alta velocità potevano sviluppare microfessure durante il funzionamento. Il materiale composito dei freni è anche sensibile all’acqua, con conseguente minore attrito durante la stagione delle piogge e quando si viaggia in aree bagnate, con conseguente riduzione delle prestazioni dei freni.
Nel processo di produzione tradizionale, le pastiglie ei dischi dei freni vengono creati mediante la metallurgia delle polveri. Nel processo di sinterizzazione, a causa dei diversi coefficienti di ritiro di ciascun componente nei dischi freno, è probabile che produca difetti come porosità e ruvidità, con conseguente bassa compattezza del disco freno, che ne influisca sulle proprietà meccaniche e di attrito finali.
I dischi freno sono tradizionalmente fabbricati utilizzando una produzione riduttiva, combinata con fusione e forgiatura, che, rispetto alla stampa 3D, è un processo ingombrante, con un basso tasso di utilizzo del materiale e un lungo ciclo di produzione.
Dopo l’analisi dei dati e un sondaggio, il 24CrNiMo è stato selezionato come materiale di stampa per i dischi dei freni. L’acciaio 24CrNiMo è un acciaio ad alta resistenza, bassolegato, con eccellenti proprietà meccaniche. Ha un’elevata resistenza alla trazione finale, una buona tenacità alla frattura e stabilità termica ed è ampiamente utilizzato nella produzione di dischi freno ferroviari ad alta velocità. Le parti stampate con questo materiale possono ridurre efficacemente il peso delle parti e migliorare le proprietà meccaniche.
Per questo progetto è stata selezionata la stampante 3D in metallo di grande formato EP-M650, quad-laser con un volume di costruzione di 655 x 655 x 800 mm³. Insieme alla qualità del fascio abbagliante e a una risoluzione dettagliata, è possibile garantire la precisione di formatura e le proprietà meccaniche dei dischi freno.
Utilizzando la tecnologia di stampa 3D come la stampante Eplus3D, gli operatori ferroviari sono in grado di evitare sprechi di materiale e ridurre tempi e costi di produzione. Il foro superficiale del disco freno, in particolare, beneficia della stampa 3D, in quanto è possibile stamparlo direttamente attraverso il design del modello e migliorare completamente la dissipazione del calore del disco freno.
La tecnologia di stampa 3D stampa direttamente lo strato resistente all’usura sulla superficie posteriore in acciaio. Il raggio laser ad alta energia utilizzato nel processo di stampa 3D può reagire completamente e densificare altamente i componenti, in modo che il disco del freno ottenuto abbia proprietà meccaniche e di attrito migliorate.
La stampa 3D può anche ottimizzare i pezzi di ricambio a un costo inferiore e in un tempo più breve. In passato, la produzione di parti personalizzate una tantum era molto costosa, perché era quasi impossibile produrre solo una parte alla volta e i produttori di solito producevano un gran numero di parti contemporaneamente, con conseguente spreco di materiali e un ciclo di produzione di , generalmente, circa due mesi.
Tenendo presente la traiettoria dello sviluppo tecnologico, è chiaro che la stampa 3D svolgerà un ruolo più ampio nel settore ferroviario in un futuro relativamente prossimo.
