The use of 3D printing technology in prototypes of selected components for civil and military rail vehicles

• Autorzy: Frankowski Maciej , Cichoński Zbigniew , Stępniewski Łukasz , Sawczuk Wojciech

Warianty tytułu

PL

Zastosowanie technologii druku 3D w prototypach wybranych podzespołów pojazdów szynowych cywilnych i wojskowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article addresses the issue of using Rapid Prototyping (RP) technology in the design and optimization of components of modern rail vehicles, both civilian and military. Contemporary technical requirements and the specificity of the rail transport sector make the implementation of RP technology in this area a significant challenge, while at the same time opening up new design and production possibilities. The literature review revealed a significant research gap regarding the use of RP technology in the context of rail vehicles, which results from high strength requirements, rigorous safety standards, and a limited market of recipients. The research problem focuses on the analysis of the possibilities of use of RP technology on the process of designing, verifying and implementing rail vehicle components, especially in the context of limitations resulting from traditional production methods, such as welding and manual assembly. A significant challenge is to ensure compliance between the 3D model developed in CAD systems and the actual product, which in the case of conventional processes can lead to discrepancies requiring numerous modifications at the production stage. This problem is crucial for the efficiency of designing and implementing new solutions in rail vehicles. The aim of this work is to develop and verify the concept of a roof vent for rail vehicles as a case study confirming the thesis that RP technology significantly accelerates, facilitates, and improves the process of designing and implementing rail vehicle components. The adopted methodology includes qualitative research methods that allowed simultaneous testing of two design variants of the vent owing to the use of a modular component structure. These studies allowed the assessment of the impact of RP technology on the correctness of the design and the compliance of the component with the design assumptions. Furthermore, taking into account the availability of materials that meet the rigorous requirements of the PN-EN 45545 fire protection standard, a new version of the vent was designed, optimized for 3D printing technology. The use of this technology allowed the production of a detail with complex geometry, of which the production would be technologically impossible using conventional methods due to equipment limitations. The results obtained indicate that RP can be an effective tool supporting the design and testing of components in the rail transport industry; however, due to technological limitations, it is not suitable for the production of large-size elements and large-scale serial production.

PL

W niniejszym artykule podjęto zagadnienie zastosowania technologii szybkiego prototypo- wania (Rapid Prototyping, RP) w projektowaniu i optymalizacji komponentów nowoczesnych pojazdów szynowych, zarówno cywilnych, jak i wojskowych. Współczesne wymagania techniczne oraz specyfika sektora transportu szynowego sprawiają, że implementacja technologii RP w tym obszarze stanowi istotne wyzwanie, a jednocześnie otwiera nowe możliwości projektowe i produkcyjne. Przegląd literatury wykazał znaczącą lukę badawczą dotyczącą wykorzystania technologii RP w kontekście pojazdów szynowych, co wynika z wysokich wymagań wytrzymałościowych, rygorystycznych norm bezpieczeństwa oraz ograniczonego rynku odbiorców. Problem badawczy koncentruje się na analizie możliwości wykorzystania technologii RP na proces projektowania, weryfikacji oraz wdrażania komponentów pojazdów szynowych, szczególnie w kontekście ograniczeń wynikających z tradycyjnych metod produkcji, takich jak spawanie i montaż ręczny. Istotnym wyzwaniem jest zapewnienie zgodności między modelem 3D opracowanym w systemach CAD a rzeczywistym produktem, co w przypadku konwencjonalnych procesów może prowadzić do rozbieżności wymagających licznych modyfikacji na etapie produkcji. Problem ten ma kluczowe znaczenie dla efektywności projektowania i wdrażania nowych rozwiązań w pojazdach szynowych. Celem niniejszej pracy jest opracowanie i weryfikacja koncepcji wywietrznika dachowego dla pojazdów szynowych jako studium przypadku potwierdzającego tezę, iż technologia RP znacząco przyspiesza, ułatwia oraz usprawnia proces projektowania i wdrażania komponentów pojazdów szynowych. Przyjęta metodologia obejmuje jakościowe metody badawcze, które pozwoliły na jednoczesne testowanie dwóch wariantów konstrukcyjnych wywietrznika dzięki zastosowaniu modułowej budowy komponentu. Badania te umożliwiły ocenę wpływu technologii RP na poprawność projektu oraz zgodność komponentu z założeniami konstrukcyjnymi. Dodatkowo, uwzględniając dostępność materiałów spełniających rygorystyczne wymogi normy przeciwpożarowej PN-EN 45545, zaprojektowano nową wersję wywietrznika zoptymalizowaną pod kątem technologii druku 3D. Zastosowanie tej technologii pozwoliło na wytworzenie detalu o złożonej geometrii, którego wykonanie metodami konwencjonalnymi byłoby technologicznie niemożliwe ze względu na ograniczenia sprzętowe. Uzyskane wyniki wskazują, że RP może stanowić efektywne narzędzie wspierające projektowanie i testowanie komponentów w branży transportu szynowego, jednak ze względu na ograniczenia technologiczne nie jest odpowiednie do produkcji wielkogabarytowych elementów oraz seryjnej produkcji na dużą skalę.

Słowa kluczowe

EN

Rapid Prototyping; Rail Vehicles; 3D Print; Additive manufacturing; Industry 4.0

PL

Szybkie Prototypowanie; Pojazdy Szynowe; Druk 3D; Wytwarzanie Przyrostowe; Przemysł 4.0

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Systemy Logistyczne Wojsk
• Rocznik: 2024
• Tom: Vol. 61, no. 2
• Strony: 129--146
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Frankowski Maciej

• Doctoral School, Poznan University of Technology, Poland

• https://orcid.org/+0000-0002-7867-2697

autor

Cichoński Zbigniew

• Doctoral School, Poznan University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-8743-0374

autor

Stępniewski Łukasz

• Doctoral School, Poznan University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0001-5889-5992

autor

Sawczuk Wojciech

• Faculty of Civil and Transport Engineering, Poznan University of Technology, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-5049-6644

Bibliografia

• [1] Budzik, G., Budzik, W., Cygnar, M., et al., 2009. Możliwości zastosowania szybkiego prototypowania w procesie projektowania i wytwarzania elementów pojazdów samochodowych, Problemy Eksploatacji, 1.
• [2] Dymyt, M., Wincewicz-Bosy, M., 2023. Civil-military cooperation in the field of additive manufacturing technologies in military Logistics. Military Logistics Systems, 59 (2), DOI: https://doi.org/10.37055/slw/186391.
• [3] Fu, H., Kaewunruen, S., 2022. State of the Art Review on Additive Manufacturing Technology in Railway Infrastructure Systems. J. Compos. Sci., 6 (1), 7, DOI: https://doi.org/10.3390/jcs6010007.
• [4] Hohenwarter, D., Fischer, C., Berger M., 2020. Influence of 3D-Printing on the Flammability Properties of Railway Applications Using Polycarbonate (PC) and Polylactic acid (PLA), Problemy Kolejnictwa, 187, DOI: 10.36137/1874E.
• [5] Jandyal, A., Chaturvedi, I., Wazir, I., et al., 2022. 3D printing – A review of processes, materials and applications in industry 4.0, Sustainable Operations and Computers, 3, DOI: https://doi.org/10.1016/j.susoc.2021.09.004.
• [6] Jurczyk, K., Kutyba, A., 2023. Simulation as a tool for calculating the airports’ runway capacity. Military Logistics Systems, 58 (1), pp.97-110. DOI: https://doi.org/10.37055/slw/176017.
• [7] Karbowniczek, M., 2016. Technologie druku 3D, Elektronika Praktyczna, 6.
• [8] Kumar, S., 2003. Selective Laser Sintering: A Qualitative and Objective Approach, JOM, 55, DOI:https://doi.org/10.1007/s11837-003-0175-y.
• [9] Mazzoli, A., 2013. Selective laser sintering in biomedical engineering, Med Biol Eng Comput, 51 (3), DOI: https://doi.org/10.1007/s11517-012-1001-x.
• [10] Melchels, Ferry, P., W., Feijen, J., Grijpma, Dirk, W., 2010. A review on stereolithography and its applications in biomedical engineering, Biomaterials, 31 (24), DOI: https://doi.org/10.1007/s11517-012-1001-x.
• [11] Muvunzi, R., Mpofu, K., Daniyan, I., et al., 2022. Analysis of potential materials for local production of a rail car component using additive manufacturing, Heliyon, 8 (5), e09405, DOI: 10.1016/j.heliyon.2022.e09405.
• [12] Ngo, Tuan, D., Kashani, A., Imbalzano, G., et al., 2018. Additive manufacturing (3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges, Composites Part B: Engineering, 143, DOI: https://doi.org/10.1007/s11517-012-1001-x.
• [13] Stankiewicz, G., Kocur, R., Kowalski, K., 2023. Additive manufacturing in military using. Military Logistics Systems, 58 (1), DOI: https://doi.org/10.37055/slw/175936.
• [14] Toth, A., D., Padayachee. J., Mahlatji, T., et al., 2022. Report on case studies of additive manufacturing in the South African railway industry, Scientific African, 16, e01219, DOI: https://doi.org/10.1016/j.sciaf.2022.e01219.
• [15] Vyavahare, S., Teraiya, S., Panghal, D., et al., 2020. Fused deposition modelling: a review, Rapid Prototyping Journal, 26 (1), DOI: https://doi.org/10.1007/s11517-012-1001-x.
• [16] Wang, X., Jiang, M., Zhou, Z., et al., 2017. 3D printing of polymer matrix composites: A review and prospective, Composites Part B: Engineering, 110, DOI: https://doi.org/10.1007/s11517-012-1001-x.
• [17] Technologiczne podstawy projektowania, SLA – stereolitografia [online]. Available at: https://tppasp.wordpress.com/2015/05/15/sla-stereolitografia/ [Accessed: 27 May 2024].