康明斯使用Geomagic軟件和金屬3D打印使1952年的賽車增速50%

來源： 3DSystems

挑戰(zhàn)
快速而經(jīng)濟(jì)地為一輛老式賽車生產(chǎn)一個(gè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)水泵外殼，在“Goodwood Festival of Speed”英國(guó)古德伍德速度節(jié)上亮相。

解決方案

• Geomagic® Control X™ 三維檢測(cè)軟件
• Geomagic® Design X™ 逆向工程軟件
• CT掃描儀
• ProX® DMP 320 金屬打印機(jī)
• 3D Systems LaserForm® 316不銹鋼材料
  

結(jié)果
a. 對(duì)水泵外殼進(jìn)行逆向工程、檢測(cè)和3D打印，比傳統(tǒng)的砂型鑄造方法快50%
b. 3D打印水泵外殼僅需3天
c. 耐腐蝕的LaserForm 316-L不銹鋼材料，其性能與普通金屬相似
d. 新部件與現(xiàn)有泵部件完美匹配
c. 新泵在古德伍德速度節(jié)上表現(xiàn)出色

1952年，康明斯28號(hào)柴油專用發(fā)動(dòng)機(jī)特別版以歷史上最快的單圈速度奪得印第安納波利斯500英里大獎(jiǎng)賽（Indy 500）的桿位，震驚了賽車界。這一壯舉，加上賽車的許多其他創(chuàng)新，使它在賽車歷史上贏得了一個(gè)顯赫的地位。

1952年的印地500大獎(jiǎng)賽上的康明斯柴油特別版

65年后，28號(hào)賽車受邀參加英國(guó)古德伍德速度節(jié)，與數(shù)百輛現(xiàn)代和傳統(tǒng)汽車一起參加了傳說中的 Goodwood Hillclimb 爬坡賽?？得魉沟墓こ處焸?cè)跍?zhǔn)備28號(hào)賽車時(shí)發(fā)現(xiàn)水泵被腐蝕得很厲害，很可能無法修復(fù)。如果想讓這輛28號(hào)賽車正常行駛到古德伍德，它就需要一個(gè)新的水泵。

原始水泵是專為28號(hào)賽車特別設(shè)計(jì)的，這意味著沒有任何生產(chǎn)配件符合要求。更為復(fù)雜的是，他們不得不在幾周內(nèi)裝運(yùn)28號(hào)賽車，這排除了傳統(tǒng)的砂型鑄造方法，不能實(shí)行替換零件，因?yàn)轭A(yù)計(jì)交貨期為10周。然而，康明斯的工程師們轉(zhuǎn)而使用3D Systems公司的ProX DMP 320金屬3D打印機(jī)，借助專門從事3D直接金屬打印的生產(chǎn)商3D Dimension Industrial 3D Printing公司的幫助，采用逆向工程和金屬增材制造技術(shù)。新水泵只用了三天就3D打印完成了，整個(gè)過程耗時(shí)5周，而不是10周。

賽車史的第一頁
28號(hào)賽車是第一輛配備渦輪增壓器的印地500賽車，也是第一輛使用風(fēng)洞設(shè)計(jì)了更具空氣動(dòng)力學(xué)特性車身的賽車。它在排位賽中康明斯Diesel Special以每小時(shí)138.010英里的四圈平均成績(jī)奪得桿位并創(chuàng)下單圈記錄。

原水泵出現(xiàn)嚴(yán)重點(diǎn)蝕和腐蝕

自1952年這個(gè)重要性的比賽后，28號(hào)賽車已在印第安納波利斯汽車高速博物館和康明斯公司辦公樓展出。1969年，為了紀(jì)念康明斯50周年慶典，比賽開始前，28號(hào)賽車在印地賽道上跑了一圈。28號(hào)賽車參與的最后一次比賽是在20世紀(jì)90年代末的古德伍德速度節(jié)上。

X15發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)負(fù)責(zé)人、康明斯老爺車與修復(fù)團(tuán)隊(duì)成員Greg Haines說：“當(dāng)我們準(zhǔn)備讓28號(hào)賽車在近20年后再次跑起來時(shí)，我們注意到水泵上有嚴(yán)重的點(diǎn)蝕和腐蝕。在一些地方，外殼坑坑洼洼，只有覆蓋在外殼上的礦質(zhì)沉淀物才能防止?jié)B漏。如果我們要履行在古德伍德開車的承諾，我們就需要一個(gè)新的水泵殼體。

搶先生產(chǎn)新水泵
建造新泵殼的基準(zhǔn)方法與制造原泵的方法相同：加工塑料或木模，并用其形成鑄造用砂型。如果采用這種方法，建造一個(gè)單獨(dú)的外殼需要大約10周的時(shí)間，這就不能參加古德伍德的活動(dòng)了。新水泵殼的交付周期可以通過3D打印新的鑄造原型或甚至3D打印砂型鑄造模具而縮短，但最大的生產(chǎn)效率提高來自于完全繞過鑄造工藝，在五周內(nèi)使用逆向工程和3D打印直接生產(chǎn)最終零件，比原生產(chǎn)工藝快50%。

三維掃描
康明斯的工程師們用CT掃描儀掃描舊泵外殼。他們選擇了一臺(tái)CT掃描儀，因?yàn)楸脙?nèi)有許多凹槽和其他內(nèi)部幾何形狀，而這些都是用激光掃描儀或其他成像工具無法捕捉到的。

康明斯柴油特別版賽車的舊水泵掃描圖

較暗區(qū)域顯示嚴(yán)重腐蝕

三維檢測(cè)
為了在工作繼續(xù)推進(jìn)之前驗(yàn)證掃描數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，工程師們將CT掃描儀生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Geomagic Control X 檢測(cè)和計(jì)量軟件中，他們將泵的內(nèi)部和外部幾何結(jié)構(gòu)分離并對(duì)齊。

康明斯公司高級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD模型大師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Chris George說：“對(duì)于這樣的項(xiàng)目，我們通常會(huì)將內(nèi)部蝸殼幾何結(jié)構(gòu)與主體分離開來，這樣我們就可以將其作為核心建模，并與點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以確保我們所有的工作都是準(zhǔn)確的?！?br />

在Geomagic Control X里檢測(cè)水泵

逆向工程
憑借良好的掃描幾何學(xué)，康明斯利用 Geomagic Design X 逆向工程軟件將點(diǎn)云轉(zhuǎn)換為參數(shù)實(shí)體模型，并執(zhí)行CAD建模偏差檢查。這些檢查有助于康明斯團(tuán)隊(duì)確定葉輪和傳動(dòng)軸的正確裝配尺寸，以及最終如何將所有部件裝配和密封在一起。

當(dāng)他們對(duì)替換件進(jìn)行三維建模時(shí)，考慮到掃描泵的物理損壞，康明斯團(tuán)隊(duì)利用Geomagic Design X 的正逆向功能，做出明智的決定，實(shí)現(xiàn)最終的功能模型。

在Geomagic Design X 中水泵CAD模型與掃描數(shù)據(jù)的比較

根據(jù)George的說法，康明斯使用Geomagic Control X和Geomagic Design X作為其點(diǎn)云操作的主要軟件。“Geomagic軟件為處理和檢測(cè)掃描數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型提供了完整的解決方案，”他說?！拔覀?cè)谖覀兯龅拿恳粋€(gè)逆向工程項(xiàng)目中都使用它們，通常需要幾何校正、結(jié)構(gòu)和流的有限元分析，以及向工程客戶提供從模型到掃描的比較報(bào)告?！?br />
“Geomagic軟件為處理和檢測(cè)掃描數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型提供了完整的解決方案，我們所做的每一個(gè)逆向工程項(xiàng)目中都使用它們?！?br /> ——康明斯公司高級(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)CAD模型大師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人Chris George

3D打印
然后，他們將這個(gè)文件發(fā)送給3rd Dimension公司，他們對(duì)其進(jìn)行清理、分析，以獲得最佳的打印方向，并為穩(wěn)定的打印設(shè)計(jì)支撐。3rd Dimension工程師對(duì)部件進(jìn)行進(jìn)一步切片和填充設(shè)計(jì)，以確定激光在構(gòu)建過程中的運(yùn)動(dòng)。

雖然，原始水泵外殼為減輕重量是用鎂制成的，但是鎂在長(zhǎng)期暴露于水和冷卻劑后易受腐蝕，這是康明斯試圖解決的問題的一個(gè)重要因素。因此，3rd Dimension公司在ProX DMP 320金屬3D打印機(jī)上使用LaserForm 316-L不銹鋼材料制造最終部件。

帶葉輪組件的新型3D打印水泵

ProX DMP 320打印機(jī)的更大打印尺寸使我們能夠在零件方向上有一些額外的選擇，這有助于我們優(yōu)化支撐，而打印速度則使我們能夠在有限的時(shí)間內(nèi)完成打印，"3rd Dimension公司總裁Bob Markley說。"ProX DMP 320打印機(jī)也不使用粘結(jié)劑來連接材料，這意味著輸出的是一種純合金，其性能就像真正的金屬——因?yàn)樗褪钦嬲慕饘佟？紤]到操作環(huán)境，這對(duì)最終部件的性能是有好處的。

在收到水泵幾何體的3D文件后僅三天，3rd Dimension公司就給康明斯寄來了完成的水泵外殼。

再度創(chuàng)造賽車歷史
外殼與其他泵組件完美匹配，并在超過六次古德伍德爬坡賽中提供了如新的性能。就像在印地賽車上一樣，28號(hào)賽車在古德伍德讓車迷們激動(dòng)不已，并被《汽車與駕駛者》雜志評(píng)為 "2017古德伍德速度節(jié)上我們看到的10件最棒的事情之一"。

康明斯28號(hào)柴油專用發(fā)動(dòng)機(jī)特別版賽車

在2017年古德伍德速度節(jié)上精彩亮相

此外，與1969年康明斯50周年紀(jì)念活動(dòng)一樣，為了紀(jì)念康明斯成立100周年，在2019年印地500大獎(jiǎng)賽開始前，28號(hào)賽車在賽道周圍進(jìn)行了一圈游行，以此來慶?？得魉钩闪?00周年。