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)濟地為一輛老式賽車生產(chǎn)一個新的發(fā)動機水泵外殼，在“Goodwood Festival of Speed”英國古德伍德速度節(jié)上亮相。

解決方案

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

結(jié)果
a. 對水泵外殼進行逆向工程、檢測和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號柴油專用發(fā)動機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顯赫的地位。

1952年的印地500大獎賽上的康明斯柴油特別版

65年后，28號賽車受邀參加英國古德伍德速度節(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�？得魉沟墓こ處焸冊跍蕚�28號賽車時發(fā)現(xiàn)水泵被腐蝕得很厲害，很可能無法修復。如果想讓這輛28號賽車正常行駛到古德伍德，它就需要一個新的水泵。

原始水泵是專為28號賽車特別設(shè)計的，這意味著沒有任何生產(chǎn)配件符合要求。更為復雜的是，他們不得不在幾周內(nèi)裝運28號賽車，這排除了傳統(tǒng)的砂型鑄造方法，不能實行替換零件，因為預計交貨期為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，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，整個過程耗時5周，而不是10周。

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

原水泵出現(xiàn)嚴重點蝕和腐蝕

自1952年這個重要性的比賽后，28號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，為了紀念康明斯50周年慶典，比賽開始前，28號賽車在印地賽道上跑了一圈。28號賽車參與的最后一次比賽是在20世紀90年代末的古德伍德速度節(jié)上。

X15發(fā)動機的設(shè)計和開發(fā)負責人、康明斯老爺車與修復團隊成員Greg Haines說：“當我們準備讓28號賽車在近20年后再次跑起來時，我們注意到水泵上有嚴重的點蝕和腐蝕。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，我們就需要一個新的水泵殼體。

搶先生產(chǎn)新水泵
建造新泵殼的基準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，建造一個單獨的外殼需要大約10周的時間，這就不能參加古德伍德的活動了。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CT掃描儀，因為泵內(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)域顯示嚴重腐蝕

三維檢測
為了在工作繼續(xù)推進之前驗證掃描數(shù)據(jù)的準確性，工程師們將CT掃描儀生成的點云數(shù)據(jù)導入Geomagic Control X 檢測和計量軟件中，他們將泵的內(nèi)部和外部幾何結(jié)構(gòu)分離并對齊。

康明斯公司高級系統(tǒng)設(shè)計CAD模型大師團隊負責人Chris George說：“對于這樣的項目，我們通常會將內(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，并與點云數(shù)據(jù)進行對比，以確保我們所有的工作都是準確的�！�

在Geomagic Control X里檢測水泵

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

當他們對替換件進行三維建模時，考慮到掃描泵的物理損壞，康明斯團隊利用Geomagic Design X 的正逆向功能，做出明智的決定，實現(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作為其點云操作的主要軟件�！癎eomagic軟件為處理和檢測掃描數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為實體模型提供了完整的解決方案，”他說�！拔覀冊谖覀兯�做的每一個逆向工程項目中都使用它們，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告。”

“Geomagic軟件為處理和檢測掃描數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為實體模型提供了完整的解決方案，我們所做的每一個逆向工程項目中都使用它們�！�
——康明斯公司高級系統(tǒng)設(shè)計CAD模型大師團隊負責人Chris George

3D打印
然后，他們將這個文件發(fā)送給3rd Dimension公司，他們對其進行清理、分析，以獲得最佳的打印方向，并為穩(wěn)定的打印設(shè)計支撐。3rd Dimension工程師對部件進行進一步切片和填充設(shè)計，以確定激光在構(gòu)建過程中的運動。

雖然，原始水泵外殼為減輕重量是用鎂制成的，但是鎂在長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重要因素。因此，3rd Dimension公司在ProX DMP 320金屬3D打印機上使用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間內(nèi)完成打印，"3rd Dimension公司總裁Bob Markley說。"ProX DMP 320打印機也不使用粘結(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——因為它就是真正的金屬�？紤]到操作環(huán)境，這對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號賽車在古德伍德讓車迷們激動不已，并被《汽車與駕駛者》雜志評為 "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號柴油專用發(fā)動機特別版賽車

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周年紀念活動一樣，為了紀念康明斯成立100周年，在2019年印地500大獎賽開始前，28號賽車在賽道周圍進行了一圈游行，以此來慶�？得魉钩闪�100周年。