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(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
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�,！�

在Geomagic Control X里檢測水泵

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,�,！癎eomagic軟件為處理和檢測掃描數(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�做的每一個(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�,！�

“Geomagic軟件為處理和檢測掃描數(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�,！�
——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�就是真正的金屬�,？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�100周年,。