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康明斯使用金属3D打印使1952年的赛车增速50%

Sirius
2020-09-18 14:32:50

挑战
快速而经济地为一辆老式赛车生产一个新的发动机水泵外壳,在“Goodwood Festival of Speed”英国古德伍德速度节上亮相。

解决方案

· Geomagic® Control X™ 三维检测软件

· Geomagic® Design X™ 逆向工程软件

· CT扫描仪

· ProX® DMP 320 金属打印机

· 3D Systems LaserForm® 316不锈钢材料


结果
a. 对水泵外壳进行逆向工程、检测和3D打印,比传统的砂型铸造方法快50%
b. 3D打印水泵外壳仅需3天
c. 耐腐蚀的LaserForm 316-L不锈钢材料,其性能与普通金属相似
d. 新部件与现有泵部件完美匹配
c. 新泵在古德伍德速度节上表现出色

1952年,康明斯28号柴油专用发动机特别版以历史上最快的单圈速度夺得印第安纳波利斯500英里大奖赛(Indy 500)的杆位,震惊了赛车界。这一壮举,加上赛车的许多其他创新,使它在赛车历史上赢得了一个显赫的地位。

1952年的印地500大奖赛上的康明斯柴油特别版


65年后,28号赛车受邀参加英国古德伍德速度节,与数百辆现代和传统汽车一起参加了传说中的 Goodwood Hillclimb 爬坡赛。康明斯的工程师们在准备28号赛车时发现水泵被腐蚀得很厉害,很可能无法修复。如果想让这辆28号赛车正常行驶到古德伍德,它就需要一个新的水泵。

原始水泵是专为28号赛车特别设计的,这意味着没有任何生产配件符合要求。更为复杂的是,他们不得不在几周内装运28号赛车,这排除了传统的砂型铸造方法,不能实行替换零件,因为预计交货期为10周。然而,康明斯的工程师们转而使用3D Systems公司的ProX DMP 320金属3D打印机,借助专门从事3D直接金属打印的生产商3D Dimension Industrial 3D Printing公司的帮助,采用逆向工程和金属增材制造技术。新水泵只用了三天就3D打印完成了,整个过程耗时5周,而不是10周。

赛车史的第一页
28号赛车是第一辆配备涡轮增压器的印地500赛车,也是第一辆使用风洞设计了更具空气动力学特性车身的赛车。它在排位赛中康明斯Diesel Special以每小时138.010英里的四圈平均成绩夺得杆位并创下单圈记录。

原水泵出现严重点蚀和腐蚀


自1952年这个重要性的比赛后,28号赛车已在印第安纳波利斯汽车高速博物馆和康明斯公司办公楼展出。1969年,为了纪念康明斯50周年庆典,比赛开始前,28号赛车在印地赛道上跑了一圈。28号赛车参与的最后一次比赛是在20世纪90年代末的古德伍德速度节上。

X15发动机的设计和开发负责人、康明斯老爷车与修复团队成员Greg Haines说:“当我们准备让28号赛车在近20年后再次跑起来时,我们注意到水泵上有严重的点蚀和腐蚀。在一些地方,外壳坑坑洼洼,只有覆盖在外壳上的矿质沉淀物才能防止渗漏。如果我们要履行在古德伍德开车的承诺,我们就需要一个新的水泵壳体。

抢先生产新水泵
建造新泵壳的基准方法与制造原泵的方法相同:加工塑料或木模,并用其形成铸造用砂型。如果采用这种方法,建造一个单独的外壳需要大约10周的时间,这就不能参加古德伍德的活动了。新水泵壳的交付周期可以通过3D打印新的铸造原型或甚至3D打印砂型铸造模具而缩短,但最大的生产效率提高来自于完全绕过铸造工艺,在五周内使用逆向工程和3D打印直接生产最终零件,比原生产工艺快50%。

三维扫描
康明斯的工程师们用CT扫描仪扫描旧泵外壳。他们选择了一台CT扫描仪,因为泵内有许多凹槽和其他内部几何形状,而这些都是用激光扫描仪或其他成像工具无法捕捉到的。

康明斯柴油特别版赛车的旧水泵扫描图

较暗区域显示严重腐蚀


三维检测
为了在工作继续推进之前验证扫描数据的准确性,工程师们将CT扫描仪生成的点云数据导入Geomagic Control X 检测和计量软件中,他们将泵的内部和外部几何结构分离并对齐。

康明斯公司高级系统设计CAD模型大师团队负责人Chris George说:“对于这样的项目,我们通常会将内部蜗壳几何结构与主体分离开来,这样我们就可以将其作为核心建模,并与点云数据进行对比,以确保我们所有的工作都是准确的。”

在Geomagic Control X里检测水泵


逆向工程
凭借良好的扫描几何学,康明斯利用 Geomagic Design X 逆向工程软件将点云转换为参数实体模型,并执行CAD建模偏差检查。这些检查有助于康明斯团队确定叶轮和传动轴的正确装配尺寸,以及最终如何将所有部件装配和密封在一起。

当他们对替换件进行三维建模时,考虑到扫描泵的物理损坏,康明斯团队利用Geomagic Design X 的正逆向功能,做出明智的决定,实现最终的功能模型。

在Geomagic Design X 中水泵CAD模型与扫描数据的比较


根据George的说法,康明斯使用Geomagic Control X和Geomagic Design X作为其点云操作的主要软件。“Geomagic软件为处理和检测扫描数据并将其转换为实体模型提供了完整的解决方案,”他说。“我们在我们所做的每一个逆向工程项目中都使用它们,通常需要几何校正、结构和流的有限元分析,以及向工程客户提供从模型到扫描的比较报告。”

“Geomagic软件为处理和检测扫描数据并将其转换为实体模型提供了完整的解决方案,我们所做的每一个逆向工程项目中都使用它们。”
——康明斯公司高级系统设计CAD模型大师团队负责人Chris George

3D打印
然后,他们将这个文件发送给3rd Dimension公司,他们对其进行清理、分析,以获得最佳的打印方向,并为稳定的打印设计支撑。3rd Dimension工程师对部件进行进一步切片和填充设计,以确定激光在构建过程中的运动。

虽然,原始水泵外壳为减轻重量是用镁制成的,但是镁在长期暴露于水和冷却剂后易受腐蚀,这是康明斯试图解决的问题的一个重要因素。因此,3rd Dimension公司在ProX DMP 320金属3D打印机上使用LaserForm 316-L不锈钢材料制造最终部件。

带叶轮组件的新型3D打印水泵


ProX DMP 320打印机的更大打印尺寸使我们能够在零件方向上有一些额外的选择,这有助于我们优化支撑,而打印速度则使我们能够在有限的时间内完成打印,"3rd Dimension公司总裁Bob Markley说。"ProX DMP 320打印机也不使用粘结剂来连接材料,这意味着输出的是一种纯合金,其性能就像真正的金属——因为它就是真正的金属。考虑到操作环境,这对最终部件的性能是有好处的。

在收到水泵几何体的3D文件后仅三天,3rd Dimension公司就给康明斯寄来了完成的水泵外壳。

再度创造赛车历史
外壳与其他泵组件完美匹配,并在超过六次古德伍德爬坡赛中提供了如新的性能。就像在印地赛车上一样,28号赛车在古德伍德让车迷们激动不已,并被《汽车与驾驶者》杂志评为 "2017古德伍德速度节上我们看到的10件最棒的事情之一"。

康明斯28号柴油专用发动机特别版赛车

在2017年古德伍德速度节上精彩亮相


此外,与1969年康明斯50周年纪念活动一样,为了纪念康明斯成立100周年,在2019年印地500大奖赛开始前,28号赛车在赛道周围进行了一圈****,以此来庆祝康明斯成立100周年。

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