Gut getimte Herausforderung

Aug 20, 2023

Punch Torino ist ein Spin-off des Antriebsstrangunternehmens von GM-Fiat und eine führende Forschungs- und Entwicklungseinrichtung für Verbrennungsmotoren und Antriebssysteme. Als Teil der belgischen Punch Group unterstützt das Unternehmen weiterhin GM und eine wachsende Zahl von Herstellern und Startups bei verschiedenen Technologieprojekten, darunter Benzin-, Diesel- und Wasserstoffmotoren.

Punch Torino baut für seine Kunden eine Vielzahl von Prototypmotoren und entwickelt und testet neue Komponenten für bestehende Motorkonstruktionen. Während des Bauprozesses müssen Ingenieure eine Steuerkette installieren, die die Kurbelwelle des Motors mit einem Nockenwellenpaar verbindet. Wenn sie sich drehen, öffnen und schließen Lappen entlang ihrer Länge die Ventile jedes Zylinders, um zum richtigen Zeitpunkt Kraftstoff und Luft in sie einzuströmen.

Beim Spannen des Steuerkettenrades müssen die Nockenwellen vollständig in einer definierten Position gehalten werden, um eine perfekte Synchronisierung der Steuerkette bei laufendem Motor zu gewährleisten. Wenn die Nockenwellen nicht arretiert sind, öffnen und schließen sich die Ventile möglicherweise zur falschen Zeit, wodurch der Motor beschädigt oder zerstört wird.

Um zu verhindern, dass sich die Nockenwellen bewegen, haben die Ingenieure von Punch Torino gabelartige Nockenwellen-Arretierwerkzeuge entwickelt, die aus Markforged Onyx-Filament mit Faserverstärkung bestehen. Die Nockenwellen-Arretierwerkzeuge werden derzeit mit einem Markforged X7 aus Onyx mit Kohlefaserverstärkung hergestellt.

Während des Schraubvorgangs müssen die Werkzeuge einem Drehmoment von bis zu 120 Newtonmetern standhalten und dürfen keinerlei Drehungen zulassen. Valerio Ametrano, leitender Vorproduktionsingenieur bei Punch, schätzt, dass der Druck jedes Exemplars etwa 18 Stunden dauert.

Wenn während dieses kritischen Anzugsvorgangs ein Arretierwerkzeug bricht, führt das auf die Nockenwelle wirkende Drehmoment dazu, dass diese sich aus ihrer Position dreht. Das Team müsste dann die Steuerkette lösen oder entfernen, die Nockenwellen wieder sichern und mit dem Spannvorgang erneut beginnen.

Während der 3D-Druck den ursprünglichen Prozess beschleunigt hat, könnte das Warten auf den 3D-Druck eines neuen Verriegelungswerkzeugs das Team um einen Tag oder länger verzögern, insbesondere wenn dadurch ein Baufenster für einen neuen Motor verpasst wurde.

Während des Motorkonstruktionsprozesses nehmen Ingenieure häufig häufig kleine Designänderungen an Motorkomponenten vor, insbesondere in den frühen Phasen der Motorentwicklung. Jedes Mal muss das Team das Design der Nockenwellen-Arretierwerkzeuge optimieren und neue drucken. Oft testet das Ingenieurteam mehrere Nockenwellenkonstruktionen gleichzeitig. Jedes erfordert ein etwas anderes Werkzeugdesign.

In der Vergangenheit erforderte die Konstruktion von Nockenwellen-Arretierwerkzeugen viel Versuch-und-Irrtum-Arbeit – es gab keine genaue Möglichkeit vorherzusagen, ob ein Werkzeug steif genug und stark genug sein würde, um den auf es ausgeübten Drehmomentbelastungen standzuhalten. Die Ingenieure hatten keine Möglichkeit zu wissen, ob eine Designänderung am Verriegelungswerkzeug dessen strukturelle Integrität beeinträchtigen könnte. Obwohl die FEA-Analyse nicht für 3D-gedruckte Teile konzipiert ist, musste das Team viele Annahmen und Annäherungen annehmen, um Vorrichtungen zu entwerfen, die alle ihre Anforderungen erfüllten Anforderungen.

Das Team von Punch Torino sagt, dass es dieses Problem durch den Einsatz der Simulation von Markforged bewältigen konnte. Vor der Verwendung könnte eine neue Nockenwellenkonfiguration das Drucken und Testen von bis zu acht Vorrichtungsentwürfen erfordern, um die richtige Konfiguration zu erhalten, erinnert sich Ametrano.

Beispielsweise kann eine Änderung der Geometrie oder der Abmessungen (Nocken, Länge, Durchmesser usw.) der Nockenwelle eine etwas andere Gabelform erforderlich machen, um sie an Ort und Stelle zu halten. Allerdings entsprach das überarbeitete Design des Arretierwerkzeugs nicht ganz der Form der Welle und ließ zu viel Nockenwellendrehung zu. Dies könnte dazu führen, dass mehrere Iterationen von Tools gedruckt werden, bis eine funktionierende Konfiguration gefunden wird.

Nachdem sie begonnen hatten, Simulation für Markforged zu verwenden, konnten sie zumindest zunächst die durchschnittliche Anzahl der Design-Iterationen des Sperrwerkzeugs von 8 auf drei reduzieren. Laut Ametrano durchlief das Team, als es zum ersten Mal den Umgang mit dem neuen Simulationstool lernte, einige Versuche, um die Randbedingungen, den Kraftmodul und die Verformung, denen das Verriegelungswerkzeug ausgesetzt war, korrekt zu charakterisieren. Nachdem sie nun diese Daten eingegeben haben, können sie normalerweise ein typisches Schließwerkzeug in einer einzigen Iteration simulieren und drucken, betont er.

Er schätzt, dass Simulation für Markforged dem Team nicht nur durchschnittlich 18 Stunden pro Vorrichtung einspart, sondern auch die Konstruktionszeit, die für die Änderung der Teilekonstruktionen erforderlich ist; Dies wird nun innerhalb der Software verwaltet. Darüber hinaus wird dadurch eine erhebliche Menge an Druckerzeit eingespart, die zuvor für die Erstellung mehrerer Iterationen von Nockenwellen-Arretierwerkzeugen aufgewendet wurde.

Ametrano validiert das Teil zunächst in der Simulation und nutzt dann die Software, um die Druckeinstellungen und die Platzierung der Kohlefaser zu optimieren. Er experimentiert oft mit mehreren Konfigurationen manuell platzierter Fasern und vergleicht die geschätzte Durchbiegung und den Sicherheitsfaktor jeder einzelnen.

Mithilfe der Simulation können die Designer in wenigen Minuten erkennen, wie sich unterschiedliche Faserlayouts auf die Teileleistung auswirken, und so schnell und einfach die leistungsstärkste Konfiguration für den Druck ermitteln.

In den frühen Phasen der Motorentwicklung nehmen Ingenieure manchmal häufige Änderungen an der Nockenwellenkonstruktion vor. Wenn es sich um geringfügige Änderungen handelt, ändert das Team das Design des Nockenwellen-Arretierwerkzeugs unter Beibehaltung des bisherigen Verwendungszwecks Simulation für Markforged, um sicherzustellen, dass es weiterhin die erforderliche Festigkeit aufweist. Wenn Konstrukteure größere Änderungen an den Nockenwellenkonstruktionen vornehmen, muss das Team das Arretierwerkzeug neu entwerfen und die Simulation auf der Grundlage der neuen Konstruktion erneut durchführen.

Beim Motorenbau muss das Team von PUNCH Torino eine große Anzahl an Komponenten und Werkzeugen an einem Ort zusammenstellen, sodass innerhalb eines begrenzten Zeitfensters bis zu 10 davon zusammengebaut werden können. Die Simulation von Markforged trägt dazu bei, dass die Nockenwellen-Arretierwerkzeuge richtig konfiguriert und einsatzbereit sind, wenn sie benötigt werden. Ein schlecht konfiguriertes Werkzeug kann unter Druck kaputt gehen und den Motorbau um einen Tag oder länger verzögern, betont Ametrano.

Punch Torino entwirft und prototypisiert nicht nur Motoren für verschiedene weltweite OEM-Automobilhersteller, sondern verkauft seine 3D-Druck-Expertise nun auch an mehrere Industrie- und Technologiekunden. Ein logischer nächster Schritt besteht darin, Simulation von Markforged zu nutzen, um die Designoptimierung und den Bauprozess für ihre Teile zu rationalisieren und die Dinge genau richtig für die F&E-Experten zu planen.