PUNCH Torino

PUNCH Torino ist ein führendes europäisches Unternehmen in der Forschung und Entwicklung von Verbrennungsmotoren und Antriebssystemen. Das in Turin ansässige Unternehmen begann seine Tätigkeit im Jahr 2005 im Rahmen der Veräußerung des Joint Venture zwischen Fiat und GM durch GM im Bereich Antriebssysteme. Während das Unternehmen im Besitz von GM war, wuchs das Unternehmen von 80 auf über 700 Mitarbeiter aus 12 Nationen. Im Jahr 2020 wurde es ein Teil der belgischen PUNCH Group.

Seitdem unterstützt das Unternehmen GM und eine wachsende Zahl von Herstellern und Startups bei verschiedenen Technologieprojekten, etwa in den Bereichen Benzin-, Diesel- und Wasserstoffmotoren, Stromaggregate, Getriebe, Additive Fertigung und Groupware.

PUNCH Torino baut eine Reihe von Motorprototypen für seine Kunden und entwickelt und testet neue Komponenten für existierende Motormodelle. Während des Bauprozesses müssen die Ingenieure eine Steuerkette montieren, die die Kurbelwelle des Motors mit zwei Nockenwellen verbindet. Beim Drehen öffnen und schließen die Nocken entlang ihrer Länge die Ventile jeden Zylinders, um Kraftstoff und Luft zum korrekten Zeitpunkt hineinzulassen.

Beim Spannen des Steuerkettenrads müssen die Nockenwellen in einer definierten Position vollständig stillstehen, um eine perfekte Synchronisierung des Steuerungssystems bei laufendem Motor zu gewährleisten. Wenn die Nockenwellen nicht korrekt einrasten, können sich die Ventile zum falschen Zeitpunkt öffnen und schließen und den Motor beschädigen oder zerstören.

Um ein Verschieben der Nockenwellen zu verhindern, haben die Ingenieure von PUNCH Torino ein gabelartiges Verriegelungswerkzeug für die Nockenwelle aus Onyx mit Endlosfaserverstärkung entwickelt. Während des Spannens müssen die Werkzeuge einem Drehmoment von bis zu 120 Newtonmetern standhalten und dürfen keine Drehung zulassen, erklärt Valerio Ametrano, der leitende Ingenieur für die Produktionsvorbereitung.

Diese Verriegelungswerkzeuge für die Nockenwelle werden zurzeit mit dem Drucker Markforged X7 aus Onyx mit Carbonfaserverstärkung hergestellt. Er schätzt, dass der Druck jedes Werkzeugs ungefähr 18 Stunden dauert.

Wenn ein Verriegelungswerkzeug während des kritischen Spannprozesses bricht, führt das auf die Nockenwelle wirkende Drehmoment dazu, dass sie sich aus der Position dreht. Wenn das geschieht, muss die Steuerkette gelockert oder entfernt, die Nockenwellen wieder befestigt und der Spannvorgang erneut gestartet werden. Muss gewartet werden, bis das neue Verriegelungswerkzeug gedruckt ist, kann dies eine Verzögerung von einem Tag oder mehr bedeuten, vor allem dann, wenn dabei ein Zeitfenster für den Bau eines neuen Motors verpasst wird.

Während der Entwicklung eines Motors nehmen die Ingenieure häufig kleine Konstruktionsänderungen an Motorkomponenten vor, insbesondere in den frühen Entwicklungsphasen. Das Team muss dann das Design des Verriegelungswerkzeugs für die Nockenwellen überarbeiten und neu drucken. Häufig testen die Ingenieure mehrere Designs für Nockenwellen gleichzeitig. Für jede Nockenwelle ist dabei auch ein etwas anderes Werkzeugdesign erforderlich.

In der Vergangenheit war der Entwicklungsprozess des Verriegelungswerkzeugs für die Nockenwelle mit vielen Versuchen und Fehlern verbunden. Es gab keine genaue Methode, um vorherzusagen, ob ein Werkzeug steif und stark genug sein würde, um dem Drehmoment, mit dem es belastet wird, standzuhalten. Es war unmöglich, zu wissen, ob sich eine Änderung des Designs des Verriegelungswerkzeugs auf dessen strukturelle Integrität auswirken würde. Da die Finite Element Analyse nicht auf Teile aus dem 3D-Druck ausgelegt ist, musste das Team viele Annahmen und Annäherungen machen, um Vorrichtungen zu entwerfen, die alle Anforderungen erfüllen.

Durch den Einsatz der Simulation von Markforged war PUNCH Torino in der Lage, effizienter zu arbeiten. Vor der Nutzung dieser Funktion mussten für eine neue Konfiguration einer Nockenwelle bis zu acht Vorrichtungen entworfen, gedruckt und getestet werden, um die korrekte Konfiguration zu erzielen, sagt Ametrano. Eine Änderung der Geometrie oder der Abmessungen (Nocken, Länge, Durchmesser usw.) der Nockenwelle konnte beispielsweise eine geringfügig Änderung der Gabelform erfordern, um sie in ihrer Position zu halten. Das überarbeitete Design des Verriegelungswerkzeugs passt sich jedoch nicht ganz an die Form der Welle an und ließ eine zu große Drehung der Nockenwelle zu. So musste das Team häufig zahlreiche Versionen eines Werkzeugs drucken, bis die passende Konfiguration gefunden war.

Nachdem die Arbeit mit der Simulation von Markforged begonnen hatte, konnte die Anzahl der durchschnittlichen Wiederholungen des Verriegelungswerkzeugs zumindest zu Beginn von acht auf drei verringert werden. Laut Ametrano musste das Team beim Erlernen des neuen Simulationswerkzeugs einige Versuche und Fehler durchlaufen, bis die Grenzbedingungen, die Kraftmenge und die Verformung, denen das Verriegelungswerkzeug ausgesetzt war, korrekt festgelegt werden konnte. Da diese Daten nun erfasst sind, kann ein normales Verriegelungswerkzeug in der Regel in einer einzigen Iteration simuliert und gedruckt werden, erklärt er.

Er schätzt, dass das Team mit der Simulation von Markforged im Durchschnitt 18 Stunden pro Vorrichtung einspart und die Entwicklungszeit für die Änderung der Teilekonstruktionen ebenfalls verkürzt, da dies ebenfalls in der Software ausgeführt wird. Darüber hinaus verringert sich die Belegung des Druckers erheblich, der zuvor für die zahlreichen Iterationen des Verriegelungswerkzeug für die Nockenwelle verwendet wurde.

Ametrano validiert ein Teil zunächst in der Simulation und verwendet dann die Software, um die Druckeinstellungen und die Position der Carbonfaser zu optimieren. Er experimentiert häufig mit verschiedenen Konfigurationen mit manuell platzierter Faser und vergleicht dann die geschätzte Durchbiegung und den Sicherheitsfaktor jeder Konfiguration. Mit der Simulation kann er in Minuten erkennen, wie die verschiedenen Faseranordnungen sich auf die Leistung des Teils auswirken. So kann er schnell und einfach die leistungsfähigste Konfiguration für den Druck finden.

In den ersten Phasen der Motorentwicklung führen Ingenieure häufig Änderungen am Design der Nockenwelle durch. Wenn es sich um kleinere Änderungen handelt, ändert das Team das Design des Verriegelungswerkzeugs für die Nockenwelle und behält dabei den vorherigen Anwendungsfall in der Simulation von Markforged bei, um zu überprüfen, ob das Werkzeug noch immer die erforderliche Festigkeit aufweist. Wenn Entwicklungsingenieure größere Änderungen am Design der Nockenwelle vornehmen, muss das Team das Verriegelungswerkzeug neu entwerfen und die Simulation basierend auf dem neuen Design erneut durchführen.

Für den Bau von Motoren muss das Team von PUNCH Torino eine große Anzahl von Komponenten und Werkzeugen an einem Ort vorrätig haben, damit sie acht bis zehn davon innerhalb eines begrenzten Zeitfensters zusammenbauen können. Die Simulation von Markforged stellt sicher, dass die Verriegelungswerkzeuge für die Nockenwelle korrekt konfiguriert werden und verwendbar sind, wenn sie benötigt werden. Ein schlecht konfiguriertes Werkzeug kann unter Druck brechen und so den Zusammenbau des Motors um einen Tag oder länger verzögern, erklärt Ametrano.

PUNCH Torino entwirft Motoren und stellt Prototypen für verschiedene Erstausrüster in der Automobilindustrie her. Daneben verkauft das Unternehmen sein Fachwissen im 3D-Druck an verschiedene Industrie- und Technologiekunden. Der nächste logische Schritt ist die Verwendung der Simulation von Markforged zur Optimierung des Designs und der Herstellungsprozesse der Teile dieser Kunden. Da dieses Werkzeug so leistungsfähig und gleichzeitig so erschwinglich ist, ist das Team von PUNCH Torino überzeugt, dass es Kunden viel Zeit sparen kann und zur Herstellung besserer Teile beiträgt.