PUNCH Torino

PUNCH Torino es uno de los principales centros europeos de I+D e ingeniería para el desarrollo de motores de combustión interna y sistemas de propulsión. Situado en Turín (Italia), empezó su andadura en 2005 tras la escisión de GM de la sociedad conjunta de Fiat-GM Powertrain. Bajo la propiedad de GM, pasó de 80 a más de 700 empleados en 12 países. En 2020, pasó a formar parte del grupo belga PUNCH.

Desde ese momento, ha seguido dando servicio a GM y a una creciente lista de fabricantes y empresas emergentes en diferentes proyectos tecnológicos que incluyen motores de gasolina, diésel e hidrógeno, grupos electrógenos, transmisiones, fabricación aditiva y software colaborativo.

PUNCH Torino construye diversos prototipos de motores para sus clientes, además de desarrollar y probar nuevos componentes para diseños de motores ya existentes. Durante el proceso de fabricación, los ingenieros deben instalar una cadena de distribución que conecta el cigüeñal del motor a un par de árboles de levas. Cuando giran, las levas situadas a lo largo de su longitud abren y cierran las válvulas de cada cilindro para dejar entrar el combustible y el aire en el momento adecuado.

Al apretar el piñón de la cadena de distribución, los árboles de levas deben mantenerse completamente inmóviles en una posición concreta para garantizar la perfecta sincronización del sistema de distribución cuando el motor está en marcha. Si los árboles de levas no están bloqueados en su sitio, las válvulas se pueden abrir y cerrar cuando no toca, lo que puede dañar o destruir el motor.

Para evitar que los árboles de levas se muevan, los ingenieros de PUNCH Torino han diseñado herramientas de bloqueo en forma de horquilla, fabricadas en Onyx con refuerzo de fibra. Durante el proceso de apriete, las herramientas deben soportar hasta 120 newtons metro y no deben permitir ningún grado de rotación, según Valerio Ametrano, ingeniero jefe de preproducción.

Las herramientas de bloqueo del árbol de levas se fabrican con una impresora X7 de Markforged y filamento Onyx con refuerzo de fibra de carbono. Según los cálculos de Ametrano, cada pieza tarda unas 18 horas en imprimirse.

Si una herramienta de bloqueo se rompe durante este proceso de apriete clave, el par sobre el árbol de levas hará que gire y cambie de posición. En ese caso, el equipo tendría que aflojar o quitar la cadena de distribución, volver a fijar los árboles de levas y comenzar de nuevo el proceso de apriete. Si hay que esperar a que se imprima una nueva herramienta de bloqueo, se podría retrasar el trabajo del equipo un día o más, sobre todo si eso les hace perder la ventana de oportunidad para fabricar un nuevo motor.

Durante el proceso de diseño del motor, los ingenieros suelen realizar numerosos retoques en el diseño de los componentes, especialmente en las primeras fases de desarrollo. Cada vez, el equipo debe modificar el diseño de las herramientas de bloqueo del árbol de levas e imprimirlas de nuevo. En muchas ocasiones, el equipo de ingenieros puede probar varios diseños de árbol de levas a la vez. Para cada uno se necesita una herramienta ligeramente distinta.

Antes, el diseño de las herramientas de bloqueo del árbol de levas conllevaba un laborioso proceso de prueba y error. No se podía predecir con exactitud si una herramienta sería lo suficientemente rígida y resistente para soportar el par que se le aplicaba. No tenían forma de saber si un cambio en el diseño de la herramienta de bloqueo podría comprometer la integridad estructural. Además, como el análisis de elementos finitos no está diseñado para piezas impresas en 3D, el equipo tuvo que realizar muchas suposiciones y aproximaciones para diseñar plantillas que cumplieran todos los requisitos.

A través de Simulación de Markforged, PUNCH Torino obtuvo mejoras importantes en la eficiencia. Antes de utilizar este software, para obtener una nueva configuración del árbol de levas con la exactitud necesaria se tenían que imprimir y probar hasta ocho diseños de plantilla, recuerda Ametrano. Por ejemplo, al realizar un cambio en la geometría o las dimensiones (leva, longitud, diámetro, etc.) del árbol de levas, se necesitaba modificar ligeramente la forma de horquilla para mantenerla en su sitio. Pero el diseño revisado de la herramienta de bloqueo no se ajustaba del todo a la forma del eje y provocaba que la rotación del árbol de levas fuera demasiado elevada. Por ello, el equipo tuvo que imprimir varias iteraciones de herramientas hasta dar con una configuración que funcionara correctamente.

Después de empezar a utilizar Simulación de Markforged, se redujo de ocho a tres (al menos en un principio) el número medio de iteraciones de diseño de las herramientas de bloqueo. Según Ametrano, cuando el equipo estaba aprendiendo a utilizar la nueva herramienta de simulación, pasaron por un proceso de prueba y error para definir correctamente las condiciones de contorno, el módulo de fuerza y la deformación a la que estaba expuesta la herramienta de bloqueo. Ahora que estos datos ya están configurados, normalmente pueden simular e imprimir una herramienta de bloqueo estándar con una sola iteración, señala.

Ametrano calcula que Simulación de Markforged no solo ahorra al equipo una media de 18 horas por plantilla, sino también el tiempo de ingeniería necesario para modificar los diseños de las piezas, al realizarse dentro del software. Además, ahorra una cantidad importante de tiempo de impresión que antes se dedicaba a producir diferentes iteraciones de las herramientas de bloqueo del árbol de levas.

Ametrano valida primero la pieza en Simulación y luego optimiza los ajustes de impresión y la colocación de la fibra de carbono mediante el software. Con frecuencia, prueba varias configuraciones de fibra colocada manualmente y compara la deflexión estimada y el factor de seguridad de cada una. Gracias a Simulación, puede ver en cuestión de minutos cómo las distintas disposiciones de las fibras repercuten en el rendimiento de la pieza. Esto le permite identificar la configuración que ofrece un mayor rendimiento para imprimir las piezas de forma rápida y fácil. Durante las primeras fases del desarrollo de un motor, los ingenieros realizan numerosos retoques en los diseños de los árboles de levas.

Si los cambios son menores, el equipo modifica el diseño de la herramienta de bloqueo del árbol de levas, manteniendo la misma configuración en Simulación de Markforged para comprobar si seguirá teniendo la resistencia necesaria. Si los ingenieros de diseño realizan cambios importantes en los diseños de los árboles de levas, el equipo debe rediseñar la herramienta de bloqueo y volver a ejecutar la simulación a partir del nuevo diseño.

En la fase de construcción de los motores, el equipo de PUNCH Torino debe reunir un gran número de componentes y herramientas en un mismo lugar para poder montar hasta ocho o diez de ellos en un plazo de tiempo limitado. Con el software Simulación de Markforged se garantiza que las herramientas de bloqueo del árbol de levas estén correctamente configuradas y listas para usar cuando se necesiten. Una herramienta mal configurada puede romperse bajo presión, retrasando el periodo de construcción de un motor un día o más, subraya Ametrano.

Además de diseñar y crear prototipos de motores para diferentes fabricantes de automóviles OEM de todo el mundo, PUNCH Torino ofrece su experiencia en impresión 3D a varios clientes industriales y tecnológicos. Un siguiente paso lógico es utilizar Simulación de Markforged para ayudar a optimizar el diseño y el proceso de fabricación de sus piezas. Como esta herramienta es tan potente y asequible, el equipo de PUNCH Torino cree que puede ahorrarles mucho tiempo y ayudarles a entregar mejores piezas a sus clientes.