PUNCH Torino

PUNCH Torino est un centre européen majeur d'ingénierie et de recherche et développement qui oeuvre pour le développement des systèmes de propulsion et moteurs à combustion interne. Située à Turin, en Italie, l’entreprise débute ses activités en 2005 comme société issue de la cession de GM de la coentreprise fabricante de groupes motopropulseurs Fiat-GM. Sous l’administration de GM, elle passe de 80 à plus de 700 employés de 12 nationalités différentes. En 2020, elle rejoint le Groupe PUNCH originaire de Belgique.

Depuis, elle continue de travailler avec GM et une liste grandissante de fabricants et de start-ups dans le cadre de différents projets technologiques dont des moteurs essence, diesel et hydrogène, des ensembles de générateurs, des transmissions, la fabrication additive et des logiciels de collaboration.

PUNCH Torino fabrique différents prototypes de moteur pour ses clients, développe et teste de nouveaux composants pour les designs de moteur existants. Dans ce processus de fabrication, les ingénieurs doivent mettre en place une chaîne de distribution qui connecte le vilebrequin du moteur à une paire d’arbres à cames. Lorsqu'ils tournent, les lobes ouvrent et ferment les valves de chaque cylindre sur leur longueur pour laisser pénétrer le carburant et l’air au moment opportun.

Lorsque le pignon de la chaîne de distribution est serré, les arbres à cames doivent être complètement à l’arrêt dans une position définie afin d’assurer la synchronisation parfaite du système de distribution quand le moteur tourne. Si les arbres à cames ne sont pas verrouillés à l’arrêt, les valves peuvent s’ouvrir et se fermer au mauvais moment ce qui peut endommager ou détruire le moteur.

Pour empêcher les arbres à cames de bouger, les ingénieurs de PUNCH Torino ont mis au point des outils de verrouillage de l’arbre à cames, type fourche, conçus en Onyx avec un renforcement en fibres. Lors du processus de serrage, les outils doivent supporter une torsion de 120 newton-mètres maximum et ne permettre aucun degré de rotation selon Valerio Ametrano, ingénieur en pré-production senior.

Les outils de verrouillage de l’arbre à cames sont actuellement fabriqués grâce à une X7 de Markforged à l’aide d’Onyx avec renforcement en fibres. Il faut environ 18 heures pour imprimer un outil, estime-t-il.

Si un outil de verrouillage se casse lors de ce processus de serrage critique, la torsion de l’arbre à cames causera une rotation qui le fera sortir de sa position. L’équipe devra alors relâcher ou retirer la chaîne de distribution, sécuriser à nouveau les arbres à cames et recommencer le processus de serrage. Attendre qu'un nouvel outil soit imprimé pourrait retarder l’équipe d’au moins un jour, en particulier si cela lui fait rater la fenêtre de fabrication d’un nouveau moteur.

Lors du processus de conception d’un moteur, les ingénieurs apportent régulièrement de petites modifications de conception aux composants du moteur, surtout pendant les premières étapes du développement du moteur. Chaque fois, l’équipe doit ajuster la conception des outils de verrouillage de l’arbre à cames et en imprimer de nouveaux. L’équipe d’ingénierie doit souvent tester plusieurs conceptions d’arbre à cames en même temps. Chacune d’elle requiert une conception d'outil légèrement différente.

Auparavant, le processus de conception des outils de verrouillage de l’arbre à cames nécessitait énormément de travail de tâtonnement. Il n’existait pas de moyen précis de prédire si un outil serait assez rigide, assez solide pour supporter les charges de torsion qui lui seraient appliquées. Ils n’avaient aucun moyen de savoir si une modification apportée à la conception d'un outil de verrouillage pouvait compromettre son intégrité structurelle. De plus, comme l’analyse FEA n’est pas conçue pour les pièces imprimées en 3D, l’équipe devait faire beaucoup de suppositions et d’approximations pour créer des gabarits qui répondent à toutes ses exigences.

PUNCH Torino a pu bénéficier d’importants gains d’efficacité grâce à la Simulation par Markforged. Avant de l’utiliser, une nouvelle configuration de l’arbre à cames pouvait nécessiter d'imprimer et de tester jusqu’à huit conceptions de gabarit avant que la conception soit parfaite, rappelle Ametrano. Par exemple, une modification de la géométrie et ou des dimensions (lobe, longueur, diamètre, etc.) de l’arbre à cames pouvait nécessiter une forme de fourche légèrement différente pour le tenir en place. Cependant, la conception révisée de l’outil de verrouillage ne correspondait pas à la forme de l’arbre et permettait trop de rotation de l’arbre à cames. L’équipe devait donc souvent imprimer plusieurs versions des outils avant de trouver une configuration qui fonctionne.

Après avoir commencé à utiliser la Simulation par Markforged, ils ont pu réduire de 8 à 3 le nombre moyen de versions de configuration d'outil de verrouillage, au moins au début. Selon Ametrano, lorsque l’équipe apprenait à utiliser le nouvel outil de simulation, elle tâtonnait un peu avant de caractériser correctement les conditions limites, le module de force et la déformation auxquels était exposé l’outil de verrouillage. Maintenant que cette donnée est intégrée, ils peuvent normalement simuler et imprimer un outil de verrouillage habituel en une seule version, souligne-t-il.

Il estime que la Simulation par Markforged a non seulement permis à l’équipe de gagner en moyenne 18 heures par gabarit, mais de plus le temps d'ingénierie requis pour modifier les conceptions de pièces est désormais géré dans le logiciel. En outre, cela libère un temps d'impression considérable, auparavant dédié à la production de plusieurs versions d'outils de verrouillage de l’arbre à cames.

Ametrano valide d’abord la pièce dans la Simulation, puis il utilise le logiciel pour optimiser les paramètres d'impression et le placement de fibres de carbone. Il expérimente souvent plusieurs configurations de fibre placée à la main, en comparant le facteur de déviation et de sécurité de chacune. À l’aide de la Simulation, il peut voir en quelques minutes la façon dont les différentes couches de fibre affectent la performance de la pièce. Cela lui permet d’identifier la configuration la plus performante afin d'imprimer plus vite et plus facilement.

Lors des premières étapes du développement d'un moteur, les ingénieurs apportent parfois des modifications aux conceptions d’arbre à cames. Si les modifications sont mineures, l’équipe modifie la conception de l’outil de verrouillage de l’arbre à cames tout en conservant le cas d’utilisation dans la Simulation par Markforged pour vérifier qu'il aura encore la solidité nécessaire. Si les ingénieurs en conception apportent des modifications majeures aux conceptions de l’arbre à cames, l’équipe doit concevoir à nouveau l’outil de verrouillage et effectuer une nouvelle fois la simulation à partir de la nouvelle conception.

Pour fabriquer un moteur, l’équipe doit rassembler un grand nombre de composants et d'outils pour pouvoir en assembler jusqu’à 8 ou 10 dans une fenêtre temporelle limitée. La Simulation par Markforged permet de s’assurer que les outils de verrouillage de l’arbre à cames soient correctement configurés et prêts à être utilisés lorsqu'ils sont nécessaires. Un outil mal configuré peut casser sous la pression, ce qui retarde la fabrication d'un moteur d’au moins un jour, précise Ametrano.

Outre la conception et le prototypage de moteurs pour différents constructeurs automobiles OEM (Fabricants d’équipement d’origine), PUNCH Torino vend son expertise d'impression 3D à plusieurs clients des secteurs industriel et technologique. L’étape suivante logique est l'utilisation de la Simulation par Markforged pour contribuer à rationaliser l’optimisation de la conception et créer un processus pour les pièces. Étant donné que cet outil est abordable et très puissant, l’équipe PUNCH Torino est convaincue qu'il peut leur permettre de gagner beaucoup de temps et de fournir de meilleures pièces à ses clients.