PUNCH Torino

PUNCH Torino è una struttura di progettazione e R&S leader in Europa, specializzata nello sviluppo di sistemi di propulsione e motori a combustione interna. Con sede a Torino, ha iniziato la sua attività nel 2005, come spin-off della cessione di General Motors, nell'ambito della joint venture Fiat-GM Powertrain. Sotto la proprietà di General Motors, è passata da 80 a oltre 700 dipendenti in 12 Paesi. Nel 2020 è entrata a far parte della belga PUNCH Group.

Da allora, ha continuato a supportare General Motors e un numero sempre più cospicuo di produttori e start-up in diversi progetti tecnologici che includono motori a benzina, diesel e a idrogeno, gruppi elettrogeni, trasmissioni, produzione additiva e software di collaborazione.

PUNCH Torino costruisce per i suoi clienti una varietà di prototipi di motori e si occupa dello sviluppo e collaudo di nuovi componenti per i progetti di motori esistenti. Durante il processo di costruzione, gli ingegneri devono installare una catena di distribuzione che collega l'albero a gomito del motore a una coppia di alberi a camme. Durante la rotazione, i lobi aprono e chiudono le valvole di ciascun cilindro nel senso della lunghezza per far entrare aria e combustibile al momento giusto.

Man mano che il pignone della catena di distribuzione viene serrato, gli alberi a camme devono essere mantenuti completamente fissi in una posizione definita per garantire la perfetta sincronizzazione del sistema di distribuzione quando il motore è in funzione. Se gli alberi a camme non sono bloccati in posizione, le valvole possono aprirsi e chiudersi al momento sbagliato, danneggiando o distruggendo il motore.

Per evitare lo spostamento degli alberi a camme, gli ingegneri di PUNCH Torino hanno progettato degli utensili di bloccaggio per alberi a camme a mo' di forcella, realizzati in Onyx con rinforzo in fibra. Secondo Valerio Ametrano, Senior Pre-production Engineer, durante il processo di serraggio, gli utensili devono sopportare una coppia fino a 120 Newton metri e non devono consentire alcun grado di rotazione.

Attualmente gli utensili di bloccaggio degli alberi a camme sono costruiti utilizzando una stampante Markforged X7 con Onyx e rinforzo in fibra di carbonio. Valerio stima che per stampare ogni utensile siano necessarie circa 18 ore.

Se un utensile di bloccaggio si rompe durante questo processo critico di serraggio, la coppia sull'albero a camme ne provocherà la rotazione fuori posizione. Quando questo accade, il team dovrebbe allentare o rimuovere la catena di distribuzione, rifissare gli alberi a camme e riavviare il processo di serraggio. I tempi di attesa per la stampa di un nuovo strumento di bloccaggio potrebbero rallentare il team di un giorno o più, soprattutto se a causa dell'attesa hanno perso una finestra di stampa per un nuovo motore.

Durante il processo di progettazione del motore, gli ingegneri apportano piccole e frequenti variazioni ai componenti del motore, in particolare durante le fasi iniziali di sviluppo. Ogni volta, il team deve adattare la progettazione degli utensili di bloccaggio degli alberi a camme e stamparne di nuovi. Spesso il team di progettazione può testare più progetti di alberi a camme contemporaneamente. Ognuno di essi richiede una progettazione leggermente diversa.

In passato, il processo di progettazione degli utensili di bloccaggio degli alberi a camme aveva richiesto un enorme lavoro con numerosi tentativi ed errori. Non esisteva un modo accurato per prevedere se un utensile sarebbe stato sufficientemente robusto e rigido da sopportare i carichi di coppia. Non c'era modo di sapere se una modifica progettuale dell'utensile di bloccaggio ne avrebbe compromesso l'integrità strutturale. Inoltre, dal momento che l'analisi FEA non è progettata per le parti stampate in 3D, il team ha dovuto fare molte ipotesi e approssimazioni per progettare maschere in grado di soddisfare tutti i loro requisiti.

PUNCH Torino è stata in grado di conseguire un livello di efficienza superiore grazie al software Simulation di Markforged. In passato, la fase di stampa e test di una nuova configurazione di alberi a camme poteva richiedere fino a otto progetti di maschere prima di riuscire a ottenere una configurazione corretta, continua Valerio. Ad esempio, una modifica alla geometria o alle dimensioni (lobo, lunghezza, diametro, ecc.) dell'albero a camme poteva richiedere una forma della forcella leggermente diversa per mantenere l'albero in posizione. Tuttavia, la progettazione rivista dell'attrezzo di bloccaggio non si conformava alla perfezione alla forma dell'albero e consentiva una sua eccessiva rotazione. Quindi il team ha spesso dovuto stampare più iterazioni degli attrezzi fino a quando non ha trovato la configurazione ideale.

Dopo aver iniziato a utilizzare Simulation di Markforged, il team è riuscito a ridurre il numero medio di iterazioni delle progettazioni degli attrezzi di bloccaggio da otto a tre, almeno all'inizio. Secondo Valerio Ametrano, quando il team ha imparato inizialmente a utilizzare il nuovo strumento di simulazione, ha effettuato una serie di passaggi per caratterizzare correttamente le condizioni limite, il modulo di forza e la deformazione a cui era esposto l'utensile di bloccaggio. Ora che questi dati sono stati perfezionati, il team - in linea generale - è in grado di simulare e stampare un attrezzo di bloccaggio tipico in una sola iterazione, fa notare Valerio.

Stima che Simulation di Markforged non solo abbia fatto risparmiare al team una media di 18 ore per maschera ma anche il tempo di progettazione necessario per modificare i progetti della parti: ora tutto questo viene gestito all'interno del software. Inoltre, consente di dedicare la stampante anche ad altri processi, e non solo alle diverse iterazioni degli attrezzi di bloccaggio degli alberi a camme.

Per prima cosa, Valerio convalida la parte in Simulation; poi utilizza il software per ottimizzare le impostazioni di stampa e il posizionamento della fibra di carbonio. Spesso sperimenta numerose combinazioni di fibra posizionata manualmente, confrontando per ciascuna la flessione e il fattore di sicurezza stimati. Grazie a Simulation, nel giro di pochi minuti può vedere come le diverse disposizioni della fibra influiscono sulle prestazioni del pezzo. Questo gli consente di individuare la configurazione più performante per stampare in modo semplice e rapido.

Durante le prime fasi di sviluppo del motore, gli ingegneri spesso apportano frequenti modifiche ai progetti degli alberi a camme. Se le modifiche sono di lieve entità, il team cambia la progettazione dell'utensile di bloccaggio, mantenendo il precedente caso d'uso in

Simulation di Markforged per poter verificare che l'utensile conservi la resistenza necessaria. Se i progettisti apportano modifiche sostanziali ai progetti degli alberi a camme, il team deve riprogettare l'attrezzo di bloccaggio e rifare la simulazione al computer in base al nuovo progetto.

La realizzazione di motori richiede che il team di PUNCH Torino riunisca in un unico luogo un gran numero di componenti e attrezzature in modo da assemblare fino a otto o dieci di essi entro una finestra temporale limitata. Simulation di Markforged aiuta a garantire che gli utensili di bloccaggio degli alberi a camme siano configurati correttamente e pronti all'uso esattamente quando serve. Un utensile configurato in maniera errata può rompersi sotto pressione, ritardando la produzione di un motore di un giorno o più, sottolinea Valerio.

Oltre a progettare e realizzare prototipi di motori per le diverse case automobilistiche OEM in tutto il mondo, PUNCH Torino vende le sue competenze di stampa 3D a numerosi clienti tecnologici e industriali. Il passo logico successivo è utilizzare Simulation di Markforged per contribuire a semplificare l'ottimizzazione della progettazione e il processo di stampa delle parti. Questo strumento è talmente potente ed accessibile che PUNCH Torino ritiene che gli consentirà di risparmiare molto tempo e offrire ai clienti parti di migliore qualità.