PUNCH Torino

PUNCH Torino는 내연기관 및 추진 시스템 개발을 위한 유럽의 선도적인 R&D 및 엔지니어링 시설입니다. 이탈리아 토리노에 위치한 이 회사는 2005년 GM이 Fiat-GM 파워트레인 합작회사를 매각하면서 분사한 회사로 운영을 시작했습니다. GM 소유의 이 회사는 80명에서 12개국에서 온 700명 이상의 직원으로 성장했습니다. 2020년에는 벨기에의 PUNCH 그룹에 편입되었습니다.

그 이후로 가솔린, 디젤, 수소 엔진, 발전기 세트, 변속기, 적층 제조, 협업 소프트웨어 등 다양한 기술 프로젝트에서 GM과 점점 더 많은 제조업체 및 스타트업을 지속적으로 지원하고 있습니다.

PUNCH Torino는 고객을 위해 다양한 프로토타입 엔진을 제작하고 기존 엔진 설계를 위한 새로운 구성품을 개발 및 테스트합니다. 제작 과정에서 엔지니어는 엔진의 크랭크 샤프트와 한 쌍의 캠 샤프트를 연결하는 타이밍 체인을 설치해야 합니다. 캠축들이 회전하면, 로브가 길이에 따라 각 실린더의 밸브가 열리고 닫히면서 연료와 공기가 적시에 실린더로 유입됩니다.

타이밍 체인 스프라켓이 조여질 때 엔진이 작동할 때 타이밍 시스템의 완벽한 동기화를 보장하기 위해 캠축은 정해진 위치에 완전히 고정되어 있어야 합니다. 캠축이 제자리에 고정되어 있지 않으면 밸브가 잘못된 타이밍에 열리고 닫혀 엔진이 손상되거나 파손될 수 있습니다.

캠축의 움직임을 방지하기 위해 PUNCH Torino의 엔지니어들은 섬유 보강재가 포함된 Onyx로 제작된 포크와 같은 캠축 잠금 공구를 설계했습니다. 프리 프로덕션 수석 엔지니어인 발레리오 아메트라노에 따르면, 조임 과정에서 공구는 최대 120뉴턴 미터의 토크를 견뎌야 하며, 어떤 각도에서도 회전이 허용되지 않아야 합니다.

캠샤프트 잠금 공구는 현재 탄소 섬유로 보강된 Onyx 재료로 Markforged X7을 사용해 제작하고 있습니다. 한 개당 프린트하는 데 약 18시간이 걸린다고 그는 추정합니다.

이 중요한 조임 과정에서 잠금 공구가 파손되면 캠축에 가해지는 토크로 인해 캠축이 제자리를 벗어나 회전하게 됩니다. 그렇게 되면 다음 팀은 타이밍 체인을 풀거나 제거한 다음 캠축을 다시 고정하고 다시 조이는 과정을 시작해야 합니다. 새 잠금 공구가 프린트될 때까지 기다리다 보면 특히 새 엔진의 빌드 시기를 놓치는 경우 팀 업무가 하루 이상 지연될 수 있습니다.

엔진 설계 과정에서 엔지니어는 특히 엔진 개발 초기 단계에서 엔진 구성품에 대한 작은 설계 변경을 자주 수행합니다. 매번 팀은 캠축 잠금 공구의 디자인을 조정하고 새 공구를 프린트해야 합니다. 엔지니어링 팀은 여러 캠샤프트 설계를 동시에 테스트하는 경우가 많습니다. 각각 약간씩 다른 공구 설계가 필요합니다.

과거에는 캠축 잠금 공구를 설계하는 과정에서 많은 시행착오를 거쳐야 했습니다. 공구에 가해지는 토크 하중을 견딜 수 있을 만큼 충분히 단단하고 튼튼한지 예측할 수 있는 정확한 방법이 없었습니다. 잠금 공구의 설계 변경으로 인해 구조적 무결성이 손상될 수 있는지 알 방법이 없었습니다. 또한 유한요소해석(FEA)은 3D 프린팅 파트를 위해 설계되지 않았기 때문에 팀은 모든 요구 사항을 충족하는 지그를 설계하기 위해 많은 가정과 근사치를 만들어야 했습니다.

PUNCH Torino는 Markforged Simulation을 사용하여 효율성을 크게 높일 수 있었습니다. 아메트라노는 새로운 캠축 구성을 사용하기 전에는 구성을 정확히 맞추기 위해 최대 8개의 지그 디자인을 프린트하고 테스트해야 했다고 회상합니다. 예를 들어, 캠축의 형상이나 치수(로브, 길이, 직경 등)가 변경되면 캠축을 제자리에 고정하기 위해 약간 다른 포크 모양이 필요할 수 있습니다. 하지만 수정된 잠금 공구 디자인은 샤프트의 모양에 맞지 않아 캠 샤프트가 너무 많이 회전할 수 있었습니다. 따라서 팀에서는 제대로 작동하는 구성을 찾을 때까지 공구를 여러 번 반복해서 프린트해야 하는 경우가 많았습니다.

Markforged Simulation을 사용하기 시작한 후, 적어도 처음에는 잠금 공구 설계 반복 횟수를 평균 8회에서 3회로 줄일 수 있었습니다. 아메트라노에 따르면 팀은 새로운 Simulation 툴을 처음 배울 때 잠금 공구가 노출되는 경계 조건, 힘 계수, 변형을 정확하게 특성화하기 위해 몇 가지 시행착오를 겪었다고 합니다. 이제 이 데이터를 입력했으므로 일반적으로 한 번의 반복으로 일반적인 잠금 공구를 시뮬레이션하고 프린트할 수 있다고 말합니다.

Markforged Simulation을 사용하면 지그당 평균 18시간을 절약할 수 있을 뿐만 아니라 파트 설계를 수정하는 데 필요한 엔지니어링 시간도 소프트웨어 내에서 관리할 수 있다고 그는 추정합니다. 또한 이전에는 캠샤프트 잠금 공구를 여러 번 반복해서 제작하는 데 소요되던 프린팅 시간을 크게 절약할 수 있습니다.

아메트라노는 먼저 Simulation에서 파트를 검증한 다음 소프트웨어를 사용하여 프린트 설정과 탄소 섬유의 배치를 최적화합니다. 그는 종종 수동으로 배치한 여러 가지 섬유 구성을 실험하면서 각 섬유의 예상 변위와 안전 계수를 비교합니다. 그는 Simulation을 사용하여 다양한 섬유 레이아웃이 파트 성능에 어떤 영향을 미치는지 몇 분 만에 확인할 수 있습니다. 이를 통해 그는 프린트에 가장 적합한 구성을 빠르고 쉽게 파악할 수 있습니다.

엔진 개발 초기 단계에서 엔지니어는 캠샤프트 설계를 자주 변경하는 경우가 있습니다. 변경 사항이 경미한 경우, 팀은 캠축 잠금 공구의 설계를 수정하는 동시에 Markforged Simulation에서 이전 사용 사례를 유지하여 필요한 강도를 유지할 수 있는지 확인합니다. 설계 엔지니어가 캠축 설계를 크게 변경하면 팀은 잠금 공구를 다시 설계하고 새 설계에 따라 시뮬레이션을 다시 수행해야 합니다.

엔진 빌드를 하려면 PUNCH Torino 팀은 제한된 시간 내에 최대 8~10개의 파트를 조립할 수 있도록 많은 구성품과 공구를 한곳에 모아야 합니다. Markforged Simulation은 캠축 잠금 공구가 올바르게 구성되고 필요할 때 사용할 준비가 되었는지 확인하는 데 도움이 됩니다. 아메트라노는 잘못 구성된 공구는 압력을 받으면 고장이 나서 엔진 제작이 하루 이상 지연될 수 있다고 강조합니다.

전 세계 여러 OEM 자동차 제조업체를 위한 엔진 설계 및 프로토타입 제작 외에도 PUNCH Torino는 여러 산업 및 기술 고객에게 3D 프린팅 전문 지식을 판매하고 있습니다. 논리적인 다음 단계는 Markforged Simulation을 사용하여 파트의 설계 최적화 및 빌드 프로세스를 간소화하는 것입니다. Simulation은 매우 강력하고 저렴하기 때문에 PUNCH Torino 팀은 많은 시간을 절약하고 고객에게 더 나은 파트를 제공하는 데 도움이 된다고 믿습니다.