Desafío en el momento oportuno

Aug 20, 2023

Punch Torino, una escisión de la empresa de motores de GM-Fiat, es una instalación líder de ingeniería de I+D para motores de combustión interna y sistemas de propulsión. Ahora parte del Punch Group de Bélgica, la compañía continúa apoyando a GM y a una lista cada vez mayor de fabricantes y nuevas empresas en diversos proyectos tecnológicos que incluyen motores de gasolina, diésel e hidrógeno.

Punch Torino fabrica una variedad de prototipos de motores para sus clientes y desarrolla y prueba nuevos componentes para diseños de motores existentes. Durante el proceso de construcción, los ingenieros deben instalar una cadena de distribución que conecta el cigüeñal del motor a un par de árboles de levas. Cuando giran, los lóbulos a lo largo de su longitud abren y cierran las válvulas de cada cilindro para dejar entrar combustible y aire en el momento adecuado.

A medida que se aprieta el piñón de la cadena de distribución, los árboles de levas deben mantenerse completamente estacionarios en una posición definida 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 lugar, las válvulas pueden abrirse y cerrarse en el momento equivocado, dañando o destruyendo el motor.

Para evitar que los árboles de levas se muevan, los ingenieros de Punch Torino han diseñado herramientas de bloqueo de árboles de levas en forma de horquilla, construidas con filamento Markforged Onyx con refuerzo de fibra. Las herramientas de bloqueo del árbol de levas se construyen actualmente con un Markforged X7 que utiliza Onyx con refuerzo de fibra de carbono.

Durante el proceso de apriete, las herramientas deben soportar un par de hasta 120 Newton metros y no deben permitir ningún grado de rotación. Valerio Ametrano, ingeniero senior de preproducción de Punch, estima que cada uno tarda aproximadamente 18 horas en imprimirse.

Si una herramienta de bloqueo se rompe durante este proceso de apriete crítico, el torque en el árbol de levas hará que gire fuera de su posición. Luego, el equipo tendría que aflojar o quitar la cadena de distribución, volver a asegurar los árboles de levas y comenzar el proceso de ajuste nuevamente.

Si bien la impresión 3D ha acelerado el proceso original, esperar a que se imprima en 3D una nueva herramienta de bloqueo podría retrasar al equipo un día o más, especialmente si les hiciera perder una ventana de construcción para un nuevo motor.

Durante el proceso de diseño del motor, los ingenieros suelen realizar pequeños cambios de diseño frecuentes en los componentes del motor, especialmente durante las primeras etapas de desarrollo del motor. Cada vez, el equipo debe modificar el diseño de las herramientas de bloqueo del árbol de levas e imprimir otras nuevas. A menudo, el equipo de ingeniería puede probar varios diseños de árboles de levas al mismo tiempo. Cada uno requiere un diseño de herramienta ligeramente diferente.

En el pasado, el proceso de diseño de herramientas de bloqueo de árboles de levas requería mucho trabajo de prueba y error; no había una manera precisa de predecir si una herramienta sería lo suficientemente rígida y fuerte para soportar las cargas de torsión que se le aplicaban. Los ingenieros no tenían forma de saber si un cambio de diseño en la herramienta de bloqueo podría comprometer su integridad estructural, aunque el análisis FEA no está diseñado para piezas impresas en 3D, el equipo tuvo que hacer muchas suposiciones y aproximaciones para diseñar plantillas que cumplieran con todos sus requisitos.

El equipo de Punch Torino dice que pudo superar esto mediante el uso de la simulación de Markforged. Antes de usarlo, una nueva configuración de árbol de levas podría requerir imprimir y probar hasta 8 diseños de plantillas para lograr la configuración correcta, recuerda Ametrano.

Por ejemplo, un cambio en la geometría o las dimensiones (lóbulo, longitud, diámetro, etc.) del árbol de levas puede haber requerido una forma de horquilla ligeramente diferente para mantenerlo en su lugar. Sin embargo, el diseño revisado de la herramienta de bloqueo no se ajustaba del todo a la forma del eje y permitía demasiada rotación del árbol de levas. Esto podría resultar en la impresión de múltiples iteraciones de herramientas hasta que llegaran a una configuración que funcionara.

Después de empezar a utilizar la simulación para Markforged, pudieron reducir el número medio de iteraciones de diseño de herramientas de bloqueo de 8 a tres, al menos al principio. Según Ametrano, cuando el equipo aprendía por primera vez a utilizar la nueva herramienta de simulación, realizaron algunas pruebas y errores para caracterizar correctamente las condiciones de contorno, el módulo de fuerza y ​​la deformación a las que estaba expuesta la herramienta de bloqueo. Ahora que tienen estos datos configurados, generalmente pueden simular e imprimir una herramienta de bloqueo típica en una sola iteración, señala.

Estima que la simulación para Markforged no sólo le ahorra al equipo un promedio de 18 horas por plantilla, sino también el tiempo de ingeniería necesario para modificar los diseños de las piezas; esto ahora se gestiona dentro del software. Además, libera una cantidad significativa de tiempo de la impresora que antes se dedicaba a producir múltiples iteraciones de herramientas de bloqueo del árbol de levas.

Ametrano primero valida la pieza en simulación y luego utiliza el software para optimizar la configuración de impresión y la colocación de la fibra de carbono. A menudo experimenta con varias configuraciones de fibra colocada manualmente, comparando la deflexión estimada y el factor de seguridad de cada una.

Al utilizar la simulación, los diseñadores pueden ver en cuestión de minutos cómo los diferentes diseños de fibra impactan el rendimiento de la pieza, lo que ayuda a identificar la configuración de mejor rendimiento para imprimir de forma rápida y sencilla.

Durante las primeras etapas del desarrollo del motor, los ingenieros a veces realizan cambios frecuentes 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 el caso de uso anterior en Simulación para Markforged para verificar que aún tendrá la resistencia requerida. 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 rehacer la simulación basada en el nuevo diseño.

La construcción de motores requiere que el equipo de PUNCH Torino reúna una gran cantidad de componentes y herramientas en un solo lugar para poder ensamblar hasta 10 de ellos en un período de tiempo limitado. La simulación de Markforged ayuda a garantizar que las herramientas de bloqueo del árbol de levas estén configuradas correctamente y listas para usar cuando sean necesarias. Una herramienta mal configurada puede romperse bajo presión, retrasando la construcción del motor por un día o más, enfatiza Ametrano.

Además de diseñar y crear prototipos de motores para diferentes fabricantes de automóviles OEM de todo el mundo, Punch Torino ahora vende su experiencia en impresión 3D a varios clientes industriales y tecnológicos. El siguiente paso lógico es utilizar la simulación de Markforged para ayudar a agilizar la optimización del diseño y el proceso de construcción de sus piezas, programando las cosas en el momento adecuado para los expertos en I+D.