시기적절한 도전

Aug 20, 2023

GM-Fiat의 파워트레인 벤처에서 분사한 Punch Torino는 내연 기관 및 추진 시스템을 위한 선도적인 R&D 엔지니어링 시설입니다. 현재 벨기에 펀치 그룹(Punch Group)의 일부인 이 회사는 휘발유, 디젤 및 수소 엔진을 포함한 다양한 기술 프로젝트에서 GM과 점점 늘어나는 제조업체 및 신생 기업을 계속 지원하고 있습니다.

Punch Torino는 고객을 위해 다양한 프로토타입 엔진을 제작하고 기존 엔진 설계를 위한 새로운 구성 요소를 개발 및 테스트합니다. 제작 과정에서 엔지니어는 엔진의 크랭크샤프트를 한 쌍의 캠샤프트에 연결하는 타이밍 체인을 설치해야 합니다. 회전할 때 길이에 따른 돌출부가 각 실린더의 밸브를 열고 닫아 적시에 연료와 공기가 실린더 안으로 유입됩니다.

타이밍 체인 스프로킷이 조여지면 엔진이 작동 중일 때 타이밍 시스템의 완벽한 동기화를 보장하기 위해 캠축이 정의된 위치에 완전히 고정된 상태로 유지되어야 합니다. 캠축이 제자리에 고정되어 있지 않으면 밸브가 잘못된 시간에 열리고 닫혀 엔진이 손상되거나 파손될 수 있습니다.

캠축이 움직이는 것을 방지하기 위해 Punch Torino의 엔지니어는 섬유 강화가 포함된 Markforged Onyx 필라멘트를 사용하여 제작된 포크 모양의 캠축 잠금 도구를 설계했습니다. 캠축 잠금 도구는 현재 탄소 섬유 강화가 적용된 Onyx를 사용하는 Markforged X7을 사용하여 제작되었습니다.

조이는 과정에서 공구는 최대 120뉴턴미터의 토크를 견뎌야 하며 어떤 각도에서도 회전을 허용해서는 안 됩니다. Punch 수석 사전 제작 엔지니어인 Valerio Ametrano는 각 제품을 인쇄하는 데 약 18시간이 걸릴 것으로 추정합니다.

이 중요한 조임 과정에서 잠금 도구가 파손되면 캠축의 토크로 인해 캠축이 제자리에서 회전하게 됩니다. 그런 다음 팀은 타이밍 체인을 풀거나 제거하고 캠축을 다시 고정한 다음 조임 과정을 다시 시작해야 합니다.

3D 프린팅이 원래 프로세스의 속도를 높인 반면, 새로운 잠금 도구가 3D 프린팅될 때까지 기다리면 팀이 하루 이상 지연될 수 있으며, 특히 이로 인해 새 엔진의 빌드 기간을 놓칠 수 있습니다.

엔진 설계 과정에서 엔지니어는 특히 엔진 개발 초기 단계에서 엔진 구성 요소에 대해 빈번하고 작은 설계 변경을 수행하는 경우가 많습니다. 매번 팀에서는 캠축 잠금 도구의 디자인을 수정하고 새 도구를 인쇄해야 합니다. 종종 엔지니어링 팀은 여러 캠축 설계를 동시에 테스트할 수도 있습니다. 각각에는 약간 다른 도구 디자인이 필요합니다.

과거에는 캠축 잠금 도구를 설계하는 과정에서 많은 시행착오 작업이 필요했습니다. 도구가 토크 부하를 견딜 만큼 충분히 견고하고 강한지 예측할 수 있는 정확한 방법이 없었습니다. 엔지니어들은 잠금 도구의 설계 변경으로 인해 구조적 무결성이 손상될 수 있는지 알 수 없었습니다. 반면 FEA 분석은 3D 인쇄 부품용으로 설계되지 않았기 때문에 팀은 모든 요구 사항을 충족하는 설계 지그에 대해 많은 가정과 근사치를 만들어야 했습니다. 요구 사항.

Punch Torino 팀은 Markforged의 시뮬레이션을 사용하여 이 문제를 극복할 수 있었다고 말합니다. Ametrano는 이를 사용하기 전에 새로운 캠축 구성을 올바르게 구성하기 위해 최대 8개의 지그 설계를 인쇄하고 테스트해야 한다고 회상합니다.

예를 들어, 캠축의 형상이나 치수(로브, 길이, 직경 등)가 변경되면 이를 제자리에 고정하기 위해 약간 다른 포크 모양이 필요할 수 있습니다. 그러나 수정된 ​​잠금 도구 디자인은 샤프트의 모양과 완전히 일치하지 않았고 캠샤프트 회전이 너무 많이 허용되었습니다. 이로 인해 작동하는 구성에 도달할 때까지 도구를 여러 번 반복하여 인쇄할 수 있습니다.

Simulation for Markforged를 사용하기 시작한 후 적어도 처음에는 평균 잠금 도구 설계 반복 횟수를 8회에서 3회로 줄일 수 있었습니다. Ametrano에 따르면 팀이 처음으로 새로운 시뮬레이션 도구를 사용하는 방법을 배웠을 때 잠금 도구가 노출된 경계 조건, 힘 계수 및 변형을 올바르게 특성화하기 위해 몇 가지 시행착오를 거쳤습니다. 이제 이 데이터를 입력했으므로 일반적으로 한 번의 반복으로 일반적인 잠금 도구를 시뮬레이션하고 인쇄할 수 있다고 그는 지적합니다.