도전 과제

PUNCH Torino는 고객을 위해 다양한 프로토 타입 엔진을 제작하며 기존 엔진 설계에 대한 새로운 구성 요소를 개발하고 테스트합니다. 빌드 프로세스 중에 엔지니어는 엔진의 크랭크샤프트와 캠샤프트 쌍을 연결하는 타이밍 체인을 설치해야 합니다. 회전할 때, 그 길이에 따른 롭들은 각 실린더의 밸브를 올바른 시간에 열고 닫아 연료와 공기를 들어가게 합니다.

타이밍 체인 스프라켓이 조여질 때, 캠샤프트는 엔진이 작동할 때 타이밍 시스템의 완벽한 동기화를 보장하기 위해 완전히 정지된 상태여야 합니다. 캠샤프트가 고정되지 않으면 밸브가 잘못된 시간에 열리고 닫힐 수 있으며 엔진을 손상시키거나 파괴시킬 수 있습니다.

캠샤프트가 움직임을 방지하기 위해 PUNCH Torino의 엔지니어는 온릭스와 섬유 보강으로 제작된 포크 모양의 캠샤프트 잠금 도구를 설계했습니다. 조여지는 과정 동안, 이 도구는 120-뉴턴 미터까지의 토크를 견딜 수 있어야 하며 발리리오 아메트라노, 선임 생산 전문 엔지니어에 따르면 어떤 회전도 허용해서는 안 됩니다.

캠샤프트 잠금 도구는 현재 Onyx와 탄소 섬유 보강을 사용하여 Markforged X7을 사용하여 제작됩니다. 그에 따르면 각 도구는 약 18시간 정도 소요된다고 추정합니다.

이 중요한 조여지는 프로세스 중에 잠금 도구가 파괴되면 캠샤프트에 가해지는 토크로 인해 위치가 회전됩니다. 그런 다음 팀은 타이밍 체인을 풀거나 제거하고 캠샤프트를 다시 고정한 다음 조여지는 프로세스를 다시 시작해야 합니다. 새로운 잠금 도구를 프린트하기 위해 기다리는 것은 팀을 하루 이상 지연시킬 수 있으며 특히 새 엔진의 빌드 창을 놓친 경우에 더 그렇습니다.

엔진 디자인 프로세스 중에 엔지니어는 종종 엔진 구성 요소에 자주적으로 작은 설계 변경을 가하며 특히 엔진 개발 초기 단계에서 이를 자주 수행합니다. 각 번에는 팀이 캠샤프트 디자인의 도구 디자인을 조정하고 새로운 도구를 프린트해야 합니다. 엔지니어링 팀은 종종 동시에 여러 캠샤프트 디자인을 테스트할 수 있습니다. 각 디자인에는 약간 다른 도구 디자인이 필요합니다.

과거에는 캠샤프트 잠금 도구의 디자인 과정이 많은 시행착오 작업을 필요로 했습니다. 도구가 충분히 강하고 토크 부하를 견딜 수 있는지 정확하게 예측할 방법이 없었습니다. 잠금 도구의 디자인 변경이 구조적 무결성을 저해할 수 있는지 여부를 알 방법이 없었습니다. 또한, FEA(유한 요소 분석) 분석은 3D 프린트된 부품에 대해 설계되지 않았기 때문에 모든 요구 사항을 충족하는 지그를 설계하기 위해 많은 가정과 근사치를 사용해야 했습니다.

“시뮬레이션을 통해 캠샤프트 잠금 도구의 디자인에서 많은 시행착오를 제거할 수 있었습니다. 이로 인해 개발 시간을 50% 이상 단축시킬 수 있었습니다.”

발리리오 아메트라노, 선임 생산 전문 엔지니어, PUNCH Torino S.p.A. 

솔루션

PUNCH Torino는 Markforged의 시뮬레이션을 사용하여 주요 효율성을 얻을 수 있었습니다. 이를 사용하기 전에 새로운 캠샤프트 구성은 맞춤형 구성을 얻기 위해 최대 8개의 지그 디자인을 프린팅하고 테스트해야 했었습니다. 예를 들어, 캠샤프트의 지오메트리 또는 치수(롭, 길이, 직경 등)에 변경 사항이 있을 경우, 그것을 잡아두는 약간 다른 포크 모양이 필요할 수 있었습니다. 그러나 수정된 잠금 도구 디자인은 축의 모양과 완전히 일치하지 않았으며, 너무 많은 캠샤프트 회전이 가능했습니다. 따라서 팀은 종종 여러 번의 도구 반복을 프린트해야 했습니다. 이를테면, 작동하도록 정확하게 작동하는 구성으로 끝날 때까지 여러 번의 도구 반복을 프린트해야 하는 경우입니다.

“시뮬레이션은 팀 구성원들이 다른 우선 순위에 집중할 수 있도록 해 주었으며, X7은 다른 프로젝트에 부품을 프린트하는 데 사용됩니다.”

발리리오 아메트라노, 선임 생산 전문 엔지니어, PUNCH Torino S.p.A. Markforged의 시뮬레이션을 사용하기 시작한 후에는 잠금 도구 디자인의 평균 반복 횟수를 처음에는 8회에서 3회로 줄일 수 있었습니다. 발리리오 아메트라노에 따르면, 팀이 새로운 시뮬레이션 도구를 사용하는 방법을 배우기 시작할 때는 도구가 노출되는 경계 조건, 힘 모듈 및 변형을 올바르게 특성화하기 위해 약간의 시행착오를 겪었습니다. 이제 이러한 데이터를 조율했기 때문에 일반적으로 일반적인 잠금 도구를 한 번의 반복으로 시뮬레이션하고 프린트할 수 있습니다.

그는 Markforged의 시뮬레이션을 사용함으로써 지그당 평균 18시간을 절약하는데 더불어 부품 디자인을 수정하는 데 필요한 엔지니어링 시간도 소프트웨어 내에서 관리되도록 되었다고 추정합니다. 또한, 캠샤프트 잠금 도구의 여러 번의 반복을 프린트하는 데 이전에 할당된 상당한 양의 프린터 시간을 해방합니다.