Четыре ключевых преимущества облегчения (lightweighting) для энергоэффективности

По мере того как экологические заботы становятся все более важными для потребителей, многие рыночные секторы смещаются к большей энергосознанности и устойчивости. В то время как решения вроде возобновляемых источников энергии, электромобилей и устойчивых материалов получают значительное медийное внимание, практики вроде облегчения (lightweighting), хотя менее заметные, играют ключевые роли в движении рынка к большей энергоэффективности.

Термин «облегчение» может относиться к замене традиционно используемых материалов на более легкие, снижению фактического количества используемого материала и/или оптимизации дизайна детали или системы для комбинации этих практик. Облегчение может позволить продуктовым командам снизить вес и материал, необходимый для детали — или целой системы, как автомобиль — сохраняя ключевые функциональные требования. Это может создать крупные экономии затрат для производителей и потребителей, часто улучшая энергоэффективность и даже функциональность конечного продукта.

Автомобильная и авиакосмическая отрасли использовали облегчение десятилетиями для снижения массы транспортных средств и улучшения топливной эффективности без жертв критической функцией или безопасностью. Поперечное сечение I-балки, часто используемое в строительной отрасли, — еще один пример облегчения в действии. Поперечная форма обеспечивает максимальную изгибовую и крутильную прочность, минимизируя количество нужного материала.

Включая техники облегчения в существующие процессы и методологии дизайна, продуктовые команды могут увидеть осязаемые выгоды в широком спектре применений деталей. Некоторые ключевые выгоды облегчения включают следующее:

1. Экономия материалов и снижение экологического следа

Легкие детали обычно имеют более низкие материальные затраты, чем их не-облегченные аналоги и могут требовать меньше энергии для производства. Снижение потребления материалов также дает экологические выгоды, так как аддитивная отрасль еще не в полностью перерабатываемом состоянии (хотя некоторые материалы можно переиспользовать). Генеративный дизайн и топологическая оптимизация предоставляют различные способы достижения облегчения с аддитивным производством и могут позволить дизайн ближе к оптимальным деталям, использующим минимум необходимого материала.

2. Большая топливная эффективность

Хотя легкие детали часто желательны в инженерии, они особенно ценны в автопроизводстве, где 10% снижение веса может породить 6–8% прирост топливной эффективности.

Авиакосмические производители также могут выиграть; исследователи нашли, что облегчение вагонов дает больше энергосбережений, чем с автомобилями, и воздушные судна могут выиграть от облегчения до 100 раз больше, чем вагоны. Дальше, интеллектуальное использование меньшего материала может позволить продуктовым командам увеличить соотношение прочность/вес деталей, что невероятно важно для авиации.

3. Расширенные материальные варианты

Во многих случаях плотность и вес иначе желательного материала ограничивают выборы, доступные продуктовым командам. Однако интеллектуальное облегчение через метод вроде решетки (latticing) может расширить возможности материалов, которые иначе не работали бы для данного применения. Результатом может быть более низкая эффективная плотность детали и даже модифицированные объемные механические свойства. Это позволяет продуктовым командам воспользоваться материалами с желательными химическими, тепловыми, эстетическими и механическими свойствами.

4. Улучшенная производительность

Сочетание облегчения со стратегическими дизайнерскими выборами может помочь двинуть улучшенную производительность детали. Например, использование решетчатых структур для облегчения может иметь и выгоду снижения веса, и способность улучшать и настраивать поведение поглощения удара.

Ключевые соображения для облегчения

При облегчении главное, что нужно держать в уме — критические компоненты не должны быть скомпрометированы. Необходимо для продуктовых команд четко определить, что является и что не является критическим для функциональности их деталей перед началом.

Облегчение обычно наиболее эффективно, применяемое к тяжелым, жестким и перепроектированным (overbuilt) деталям. Если стоимость материала или вес не проблема, или если оба уже близки к оптимальным уровням, облегчение может не стоить того или быть ненужным. Оттуда материальные свойства вроде жесткости, соотношения прочность/вес, прочности на растяжение и другие характеристики помогут определить идеальные материалы и геометрии для облегчения данной детали или компонента.

Геометрия детали также должна учитываться, так как это ограничит жизнеспособные методы производства. Простые компоненты, спроектированные с генеративным дизайном, иногда могут быть оснащены или отлиты в полиуретан, но более сложные дизайны требуют других решений.

Решетки, например, — невероятно эффективное дизайнерское решение для облегчения, но их сложные геометрии деталей обычно не могут быть обработаны СНС. К счастью, аддитивные процессы вроде HP Multi Jet Fusion (MJF) позволяют продуктовым командам создавать геометрически сложные компоненты из различных материалов вроде Полиамида 12 (PA 12) — обеспечивающего превосходную прочность и геометрическую гибкость. Важно отметить, что решетки резко увеличивают отношение площади поверхности к объему деталей, что может влиять на долговечность или стойкость детали, если продуктовые команды работают с материалами, быстро окисляющимися, вроде не-нержавеющих сталей.

Безопасность — еще одно ключевое соображение для облегчения. Многие твердые детали предоставляют больше их желательных характеристик, чем требуется — компонент может быть в 100 раз жестче, чем нужно. Устранение материала через облегчение может, например, снизить ту же жесткость детали до 25 раз от требуемого (или другого меньшего кратного).

Хотя деталь все еще жизнеспособна, у продуктовых команд меньше запаса прочности для обеспечения безопасности и достижения соответствия. Как таковое, облегчение может влиять на то, как деталь выполняется при экстремальных условиях — поэтому продуктовые команды должны всегда держать это в уме.

Эффективное решение для облегчения деталей

Стратегически удаляя материал из деталей и компонентов для снижения их общего веса, производители могут воспользоваться рядом сопутствующих выгод, включая большую эффективность детали, значительную экономию затрат и расширенные материальные выборы.

Хотя исторически использовалось для улучшения топливной эффективности транспортных средств, больше рыночных секторов чем когда-либо используют практику — на самом деле, рынок легких материалов ожидается стоимостью $243 млрд к 2023 году. Рынок потребительских упакованных товаров в частности может выиграть от облегчения — и возможно даже помочь поддержать причины вроде сокращения одноразовых пластиков.

Однако процесс облегчения может требовать высокой степени технической экспертизы — что значит, что продуктовые команды, надеющиеся резать затраты и максимизировать эффективность через облегчение, сделали бы хорошо, партнерствуясь с командой опытных дизайнеров и инженеров вроде тех в Fast Radius.

Наша команда экспертов готова помочь продуктовым командам найти наиболее эффективные, доступные и надежные методы производства детали, которую они имеют в виду. От дизайна к исполнению, Fast Radius — надежное решение для любых потребностей в онлайн-производстве по запросу. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы начать.

Откройте для себя больше о различных материалах, доступных для использования с процессами вроде СНС-обработки, литья пластика под давлением и многого другого в ресурсном центре Fast Radius.

Готовы производить детали с Fast Radius?

Начните расчет стоимости