4 преимущества уменьшения веса

По мере того, как забота об окружающей среде становится все более важной для потребителей, многие секторы рынка смещаются в сторону большей энергоэффективности и устойчивости. В то время как такие решения, как возобновляемые источники энергии, электромобили и экологичные материалы, как правило, привлекают значительное внимание средств массовой информации, такие методы, как облегчение веса, хотя и менее кричащие, играют ключевую роль в стимулировании изменений на рынке в сторону повышения энергоэффективности.

Термин «облегчение» может относиться к замене традиционно используемых материалов на более легкие материалы, уменьшению фактического количества используемого материала и/или оптимизации конструкции детали или системы для сочетания этих методов. Облегчение может позволить командам разработчиков снизить вес и материал, необходимый для детали или всей системы, такой как автомобиль, при сохранении ключевых функциональных требований. Это может обеспечить значительную экономию средств как для производителей, так и для потребителей, а также часто повышает энергоэффективность и даже функциональность конечного продукта.

Автомобильная и аэрокосмическая отрасли десятилетиями использовали облегчение для снижения массы транспортных средств и повышения эффективности использования топлива без ущерба для критически важных функций или безопасности. Поперечное сечение двутавровой балки, часто используемой в строительной отрасли, является еще одним примером облегчения в действии. Форма поперечного сечения обеспечивает максимальную прочность на изгиб и кручение при минимальном количестве необходимого материала.

Внедряя методы облегчения в существующие процессы и методологии проектирования, группы разработчиков могут увидеть ощутимые преимущества в широком диапазоне применений деталей. Некоторые из ключевых преимуществ облегчения включают следующее:

1. Экономия материалов и снижение воздействия на окружающую среду

Более легкие детали обычно требуют меньших материальных затрат, чем их неутяжеленные аналоги, и для их производства может потребоваться меньше энергии. Сокращение потребления материалов также обеспечивает экологические преимущества, поскольку область аддитивного производства еще не полностью перерабатывается (хотя некоторые материалы могут быть использованы повторно). Генеративный дизайн и оптимизация топологии предоставляют различные способы снижения веса за счет аддитивного производства и позволяют проектировать детали, близкие к оптимальным, с использованием минимального количества необходимого материала.

2. Повышение эффективности использования топлива

Хотя в машиностроении часто требуются более легкие детали, они особенно ценны в автомобилестроении, где снижение веса на 10 % может привести к повышению эффективности использования топлива на 6–8 %.

Производители аэрокосмической отрасли также выиграют; исследователи обнаружили, что облегчение железнодорожных вагонов обеспечивает большую экономию энергии, чем при использовании автомобилей, а облегчение самолетов может быть в 100 раз больше, чем у железнодорожных вагонов. Кроме того, разумное использование меньшего количества материалов может позволить командам разработчиков увеличить соотношение прочности и веса деталей, что невероятно важно для самолетов.

3. Расширенные возможности материалов

Во многих случаях плотность и вес желательного в других отношениях материала ограничивают выбор, доступный командам разработчиков. Однако интеллектуальное облегчение с помощью такого метода, как решетка, может расширить возможности материалов, которые в противном случае могли бы не работать для данного приложения. Результатом может быть более низкая эффективная плотность деталей и даже измененные объемные механические свойства. Это позволяет командам разработчиков использовать материалы с желаемыми химическими, термическими, эстетическими и механическими свойствами.

4. Улучшена производительность

Сочетание облегчения со стратегическим выбором конструкции может помочь повысить производительность деталей. Например, использование решетчатых структур для облегчения веса может как уменьшить вес, так и дать возможность улучшать и настраивать характеристики поглощения удара.

Ключевые факторы облегчения

При уменьшении веса в первую очередь следует помнить о том, что критически важные компоненты не должны быть скомпрометированы. Для продуктовых команд важно четко определить, что является и что не является критическим для функциональности их частей, прежде чем приступить к работе.

Облегчение, как правило, наиболее эффективно применительно к тяжелым, жестким и перестроенным деталям. Если стоимость материала или вес не вызывают беспокойства, или если и то, и другое уже близко к оптимальному уровню, облегчение может быть нецелесообразным или нецелесообразным. Исходя из этого, свойства материала, такие как жесткость, отношение прочности к весу, предел прочности при растяжении и другие характеристики, помогут определить идеальные материалы и геометрию для облегчения данной детали или компонента.

Следует также учитывать геометрию детали, так как это ограничит жизнеспособные методы производства. Простые компоненты, разработанные с помощью генеративного проектирования, иногда могут быть изготовлены с помощью инструментов или отлиты из уретана, но для более сложных конструкций требуются другие решения.

Решетки, например, являются чрезвычайно эффективным конструктивным решением для облегчения веса, но их сложная геометрия деталей, как правило, не поддается механической обработке. К счастью, процессы аддитивного производства, такие как HP Multi Jet Fusion (MJF), позволяют группам разработчиков создавать геометрически сложные компоненты из различных материалов, таких как полиамид 12 (PA 12), который обеспечивает превосходную прочность и геометрическую гибкость. Важно отметить, что решетки резко увеличивают отношение площади поверхности к объему деталей, что может повлиять на долговечность или долговечность детали, если группы разработчиков работают с материалами, которые быстро окисляются, например с нержавейкой.

Безопасность является еще одним ключевым фактором, когда речь идет о облегчении веса. Многие твердые детали обеспечивают больше желаемых характеристик, чем требуется — например, компонент может быть в 100 раз более жестким, чем необходимо. Устранение материала за счет облегчения может, например, снизить жесткость той же детали в 25 раз по сравнению с требуемой (или еще в несколько раз меньше).

Хотя эта часть все еще жизнеспособна, у продуктовых команд меньше свободы действий, когда дело доходит до обеспечения безопасности и соблюдения нормативных требований. Таким образом, облегчение может повлиять на работу детали в экстремальных условиях, поэтому разработчики продуктов всегда должны помнить об этом.

Эффективное решение для облегчения деталей

Стратегически удаляя материал из деталей и компонентов, чтобы уменьшить их общий вес, производители могут воспользоваться рядом дополнительных преимуществ, в том числе большей эффективностью деталей, значительной экономией средств и расширенным выбором материалов.

Хотя исторически эта практика использовалась для повышения топливной экономичности транспортных средств, все больше секторов рынка, чем когда-либо, используют эту практику — фактически, рынок легких материалов, как ожидается, будет стоить 243 миллиарда долларов к 2023 году. В частности, рынок потребительских товаров может выиграть от облегчение веса и, возможно, даже помощь в решении таких проблем, как сокращение использования одноразового пластика.

Однако процесс облегчения может потребовать высокой степени технических знаний, а это означает, что командам разработчиков, надеющимся сократить расходы и максимизировать эффективность за счет облегчения, будет лучше сотрудничать с командой опытных дизайнеров и инженеров, таких как в Fast Radius.

Наша команда экспертов всегда готова помочь командам разработчиков найти наиболее эффективные, доступные и надежные методы производства той детали, которую они задумали. Fast Radius — это надежное решение для любых производственных нужд, начиная от проектирования и заканчивая реализацией. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы начать работу.

Узнайте больше о различных материалах, доступных для использования в таких процессах, как обработка на станках с ЧПУ, литье пластмасс под давлением и т. д. в ресурсном центре Fast Radius.

Готовы создавать детали с помощью Fast Radius?

Начать цитату