軽量化の 4 つのメリット

消費者にとって環境への懸念がますます重要になるにつれて、多くの市場部門は、より大きなエネルギー意識と持続可能性に移行しています。再生可能エネルギー源、電気自動車、持続可能な素材などのソリューションは、メディアの大きな注目を集める傾向がありますが、軽量化などの実践は、あまり派手ではありませんが、エネルギー効率の向上に向けた市場全体のシフトを推進する上で重要な役割を果たしています。

「軽量化」という用語は、従来使用されていた材料をより軽量な材料に交換すること、実際に使用される材料の量を減らすこと、および/またはこれらの手法を組み合わせて部品またはシステムの設計を最適化することを指す場合があります。軽量化により、製品チームは主要な機能要件を維持しながら、部品または自動車などのシステム全体に必要な重量と材料を削減できる場合があります。そうすることで、製造業者と消費者の両方に大幅なコスト削減をもたらすと同時に、多くの場合、最終製品のエネルギー効率と機能さえも改善します。

自動車および航空宇宙産業は、重要な機能や安全性を犠牲にすることなく、車両の質量を減らし、燃料効率を改善するために、何十年にもわたって軽量化を使用してきました。建設業界でよく使用される I ビームの断面は、軽量化のもう 1 つの例です。断面形状は、必要な材料の量を最小限に抑えながら、最大の曲げ強度とねじり強度を提供します。

軽量化技術を既存の設計プロセスと方法論に組み込むことで、製品チームは幅広い部品用途で具体的なメリットを実感できます。軽量化の主な利点には、次のようなものがあります。

1.材料の節約と環境フットプリントの削減

通常、軽量の部品は軽量化されていない部品よりも材料費が低く、製造に必要なエネルギーも少なくて済みます。アディティブ マニュファクチャリング分野はまだ完全にリサイクル可能な状態ではないため (一部の材料は再利用できます)、材料の消費を削減することは環境にもメリットをもたらします。ジェネレーティブ デザインとトポロジー最適化は、積層造形で軽量化を達成するためのさまざまな方法を提供し、必要な材料を最小限に抑えて最適に近い部品を設計できるようにします。

2.燃料効率の向上

工学分野では部品の軽量化が望まれることがよくありますが、10% の軽量化により燃料効率が 6 ～ 8% 向上する可能性がある自動車製造では特に価値があります。

航空宇宙メーカーも恩恵を受ける立場にあります。研究者は、軽量化された鉄道車両が乗用車よりも多くのエネルギーを節約し、航空機は軽量化によって鉄道車両の最大 100 倍の恩恵を受けることができることを発見しました。さらに、より少ない材料を賢く使用することで、製品チームは部品の強度と重量の比率を高めることができます。これは、航空機にとって非常に重要です。

3.拡張された素材オプション

多くの場合、他の点では望ましい材料の密度と重量によって、製品チームが利用できる選択肢が制限されます。ただし、ラチシングなどの方法によるインテリジェントな軽量化は、他の方法では特定のアプリケーションでは機能しない可能性のある材料の機能を拡張できます。その結果、有効部品密度が低下し、バルクの機械的特性が変化することさえあります。これにより、製品チームは望ましい化学的、熱的、審美的、および機械的特性を持つ材料を活用できます。

4.パフォーマンスの向上

軽量化と戦略的な設計の選択を組み合わせることで、パーツのパフォーマンスを向上させることができます。たとえば、軽量化のために格子構造を使用すると、軽量化と、衝撃吸収挙動を改善および微調整する機能の導入の両方の利点が得られます。

軽量化に関する主な考慮事項

軽量化の際に留意すべき主な点は、重要なコンポーネントを危険にさらしてはならないということです。製品チームは、作業を開始する前に、部品の機能にとって何が重要で何が重要でないかを明確に定義することが不可欠です。

通常、軽量化は、重量があり、剛性が高く、過剰に構築された部品に適用すると最も効果的です。材料費や重量が問題にならない場合、または両方がすでに最適なレベルに近い場合、軽量化は価値がなく、必要もない可能性があります.そこから、剛性、強度対重量比、引張強度、およびその他の特性などの材料特性が、特定の部品またはコンポーネントを軽量化するための理想的な材料と形状を決定するのに役立ちます。

実行可能な製造方法が制限されるため、部品の形状も考慮する必要があります。ジェネレーティブ デザインで設計された単純なコンポーネントは、ツールまたはウレタン キャストで作成できる場合がありますが、より複雑な設計には別のソリューションが必要です。

たとえば、格子は軽量化のための非常に効果的な設計ソリューションですが、複雑な部品形状は一般に機械加工できません。幸いなことに、HP マルチ ジェット フュージョン (MJF) などの付加製造プロセスにより、製品チームはポリアミド 12 (PA 12) などのさまざまな材料から幾何学的に複雑なコンポーネントを作成できます。これにより、優れた強度と幾何学的な柔軟性が得られます。格子は部品の表面積と体積の比率を大幅に増加させることに注意することが重要です。これは、製品チームが非ステンレス鋼などの急速に酸化する材料を扱っている場合、部品の寿命や耐久性に影響を与える可能性があります.

軽量化に関しては、安全性も重要な考慮事項です。多くのソリッド パーツは、必要以上に望ましい特性を提供します。たとえば、コンポーネントは、必要な剛性の 100 倍になる場合があります。たとえば、軽量化によって材料をなくすと、同じ部品の剛性を必要な 25 倍 (またはそれ以下の倍数) に下げることができます。

部品はまだ実行可能ですが、安全性の確保とコンプライアンスの達成に関して、製品チームには余裕がありません。そのため、軽量化は極端な条件下での部品の性能に影響を与える可能性があるため、製品チームは常にこのことを念頭に置いておく必要があります。

部品を軽量化するための効果的なソリューション

部品やコンポーネントから材料を戦略的に取り除いて全体の重量を削減することにより、メーカーは、部品の効率の向上、大幅なコスト削減、材料の選択肢の拡大など、多くの付随的な利点を活用できます。

歴史的には車両の燃料効率を改善するために使用されてきましたが、これまで以上に多くの市場セクターがこの慣行を活用しています。実際、軽量材料市場は 2023 年までに 2,430 億ドルの価値があると予想されています。特に消費財市場は、軽量化 — また、使い捨てプラスチックの使用を減らすなどの目的をサポートするのにも役立つ可能性があります。

ただし、軽量化のプロセスには高度な技術的専門知識が必要になる場合があります。つまり、軽量化によってコストを削減し、効率を最大化することを望んでいる製品チームは、Fast Radius のような経験豊富なデザイナーやエンジニアのチームと提携することをお勧めします。

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