4 Vorteile der Gewichtsreduzierung

Da Umweltbelange für die Verbraucher immer wichtiger werden, verlagern sich viele Marktsektoren hin zu einem größeren Energiebewusstsein und mehr Nachhaltigkeit. Während Lösungen wie erneuerbare Energiequellen, Elektrofahrzeuge und nachhaltige Materialien in der Regel erhebliche Medienaufmerksamkeit erhalten, spielen Praktiken wie Leichtbau, obwohl weniger auffällig, eine Schlüsselrolle bei der Förderung marktweiter Veränderungen hin zu mehr Energieeffizienz.

Der Begriff „Leichtbau“ kann sich auf den Austausch traditionell verwendeter Materialien durch leichtere Materialien, die Reduzierung der tatsächlich verwendeten Materialmenge und/oder die Optimierung des Designs eines Teils oder Systems für eine Kombination dieser Praktiken beziehen. Leichtbau kann es Produktteams ermöglichen, das Gewicht und das Material zu reduzieren, das für ein Teil – oder ein ganzes System, wie z. B. ein Auto – erforderlich ist, während wichtige funktionale Anforderungen beibehalten werden. Dies kann sowohl für Hersteller als auch für Verbraucher zu erheblichen Kosteneinsparungen führen und gleichzeitig häufig die Energieeffizienz und sogar die Funktionalität des Endprodukts verbessern.

Die Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie nutzt seit Jahrzehnten Leichtbau, um die Fahrzeugmasse zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, ohne kritische Funktionen oder Sicherheit zu opfern. Der Querschnitt eines I-Trägers, der häufig in der Bauindustrie verwendet wird, ist ein weiteres Beispiel für Leichtbau in Aktion. Die Querschnittsform bietet maximale Biege- und Torsionsfestigkeit bei minimalem Materialbedarf.

Durch die Integration von Leichtbautechniken in bestehende Konstruktionsprozesse und -methoden können Produktteams greifbare Vorteile in einer Vielzahl von Teileanwendungen erkennen. Zu den wichtigsten Vorteilen des Lightweighting gehören die folgenden:

1. Materialeinsparungen und reduzierter ökologischer Fußabdruck

Leichtere Teile haben in der Regel niedrigere Materialkosten als ihre nicht leichten Gegenstücke und können weniger Energie für die Herstellung erfordern. Die Reduzierung des Materialverbrauchs bietet auch Vorteile für die Umwelt, da der Bereich der additiven Fertigung noch nicht vollständig recycelbar ist (obwohl einige Materialien wiederverwendet werden können). Generatives Design und Topologieoptimierung bieten verschiedene Möglichkeiten, um Leichtbau mit additiver Fertigung zu erreichen, und können das Design nahezu optimaler Teile ermöglichen, die die minimale Menge an erforderlichem Material verwenden.

2. Höhere Kraftstoffeffizienz

Während leichtere Teile in der Technik oft wünschenswert sind, sind sie besonders wertvoll in der Automobilherstellung, wo eine Gewichtsreduzierung von 10 % zu einer Steigerung der Kraftstoffeffizienz um 6-8 % führen kann.

Auch Luft- und Raumfahrthersteller werden davon profitieren; Forscher haben herausgefunden, dass der Leichtbau von Schienenfahrzeugen mehr Energieeinsparungen ermöglicht als Autos, und Flugzeuge können bis zu 100-mal mehr vom Leichtbau profitieren als Schienenfahrzeuge. Darüber hinaus kann der intelligente Einsatz von weniger Material Produktteams in die Lage versetzen, das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von Teilen zu erhöhen, was für Flugzeuge unglaublich wichtig ist.

3. Erweiterte Materialoptionen

In vielen Fällen schränken die Dichte und das Gewicht eines ansonsten wünschenswerten Materials die Auswahlmöglichkeiten für Produktteams ein. Intelligenter Leichtbau durch eine Methode wie Gitter kann jedoch die Fähigkeiten von Materialien erweitern, die ansonsten für eine bestimmte Anwendung möglicherweise nicht funktionieren. Das Ergebnis kann eine geringere effektive Bauteildichte und sogar veränderte mechanische Masseneigenschaften sein. Dadurch können Produktteams Materialien mit wünschenswerten chemischen, thermischen, ästhetischen und mechanischen Eigenschaften nutzen.

4. Verbesserte Leistung

Die Kombination von Leichtgewicht mit strategischen Designentscheidungen kann zu einer verbesserten Teileleistung beitragen. Beispielsweise kann die Verwendung von Gitterstrukturen zur Gewichtsreduzierung sowohl den Vorteil haben, das Gewicht zu verringern, als auch die Fähigkeit einzuführen, das Aufprallabsorptionsverhalten zu verbessern und zu optimieren.

Schlüsselüberlegungen zur Gewichtsreduzierung

Beim Leichtbau ist in erster Linie zu beachten, dass kritische Komponenten nicht beeinträchtigt werden sollten. Für Produktteams ist es wichtig, vor Beginn klar zu definieren, was für die Funktionalität ihrer Teile kritisch ist und was nicht.

Leichtbau ist in der Regel am effektivsten, wenn er auf schwere, starre und überbaute Teile angewendet wird. Wenn Materialkosten oder Gewicht keine Rolle spielen oder wenn beide bereits nahezu optimal sind, ist eine Gewichtsreduzierung möglicherweise nicht sinnvoll oder notwendig. Von dort aus helfen Materialeigenschaften wie Steifigkeit, Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, Zugfestigkeit und andere Eigenschaften, die idealen Materialien und Geometrien für die Leichtbauweise eines bestimmten Teils oder einer bestimmten Komponente zu bestimmen.

Die Geometrie des Teils sollte ebenfalls berücksichtigt werden, da dies die praktikablen Produktionsmethoden einschränkt. Einfache Komponenten, die mit generativem Design entworfen wurden, können manchmal bearbeitet oder aus Urethan gegossen werden, aber komplexere Designs erfordern andere Lösungen.

Gitter zum Beispiel sind eine äußerst effektive Konstruktionslösung für den Leichtbau, aber ihre komplizierten Teilegeometrien können im Allgemeinen nicht maschinell bearbeitet werden. Glücklicherweise ermöglichen additive Fertigungsverfahren wie HP Multi Jet Fusion (MJF) Produktteams, geometrisch komplexe Komponenten aus verschiedenen Materialien wie Polyamid 12 (PA 12) herzustellen, das eine überlegene Festigkeit und geometrische Flexibilität bietet. Es ist wichtig zu beachten, dass Gitter das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen von Teilen drastisch erhöhen, was sich auf die Langlebigkeit oder Haltbarkeit des Teils auswirken kann, wenn Produktteams mit Materialien arbeiten, die schnell oxidieren, wie z. B. nicht rostfreie Stähle.

Sicherheit ist ein weiterer wichtiger Aspekt, wenn es um Leichtbau geht. Viele Massivteile bieten mehr ihrer gewünschten Eigenschaften als erforderlich – ein Bauteil kann beispielsweise 100-mal so steif sein, wie es sein muss. Die Eliminierung von Material durch Leichtbau könnte beispielsweise die Steifigkeit desselben Teils auf das 25-fache des erforderlichen Werts (oder ein weiteres kleineres Vielfaches) verringern.

Während das Teil noch funktionsfähig ist, haben Produktteams weniger Spielraum, wenn es darum geht, die Sicherheit zu gewährleisten und die Einhaltung von Vorschriften zu erreichen. Daher kann die Gewichtsreduzierung die Leistung des Teils beeinflussen, wenn es extremen Bedingungen ausgesetzt ist – daher sollten Produktteams dies immer im Hinterkopf behalten.

Die effektive Lösung zum Leichtbau von Teilen

Durch das strategische Entfernen von Material von Teilen und Komponenten zur Reduzierung ihres Gesamtgewichts können Hersteller von einer Reihe zusätzlicher Vorteile profitieren, darunter eine größere Teileeffizienz, erhebliche Kosteneinsparungen und eine erweiterte Materialauswahl.

Während sie in der Vergangenheit zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz von Fahrzeugen eingesetzt wurden, nutzen mehr Marktsektoren denn je diese Praxis – tatsächlich wird erwartet, dass der Markt für Leichtbaumaterialien bis 2023 einen Wert von 243 Milliarden US-Dollar haben wird. Davon kann insbesondere der Markt für Konsumgüter profitieren Gewichtsreduzierung – und möglicherweise sogar dazu beitragen, Anliegen wie die Reduzierung der Verwendung von Einwegkunststoffen zu unterstützen.

Der Prozess des Leichtbaus kann jedoch ein hohes Maß an technischem Fachwissen erfordern – was bedeutet, dass Produktteams, die durch Leichtbau Kosten senken und die Effizienz maximieren möchten, gut daran tun würden, mit einem Team erfahrener Designer und Ingenieure wie denen von Fast Radius zusammenzuarbeiten. P>

Unser Expertenteam steht bereit, um den Produktteams dabei zu helfen, die effizientesten, kostengünstigsten und zuverlässigsten Methoden zur Herstellung des gewünschten Teils zu finden. Vom Design bis zur Erfüllung ist Fast Radius die bewährte Lösung für alle On-Demand-Fertigungsanforderungen. Kontaktieren Sie uns noch heute, um loszulegen.

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