에너지 효율을 위한 경량화의 4가지 핵심 이점

환경 문제가 소비자에게 점점 더 중요해짐에 따라 많은 시장 부문이 더 큰 에너지 의식과 지속 가능성으로 이동하고 있습니다. 재생 에너지원, 전기차, 지속 가능한 소재 같은 솔루션이 상당한 미디어 관심을 받는 반면, 경량화(lightweighting) 같은 관행은 덜 화려하지만 시장 전반의 에너지 효율 향상을 이끄는 핵심 역할을 합니다.

'경량화'라는 용어는 전통적으로 사용되던 소재를 더 가벼운 소재로 교체하거나, 실제 사용 소재량을 줄이거나, 부품이나 시스템 설계를 이 두 관행의 조합으로 최적화하는 것을 의미할 수 있습니다. 경량화를 통해 제품 팀은 핵심 기능 요구 사항을 유지하면서 부품 또는 자동차 같은 전체 시스템의 무게와 소재 소요량을 줄일 수 있습니다. 이는 제조업체와 소비자 모두에게 상당한 비용 절감을 가져오면서 최종 제품의 에너지 효율과 기능성조차 종종 개선합니다.

자동차와 항공우주 산업은 수십 년 동안 경량화를 사용해 차량 질량을 줄이고 중요한 기능이나 안전을 희생하지 않으면서 연비를 개선해 왔습니다. 건설 산업에서 흔히 쓰이는 I-빔의 단면도 경량화의 또 다른 예입니다. 단면 형상은 필요한 소재 양을 최소화하면서 최대 굽힘 및 비틀림 강도를 제공합니다.

기존 설계 프로세스와 방법론에 경량화 기법을 통합함으로써 제품 팀은 다양한 부품 애플리케이션에서 가시적인 이점을 볼 수 있습니다. 경량화의 주요 이점은 다음과 같습니다:

1. 소재 절감 및 환경 발자국 감소

경량화된 부품은 일반적으로 비경량화 부품보다 소재 비용이 낮고 제조에 더 적은 에너지가 필요할 수 있습니다. 소재 소비 감소는 환경적 이점도 제공합니다. 적층 제조 분야는 아직 완전히 재활용 가능한 상태는 아니지만(일부 소재는 재사용 가능), 생성 설계와 위상 최적화는 적층 제조로 경량화를 달성하는 다양한 방법을 제공하며, 필요한 최소 소재량을 사용하는 근최적 부품 설계를 가능하게 합니다.

2. 연비 향상

더 가벼운 부품은 엔지니어링에서 종종 바람직하지만, 자동차 제조에서 특히 가치가 있습니다. 10% 무게 감소는 6~8% 연비 향상을 가져올 수 있습니다.

항공우주 제조업체도 이득을 봅니다. 연구자들은 철도 차량 경량화가 자동차보다 더 많은 에너지 절약을 제공하며, 항공기는 철도 차량보다 최대 100배 더 경량화 혜택을 볼 수 있음을 발견했습니다. 또한 지능적으로 소재를 적게 사용하면 부품의 강도-중량비를 높일 수 있는데, 이는 항공기에 엄청나게 중요합니다.

3. 소재 선택지 확대

많은 경우, 그렇지 않으면 바람직한 소재의 밀도와 무게가 제품 팀의 선택을 제한합니다. 하지만 격자 구조 같은 방법으로 지능적으로 경량화하면 주어진 애플리케이션에서 작동하지 않았을 소재의 역량을 확장할 수 있습니다. 결과는 더 낮은 유효 부품 밀도와 수정된 벌크 기계적 특성일 수 있습니다. 이는 제품 팀이 바람직한 화학적, 열적, 심미적, 기계적 특성을 가진 소재를 활용할 수 있게 합니다.

4. 성능 개선

경량화를 전략적 설계 선택과 결합하면 부품 성능 향상을 이끌 수 있습니다. 예를 들어 격자 구조를 경량화에 사용하면 무게 감소 이점과 충격 흡수 거동 개선·조정 능력을 동시에 도입할 수 있습니다.

경량화 핵심 고려 사항

경량화 시 가장 중요한 것은 핵심 구성 요소가 손상되지 않아야 한다는 점입니다. 제품 팀이 부품 기능에 무엇이 필수적이고 무엇이 아닌지 명확히 정의하는 것이 시작 전 필수적입니다.

경량화는 일반적으로 무겁고 단단하며 과도하게 설계된 부품에 적용할 때 가장 효과적입니다. 소재 비용이나 무게가 문제가 아니거나 이미 둘 다 거의 최적 수준이라면 경량화는 가치가 없거나 불필요할 수 있습니다. 거기에서 강성, 강도-중량비, 인장 강도 등 소재 특성이 주어진 부품이나 구성 요소의 경량화에 이상적인 소재와 형상을 결정하는 데 도움이 됩니다.

부품 형상도 고려해야 합니다. 이는 실행 가능한 생산 방식을 제한하기 때문입니다. 생성 설계로 설계된 단순한 구성 요소는 때때로 툴링이나 우레탄 주조가 가능하지만, 더 복잡한 설계는 다른 솔루션을 필요로 합니다.

예를 들어 격자는 경량화를 위한 매우 효과적인 설계 솔루션이지만, 복잡한 부품 형상 때문에 일반적으로 가공할 수 없습니다. 다행히 HP Multi Jet Fusion(MJF) 같은 적층 제조 공정으로 제품 팀은 Polyamide 12(PA 12) 같은 다양한 소재로 기하학적으로 복잡한 구성 요소를 만들 수 있습니다. 이는 우수한 강도와 기하학적 유연성을 제공합니다. 격자는 부품의 표면적-부피 비율을 급격히 증가시키는데, 비스테인리스강처럼 빠르게 산화되는 소재로 작업하는 경우 부품 수명이나 내구성에 영향을 줄 수 있음을 유의해야 합니다.

안전도 경량화 시 핵심 고려 사항입니다. 많은 고체 부품은 필요한 특성보다 더 많이 제공합니다. 구성 요소가 필요한 것보다 100배 더 단단할 수 있습니다. 경량화를 통한 소재 제거는 예를 들어 같은 부품의 강성을 필요한 것의 25배(또는 다른 더 낮은 배수)로 줄일 수 있습니다.

부품은 여전히 생존 가능하지만, 제품 팀은 안전과 규정 준수 보장에 있어 여유가 줄어듭니다. 따라서 경량화는 부품이 극한 조건에 노출될 때 성능에 영향을 줄 수 있으므로 제품 팀은 항상 이를 염두에 두어야 합니다.

부품 경량화를 위한 효과적인 솔루션

부품과 구성 요소에서 전략적으로 소재를 제거해 전체 무게를 줄임으로써 제조업체는 더 높은 부품 효율, 상당한 비용 절감, 확장된 소재 선택 등 여러 부수적 이점을 얻을 수 있습니다.

역사적으로 차량 연비 개선에 사용되어 왔지만, 그 어느 때보다 많은 시장 부문이 이 관행을 활용하고 있습니다. 실제로 경량 소재 시장은 2023년까지 2,430억 달러 규모가 될 것으로 예상됩니다. 특히 소비재 포장 시장은 경량화로 이득을 볼 수 있으며, 일회용 플라스틱 사용 감소 같은 대의에도 기여할 수 있습니다.

하지만 경량화 공정은 높은 기술 전문성을 요구할 수 있습니다. 즉, 경량화로 비용을 절감하고 효율을 극대화하려는 제품 팀은 Fast Radius의 베테랑 디자이너와 엔지니어 팀 같은 전문가와 파트너십을 맺는 것이 좋습니다.

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