경량화의 4가지 이점

환경에 대한 관심이 소비자에게 점점 더 중요해짐에 따라 많은 시장 부문이 더 큰 에너지 의식과 지속 가능성으로 이동하고 있습니다. 재생 가능 에너지원, 전기 자동차, 지속 가능한 재료와 같은 솔루션이 미디어의 상당한 주목을 받는 경향이 있는 반면, 경량화와 같은 관행은 덜 화려하지만 더 큰 에너지 효율성을 향한 시장 전반의 변화를 주도하는 데 핵심적인 역할을 하고 있습니다.

"경량화"라는 용어는 전통적으로 사용되는 재료를 더 가벼운 재료로 교체하고, 실제 사용되는 재료의 양을 줄이고, 이러한 방식의 조합을 위해 부품 또는 시스템 설계를 최적화하는 것을 의미할 수 있습니다. 경량화를 통해 제품 팀은 주요 기능 요구 사항을 유지하면서 부품 또는 전체 시스템(예:자동차)에 필요한 무게와 재료를 줄일 수 있습니다. 그렇게 하면 제조업체와 소비자 모두에게 상당한 비용 절감 효과를 가져다 줄 뿐만 아니라 에너지 효율성과 최종 제품의 기능까지 개선하는 경우가 많습니다.

자동차 및 항공우주 산업은 수십 년 동안 경량화를 사용하여 중요한 기능이나 안전을 희생하지 않으면서 차량 질량을 줄이고 연비를 개선해 왔습니다. 건설 산업에서 자주 사용되는 I형 빔의 단면은 실제 경량화의 또 다른 예입니다. 단면 형상은 필요한 재료의 양을 최소화하면서 최대 굽힘 및 비틀림 강도를 제공합니다.

기존 설계 프로세스 및 방법론에 경량화 기술을 통합함으로써 제품 팀은 광범위한 부품 애플리케이션에서 실질적인 이점을 볼 수 있습니다. 경량화의 주요 이점은 다음과 같습니다.

1. 자재 절약 및 환경 발자국 감소

더 가벼운 부품은 일반적으로 경량화되지 않은 부품보다 재료 비용이 낮고 제조에 더 적은 에너지가 필요할 수 있습니다. 재료 소비를 줄이는 것은 적층 제조 분야가 아직 완전히 재활용 가능한 상태가 아니기 때문에 환경적 이점도 제공합니다(일부 재료는 재사용할 수 있음). 제너레이티브 설계 및 토폴로지 최적화는 적층 제조로 경량화를 달성하는 다양한 방법을 제공하고 필요한 최소량의 재료를 사용하여 거의 최적에 가까운 부품을 설계할 수 있도록 합니다.

2. 연료 효율성 향상

엔지니어링 분야에서는 더 가벼운 부품이 바람직한 경우가 많지만, 10% 중량 감소로 연료 효율이 6-8% 향상될 수 있는 자동차 제조에서 특히 가치가 있습니다.

항공우주 제조업체도 혜택을 볼 수 있습니다. 연구원들은 철도 차량을 경량화하면 자동차보다 더 많은 에너지를 절약할 수 있으며 항공기는 철도 차량보다 최대 100배 더 경량화의 이점을 얻을 수 있다는 것을 발견했습니다. 또한 지능적으로 더 적은 재료를 사용하면 제품 팀이 부품의 강도 대 중량 비율을 높일 수 있으며 이는 항공기에 매우 중요합니다.

3. 확장된 재료 옵션

많은 경우 원하는 재료의 밀도와 무게로 인해 제품 팀이 선택할 수 있는 선택이 제한됩니다. 그러나 격자와 같은 방법을 통한 지능적 경량화는 주어진 응용 프로그램에서 작동하지 않을 수 있는 재료의 기능을 확장할 수 있습니다. 그 결과 유효 부품 밀도가 낮아지고 벌크 기계적 특성이 수정될 수 있습니다. 이를 통해 제품 팀은 바람직한 화학적, 열적, 미적 및 기계적 특성을 가진 재료를 활용할 수 있습니다.

4. 향상된 성능

경량화와 전략적 설계 선택을 결합하면 부품 성능을 개선하는 데 도움이 될 수 있습니다. 예를 들어, 경량화를 위해 격자 구조를 사용하면 무게를 줄이는 이점과 충격 흡수 동작을 개선하고 조정할 수 있는 기능을 도입할 수 있습니다.

경량화를 위한 주요 고려사항

경량화할 때 염두에 두어야 할 가장 중요한 것은 중요한 구성 요소가 손상되어서는 안 된다는 것입니다. 제품 팀은 시작하기 전에 해당 부품의 기능에 중요한 것과 중요하지 않은 것을 명확하게 정의하는 것이 중요합니다.

경량화는 일반적으로 무겁고 단단하며 과도하게 제작된 부품에 적용할 때 가장 효과적입니다. 재료 비용이나 무게가 문제가 되지 않거나 둘 다 이미 최적 수준에 가깝다면 경량화는 가치가 없거나 필요하지 않을 수 있습니다. 거기에서 강성, 강도 대 중량 비율, 인장 강도 및 기타 특성과 같은 재료 속성은 주어진 부품 또는 구성 요소를 경량화하기 위한 이상적인 재료 및 형상을 결정하는 데 도움이 됩니다.

부품의 형상도 고려해야 합니다. 이렇게 하면 실행 가능한 생산 방법이 제한되기 때문입니다. 제너레이티브 디자인으로 설계된 단순한 구성 요소는 때때로 툴링 또는 우레탄 캐스트가 될 수 있지만 더 복잡한 디자인에는 다른 솔루션이 필요합니다.

예를 들어, 격자는 경량화를 위한 매우 효과적인 설계 솔루션이지만 복잡한 부품 형상은 일반적으로 가공할 수 없습니다. 다행히 HP Multi Jet Fusion(MJF)과 같은 적층 제조 프로세스를 통해 제품 팀은 뛰어난 강도와 기하학적 유연성을 제공하는 폴리아미드 12(PA 12)와 같은 다양한 재료로 기하학적으로 복잡한 구성 요소를 만들 수 있습니다. 격자는 부품의 표면적 대 부피 비율을 크게 증가시키며, 이는 제품 팀이 비스테인리스 강과 같이 빠르게 산화되는 재료로 작업하는 경우 부품의 수명이나 내구성에 영향을 미칠 수 있습니다.

안전은 경량화와 관련하여 또 다른 주요 고려 사항입니다. 많은 솔리드 부품은 필요한 것보다 더 많은 원하는 특성을 제공합니다. 예를 들어 구성 요소는 필요한 것보다 100배 더 단단할 수 있습니다. 예를 들어, 경량화를 통해 재료를 제거하면 동일한 부품의 강성을 필요한 것의 25배(또는 더 적은 배수)로 줄일 수 있습니다.

부품은 여전히 ​​실행 가능하지만 제품 팀은 안전을 보장하고 규정 준수를 달성하는 데 여유가 없습니다. 따라서 경량화는 극한 조건에 노출될 때 부품의 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 제품 팀은 항상 이 점을 염두에 두어야 합니다.

부품 경량화를 위한 효과적인 솔루션

부품 및 구성 요소에서 재료를 전략적으로 제거하여 전체 무게를 줄임으로써 제조업체는 부품 효율성 향상, 상당한 비용 절감, 재료 선택 확대 등 여러 부수적 이점을 활용할 수 있습니다.

역사적으로 차량의 연비를 개선하는 데 사용되었지만 그 어느 때보다 많은 시장 부문에서 이 관행을 활용하고 있습니다. 사실 경량 재료 시장은 2023년까지 2,430억 달러의 가치가 있을 것으로 예상됩니다. 특히 소비재 시장은 다음으로부터 혜택을 받을 수 있습니다. 경량화 — 심지어 일회용 플라스틱 사용 감소와 같은 원인을 지원하는 데 도움이 될 수도 있습니다.

그러나 경량화 프로세스에는 고도의 기술 전문성이 필요할 수 있습니다. 즉, 경량화를 통해 비용을 절감하고 효율성을 극대화하려는 제품 팀은 Fast Radius와 같은 노련한 디자이너 및 엔지니어 팀과 파트너 관계를 맺는 것이 좋습니다.

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