轻量化的4个好处

随着环境问题对消费者越来越重要，许多市场部门正在转向提高能源意识和可持续性。虽然可再生能源、电动汽车和可持续材料等解决方案往往会受到媒体的广泛关注，但轻量化等做法虽然不那么华而不实，但在推动整个市场向更高能效转变方面发挥着关键作用。

术语“轻量化”可以指将传统使用的材料换成更轻的材料，减少实际使用的材料量，和/或优化零件或系统的设计以结合这些实践。轻量化可以使产品团队减少零件或整个系统（例如汽车）所需的重量和材料，同时保持关键功能要求。这样做可以为制造商和消费者节省大量成本，同时还能提高能源效率，甚至提高最终产品的功能。

几十年来，汽车和航空航天工业一直在使用轻量化来减少车辆质量并提高燃油效率，而不会牺牲关键功能或安全性。工字梁的横截面，常用于建筑行业，是轻量化的另一个例子。横截面形状提供最大的弯曲和扭转强度，同时最大限度地减少所需材料的数量。

通过将轻量化技术整合到现有的设计流程和方法中，产品团队可以在广泛的零件应用中看到实实在在的好处。轻量化的一些主要好处包括：

1。节省材料并减少对环境的影响

较轻的部件通常比非轻量化的部件具有更低的材料成本，并且制造所需的能源也更少。减少材料消耗还可以带来环境效益，因为增材制造领域尚未处于完全可回收的状态（尽管有些材料可以重复使用）。衍生式设计和拓扑优化提供了多种通过增材制造实现轻量化的方法，并且可以使用最少的所需材料设计出接近最佳的零件。

2。更高的燃油效率

虽然在工程中通常需要更轻的部件，但它们在汽车制造中尤其有价值，在汽车制造中减轻 10% 的重量可以提高 6-8% 的燃油效率。

航空航天制造商也将从中受益；研究人员发现，轻量化轨道车比汽车更节能，飞机从轻量化中受益最多是轨道车的 100 倍。此外，智能地使用更少的材料可以使产品团队提高零件的强度重量比，这对飞机来说非常重要。

3。扩展材料选项

在许多情况下，其他理想材料的密度和重量限制了产品团队可用的选择。但是，通过网格等方法进行智能轻量化可以扩展材料的功能，否则这些材料可能不适用于给定的应用程序。结果可能是较低的有效零件密度，甚至改变了整体机械性能。这使产品团队能够利用具有理想化学、热、美学和机械性能的材料。

4。提高性能

将轻量化与战略设计选择相结合有助于提高零件性能。例如，使用晶格结构进行轻量化既可以减轻重量，又可以改善和调整冲击吸收行为。

轻量化的主要考虑因素

轻量化时，要记住的首要事项是关键组件不应受到损害。产品团队必须在开始之前明确定义对其部件的功能而言哪些是关键的，哪些不是关键的。

当应用于重型、刚性和过度建造的零件时，轻量化通常最有效。如果材料成本或重量不是问题，或者两者都已经接近最佳水平，那么轻量化可能不值得或没有必要。从那里开始，刚度、强度重量比、抗拉强度和其他特性等材料特性将有助于确定用于轻量化给定零件或组件的理想材料和几何形状。

还应考虑零件的几何形状，因为这将限制可行的生产方法。使用衍生式设计设计的简单组件有时可以使用工具或聚氨酯浇注，但更复杂的设计需要不同的解决方案。

例如，晶格是一种非常有效的轻量化设计解决方案，但其复杂的零件几何形状通常无法加工。幸运的是，HP Multi Jet Fusion (MJF) 等增材制造工艺使产品团队能够使用聚酰胺 12 (PA 12) 等各种材料制造几何形状复杂的组件，这种材料具有出色的强度和几何灵活性。需要注意的是，晶格会显着增加零件的表面积与体积比，如果产品团队使用非不锈钢等快速氧化的材料，这可能会影响零件的寿命或耐用性。

在轻量化方面，安全性是另一个关键考虑因素。许多实心部件提供了比所需更多的所需特性——例如，一个部件的刚度可能是它需要的 100 倍。例如，通过轻量化来消除材料可以将同一部件的刚度降低到所需的 25 倍（或另一个较小的倍数）。

尽管该部件仍然可行，但产品团队在确保安全和实现合规性方面的回旋余地较小。因此，轻量化会影响部件在极端条件下的性能——因此产品团队应始终牢记这一点。

零件轻量化的有效解决方案

通过战略性地从零部件中去除材料以减轻其整体重量，制造商可以利用许多辅助优势，包括更高的零件效率、显着的成本节约和更多的材料选择。

虽然历史上用于提高车辆的燃油效率，但比以往任何时候都更多的市场部门正在利用这种做法——事实上，轻质材料市场预计到 2023 年将价值 2430 亿美元。特别是消费品市场可以受益于轻量化——甚至可能有助于支持减少一次性塑料使用等原因。

然而，轻量化过程可能需要高度的技术专长——这意味着希望通过轻量化来降低成本和最大化效率的产品团队最好与 Fast Radius 等经验丰富的设计师和工程师团队合作。

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