Jak odlehčit vaše návrhy

Martin Peňáz, Autodesk

Ať už vyrábíte cokoliv, není pochyb o tom, že vašemu produktu prospěje odlehčení. Vyrábíte těžké konstrukce? Odlehčete je a ušetříte na materiálu. Konstruujete výrobní linky? Odlehčení se promítne do rychlejšího pracovního cyklu. Navrhujete spotřební zboží? Určitě tušíte, že si zákazníci z dvojice podobných produktů raději vyberou ten lehčí. Také u průmyslových strojů hraje nižší hmotnost roli – snižuje spotřebu energie a zrychluje provoz.

 

Je v tom ale háček: odlehčování je jen jedním z dílků skládačky, kterou vývojáři a konstruktéři dennodenně sestavují. Jak navrhnout produkt, který bude co nejlehčí a zároveň splní všechny nároky na něj kladené? Jak ho vyrobit co nejrychleji a nejlevněji?

 

Než se do odlehčování pustíme, vysvětleme si nejdřív, proč o něj tolik konstruktérů usiluje.

 

Pokud se to má hýbat, odlehčete to. Tato zásada se samozřejmě týká např. dopravních strojů. Lze ji ale vztáhnout i na pohyblivé součásti průmyslových strojů nebo na výrobky, které zákazníci nosí při sobě. Pohyb vyžaduje energii, a v tomto případě nezáleží na tom, jestli ji vyvíjí motor nebo člověk. Čím méně úsilí bude k uvedení vašeho produktu do pohybu potřeba, tím pozitivněji jej budou zákazníci vnímat.

Nová bionická přepážka v letadlech Airbus je o 30 kg lehčí než přepážky používané doposud – to představuje snížení hmotnosti o 45 %. Airbus odhaduje, že mu každá odlehčená přepážka ušetří až 3,2 tuny paliva ročně. Obrázek poskytla společnost Airbus.

Pro získání bližší představy o přínosech odlehčování si vezměme např. letecký nebo automobilový průmysl. Na jeden ušetřený kilogram hmotnosti v letadle se roční spotřeba paliva sníží o 106 kg. U automobilů může 10% snížení hmotnosti zvýšit palivovou účinnost až o 3 %. Existují přitom normy, které každoroční zvyšování palivové účinnosti u osobních a lehkých nákladních vozidel přímo vyžadují, jako např. americké emisní standardy CAFE.

Pak je tu zlepšení výkonu. Lehčí součástky pracují rychleji. Tím se zkracuje délka cyklu či zvyšuje kapacita, což má přímé dopady na ziskovost provozu. Lehčí auta lépe zrychlují a snáze se ovládají, zvyšuje se počet najetých kilometrů, maximální nosnost vozidla i jeho životnost. Při navrhování větrných turbín se používají uhlíková či skleněná vlákna, která umožňují prodloužit listy rotoru a dají se použít i ve vyšších rychlostech – odlehčení o 20–30 % přitom může až třikrát zvýšit množství vygenerované energie.

U spotřebního zboží, například zavazadel nebo elektroniky, odlehčení zlepšuje ergonomii a chování výrobku. Odlehčení se cení i u sportovního vybavení: odlehčete rám kola a cyklista pojede rychleji a jízdu si lépe vychutná. Lehčí helma a chrániče zase znamenají, že se hráč může volněji pohybovat.

Nezapomínejte, že pokud výrobek vhodně odlehčíte, spotřebujete na jeho výrobu méně materiálu a ušetříte. Pozor, to ale neplatí vždy – naopak tomu bude například tehdy, když těžký, levný materiál nahradíte lehčím, který je ale exotičtější nebo nákladnější na výrobu.

Odlehčení může snižovat i cenu dopravy; ta už dnes ale nezávisí jen na hmotnosti přepravovaného nákladu. Společnost DHL např. začala naceňovat podle tzv. objemové hmotnosti, která se odvíjí i od rozměrů balíku. Nově tedy záleží i na prostoru, který zásilka zabírá. Pokud tedy chcete na přepravě ušetřit, kromě odlehčování přejděte na obalová řešení, která objemovou hmotnost sníží.

Něco za něco: odlehčování je o kompromisech. Odlehčení výrobku vždy ovlivní jeho další vlastnosti. Máme pro vás ale dobrou zprávu: mnoho produktů je navrženo zbytečně komplikovaně a z hlediska bezpečnosti se počítá s jistou rezervou. Stačí je odlehčit na správných místech a požadavky na pevnost stále s přehledem splníte. Na druhou stranu je potřeba zvážit i další, méně očividné faktory.

Zamýšlíte se nad dopady odlehčení konkrétního produktu? Nezapomínejte na bezpečnost. Bezpečnostní opatření jsou například hlavní příčinou rostoucí hmotnosti automobilů: v roce 2008 byl kvůli nim průměrný americký automobil o 240 kg těžší než jeho předchůdce před 20 lety – to představuje 20% nárůst hmotnosti. V posledních letech se tento trend sice zastavil, ale bezpečnost stále naše možnosti odlehčovat limituje.

Průměrná hmotnost vozidel v USA (v librách). V letech 1988–2018 v USA stabilně rostla hmotnost vozidel, a to v důsledku nových bezpečnostních opatření, jako např. airbagů či vysokopevnostních materiálů. Data poskytla EPA.

Odlehčené díly také hůře odolávají vibracím. Musíte proto pečlivě změřit jejich vlastní frekvenci kmitů, při které dochází k rezonanci, abyste předešli katastrofickému scénáři, kdy díly selžou v provozu. Možná bude potřeba přidat i tlumení. V takovém případě si dejte pozor, aby celá vaše snaha o odlehčování nevyšla vniveč.

 

Při nahrazování jednoho materiálu druhým se nezaměřujte jen na jejich hustotu. Myslete i na to, že teplota, tlak, chemická odolnost, elektrická vodivost a další vlastnosti materiálu musí odpovídat prostředí, ve kterém se produkt bude používat.

 

Odlehčování dílů může být poměrně nákladné. Projeví se to, zejména když přecházíte na pokročilé materiály, jako karbonové vlákno či jiné kompozity. Konstruování z lehčených materiálů navíc vyžaduje nové dovednosti. Spolu s komplexnější geometrií to může znamenat, že bude vývojový cyklus zdlouhavější a složitější. I pokud budete „pouze“ chtít stávající produkty vyrábět novými metodami, můžete strávit poměrně dost času přepracováváním (a někdy i konsolidací) jednotlivých dílů.

 

Za další náklady „navíc“ mohou nové výrobní procesy, které jsou k výrobě lehčích materiálů a dílů potřeba. Lehčí a méně odolné díly bývá nutné zpevnit či přilepit – a rázem je výroba komplikovanější a spotřebuje více zdrojů.

Telefon iPhone 5c má na rozdíl od dražších hliníkových modelů plastové tělo.

Při odlehčování zvažte také uživatelskou zkušenost a očekávání zákazníků. Za určitých okolností může lehčí produkt působit lacině a nekvalitně – zejména když „bytelné“ kovové či hliníkové části nahradíte plastem. Při navrhování produktu se proto zamyslete, jestli zákazníci opravdu ocení plastové části, které se „tváří“ jako autentické přírodní materiály.

 

Při odlehčování vyvíjeného produktu může docházet k dominovému efektu – jakmile těžší materiál nahradíte lehčím (například autodíly namísto z oceli vyrobíte z kombinace oceli a hliníku nebo výhradně z hliníku), budete muset vyřešit i další otázky. Plech se například lakuje jinými metodami než povrch z uhlíkového vlákna – ten je v porovnání s jednolitým plechem poréznější a plný hrbolků a dalších nedokonalostí.

 

Dominový efekt se projevuje i u sváření: svařování hliníku či jeho přivařování k oceli (jako u luxusního Cadillacu CT6) je sice rychlejší než nýtování (a sváry jsou lehčí než nýty), ale ještě stále je v experimentální fázi, spotřebuje se na něj mnohem více energie a v současnosti se používá jen u produktů vyráběných v menších sériích.

Přes mnohé výše zmíněné problémy existuje hned několik úspěšných metod, jak snižovat hmotnost. Každá z nich má své výhody a nejlepšího výsledku dosáhnete, pokud budete od začátku zvažovat, která z nich se vám hodí nejlépe.

 

Prvním, nejčastějším přístupem, je nahrazení stávajících materiálů materiály s nízkou hustotou. Nové objevy ve výrobě kovů, polymerů a kompozitů se nesou ve znamení lehčích, odolnějších a levnějších materiálů (přestože ke zlevňování dochází zdaleka nejpomaleji).

 

V mnohých případech hraje i nadále prim ocel – může za to poměrně obstojný poměr mezí její pevností a hmotností. Nové slitiny a výrobní metody ale umožňují stále širší uplatnění lehčených materiálů. Například hliník: nejrozšířenější kov na Zemi, který přitom váží o 2/3 méně než ocel. Dalším stále žádanějším lehkým kovem je hořčík – jde o nejlehčí kov, který v současnosti najdete v konstrukcích. Kromě nízké hmotnosti má i další přednosti: je pevný, tuhý, rozměrově stabilní, odolný vůči nárazům, deformacím i vibracím.

 

Hořčík se čím dál častěji používá u přenosných zařízení a výrobků: motorových pil, notebooků, mobilních telefonů nebo například zavazadel. Popularitu si získává i v automobilovém průmyslu: najdeme ho v konzolích motoru a pedálů, sloupcích řízení, výztuhách přístrojového panelu a nebo také sedačkách.

Tradiční kovové díly jako výztuhu stále častěji nahrazuje uhlíkové vlákno. V mnoha případech se tím ušetří i 20–40 % hmotnosti. Obrázek poskytla společnost Firefly Space Systems.

K některým kovovým dílům mohou být vhodnou alternativou plasty a kompozitní materiály, například skleněná, uhlíková či kevlarová vlákna. Všechna mají podobnou pevnost, uhlíkové a kevlarové vlákno má ale mnohem lepší poměr pevnosti k hmotnosti. Kromě těchto dobře známých materiálů se začínají využívat i suroviny nové, které se tepelnou a chemickou odolnosti více podobají kovům.

 

Ohlédněme ale na chvíli od materiálů a záhy zjistíme, že nás při odlehčování omezují i možnosti tradičního subtraktivního způsobu výroby. Jakékoliv kovové díly či součástky musí být relativně tuhé, jak se ale rozšiřuje 3D tisk a další metody aditivní výroby, přibývá i možností.

 

První takovou metodou je navrhování dutých dílů. Pomocí 3D tisku můžete vytisknout díl, který bude mít uvnitř strukturu včelí plástve. Takový díl bude stále dostatečně pevný, a přitom na něj spotřebujete méně materiálu, než kdybyste ho vysoustružili nebo odlili. Ještě významnější je fakt, že mají dnešní konstruktéři nad vnitřní strukturou produktu větší kontrolu než kdy dřív.

Pomocí aditivní výroby můžete vnitřku dílu vtisknout strukturu včelí plástve, snížit tak jeho hmotnost, a přitom zachovat požadovanou pevnost a tuhost.

Podobného odlehčení jako u dutých dílů dosáhnete i metodou, která se více blíží tradiční výrobě: tzv. mikrobuněčným vstřikováním. Jde v podstatě o vstřikování se sycením plynem – do polymerní taveniny je vpraven plyn a směs je následně vstříknuta do formy. Při tom poklesne tlak a začnou vznikat bublinky plynu, které taveninu napění (podobně jako když otevřete plechovku limonády). Výsledkem je materiál lehčí o 20–40 %.

 

Hmotnost můžete snížit i zredukováním počtu dílů v sestavě. Oblíbenou metodou je nahrazení kovových dílů plastovými, kdykoliv je to možné. Díly pak snáze spojíte odléváním nebo 3D tiskem. U kovů, zejména hořčíku, můžete od obrábění či lisování přejít k odlévání tenkostěnných odlitků – zachováte integritu konstrukce, ale hotové díly budou lehčí.

 

Na hmotnosti konstrukci přidávají i šrouby, matice a nýty. Proto se vyvíjejí nové metody spojování těch materiálů, které se dříve považovaly za nesvařitelné – Tesla i General Motors například vylepšují techniky svařování hliníku či hliníku s ocelí. Pokroky na poli adhezivního spojování zase umožňují další a další materiály slepovat, bez ohledu na jejich hmotnost či odlišnou odolnost vůči teplu a vibracím.

 

Nakonec jsou tu technologie, které vám pomohou najít vhodné příležitosti k odlehčení hned na začátku konstrukčního procesu. S pomocí tradičních simulačních nástrojů můžete provádět pevnostní a bezpečnostní analýzu a na základě přesných výsledků provádět s modely iterace. Do softwaru pro konstruktéry se také integrují nástroje pro topologickou optimalizaci. Ta vám pomůže identifikovat a odstranit oblasti daného dílu, které nejméně přispívají k jeho pevnosti.

Topologická optimalizace identifikuje části konzole, které nepřispívají k její pevnosti a tuhosti. Ty poté můžete bez obav odstranit.

Budoucnost odlehčování je ještě nadějnější. Svědčí o tom zrod nových materiálů a technologií, například uhlíkových nanočástic, vícemateriálového 3D tisku či generativního designu. Uhlíkové nanočástice (přesněji uhlíkové nanotrubice) jsou sice ještě ve stádiu výzkumu a vývoje, ukazuje se ale, že mají pevnost v tahu 33x vyšší než kevlar. Vícemateriálový 3D tisk je aditivní technologií příští generace: s jeho pomocí budou konstruktéři a materiáloví inženýři ještě před výrobou součástky samotné schopni vytvořit materiál, který bude disponovat požadovanými vlastnostmi. Generativní navrhování zase umožňuje, aby byly v iterativním konstrukčním procesu plnohodnotně zastoupeny CAD, CAE i CAM metody. Konstruktérům bude stačit zadat jednotlivé parametry a omezení a vyrobí se ideální, optimalizované díly ve správné velikosti.

 

Budoucnost výroby vypadá díky těmto a dalším pokročilým metodám zářně a slibně. Už dnes ale mají vývojáři a konstruktéři k dispozici bezpočet možností a praktických přístupů, které jim s odlehčováním pomohou. Nové materiály a výrobní procesy nám umožňují prozkoumávat geometrie, které kdysi vypadaly jako naprosté sci-fi, inovativní přístup k upevňování dílů a jejich redukování nám umožňuje díly navrhovat zevnitř, a konečně díky pokročilým CAD, CAE a CAM technologiím můžeme přicházet s díly, které jsou levnější, pevnější a lehčí než kdy dřív.