軽量設計：素材、技術革新、未来のソリューション

軽量設計は製造業の未来であり、二酸化炭素排出量を削減し、部品の性能を向上させる。

軽量設計の革新性を追求することによる環境面および経済面での実質的なメリットは、現在および今後数年間にわたり、多くの産業における投資と研究の重要な分野として、その重要性が継続することを保証する。

この記事では、軽量設計の素材、技術、将来のソリューションの概要を紹介する。

I.軽量設計の経済的価値

基本的に軽量設計とは、信頼性や機能性を損なうことなく、部品の材料量を減らし、全体の重量を軽くすることである。

現在、世界各国はエネルギー消費と温室効果ガスの排出を削減するよう、あらゆる産業に要求を課している。

軽量設計は、優れた部品性能を達成し、製品寿命を延ばしながら、気候変動という課題に対処するために必要なソリューションをメーカーに提供することを目的としている。

自動車や航空宇宙産業で最もよく見られる軽量設計は、燃費を向上させ、航空機や電気自動車の性能を高める。

しかし、軽量設計が建設、再生可能エネルギー、電子・電気製品の製造分野でも技術革新を牽引していることは注目に値する。部品の軽量化は輸送コストとエネルギーコストを下げ、より資源効率の高い生産方法がこれらすべての分野で採用されている。

II.軽量設計における主要素材

軽量材料とは、製品の重量を減らし、全体的な製品性能を高めるために使用できる材料である。材料の軽量化には、機械的性能要件を満たす軽量の金属や非金属を使用して重量を減らすことが含まれます。

現在の自動車製造分野では、軽量素材には主にアルミニウム、マグネシウム、チタン合金が含まれる。

(1) アルミニウム合金

アルミニウムはその軽量特性により、自動車産業で広く使用されている。自動車業界のアナリストによると、アルミニウム合金部品を使用することで、安全性や性能を犠牲にすることなく、車両重量を最大50%削減できるという。

アルミニウムの可鍛性、耐久性、軽さは、消費財、電子機器、航空機の製造によく使われる素材にもなっている。

ハイブリッド車と電気自動車のトレンドが続く中、自動車メーカーは、その低コスト、高性能、卓越した軽量化特性により、アルミニウムを選択すべき材料と見なし続けるだろう。

(2) マグネシウム合金

マグネシウム合金はすべての構造用金属の中で最も密度が低く、アルミニウムより33%、チタンより50%、鋼鉄より75%軽く、部品重量を最大70%削減できる可能性がある。

マグネシウムは軽量設計エンジニアにとって貴重な材料であることが証明されている。マグネシウムは加工が容易で、構造強度が高く、自動車産業や航空宇宙産業、消費財の製造に広く使用されている。自動車分野では現在、パワートレインやサブコンポーネントの筐体にマグネシウムが使用されている。

マグネシウムは密度が低く、比強度が高いため、航空機やミサイルからノートパソコンやテレビに至るまで、あらゆるものに軽量部品として使用されている。部品や構造要素に加え、マグネシウムベースのバッテリーは現在、自動車産業向けに開発されている。

米国自動車材料パートナーシップの分析によると、113kgのマグネシウムは226kgの鋼鉄を代替できる。40kgのマグネシウムは68kgのアルミニウムを代替できる。これは15%の車両重量削減につながる。

中国は2030年までに、自動車生産に使用されるマグネシウム部品の量を1台当たり45kgまで増やす計画である。

世界のマグネシウム市場は2019年に$4.115億円と評価され、2027年には$5.9281億円に達すると予想されている。中国は世界のマグネシウムの約85%を生産している。

(3) チタン合金

チタンは優れた耐食性、耐磁性、電場や電磁場に対する優れたシールド性、極端な温度への耐性、鋼鉄よりも高い引張強度を持ちながら、重量はわずか半分しかない。

近年、チタン合金の生産は著しく進歩している。タービンブレード、航空機フレーム、抵抗器、回路基板、手術器具などの製造に使用されている。自動車産業では、軽量の チタン合金 排気システム、エンジン、トランスミッション、フレーム。

チタンの世界需要は2021年の$247億から2026年には$335億に増加すると予想されている。

III.軽量設計と製造技術の革新

様々な産業が環境目標を達成するために部品の軽量化に取り組む中、革新的な製造技術がこれを後押ししている。企業は、低コストで高性能の部品を製造するための新しい方法を求めており、レオキャスティングは現在、チクソキャスティングに代わって広く普及している。

レオキャストの主な利点のひとつは、広範囲の固形分率を持つ金属を鋳造できることであり、高強度かつ優れた延性を持つ軽量部品を効果的かつ経済的に製造できる。

積層造形（3Dプリンティング）技術の進歩により、エンジニアはこれまでにない自由な設計ができるようになりました。アディティブ・マニュファクチャリングは、従来の金型に比べて大幅にコストを削減し、複雑な形状を製造することを可能にします。 鋳造技術.

また、中実形状を中空構造に変えたり、中実構造を内部格子設計に置き換えたりすることで、部品の重量を減らすためにも利用されている。実際、現在では、積層造形技術を使用してのみ製造可能なさまざまな軽量部品が存在する。

V.軽量化のための将来のソリューション

軽量設計の将来は、アルミニウム、マグネシウム、チタン合金の使用に引き続き焦点が当てられるが、炭素繊維やガラス繊維強化ポリマーのような複合材料も取り入れられるだろう。

現在、多くの企業が航空宇宙産業や自動車産業向けに、プラスチックベースのハイブリッド軽量部品の開発に注力している。

コンピューターソフトウェアと積層造形技術の革新は、より軽量な製品、部品、構造の開発を可能にする。

エンジニアは、専用ソフトウェアを使用して最も効果的に軽量化できる領域を特定し、さまざまなコンポーネントのトポロジーを最大限に最適化できます。その後、デジタル3Dモデルで軽量部品の性能をテストし、最適な設計オプションを決定します。

バイオミミクリー・デザインとバイオニクスは、軽量設計の未来を象徴しているかもしれない。エンジニアや科学者たちは、自然界に見られる軽量で多機能な構造に基づいて部品を製造している。

骨格をベースにした機体を採用したエアバス2050コンセプト機などがその例だ。最近の研究では、単細胞プランクトンの外骨格、ハニカム構造、草の茎の構造、蝶の表皮細胞や翅に焦点が当てられている。

継続的な技術革新と科学的革新を自然に対するより深い理解と組み合わせることで、メーカーと産業界は、CO2排出量の削減と気候変動への対応という人類共通の目標達成を支援するため、より軽量で強靭な部品の開発を続けていくだろう。