“Moet het snel klaar? Ontwerp dan in staal. Moet het licht zijn? Grijp naar aluminium – tegen meerprijs, uiteraard. Moet het nog lichter maar vormt de prijs echt geen bezwaar? Pak dan de koolstofvezels maar uit de kast.” Bij lichtgewicht ontwerpen komen al snel ‘the usual suspects’ aluminium en koolstofcomposieten in beeld. Je ontwerp is dan zeker lichter, maar kan het ook goedkoper terwijl je toch aan alle eisen blijft voldoen?
De voordelen van lichtgewicht ontwerpen zijn behoorlijk gevarieerd. Gewichtsvermindering kan zorgen voor betere prestaties of energiebesparing en maakt het mogelijk kleinere en lichtere subonderdelen te gebruiken. Zo ontstaat een gunstig sneeuwbaleffect. Echter, niet alle kilo’s wegen even zwaar, en niet álles gaat erop vooruit als we het lichter maken. Een lichte auto of fiets levert winst, maar een te licht schipanker zorgt voor problemen. Hoe kom je tot het optimale ontwerp? Met behulp van de vier procesfasen van constructief ontwerpen.
Gefaseerd aan de slag
Bij constructief ontwerpen begin je met precies hetgeen te specificeren dat absoluut nodig is, uitgaand van maximale belasting, levensduur en veiligheid. Hierna richt je je op het kiezen van de juiste materialen en het vormgeven en detailleren van de constructie. Komt buiging of torsie in beeld? In geval van het laatste winnen aluminium en composieten het zeker van staal: tegen flinke kosten. Maar wie echt slim ontwerpt houdt deze belastingsvormen überhaupt buiten de deur en dan ontstaat er een ander verhaal: je ontwerpt dan op sterkte en niet op stijfheid. Dan doet staal het, zeker in het licht van stootbestendigheid en vermoeiing, verrassend goed. Als er dan ook nog zo min mogelijk onderdelen zijn – want hoe meer onderdelen hoe meer gewicht voor verbindingen en spanningsconcentraties - kun je naar stap drie: analyse. Deze stap loopt in de praktijk steeds meer door stap twee van vorm, detail en materiaal heen. De software Inspire van Altair stelt je in staat de stappen gelijktijdig te doen en zelfs om vorm en details automatisch te genereren: het veelgenoemde en veelgeroemde generative design. In de laatste cruciale stap valideer je het ontwerp: voldoet het aan alle eisen? Dat kan met een simulatie, maar liever met een prototype. Bij veiligheidskritische constructies is een prototype verplicht, maar ook bij andere constructies is het maken hiervan altijd verstandig; het is het meest waarheidsgetrouw. Het ontwerp kan in deze fase verbeterd worden. Voor lichtgewicht ontwerpen moet er vooral goed worden geïtereerd. De tijd en het geld dat dit kost zorgt ervoor dat lichtgewicht ontwerpen eigenlijk al begint voordat de eerste stap van specificeren genomen wordt.
Denkwerk
Ondanks alle tools die er voor constructief ontwerpen voorhanden zijn blijft nuchter en creatief denken belangrijk. De enorme ervaring van de maakindustrie kent ontelbare mogelijkheden en combinaties, soms zelfs met traditionele materialen. Tegelijkertijd beslaan de ‘usual suspects’ aluminium en koolstofvezels dus belangrijk terrein, maar ook klassieke materialen waarvoor ook steeds lichtere varianten ontstaan kun je niet uitvlakken. Om het nog maar niet te hebben over de materialen van de toekomst!
Toepassing voor jouw constructie
Hoeveel lichter en tegelijkertijd goedkoper je kunt ontwerpen ontdek je dus in het constructieproces. Benieuwd hoe je al deze stappen voor jouw specifieke product goed doorloopt en hoe je het beste ontwerp maakt? In de PAOTM-cursus Lichtgewicht ontwerpen leer je van vakspecialist Erik Tempelman alle ins en outs kennen, werk je met Orlando Sardaro van Altair zelf met de software Inspire aan de hand van een eigen case en werp je een blik in de toekomst van materialen.
Bron: Constructeur, door Erik Tempelman
Beeld: Schets van de Atlas Human Powered Helicopter (Koos Eissen)
