Die Reduzierung des Materialverbrauchs in der Fertigungsindustrie hat in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Dieser Trend ist nicht nur ökologisch begründet, sondern birgt auch zahlreiche weitere Vorteile. Eine der offensichtlichsten Vorteile der Materialreduzierung in der Fertigung liegt im Bereich der Nachhaltigkeit und des Umweltschutzes. Weniger Materialverbrauch bedeutet geringere Rohstoffgewinnung und -verarbeitung, was wiederum den Energieverbrauch und die Umweltauswirkungen reduziert. Dies trägt zur Verringerung von Treibhausgasemissionen und zur Schonung natürlicher Ressourcen bei.
Weiterhin führt die Reduzierung des Materialverbrauchs unmittelbar zu Kosteneinsparungen in der Fertigung. Weniger Material bedeutet geringere Beschaffungskosten, Lagerkosten und Entsorgungskosten. Darüber hinaus werden Transportkosten reduziert, da weniger Material bewegt werden muss. Dies führt zu einer verbesserten Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen, insbesondere in Branchen mit hohem Materialverbrauch. Die Verarbeitung von Rohstoffen und die Herstellung von Produkten erfordern erhebliche Energiemengen. Durch die Reduzierung des Materialverbrauchs kann der Energiebedarf in der Fertigung daher erheblich gesenkt werden. In vielen Branchen, insbesondere im Transport- und Fahrzeugbau, spielt das Gewicht der hergestellten Produkte eine entscheidende Rolle. Durch die Materialreduzierung können leichtere Komponenten hergestellt werden, was zu einer verbesserten Energieeffizienz von Fahrzeugen führt. Leichtere Produkte können auch den Kraftstoffverbrauch reduzieren und die Lebensdauer von Maschinen und Strukturen verlängern.
Die Materialreduzierung erfordert oft innovative Herangehensweisen und Technologien. Dies kann zu neuen Produkt- und Fertigungskonzepten führen, die die Wettbewerbsfähigkeit von Unternehmen stärken. Durch die Entwicklung leichterer und effizienterer Materialien und Fertigungstechniken können neue Märkte erschlossen und neue Anwendungsgebiete gefunden werden.
Der Einsatz des Formen-Generators innerhalb des Inventor Professional unterstützt dabei, Materialreduzierungspotentiale aufzudecken. Dies wird im Folgenden anhand eines Beispiels genauer erklärt. Als Grundlage dient die abgebildete Bauteilskizze.
Der Skizze wurde um 20 LE (Längeneinheiten) extrudiert und eine Bohrung hinzugefügt. Zunächst wird eine Belastungsanalyse durchgeführt, um die anliegenden Spannungen und kritischen Stellen zu messen und zu identifizieren. Das verwendete Material ist unlegierter Stahl, welches mit dem Sicherheitsfaktor auf die Streckgrenze referenziert wurde. Neben der Streckgrenze wäre auch die Zugfestigkeit eine relevante Kenngröße, auf die Bezug genommen werden könnte. Diese findet allerdings eher bei spröden Materialien Anwendung.
Auf die Bohrung wurde eine Pin-Abhängigkeit angewendet, und die untere Bauteilfläche wird fest eingespannt. Auf die obere Absatzfläche wird eine Kraft von 3 kN (Kilonewton) angelegt. Mit den angewendeten Lasten und Randbedingungen ergibt sich folgendes Modell für die Belastungsanalyse:
Nach Durchführung der Analyse liegt der Spannungshöchstwert bei 140,1 MPa (Megapascal) an der unteren Abrundung des Bauteils. Die Zugfestigkeit von unlegiertem Stahl liegt bei 295 MPa, daher weit unter dem ausgerechneten Wert.
Mithilfe des Formen-Generators 
können die Form und das Gewicht des Bauteils reduziert werden, ohne dass es unter der anliegenden Last versagt. Bei Auswahl wechselt der Inventor sofort in die Belastungsanalyse mit dem Namen „Formen-Generator:1“. Die Einstellungen für Material, Lasten und Abhängigkeiten müssen wie im Ausgangsbauteil definiert werden, damit es der Belastung trotz Gewichtsreduzierung standhalten kann.
Im nächsten Schritt müssen die Bereiche definiert werden, die nicht durch die Analyse verändert werden sollen. Hierfür wird die Funktion „Beibehaltene Bereiche“ genutzt. Dazu zählen die Regionen, denen eine Randbedingung zugeordnet worden ist, sprich die Bohrung, die untere Bauteilkante und die Absatzfläche. Bei Festlegung der Bereichsdefinition muss der Bereich mit der Bauteileinschränkung vollumfänglich in die Größendefinition eingeschlossen werden, sodass dieser (auch nicht zu Teilen) in die Materialumformung hineinfällt. Andernfalls kann die Verformung außerhalb des plastischen Bereichs nicht gewährleistet werden.
Für die Analyse müssen nun noch das Ziel für die Reduktion des Rohstoffes und die Netzdefinition mithilfe der Formen-Generator-Einstellungen definiert werden. Für das Bauteil wird eine prozentuale Reduzierung von 45% angestrebt. Die tatsächliche Masse kann jedoch von den Analyseeinstellungen abweichen, wenn sich die daraus resultierenden Spannungswerte oberhalb des Sicherheitsfaktors befinden würden.
Nach Anwendung der Formanpassung wird die veränderte Form dargestellt. Mithilfe des Buttons „Form anwenden“ kann die angepasste Bauteilstruktur als Drahtmodell in das ursprüngliche Modell gelegt werden. Um die Struktur für das Bauteil zu übernehmen, muss mittels Skizzenoptionen die Kontur des Drahtmodells nachgezeichnet werden. Dadurch kann mit dem Extrusionsbefehl die Schnittmenge zwischen Ursprungsvolumen und Drahtmodell als neue Bauteilkontur definiert werden.
Im letzten Schritt gilt es zu überprüfen, ob die neue Bauteilstruktur den ursprünglichen Belastungen standhalten kann. Bei der Aktivierung der ersten Studie wird das neue Modell übernommen. Das Netz und die Ergebnisse können mit Rechtsklick aktualisiert werden. Bei der Auswertung der Studie liegt der Maximalwert der Rundung bei 188,9 MPa. Dies ist auf folgendem Bild veranschaulicht dargestellt.
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