Che cos'è la progettazione ecocompatibile?

La progettazione ecocompatibile è un approccio che tiene conto di sostenibilità e considerazioni ambientali di un prodotto in ogni fase del ciclo di vita del prodotto, dalle fasi di progettazione e produzione alla possibilità di riutilizzo, e integra tali considerazioni direttamente nel progetto. La progettazione ecocompatibile prende in considerazione la durata di un nuovo prodotto e l'impatto che la sua durata avrà nei cicli di vita futuri. I prodotti progettati in modo ecocompatibile spesso includono requisiti di progettazione aggiuntivi per trovare compromessi e raggiungere l'equilibrio ideale tra le prestazioni e funzionalità tecniche e la sostenibilità.

Quando si progettano prodotti più sostenibili ed ecocompatibili, vengono presi in considerazione molti fattori, tra cui:

• Qual è la durata del prodotto e cosa accadrà al termine del suo ciclo di vita? Il prodotto può essere progettato per consentirne lo smontaggio e sostituire le parti usurate (ad esempio, estensione della durata) ed è presente un sistema per recuperare i prodotti al termine del ciclo di vita?
• Quali sono gli impatti ambientali dei materiali e dei processi utilizzati nelle diverse fasi di produzione di un prodotto (consumo energetico, impronta di CO₂, consumo di acqua, eccetera)? È possibile utilizzare nuovi materiali e processi diversi da materiali e fornitori preferiti dall'azienda?
• I produttori promuovono l'efficienza energetica tramite energie rinnovabili o vengono utilizzati combustibili fossili per produrre il prodotto?
• Qual è l'impronta di carbonio del prodotto?
• Quali sono i principali fattori che contribuiscono (ad esempio, parti, trasporto, utilizzo del prodotto, ecc.), e quali modifiche possono essere apportate per ottenere la massima riduzione?
• Le materie prime previste sono sostenibili o esistono opzioni più ecologiche (ad esempio, maggiore uso di contenuti riciclati, uso di energia verde o uso di nuovi processi ecologici)?

Queste domande possono essere poste durante le fasi di progettazione e sviluppo del prodotto per garantire che un prodotto sia progettato con principi sostenibili. È sempre meglio esaminare queste domande nelle prime fasi del ciclo di progettazione. Spesso le modifiche non vengono prese in considerazione fino a quando non è troppo tardi, quindi un approccio preventivo è il modo più efficiente per progettare prodotti sostenibili.

Con l'introduzione di nuove normative, la catena del valore sta adottando nuove metriche che avranno un impatto sulla catena di fornitura e spingeranno ciascun livello a divulgare e migliorare le metriche di sostenibilità dei propri prodotti. Ciò sta già avvenendo con le normative REACH (Registration, Evaluation, Authorization, and Restriction of Chemicals) e diventerà ancora più critico in futuro, quindi questo aspetto deve essere affrontato il prima possibile.

L'ESPR (Ecodesign for Sustainable Products Regulation), formalmente noto come Direttiva UE sulla progettazione ecocompatibile, è un inquadramento normativo utilizzato insieme ai requisiti di reporting della Direttiva CSRD (Corporate Sustainability Reporting Directive) per promuovere la sostenibilità dei prodotti nell'Unione Europea (UE).

L'ESPR copre diversi aspetti della progettazione ecocompatibile, tra cui:

• Miglioramento di durata, riutilizzabilità, aggiornabilità e riparabilità del prodotto per prolungarne la durata
• Possibilità di rendere i prodotti più efficienti in termini di uso di energia e risorse grazie a un minore consumo di energia
• Divieto di uso di materiali contenenti sostanze che inibiscono la circolarità
• Riutilizzo dei materiali nei prodotti futuri per promuovere un'economia circolare e uso di meno risorse naturali
• Aumento di contenuto riciclato dei materiali utilizzato in un prodotto
• Semplificazione di rigenerazione e riciclo dei prodotti
• Riduzione dell'impatto ambientale e delle emissioni di carbonio in un prodotto
• Miglioramento della disponibilità di informazioni relative alla sostenibilità dei prodotti per promuovere la trasparenza nella catena di fornitura.

L'ESPR è entrato in vigore nel luglio 2024, pertanto è un framework relativamente nuovo, ancora soggetto a cambiamenti e ulteriori sviluppi. Poiché si tratta di un inquadramento, definisce obiettivi specifici, ma fornisce anche un modo per le aziende di esaminare come estendere la vita dei propri prodotti e migliorarne l'impatto ambientale per l'intero ciclo di vita del prodotto. In futuro verranno adottate regole concrete per prodotto o per gruppi di prodotti con caratteristiche simili.

Il primo principio della progettazione ecocompatibile è considerare gli aspetti ambientali coinvolti nello sviluppo di un prodotto e ridurre l'impatto ambientale di un prodotto mantenendone al contempo la funzione tecnica. Esistono molte metriche che regolano la progettazione ecocompatibile:

• Impronta di carbonio dei materiali e dei processi
• Utilizzo di acqua
• Efficienza energetica
• Quantità di materiale di rifiuto durante la produzione
• Riutilizzo o possibilità di riciclo
• Numero di risorse utilizzate
• Conformità alle normative
• Generazione di inquinamento

Tutti questi fattori contribuiscono alla creazione di un prodotto con minore anidride carbonica equivalente (CO₂-eq) ed energia incorporata, riducendo di conseguenza l'impatto ambientale.

Equilibrio di prestazioni, costi e sostenibilità nella progettazione ecocompatibile

Una delle principali sfide della progettazione ecocompatibile è trovare un compromesso tra prestazioni, costi e sostenibilità dei prodotti. Alcuni fattori che influiscono sulle prestazioni finali e sulle proprietà del prodotto sono:

• Selezione dei materiali
• Forma del materiale
• Processi di produzione diversi

La modifica di questi fattori può portare a cambiamenti nelle prestazioni che devono essere considerati nel caso in cui il prodotto diventi più sostenibile. La modifica del materiale da cui viene sviluppato può anche cambiare potenzialmente la catena di fornitura, con un impatto sul costo complessivo.

Questo compromesso crea una via di mezzo in cui le prestazioni del prodotto soddisfano i requisiti stabiliti e viene raggiunto un certo livello di sostenibilità. Poiché il ciclo di vita di un prodotto è diverso dal ciclo di vita di un altro prodotto, il processo di configurazione di un framework di progettazione ecocompatibile è univoco per ciascun prodotto.

Le aziende sono spesso vincolate dai processi e dalle apparecchiature di produzione disponibili, un fattore che determina il livello di sostenibilità del prodotto. Il tipo di apparecchiatura può limitare i materiali utilizzati per produrre il prodotto e le geometrie dei materiali che possono essere fabbricate.

Compromessi di progettazione ecocompatibile basata su materiali

La progettazione ecocompatibile basata su materiali è un aspetto importante del processo di progettazione. La scelta dei materiali è un modo semplice per migliorare prestazioni o sostenibilità. Molti materiali sono ecologici, mentre altri sono materiali ad alte prestazioni e altri ancora hanno entrambe le proprietà grazie a un compromesso.

Ad esempio, materiali come cellulosa, lignina, chitina e altri polimeri naturali sono più ecologici dei polimeri sintetici nella progettazione di dispositivi elettronici come elettronica flessibile e dispositivi indossabili. Tuttavia, i materiali sintetici in genere offrono migliori prestazioni meccaniche e termiche per molti prodotti. La soluzione è l'uso di materiali ibridi sintetici-naturali: combinando componenti naturali e sintetici, la struttura composita ottiene un equilibrio tra prestazioni e sostenibilità rispetto all'uso dei soli materiali sintetici.

La forma del materiale è molto importante anche nella progettazione ecocompatibile, poiché può migliorare le prestazioni dei materiali sostenibili a seconda dell'applicazione. L'ottimizzazione della forma di un materiale attraverso simulazione e modellazione prima della produzione consente di identificare i picchi di sollecitazione di carico nel materiale. Una volta identificati, la geometria può essere ottimizzata per migliorare le prestazioni dei materiali e prolungare il ciclo di vita del prodotto.

Vantaggi e considerazioni sulla progettazione ecocompatibile

Ci sono diverse considerazioni di progettazione necessarie quando si adotta un approccio di progettazione ecocompatibile. Durante le fasi di progettazione e ottimizzazione sono necessari molti compromessi, ma la sostenibilità viene spesso trascurata fino alle fasi avanzate del processo perché la maggior parte delle aziende non dispone di strumenti adeguati per una produzione sostenibile.

I principali vantaggi della progettazione ecocompatibile sono:

• Impatto ambientale positivo
• Riduzione degli effetti dei cambiamenti climatici
• Riduzione degli sprechi nella società
• Vantaggio competitivo grazie all'offerta di prodotti più sostenibili

L'ostacolo più grande alla progettazione ecocompatibile: Carenza di dati e strumenti

Molte aziende comprendono la necessità di creare processi sostenibili nella progettazione, ma spesso non dispongono di dati, esperienza e strumenti necessari per valutare l'impatto ambientale dei diversi materiali e processi. Molti fornitori non forniscono dati sull'impatto ambientale e le aziende potrebbero non avere obiettivi di sostenibilità concreti o incontrare una certa resistenza della leadership, che le portano a lasciar cadere nel dimenticatoio le iniziative di progettazione ecocompatibile.

Molte aziende riconoscono la necessità di cambiare solo alla fine del ciclo di produzione, spesso a causa di accordi ambientali, sociali e di governance (ESG), requisiti CSRD o semplicemente di mancanza di informazioni nelle prime fasi del processo. A questo punto, la sostituzione di un materiale con un altro è spesso troppo costosa, in quanto ciò richiederebbe la rilavorazione e la riottimizzazione del prodotto per essere certi di poter soddisfare le stesse specifiche tecniche.

La progettazione ecocompatibile è una priorità per molte aziende e la simulazione può aiutare a ottimizzare i progetti per garantire il rispetto dell'ambiente. Sono disponibili database di riferimento per le aziende che non ricevono dati primari dalle proprie strutture o dai propri fornitori, al fine di rendere più semplice l'esecuzione di un'analisi ecologica.

Un esempio è il set di dati Ansys Materials Universe, che contiene dati relativi a prestazioni, costi e ambiente per più di 4.000 gradi generici di materiali di ingegneria. Questa risorsa consente alle aziende di valutare le prestazioni, i costi e l'impatto ambientale durante la fase di progettazione, prima di decidere quale materiale utilizzare.

Come i passaporti digitali dei prodotti possono contribuire a ridurre la carenza di informazioni

Nel prossimo futuro, i passaporti digitali dei prodotti aiuteranno le aziende a ottenere informazioni sull'ecosostenibilità della propria catena di fornitura in modo molto più rapido e semplice. I passaporti digitali sono record digitali dei materiali utilizzati in un prodotto e includono informazioni su origini, proprietà, opzioni di fine vita e impatto ambientale di un materiale.

Il rilascio dei passaporti digitali inizierà con le batterie, poiché contengono metalli detti 'terre rare' che possono avere un impatto significativo sull'ambiente se non smaltiti correttamente. I passaporti digitali supporteranno il tracciamento della circolarità e forniranno trasparenza sull'impatto ambientale delle materie prime utilizzate in un prodotto. I passaporti digitali non sono attualmente obbligatori, ma le aziende in tutti i punti della catena di fornitura devono prepararsi al loro arrivo.

La progettazione ecocompatibile supporta un'economia circolare

La progettazione ecocompatibile si integra con l'economia circolare, poiché evita attivamente la creazione di prodotti monouso che non hanno opzioni di fine ciclo di vita diverse dallo smaltimento. Mentre il valore di un prodotto si perde al termine del suo ciclo di vita in un'economia lineare, il suo valore viene conservato in un'economia circolare, che dà priorità a riciclo e riutilizzo rispetto alla rifabbricazione. Considera questo report della società finanziaria e di strategia aziendale McKinsey, che dimostra che le società che scelgono di portare avanti le priorità ESG nelle proprie strategie di crescita spesso superano i loro concorrenti.

L'impatto ambientale di un prodotto è in gran parte determinato durante la fase di progettazione. Una volta finalizzata la progettazione, non può essere modificato facilmente. Nelle fasi iniziali, materiali, design e processi di produzione possono tutti essere adeguati per allinearsi ai principi dell'economia circolare. La scelta di materiali riciclabili e la progettazione per lo smontaggio stabiliscono le fasi a valle che determinano se il prodotto è ecologico e riutilizzabile. È importante che i produttori realizzino la progettazione corretta del prodotto al primo tentativo per evitare costi e ritardi non necessari.

Poiché l'80% del design di un prodotto viene determinato nelle fasi iniziali della progettazione, è importante esaminare quali potenziali compromessi devono essere fatti per migliorarne la sostenibilità.

È qui che la simulazione è vitale. È molto più facile esaminare virtualmente un modello di un prodotto e modificare il tipo e la forma del materiale rispetto ad apportare modifiche a prototipi fisici in un approccio basato su tentativi ed errori. Le simulazioni consentono agli utenti di visualizzare i vantaggi di configurazioni di materiali o forme diverse, nonché la percentuale di contenuto riciclato in un prodotto. Può aiutare a comprendere le tolleranze e le restrizioni di produzione. Ciò consente di ottenere il prodotto più ottimizzato in base ai fattori di sostenibilità e prestazioni meccaniche, termiche o elettroniche desiderate.

L'utilizzo della simulazione consente alle aziende di risparmiare tempo e denaro nel ciclo di sviluppo e di esplorare eventuali modifiche di progettazione prima che venga realizzato un prototipo fisico. ANSYS offre una gamma di strumenti di simulazione, come il software Ansys Discovery, il software Ansys Mechanical e il software Ansys LS-DYNA, per aiutarti a progettare e simulare prodotti complessi. Sono supportati da strumenti di gestione dei dati come la suite di prodotti Ansys Granta per i dati sui materiali e il software Ansys Minerva per il processo di simulazione e la gestione dei dati (SPDM).

Ansys fornisce inoltre strumenti di ottimizzazione come il software Ansys optiSLang per determinare i potenziali compromessi tra prestazioni tecniche, sostenibilità e considerazioni sui costi per la progettazione ecocompatibile. Questi dati possono essere utilizzati nell'intero processo di sviluppo del prodotto e ciclo di vita per soddisfare i requisiti di progettazione e sostenibilità. La simulazione può anche modellare e ottimizzare il processo di produzione, tenere traccia dei programmi di manutenzione individuali utilizzando il software Ansys Twin Builder e calcolare il consumo energetico del processo di produzione.

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