什么是生态设计？

生态设计（Eco Design）是一种设计方法，它在产品生命周期的每个阶段（从产品设计、制造流程，到产品能否被重复使用），都考虑了可持续性和环境因素，并直接将其体现在产品设计中。生态设计考虑了新产品的整个生命周期，以及其使用寿命结束后对未来资源利用产生的影响。生态设计产品通常涉及到额外的设计要求，设计人员需要对其进行权衡，从而实现性能和技术功能与可持续性之间的理想平衡。

在设计更具可持续性和更环保的产品时，需要考虑诸多因素，包括：

• 产品的使用寿命是多长，报废后会怎样？产品能否实现拆卸以更换磨损部件（即延长使用寿命），以及是否有可以在产品报废时回收产品的系统？
• 产品在不同制造阶段使用的材料和工艺对环境有哪些影响（能源使用、CO₂排放量、用水量等）？是否可以使用除了公司首选材料和供应商以外的新材料和工艺？
• 制造商是通过可再生能源提高能效，还是使用化石燃料制造产品？
• 产品的碳足迹是多少？
• 主要碳排放源是什么（例如部件、运输、产品使用等），哪些可以改变以最大限度地减少排放？
• 预定的原材料是否具有可持续性，或者是否有更环保的选择（例如，更高的回收成分比例、使用绿色能源或使用新的绿色工艺）？

这些问题可以在设计和产品开发阶段提出，以确保产品的设计符合可持续原则，而且，最好在设计周期的早期阶段就考虑这些问题。人们往往等到为时已晚才意识到需要改变，因此“先发制人”才是设计可持续产品的最有效方法。

随着新法规的出台，整个价值链正在采用新的衡量指标，这些指标将影响供应链，并推动各层级披露和改进其产品的可持续性指标。《化学品注册、评估、授权和限制》（REACH）法规中已经出现了这些指标，并且在未来其将变得更加关键，因此必须尽早应对。

《可持续产品生态设计法规》（ESPR），正式名称为《欧盟生态设计指令》（EU Eco Design Directive）是一个监管框架，它与《企业可持续发展报告指令》（CSRD）中的要求一起使用，旨在促进欧盟（EU）企业产品的可持续性。

ESPR涵盖生态设计的多个方面，包括：

• 提高产品耐用性、可重用性、可升级性和可维修性，以延长产品的使用寿命
• 通过降低能耗来提高产品的能源和资源效率
• 避免使用含有阻碍循环利用的物质的材料
• 在未来产品中重复利用材料，以促进循环经济并减少自然资源的使用
• 提高产品材料中回收成分的比例
• 使产品更易于再制造和再循环
• 减少产品的环境足迹和碳足迹
• 改善产品可持续性信息的可获取性，以提高供应链的透明度。

ESPR于2024年7月生效，因此这是一个相对较新的框架，仍有待修改和进一步发展。作为一个框架，其并没有定义具体的目标，但它为企业提供了一种方法，来研究如何延长产品的使用寿命，并改善其在整个产品生命周期中的环境影响。然后，企业将根据产品的具体情况或针对具有相似特征的产品组，采用具体规则。

生态设计的主要原则是考虑产品开发中涉及的环境因素，并在保留产品技术功能的同时减少其对环境的影响。生态设计有许多衡量指标：

• 材料和工艺的碳足迹
• 用水量
• 能效
• 生产过程中浪费的材料数量
• 重复使用或回收能力
• 使用的资源数量
• 合规性
• 污染的产生情况

所有这些因素都有助于制造出二氧化碳当量（CO₂-eq）和隐含能量更低的产品，从而减少其对环境的影响。

在生态设计中平衡性能、成本和可持续性

生态设计的主要挑战之一是在产品性能、成本和可持续性之间进行权衡。影响产品最终性能和属性的因素包括：

• 材料选择
• 材料形状
• 不同的制造工艺

改变这些因素可能会导致性能变化，因此如果要使产品更具可持续性，就必须考虑这些变化。改变开发所用的材料也可能会改变供应链，从而影响整体成本。

通过这样的权衡可以找到一个平衡点，使产品在满足性能要求的同时，也能实现一定程度的可持续发展目标。由于每种产品的生命周期各不相同，因此各产品的生态设计框架的建立流程都是独一无二的。

公司通常受到现有工艺和制造设备的限制，而这是决定产品可持续发展程度的一个因素。设备类型可能会限制用于制造产品的材料种类，并限制可以加工的材料几何形状。

材料主导型生态设计权衡

材料主导型生态设计是设计流程的一个重要方面。材料选择是提高性能或可持续性的简单方法。许多材料是环保材料，而其他材料则是高性能材料，还有一些材料兼具这两种特性但需进行权衡。

例如，在设计柔性电子产品和可穿戴设备等电子设备时，纤维素、木质素、甲壳素等天然聚合物比合成聚合物更环保。然而，合成材料通常可为许多产品提供更好的机械性能和热性能。于是，天然-合成混合材料成为了良好的解决方案：通过将天然成分与合成成分相结合，复合材料结构实现了性能平衡，并且与单独使用合成材料相比，还提高了可持续性。

材料形状在生态设计中也非常重要，因为它可以根据应用需求提高可持续材料的性能。在制造之前，通过仿真和建模优化材料的形状，可以确定材料的峰值载荷应力，然后，就可以优化几何结构，以提高材料性能，并延长产品生命周期。

生态设计的优势和考虑因素

采用生态设计方法时，需要考虑不同的设计因素。在设计和优化阶段，企业必须考虑诸多权衡因素，但通常会忽视可持续性、直到流程后期才加以考虑，这是因为，大多数公司都不具备可持续制造的能力。

生态设计的主要优势包括：

• 积极的环境影响
• 有助于减少气候变化的影响
• 减少社会浪费
• 通过提供更具可持续性的产品，获得竞争优势

生态设计的最大障碍：缺乏数据和工具

许多公司都明白在设计中融入可持续流程的必要性，但他们通常缺乏评估不同材料和工艺对环境影响所需的数据、专业知识和工具。同时，许多供应商不提供环境影响数据，公司可能缺乏具体的可持续发展目标，或者面临领导层的阻力，导致生态设计工作被搁置。

还有许多公司在制造周期结束时才认识到改变的必要性，这通常是由于环境、社会和治理（ESG）规定、CSRD要求，或者是流程早期阶段缺乏信息所致。然而，到了这个阶段，将一种材料替换为另一种材料通常成本过高，因为需要对产品进行返工和重新优化，以确保符合相同的技术规范。

生态设计是许多公司的优先考虑事项，而仿真有助于优化其设计，以实现环保目标。比如，无法从其生产设施或供应商处获得原始数据的公司，可以使用参考数据库，从而更轻松地进行生态分析。

其中一个示例是Ansys Materials Universe数据集，它包含4,000多种通用等级工程材料的性能、成本和环境数据。利用这一资源，公司能够在设计阶段评估性能、成本和环境影响，然后再决定使用哪种材料。

产品数字护照如何帮助解决信息稀缺问题

在不久的将来，产品数字护照将帮助公司更快、更轻松地获取有关供应链生态友好性的信息。数字护照是产品中所用材料的数字记录，包括材料的来源、属性、报废选项和环境影响等信息。

电池将会是最先应用数字护照的领域，因为电池含有稀土金属，如果处理不当，可能会对环境造成严重影响。数字护照将支持循环跟踪，并提供产品中所用原材料环境足迹，实现了信息透明化。虽然数字护照目前还不是强制性的，但供应链中各个环节的公司都应为其到来做好准备。

生态设计支持循环经济

生态设计与循环经济相辅相成，因为其能积极避免制造一次性产品，这类产品在使用寿命终止后只能报废。在线性经济中，产品在使用寿命终止后会被废弃，其价值随之损失，而在循环经济中，其价值能够得以保留/延续，因为循环经济优先考虑回收和重复使用产品，而不是再制造。企业战略和财务公司麦肯锡的这份报告显示，选择在其增长战略中推进ESG、将其作为优先事项的公司，通常表现优于同行。

产品的环境足迹在很大程度上是在设计阶段确定的。最终确定设计后，就难以轻易更改，而在早期阶段，材料、设计和制造工艺都可以进行调整，以符合循环经济原则。选择可回收材料和实现可拆卸设计，决定了后续处理环节能否实现环保和产品的可重复使用。同时，制造商需要首次就获得正确的产品设计，以避免不必要的成本和延迟。

由于产品80%的设计是在早期设计阶段确定的，因此，要提升其可持续性，就必须在设计初期评估可能需要做出的权衡。

这正是仿真发挥作用的地方。因为，以虚拟方式检查产品模型并更改材料类型和形状，要比采用试错方法对物理原型进行修改容易得多。仿真可以向用户展示不同材料或形状配置的优势，以及产品中回收成分的百分比；其还可以帮助公司了解制造容差和限制。这样，企业就能根据所需的机械、热或电子性能和可持续性因素，生产出最优化的产品。

由此可见，仿真可帮助公司在开发周期中节省时间和资金，并在制作物理原型之前了解任何潜在的设计变更。Ansys提供了一系列仿真工具，如Ansys Discovery软件、Ansys Mechanical软件和Ansys LS-DYNA软件，以帮助您设计和仿真复杂的产品。它们由数据管理工具提供支持，例如用于材料数据的Ansys Granta产品套件，以及用于仿真流程和数据管理（SPDM）的Ansys Minerva软件。

Ansys还提供了优化工具，如Ansys optiSLang软件，以帮助您确定生态设计中技术性能、可持续性和成本考虑因素之间的潜在权衡。这些数据可用于整个产品开发流程和生命周期，以满足设计和可持续性要求。使用Ansys Twin Builder软件跟踪单个维护计划，并计算制造流程的能耗，还可以对制造流程进行建模和优化。

进一步了解Ansys如何帮助您开发环保产品，同时避免进行多轮物理原型设计。欢迎立即联系我们的技术团队。

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