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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:
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:
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:
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。
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:
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。
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:
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。
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。
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