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什麼是生態設計?

生態設計是一種設計方法,此方法考量了產品在整個生命週期中所涉及的永續性與環境影響,涵蓋產品設計與製程階段,到產品是否可重複使用,並將這些要素直接融入設計之中。生態設計思考新產品的整體使用期限,以及其使用壽命對未來產品生命周期所帶來的影響。採用生態設計的產品常包含其他設計要求,其用意是在效能與技術功能及永續性之間作出取捨,進而達到理想平衡。

在設計更永續環保的產品時,需要考量多項因素,包括:

  • 該產品壽命多長?生命周期結束時將會發生什麼事?該產品是否能設計成可拆解以更換磨耗零件 (例如延長使用壽命),是否備有制度回收使用壽命結束的產品?
  • 在各產品製造階段中,所用材料與製程會造成哪些環境影響 (如能源消耗、CO2 足跡、用水量等)?是否可使用公司首選供應鏈以外的嶄新材料與製程,以取代原本的選項?
  • 製造商是透過再生能源提升能源效率,還是仍使用化石燃料製造產品?
  • 該產品的碳足跡為何?
  • 哪些是主要碳排來源 (例如零件、運輸、產品使用等),哪些來源可調整以達到最大程度的減排?
  • 預定使用的原物料是否具永續性,是否有更環保的替代選項 (如回收含量更高、使用綠能或新型環保製程)?

這些問題可在設計與產品開發階段提出,以確保產品設計符合永續原則。在設計週期的初期就著手考量這些問題,永遠是最理想的做法。由於人們考慮變更設計時往往為時已晚,所以事先防範正是設計永續產品最為有效的方法。

隨著頒佈新法規,整個價值鏈正在導入新的衡量指標,進而影響到供應鏈運作,並促使各級供應商揭露且改善產品永續指標。這種情況已在化學品註冊、評估、授權與限制 (REACH) 法規中出現,未來將愈發重要,務必要盡早因應。

ESPR:生態設計的法規框架

永續產品生態設計規範 (ESPR),原稱為歐盟生態設計指令,是與企業永續報告指令 (CSRD) 配套實施的法規框架,旨在促進歐盟 (EU) 產品的永續性。

ESPR 涵蓋了生態設計的多重面向,包括:

  • 提升產品的耐用性、可重複使用性、可升級性與可維修性,以期延長產品壽命
  • 透過降低能源消耗,提升產品的能源與資源使用效率
  • 避免使用含有妨礙循環性物質的材料
  • 在未來推出的產品中重複使用材料,以推動循環經濟並減少自然資源消耗
  • 提高產品所用材料的回收成分含量
  • 讓產品更容易再製與回收
  • 降低產品的環境與碳足跡
  • 讓產品永續性資訊更易於取得,增進供應鏈的透明度。

ESPR 已於 2024 年 7 月正式生效,雖然屬於較新的法規框架,仍可能隨著後續發展,進一步調整或擴充。ESPR 作為法規框架有明確定義目標,但更重要的是提供可行途徑,讓企業檢視如何延長產品壽命,並在整個產品生命週期中,改善其環境影響性。未來將針對各種產品或特徵相似的產品分組制定具體規則。

生態設計的核心原則

生態設計的主要原則是在產品開發過程中考量環境面向,並在保有技術功能的同時,降低產品對環境的影響。有許多指標可用於衡量生態設計的落實程度,包括:

  • 材料與製程的碳足跡
  • 用水量
  • 能源效率
  • 製程浪費的材料數量
  • 可重複使用或可回收性
  • 所用資源數量
  • 法規遵循
  • 產生污染

這些因素共同打造出二氧化碳當量 (CO-eq) 與蘊含能量皆低的產品設計,進而減緩產品的環境影響。

在生態設計中平衡效能、成本與永續性

生態設計的主要挑戰之一是在產品效能、成本與永續性之間達成平衡。影響產品最終效能與特性的因素包括:

  • 材料選擇
  • 材料形狀
  • 不同製程

若要讓產品更具永續性,就必須考量改變這些因素所帶來的效能差異。變更用於開發產品的材料,同樣可能改變整體供應鏈,進而影響總成本。

這種考量形成了平衡點,既能讓產品達到設定的效能要求,同時也具備一定程度的永續性。由於各種產品的生命週期不盡相同,在建立生態設計框架的流程時,亦需針對個別產品量身打造。

企業往往受限於現有製程與製造設備,這是決定產品是否具備永續性的關鍵因素之一。設備類型可能會限制製造產品所用的材料,材料可製造的幾何形狀同樣受到限制。

以材料為導向的生態設計利弊得失

材料為導向的生態設計,是設計流程中不可或缺的重要面向。選擇材料是能提升產品效能或永續性的簡單途徑。有些材料具環保性,有些則屬於高效能材料,還有些材料是兼具前兩者的優點,但有所取捨。

舉例來說,在設計如軟性電子或穿戴式裝置等電子製品時,纖維素、木質素、幾丁質和其他天然聚合物,相較於合成聚合物更具環保優勢。然而,許多產品採用的合成材料,通常在機械與熱效能方面的表現更佳。解決方案就是天然結合合成的複合材料:透過結合天然與合成成分,這類複合結構能達成效能平衡,且較純粹使用合成材料時更具永續性。

材料形狀在生態設計中同樣極具關鍵,根據應用情境的不同,材料形狀能提升永續性材料的效能。進行量產前,先透過模擬與建模最佳化材料形狀,有助於找出材料內部的負載應力峰值。一旦確定這些要素後,便可針對幾何結構進行最佳化,提升材料效能,並延長產品生命周期。

生態設計的效益與考量

採用生態設計方法時,需納入有別於傳統設計的考量。在設計與最佳化階段必須考量諸多利弊,但由於大多數企業仍不具備永續製造的能力,因此永續性常遭到忽略,直至開發流程後期才納入。

生態設計的主要效益包括:

  • 對環境具正面影響
  • 協助減緩氣候變遷影響
  • 整個社會減少浪費
  • 提供更具永續性的產品以取得競爭優勢

生態設計的最大障礙:缺乏資料與工具

許多企業雖然深知有必要將永續流程導入設計階段,但往往缺乏所需資料、專業知識與工具,無從評估不同材料與製程的環境影響。許多供應商未提供環境影響資料,加上企業本身可能缺乏明確的永續目標,或是面臨到領導階層的抗拒,導致生態設計的努力付諸流水。

許多企業常到製程結束後,才意識到需要變更,這種情況通常是環境、社會與治理 (ESG) 規範、CSRD 要求,或僅僅是早期流程資訊不足所致。此時更換材料往往所費不貲,因為涉及到重製與重新最佳化產品,以確保仍符合相同技術規範。

生態設計已成為許多企業的首要之務,模擬技術可協助企業在設計階段提升產品的環保性。至於未能從設施或供應商取得原始資料的企業,可透過現有的參考資料庫,更輕鬆執行生態分析。

舉例來說,Ansys Materials Universe 資料集包含超過 4,000 種通用等級工程材料的效能、成本與環境資料。這項資源可讓企業在設計階段,即可評估材料的效能、成本與環境影響,並在真正決定用料前,做出更有依據的判斷。

產品數位護照如何協助解決資訊匱乏的問題

在不久的將來,產品數位護照將能協助企業,以更快速輕鬆的方式,取得供應鏈的生態環保相關資訊。數位護照是記載產品所用材料的數位紀錄,其中收錄材料來源、特性、生命周期終點選項與環境影響等資訊。

數位護照首先將應用於電池,原因在於電池含有稀土金屬,若未妥善處理,可能對環境造成重大衝擊。數位護照將有助於循環追蹤,並揭露產品所用原物料的環境足跡,促進公開透明。數位護照目前雖未強制實施,但供應鏈各階段的企業,都應提前做好準備。

生態設計支持循環經濟

生態設計與循環經濟相輔相成,前者積極避免打造出僅能直接丟棄、毫無任何終端再利用選項的一次性產品。在線性經濟中,產品於生命周期結束時,其價值即遭到銷毀,但在循環經濟中,則透過回收再利用以保留產品價值,而非重製。請參照企業策略與財務顧問公司 McKinsey 公布的報告,其中指出積極選擇將 ESG 優先事項納入成長策略的企業,其績效往往優於同業。

一項產品的環境足跡會在設計階段大致底定。一旦設計定案,就難以輕易變更。在初期階段,材料、設計與製程都可調整以符合循環經濟原則。先行選用可回收材料,並設計成可拆解結構,將決定該產品在後續流程中,是否環保且能重複使用。製造商應力求一次就將產品設計正確,以避免無謂的成本與延誤。

模擬在生態設計中的角色

產品設計的 80% 是在初期階段決定,所以必須評估為了提升永續性,可能需要哪些取捨。

這正是模擬發揮關鍵作用之處。透過虛擬方式檢驗產品模型,並變更材料類型與形狀,遠較在實體原型上反覆嘗試錯誤更容易。模擬可讓使用者瞭解到,不同材料或形狀配置會帶來何種效益,並顯示產品使用的回收材料含量。模擬還有助於掌握製造公差與限制所在。這樣一來,可根據所需的機械、熱或電子效能,以及永續性要素,打造出經過最佳化的產品設計。

企業在開發週期中運用模擬技術,有助於節省時間與成本,並在製作實體原型前,先行處理潛在設計變更。Ansys 提供了多種模擬工具,例如 Ansys Discovery 軟體Ansys Mechanical 軟體Ansys LS-DYNA 軟體,協助您設計及模擬複雜的產品。這些模擬工具可支援使用資料管理工具,例如提供材料資料的 Ansys Granta 產品套件,以及模擬流程與資料管理 (SPDM) 採用的 Ansys Minerva 軟體

Ansys 還提供 Ansys optiSLang 軟體等最佳化工具,協助您在進行生態設計時,權衡技術效能、永續性與成本考量之間的優劣。這些資料可用於整體產品開發流程與生命週期,同時滿足設計與永續性要求。模擬也能用於製程建模與最佳化,透過 Ansys Twin Builder 軟體追蹤個別維護時程,並計算製程的能源使用量。

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