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 (CO₂-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
以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 軟體與 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。
深入瞭解 Ansys 如何協助您開發環保產品，同時避免多次試作實體原型的成本與時間。立即聯絡我們的技術團隊。