據(jù)美國國家環(huán)境保護(hù)局(U.S. Environmental Protection Agency)統(tǒng)計，2018年美國制造了超過2.924億噸城市固態(tài)廢物。其中，只有9,400萬噸（約32.1%）被回收利用或用于堆肥，其余均送至垃圾填埋場。

盡管大量城市固態(tài)廢物屬于廚余垃圾，但垃圾填埋場仍充斥著被丟棄的消費類產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品報廢后對環(huán)境的影響以及如何不斷提高回收率，是全球制造商的重點關(guān)注領(lǐng)域。

當(dāng)然，工程師也可以通過對材料的選擇利用，來產(chǎn)生積極的環(huán)境影響。比如，金屬合金和塑料復(fù)合材料已證明，它們能夠為飛機(jī)和汽車減重，從而提高其燃油效率?？稍偕茉唇Y(jié)合靈活的儲能系統(tǒng)（尤其是電池技術(shù)），有望取代化石燃料并消除化石燃料產(chǎn)生的碳排放。要使太陽能電網(wǎng)具備可靠的性能，則需要積極優(yōu)化能源采集和存儲過程中所涉及的材料。

毋庸置疑，材料和加工工程是應(yīng)對氣候變化的解決方案的重要組成部分。

Ansys Granta軟件為智能決策提供了強(qiáng)大工具和豐富的材料選擇數(shù)據(jù)庫

材料與環(huán)境：一個復(fù)雜的問題

Michael Ashby和David Cebon兩位教授認(rèn)為（他們在1994年共同創(chuàng)立了Granta Design，這是一家全球領(lǐng)先的材料信息技術(shù)提供商），評估產(chǎn)品在整個生命周期間的總體可持續(xù)性是一項復(fù)雜的任務(wù)，需要結(jié)合關(guān)于材料與制造流程的環(huán)境性能的綜合數(shù)據(jù)。

2019年，Ansys產(chǎn)品系列集成了Granta的材料數(shù)據(jù)管理和選材功能，從此產(chǎn)品研發(fā)人員可以更輕松地考察基本的環(huán)境問題。

Ansys研究員兼劍橋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)教授Cebon表示：“將Granta積累數(shù)十年的材料信息經(jīng)驗集成到Ansys仿真產(chǎn)品組合后，工程師能夠訪問關(guān)于碳足跡和能源足跡、再循環(huán)能力、生物降解能力及其他相關(guān)特征的海量數(shù)據(jù)。因為各種產(chǎn)品對環(huán)境的影響各有不同，工程師需要從多方面考慮可持續(xù)性問題，包括環(huán)境足跡、當(dāng)前與未來的環(huán)境法規(guī)，以及隨之而來的供應(yīng)風(fēng)險。這就需要結(jié)合關(guān)于材料、工藝、涂層、物質(zhì)、立法、地緣政治因素等的高質(zhì)量、綜合全面的數(shù)據(jù)?！?/p>

Cebon問道：“未來某些市場是否會禁止或可能逐步淘汰某種材料？開始采用替代材料時，對產(chǎn)品性能會產(chǎn)生怎樣的影響？是否會因替代材料導(dǎo)致性能下降，例如燃油效率降低，從而造成更嚴(yán)重的負(fù)面影響？雖然可以借助技術(shù)發(fā)現(xiàn)和解決大量這樣的問題，但工程師通常需要開展嚴(yán)格的分析，才能做出最佳設(shè)計決策。”

對此，劍橋大學(xué)工程設(shè)計中心的研究教授兼首席研究員Ashby表示贊同。

Ashby表示：“毫無疑問，這種權(quán)衡是一項非常復(fù)雜的工作。政府法規(guī)等許多風(fēng)險都是隨時間變化的，難以提前預(yù)測。此外，隨著材料的分解，關(guān)于其長期影響的新認(rèn)識會不斷涌現(xiàn)。這些方面是產(chǎn)品研發(fā)人員需要時刻了解的問題。”

從更廣泛的角度看待可持續(xù)性

通過材料和工藝選擇以支持可持續(xù)發(fā)展，并不局限于考慮環(huán)境影響。Ashby指出：“可持續(xù)性的定義是 ‘實體長期有效持續(xù)運(yùn)營的能力’，而且 ‘長期’是關(guān)鍵詞?！?/p>

Ashby和Cebon均認(rèn)為，除了環(huán)境影響，可持續(xù)性還需要一個穩(wěn)定的、可追溯并能產(chǎn)生積極社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的材料供應(yīng)鏈。工程師需要考慮包括社會影響在內(nèi)的一系列因素。

Cebon說道：“例如，在過去，全球采礦業(yè)對員工、當(dāng)?shù)厣鐣?、具有歷史或文化意義的土地帶來的影響，并沒有獲得正面的聲譽(yù)。而這些社會影響需要被考慮，最好是能進(jìn)行量化，這樣材料工程師才能將其與環(huán)境性能和工程特征結(jié)合進(jìn)行考慮?！?/p>

Ashby強(qiáng)調(diào)，產(chǎn)品研發(fā)人員還必須能夠支持較大型企業(yè)贏得經(jīng)濟(jì)成功。他指出：“企業(yè)破產(chǎn)是喪失可持續(xù)性的最快方式。氣候變化等環(huán)境問題獲得了重大關(guān)注，這是理所當(dāng)然的。但是可持續(xù)發(fā)展還涉及經(jīng)濟(jì)方面的考量。設(shè)計人員對利益相關(guān)方有信托義務(wù)，需要做出正確材料選擇，支持積極財務(wù)結(jié)果。”

產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊不僅需要考慮材料和產(chǎn)品成本，而且還需要考慮材料供應(yīng)鏈的長期安全性和供應(yīng)鏈中斷的可能性。尤其是在當(dāng)今，一些國家將關(guān)鍵材料當(dāng)作所謂“資源帝國主義”的重要地緣政治資產(chǎn)進(jìn)行管理。Ashby和Cebon再次指出，通常情況下，這都會涉及復(fù)雜的權(quán)衡。

應(yīng)對可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)

鑒于以可持續(xù)的方式選擇材料和工藝，需要結(jié)合廣泛而深入的分析，產(chǎn)品設(shè)計人員究竟應(yīng)采取哪些應(yīng)對措施？

Cebon和Ashby一致認(rèn)為，每個產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊都需要有工具和嚴(yán)格的流程，來存儲和應(yīng)用與環(huán)境、社會、社區(qū)和財務(wù)影響有關(guān)的材料數(shù)據(jù)。隨著消費者對氣候變化和社會責(zé)任的意識增強(qiáng)，每家企業(yè)都必須確保對其材料和工藝選擇進(jìn)行盡職調(diào)查，否則將面臨品牌形象受損和市場份額萎縮的風(fēng)險。

Cebon表示：“可持續(xù)性與材料選擇緊密相關(guān)，不能成為最后一刻才 ‘強(qiáng)加考慮’的因素。它必須從設(shè)計的早期階段開始解決。產(chǎn)品研發(fā)人員應(yīng)該從最突出的單一問題入手，例如，減少噴氣式飛機(jī)的燃料耗用，從該問題開始解決。之后，他們可能會關(guān)注如何回收飛機(jī)部件，或研究端到端供應(yīng)鏈影響，當(dāng)然，最重要的因素仍是燃料耗用。首先考慮燃料耗用，然后再考慮其他可持續(xù)設(shè)計考量因素。”

針對核材料，已經(jīng)有了廣泛的可追溯性要求。Cebon和Ashby都希望看到這些要求被擴(kuò)展運(yùn)用到 “關(guān)鍵” 材料中，也就是對國家經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要但供應(yīng)鏈不完全安全的材料。他們認(rèn)為，應(yīng)仔細(xì)跟蹤和追溯這些材料，創(chuàng)建一個關(guān)于材料來源、影響和特征的現(xiàn)成數(shù)據(jù)庫。在此之前，則需要由設(shè)計人員來負(fù)責(zé)做出明智的選擇。

Ashby總結(jié)道：“設(shè)計人員可以做的最重要的事情之一，是盡可能多地收集和應(yīng)用關(guān)于其材料選擇的詳細(xì)信息。這不僅需要考慮結(jié)構(gòu)特征、熱特征和重量，也需要考慮多層次全球供應(yīng)鏈、監(jiān)管規(guī)定、社會和人類影響以及成本?？沙掷m(xù)性使我們不得不擴(kuò)大視角，從各個方面思考材料的完整生命周期。”

產(chǎn)品設(shè)計人員和工程師，可以從本地Ansys仿真工具訪問Ansys Granta MI。他們能夠即時訪問MaterialUniverse中的各種材料屬性，以及隱含能源、二氧化碳足跡、再循環(huán)能力等。這種對特定組件材料數(shù)據(jù)的深入理解，同樣有助于在設(shè)計早期了解特定組件的使用對產(chǎn)品可持續(xù)性的影響，幫助工程師進(jìn)行復(fù)雜的權(quán)衡，以選擇正確的材料。

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審核編輯 ：李倩