加工工程 | 材料对可持续性的影响

本文原载于Ansys Advantage：《The Impact of Materials on Sustainability》

据美国国家环境保护局(U.S. Environmental Protection Agency)统计，2018年美国制造了超过2.924亿吨城市固态废物。其中，只有9,400万吨（约32.1%）被回收利用或用于堆肥，其余均送至垃圾填埋场。

尽管大量城市固态废物属于厨余垃圾，但垃圾填埋场仍充斥着被丢弃的消费类产品和工业产品。这些产品报废后对环境的影响以及如何不断提高回收率，是全球制造商的重点关注领域。

当然，工程师也可以通过对材料的选择利用，来产生积极的环境影响。比如，金属合金和塑料复合材料已证明，它们能够为飞机和汽车减重，从而提高其燃油效率。可再生能源结合灵活的储能系统（尤其是电池技术），有望取代化石燃料并消除化石燃料产生的碳排放。要使太阳能电网具备可靠的性能，则需要积极优化能源采集和存储过程中所涉及的材料。

毋庸置疑，材料和加工工程是应对气候变化的解决方案的重要组成部分。

Ansys Granta软件为智能决策提供了强大工具和丰富的材料选择数据库

Michael Ashby和David Cebon两位教授认为（他们在1994年共同创立了Granta Design，这是一家全球领先的材料信息技术提供商），评估产品在整个生命周期间的总体可持续性是一项复杂的任务，需要结合关于材料与制造流程的环境性能的综合数据。

2019年，Ansys产品系列集成了Granta的材料数据管理和选材功能，从此产品研发人员可以更轻松地考察基本的环境问题。

应对气候变化需要结合材料与加工工程

Ansys研究员兼剑桥大学机械工程学教授Cebon表示：“将Granta积累数十年的材料信息经验集成到Ansys仿真产品组合后，工程师能够访问关于碳足迹和能源足迹、再循环能力、生物降解能力及其他相关特征的海量数据。因为各种产品对环境的影响各有不同，工程师需要从多方面考虑可持续性问题，包括环境足迹、当前与未来的环境法规，以及随之而来的供应风险。这就需要结合关于材料、工艺、涂层、物质、立法、地缘政治因素等的高质量、综合全面的数据。”

Cebon问道：“未来某些市场是否会禁止或可能逐步淘汰某种材料？开始采用替代材料时，对产品性能会产生怎样的影响？是否会因替代材料导致性能下降，例如燃油效率降低，从而造成更严重的负面影响？虽然可以借助技术发现和解决大量这样的问题，但工程师通常需要开展严格的分析，才能做出最佳设计决策。”

对此，剑桥大学工程设计中心的研究教授兼首席研究员Ashby表示赞同。

Ashby表示：“毫无疑问，这种权衡是一项非常复杂的工作。政府法规等许多风险都是随时间变化的，难以****。此外，随着材料的分解，关于其长期影响的新认识会不断涌现。这些方面是产品研发人员需要时刻了解的问题。”

通过材料和工艺选择以支持可持续发展，并不局限于考虑环境影响。Ashby指出：“可持续性的定义是 ‘实体长期有效持续运营的能力’，而且 ‘长期’是关键词。”

Ashby和Cebon均认为，除了环境影响，可持续性还需要一个稳定的、可追溯并能产生积极社会效益和经济效益的材料供应链。工程师需要考虑包括社会影响在内的一系列因素。

Cebon说道：“例如，在过去，全球采矿业对员工、当地社会、具有历史或文化意义的土地带来的影响，并没有获得正面的声誉。而这些社会影响需要被考虑，最好是能进行量化，这样材料工程师才能将其与环境性能和工程特征结合进行考虑。”

Ashby强调，产品研发人员还必须能够支持较大型企业赢得经济成功。他指出：“企业破产是丧失可持续性的最快方式。气候变化等环境问题获得了重大关注，这是理所当然的。但是可持续发展还涉及经济方面的考量。设计人员对利益相关方有信托义务，需要做出正确材料选择，支持积极财务结果。”

产品研发团队不仅需要考虑材料和产品成本，而且还需要考虑材料供应链的长期安全性和供应链中断的可能性。尤其是在当今，一些国家将关键材料当作所谓“资源帝国主义”的重要地缘政治资产进行管理。Ashby和Cebon再次指出，通常情况下，这都会涉及复杂的权衡。

鉴于以可持续的方式选择材料和工艺，需要结合广泛而深入的分析，产品设计人员究竟应采取哪些应对措施？

Cebon和Ashby一致认为，每个产品研发团队都需要有工具和严格的流程，来存储和应用与环境、社会、社区和财务影响有关的材料数据。随着消费者对气候变化和社会责任的意识增强，每家企业都必须确保对其材料和工艺选择进行尽职调查，否则将面临品牌形象受损和市场份额萎缩的风险。

垃圾填埋场充斥被丢弃的消费类产品和工业产品

Cebon表示：“可持续性与材料选择紧密相关，不能成为最后一刻才 ‘强加考虑’的因素。它必须从设计的早期阶段开始解决。产品研发人员应该从最突出的单一问题入手，例如，减少喷气式飞机的燃料耗用，从该问题开始解决。之后，他们可能会关注如何回收飞机部件，或研究端到端供应链影响，当然，最重要的因素仍是燃料耗用。首先考虑燃料耗用，然后再考虑其他可持续设计考量因素。”

针对核材料，已经有了广泛的可追溯性要求。Cebon和Ashby都希望看到这些要求被扩展运用到 “关键” 材料中，也就是对国家经济至关重要但供应链不完全安全的材料。他们认为，应仔细跟踪和追溯这些材料，创建一个关于材料来源、影响和特征的现成数据库。在此之前，则需要由设计人员来负责做出明智的选择。

Ashby总结道：“设计人员可以做的最重要的事情之一，是尽可能多地收集和应用关于其材料选择的详细信息。这不仅需要考虑结构特征、热特征和重量，也需要考虑多层次全球供应链、监管规定、社会和人类影响以及成本。可持续性使我们不得不扩大视角，从各个方面思考材料的完整生命周期。”

产品设计人员和工程师，可以从本地Ansys仿真工具访问Ansys Granta MI。他们能够即时访问MaterialUniverse™中的各种材料属性，以及隐含能源、二氧化碳足迹、再循环能力等。这种对特定组件材料数据的深入理解，同样有助于在设计早期了解特定组件的使用对产品可持续性的影响，帮助工程师进行复杂的权衡，以选择正确的材料。