材料與環(huán)境：一個復雜的問題

據(jù)美國國家環(huán)境保護局(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注領域。

當然，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，金屬合金和塑料復合材料已證明，它們能夠為飛機和汽車減重，從而提高其燃油效率。可再生能源結(jié)合靈活的儲能系統(tǒng)（尤其是電池技術），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：一個復雜的問題

Michael Ashby和David Cebon兩位教授認為（他們在1994年共同創(chuàng)立了Granta Design，這是一家全球領先的材料信息技術提供商），評估產(chǎn)品在整個生命周期間的總體可持續(xù)性是一項復雜的任務，需要結(jié)合關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研究員兼劍橋大學機械工程學教授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、當前與未來的環(huán)境法規(guī)，以及隨之而來的供應風險。這就需要結(jié)合關于材料、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致性能下降，例如燃油效率降低，從而造成更嚴重的負面影響？雖然可以借助技術發(fā)現(xiàn)和解決大量這樣的問題，但工程師通常需要開展嚴格的分析，才能做出最佳設計決策?！?/p>

對此，劍橋大學工程設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，這種權衡是一項非常復雜的工作。政府法規(guī)等許多風險都是隨時間變化的，難以提前預測。此外，隨著材料的分解，關于其長期影響的新認識會不斷涌現(xiàn)。這些方面是產(chǎn)品研發(fā)人員需要時刻了解的問題?！?/p>

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)運營的能力’，而且 ‘長期’是關鍵詞。”

Ashby和Cebon均認為，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)濟效益的材料供應鏈。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?shù)厣鐣⒕哂袣v史或文化意義的土地帶來的影響，并沒有獲得正面的聲譽。而這些社會影響需要被考慮，最好是能進行量化，這樣材料工程師才能將其與環(huán)境性能和工程特征結(jié)合進行考慮?！?/p>

Ashby強調(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注，這是理所當然的。但是可持續(xù)發(fā)展還涉及經(jīng)濟方面的考量。設計人員對利益相關方有信托義務，需要做出正確材料選擇，支持積極財務結(jié)果?！?/p>

產(chǎn)品研發(fā)團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鏈的長期安全性和供應鏈中斷的可能性。尤其是在當今，一些國家將關鍵材料當作所謂“資源帝國主義”的重要地緣政治資產(chǎn)進行管理。Ashby和Cebon再次指出，通常情況下，這都會涉及復雜的權衡。

應對可持續(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)品設計人員究竟應采取哪些應對措施？

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

Cebon表示：“可持續(xù)性與材料選擇緊密相關，不能成為最后一刻才 ‘強加考慮’的因素。它必須從設計的早期階段開始解決。產(chǎn)品研發(fā)人員應該從最突出的單一問題入手，例如，減少噴氣式飛機的燃料耗用，從該問題開始解決。之后，他們可能會關注如何回收飛機部件，或研究端到端供應鏈影響，當然，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)設計考量因素?！?/p>

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展運用到 “關鍵” 材料中，也就是對國家經(jīng)濟至關重要但供應鏈不完全安全的材料。他們認為，應仔細跟蹤和追溯這些材料，創(chuàng)建一個關于材料來源、影響和特征的現(xiàn)成數(shù)據(jù)庫。在此之前，則需要由設計人員來負責做出明智的選擇。

Ashby總結(jié)道：“設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用關于其材料選擇的詳細信息。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)性使我們不得不擴大視角，從各個方面思考材料的完整生命周期?！?/p>

產(chǎn)品設計人員和工程師，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，幫助工程師進行復雜的權衡，以選擇正確的材料。

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審核編輯 ：李倩