據美國國家環境保護局(U.S. Environmental Protection Agency)統計，2018年美國制造了超過2.924億噸城市固態廢物。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品和工業產品。這些產品報廢后對環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，來產生積極的環境影響。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。可再生能源結合靈活的儲能系統（尤其是電池技術），有望取代化石燃料并消除化石燃料產生的碳排放。要使太陽能電網具備可靠的性能，則需要積極優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據庫

材料與環境：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），評估產品在整個生命周期間的總體可持續性是一項復雜的任務，需要結合關于材料與制造流程的環境性能的綜合數據。

2019年，Ansys產品系列集成了Granta的材料數據管理和選材功能，從此產品研發人員可以更輕松地考察基本的環境問題。

Ansys研究員兼劍橋大學機械工程學教授Cebon表示：“將Granta積累數十年的材料信息經驗集成到Ansys仿真產品組合后，工程師能夠訪問關于碳足跡和能源足跡、再循環能力、生物降解能力及其他相關特征的海量數據。因為各種產品對環境的影響各有不同，工程師需要從多方面考慮可持續性問題，包括環境足跡、當前與未來的環境法規，以及隨之而來的供應風險。這就需要結合關于材料、工藝、涂層、物質、立法、地緣政治因素等的高質量、綜合全面的數據。”

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，對產品性能會產生怎樣的影響？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現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。”

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。這些方面是產品研發人員需要時刻了解的問題。”

從更廣泛的角度看待可持續性

通過材料和工藝選擇以支持可持續發展，并不局限于考慮環境影響。Ashby指出：“可持續性的定義是 ‘實體長期有效持續運營的能力’，而且 ‘長期’是關鍵詞。”

Ashby和Cebon均認為，除了環境影響，可持續性還需要一個穩定的、可追溯并能產生積極社會效益和經濟效益的材料供應鏈。工程師需要考慮包括社會影響在內的一系列因素。

Cebon說道：“例如，在過去，全球采礦業對員工、當地社會、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。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境性能和工程特征結合進行考慮。”

Ashby強調，產品研發人員還必須能夠支持較大型企業贏得經濟成功。他指出：“企業破產是喪失可持續性的最快方式。氣候變化等環境問題獲得了重大關注，這是理所當然的。但是可持續發展還涉及經濟方面的考量。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，支持積極財務結果。”

產品研發團隊不僅需要考慮材料和產品成本，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。

應對可持續發展挑戰

鑒于以可持續的方式選擇材料和工藝，需要結合廣泛而深入的分析，產品設計人員究竟應采取哪些應對措施？

Cebon和Ashby一致認為，每個產品研發團隊都需要有工具和嚴格的流程，來存儲和應用與環境、社會、社區和財務影響有關的材料數據。隨著消費者對氣候變化和社會責任的意識增強，每家企業都必須確保對其材料和工藝選擇進行盡職調查，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。產品研發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設計考量因素。”

針對核材料，已經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，創建一個關于材料來源、影響和特征的現成數據庫。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。這不僅需要考慮結構特征、熱特征和重量，也需要考慮多層次全球供應鏈、監管規定、社會和人類影響以及成本。可持續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。”

產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、再循環能力等。這種對特定組件材料數據的深入理解，同樣有助于在設計早期了解特定組件的使用對產品可持續性的影響，幫助工程師進行復雜的權衡，以選擇正確的材料。

Ansys Advantage 雜志：

探究更多卓越工程仿真

Ansys Advantage雜志由Ansys官方出品，是一本屢獲殊榮的出版刊物。其刊登關于客戶如何運用工程仿真實現驅動的故事，了解各行業專家如何通過仿真提高產品開發效率，并降低成本創造更多附加值，面向工程師群體的豐富內容展現了各規模類型企業在工程仿真領域的最佳實踐和創新成就。該雜志每期均有特定主題，以解決技術問題為核心，實時了解影響未來工程的行業發展趨勢。

審核編輯 ：李倩