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背景介绍当你在街区尽头转角时，你可能会注意到街区里有如此多的垃圾，各种破碎的家具，玻璃碎片以及一些生活垃圾充斥在我们的街道上。你可能认为这种垃圾到处都是的情况是人们过度浪费造成的，但其实这主要是设计不佳造成的浪费。如果我们能够更加合理全面的考虑设计的产品和系统的话，我们就可以促进可持续发展和改善我们糟糕的生活环境。
我们今天面临的环境问题是我们自己设计的产品导致的。我们应该更加全面的考虑我们创造的产品，这样可以帮助我们建立一个更可持续的未来。本文通过讨论整个产品开发过程中使用的工具和策略，让每个人以更可持续的方式思考，并思考可持续性如何在简单、智能的设计中体现出来。
我将介绍一些支持可持续产品建造的设计方法和数字工具，比如生成式设计、晶格、仿真、排料等。此外，我还将讨论哪些外部环境因素、供应链因素和制造相关注意事项对于环保原型设计和生产来说十分重要。
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构思与设计理念大体上来说，80%的环境成本和性能表现在产品设计和概念阶段就已经被确定下来了，因此对于后面企业下游的影响就在这个过程中也被确定下来。虽然，开发过程中涉及的所有步骤对于减少产品的碳排放来说都至关重要，但工业、产品和机械工程师在设定基调时应将减少碳排放设置成为主要目标。
作为设计师，我们的任务是创建一个全新的产品，而且这个新产品必须要满足一些既定的参数和功能。虽然，早期的设计迭代更应该侧重于满足该产品的功能要求，但是作为一个有战略眼光的设计师应该考虑产品设计整体的大局观。对设计的下游企业有深刻的理解，可以帮助设计师更好地设计出满足核心需求的产品，创造更可持续的东西，而且还能激发设计师非传统的设计灵感。这可能就需要设计师知道产品将如何退出其生命周期，以及它到达使用年限后设计师该如何处理它。什么是循环
循环是指通过设计消除浪费和减轻污染来保证材料和产品可以永久使用的理念。循环与升级再造或回收不同，升级再造或回收指材料和产品可以在其生命周期结束时重新利用，但是这些材料和产品只能具有与他们之前相比更低的价值。
从何处开始从小事做起，把可持续设计作为优先项—— 通过尽早引入可持续方法，为产品开发定下基调。我们需要选择产品的一个（高消耗）方面，并专注于使其尽可能的实现可持续。例如，如果你在生产过程中消耗大量能源，就专注于如何减少资源的消费；如果你消耗很少的能源，就专注于如何探索新的环保材料。
时长考虑产品生命周期 —— 始终考虑产品的不同方面，直到消费者使用完成。这里需要关注的重点是如何在产品中创造超越其传统生命周期的长期价值。整合，整合，再整合 —— 这一点很容易理解：更少的零件意味着更少的能源和材料消耗，从而减少浪费。需要注意的是，找到产品要整合的位置可能会需要你使用一些数字化的工具和策略。
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探索：制造生态系统和供应商注意事项除了形式和功能之外，追求可持续循环的下一步需要考虑的内容涉及材料，供应商选择和材料制造。简而言之，就是对零件进行原型设计和生产。了解你的采购对象，以判断一个组织是如何运作的，他们是如何采购材料的，以及这些材料对你的工作来说是否有用。并非所有制造工艺和材料都是相同的、合乎规范的。供应商提供的环境声明材料（或这个企业被认证为绿色企业）能够使你更加了解由此产生的碳排放量，或最大限度地减少碳排放对供应链物流的影响。确保你的供应商是否以下列任何一种方式运营，下面提到的每种方式都属于可持续制造范围：
精益制造和生产 —— 顾名思义，精益制造意味着在制造过程中减少浪费。浪费可以造成生产链上的混乱和效率低下。基本上，精益生产意味着需要在增值步骤中创造不间断的流程。一体化流程 —— 产品组件通过生产流水管线移动，并一次处理一个单元。蜂窝式组装有利于这种制造形式。通常，一体化流程适用于精益制造。智能化 —— 传感器，物联网，机器学习，这些是收集关于生产过程中数据的新技术手段。数据可以帮助我们了解如何更好、更快、更有效地生产产品。
真正的可持续制造是这些内容的融合交叉发展，了解这些内容有助于更好地了解供应商的价值是什么。如果要进一步发展公司的可持续生产，可以考虑在公司内推广并执行一个相对更复杂的产品生命周期评估(LCA)。什么是生命周期评估（LCA）生命周期评估（LCA）是一种定量方法，用于测量和评估在整个生命周期（例如，原材料，加工，运输，使用，报废等）影响产品生产的所有材料和能源输入/输出。它被认为是测量产品环境影响的最准确方法之一。来自生命周期评估（LCA）的结果数据通常用在不同的设计和制造方法之间进行横向比较。从历史上看，生命周期评估（LCA）成本高昂，并且由于其复杂性，时间和资源强度，通常由第三方供应商完成。!Image
生命周期评估过程复杂性的流程图
为什么生命周期评估（LCA）很重要
我们知道制造业是能源密集型的行业，全球供应链五分之一的岗位都是制造业行业提供的，超过80%的温室气体排放来自消费品行业的供应链。在全球范围内，制造业制造商温室气体排放量占了全球的19%(Herzog, 2009)和能源消耗占全球的37%(国际能源机构，2013a)。
生命周期评估（LCA）可以帮助你了解供应过程，并允许你在制造产品之前测量产品的净碳输出和隐含碳水平。隐含碳是在设计、供应链和制造阶段排放的锁定碳量。这对于理解和限制（或消除）产品开发过程中的碳排放至关重要。从何处开始
做好功课—— 如上所述，与你的供应商直接交谈，研究他们的生产流程，并直接向他们询问想了解的重要问题。例如，为什么他们的报价不同于市场价格。环保第一—— 在采购新材料，硬件和操作设备时，请先尝试和注重环保的企业合作。跟踪和自我评估 —— 利用你可以访问的数据来获取碳特征，例如机器运行时间，运输距离，材料使用情况，装配时间；所有这些东西都有一个能量（碳）特征。这将帮助你确定在生产过程中可以做出哪些让步。
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数字工具和数字策略目前来说，你可以在可持续的从设计到制造工作流程中利用许多数字工具和数字策略。你可以通过有限元分析 （FEA）、过程仿真或 Autodesk 生成式设计 （GD） 来实现你的设计构想。我们的想法是通过设计制造（DFM）策略，轻量化，晶格化等来寻找提升产品生产质量的机会。我在这里选择讲述的程序是Fusion 360，它以参数化和动态的方式实现了很多关键功能。
什么是 Fusion 360Fusion 360 将数字设计、工程和制造整合到一个平台中。Fusion 360 允许你简化从设计到制造的工作流程，并在多个工作区之间无缝过渡，从而将设计迭代和数据交到用户手中。
什么是生成式设计
Autodesk 生成式设计是 Fusion 360 原生的工作空间，还可以实现与 Autodesk Inventor 联动工作。生成式设计基于 AI 的算法，为一个设计任务创建多个设计解决方案。这使你可以根据实际制造中的约束条件和产品性能要求同时生成多个 CAD 解决方案。
为什么这些工具很重要
所有这些工具都可以让你实时预览设计在特定条件下的物理反馈。可以根据质量、成本、材料和制造方法筛选数十个优化过的生成式设计 （GD）结果，这种强大的功能意味着你可以在打开工厂里的生产机器之前尽情发挥创造力对产品的质量或性能进行基准测试。当与有限元分析、CAM和其他仿真工具配合使用时，用户可以确定在设计中进一步确定需要改进区域的位置。需要的领域可能是那些需要进一步整合，通过加强筋，晶格化或关键功能进行轻量化的领域。
- 创意启动板 —— 根据你的参数设置，设计结果是十分多样的。这可以发挥你的设计优势，制作一个真正独一无二的设计或重新解构再重构之前的结构特征。例如，重新计算生成式设计 （GD）结果，使其与钣金加工或焊接更兼容。
- 真正的可制造 —— 从你的制造策略设计中排除一些不切实际的想法，并按照你的需求生成你手头设备可以加工制造的结果。例如，生成式设计 （GD）现在可以实现2.5轴约束功能，非常适合减材制造，可以确保工具和设备限制都能满足你的所有设计特征。
- 验证、修改和迭代 —— 可以将生成式设计 （GD）视为迭代过程的延展。在初始生成式设计 （GD） 算例中使用假设或理论载荷条件，选择最佳结果，然后对这些设计结果进行物理测试，以测量计算载荷的精度。使用测试结果设置第二个生成式设计 （GD）结果进行研究并重复。
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装配和原型设计
据估计，1975年至2000年间，美国的材料消耗增长了57% (WRI, 2008)。这相当于大约70亿吨固体工业废物。想象一下二十年后的今天，这个数字又会增长为多少。装配和原型设计是所有阶段中最关键的，显然，如何把失败原型的数量降到最低至关重要，因为原型失败会导致材料和能源消耗。
为什么减少原型设计次数很重要
虽然这在一定程度上可能会让人觉得违反常理，因为原型设计在很大程度上是一个可以实现设计微调试错过程，我们十分需要大量的原型设计来验证最终的结果，但实际上减少这个阶段的迭代次数将有助于有效打破产品开发过程中的死循环。
通过回顾我在整个制造过程中踩过的很多陷阱，我注意到有三个相互关联的支柱，优化它们在很大程度上有助于提高制造过程的可持续能力：材料消耗、能源消耗和运行时间。
用于生产产品的能源大约是生产成本的20%(麦肯锡，2012)，我们很容易看到积极改变或限制其中一个支柱将间接影响另一个支柱。这些微小的修改可以减少失败的原型或在制造过程中产生的碳排放。通过准备工作(这些是我们可以控制的因素)来适应或调整这些支柱，可以解决随着时间的推移逐渐加剧的低效率问题。
从何处开始
有效的数据—— 在制造过程中收集有针对性的信息，可以提高零件的运行性能(运行时间、体积、材料浪费等)。例如，一些3D打印机在生产更复杂的几何图形时效率更高，而另一些打印机在最大限度地减少大型组件的运行时间或所需的后处理数量和回收材料的能力更强。
尽量使用废弃回收材料—— 不要在你最终选择的材料上制作你的初始原型。我见过的失败案例多得数不清，都是那些对自己的设计过于自信的人造成的。一开始多重复利用可回收的废旧材料，然后逐渐选择合适的材料。例如，激光切割装配首先使用硬纸板，亚克力或木材，或使用可回收的热塑性塑料首先在3D打印做实验。
形式服从功能——通过实验制作简化版本，或隔离关键部分来迭代测试，有助于制作快速原型。这可能包括支架移除、后处理、机械连接等。
对Netfabb中生成式设计部分的结构优化
增材制造 —— 增材制造的卓越之处在于，它能够使用最少的原材料来生产一个功能部件。从更环保的选择开始，逐步完成你的原型制作过程永远都是非常有效的方法。
合理利用反映测试的参数 —— 根据你希望从原型中收到的信息类型，确保过程参数和设置反馈并优先考虑这些需求，比如速度、质量、原型的完整性。例如，如果你正在运行一个3D打印机来测试一个部件的形式和功能，那么你可能期望更快的打印速度，可以考虑以下措施以减少运行时间和材料的使用:
- 管理支撑结构 —— 根据零件方向评估支撑的高度和重心；尽量减少需要支撑的面积(将支撑部分视为自身的一部分)。
- 填料管理 —— 降低填料密度，使层高最大化；使用基于有限元分析模拟结果(Netfabb)的梯度晶格结构或在Fusion 360中直接生成零件切片。
嵌套和包装 —— 在制造过程中优化零件排列，以提高运行时间，减少材料浪费。正是因为这个原因，Fusion 360 内置了一个嵌套工作空间，为你提供了更大的灵活性，可以根据你的需要自主决定如何运行你Flow-Jet，2轴和零件激光切割。类似地，在增材制造中，Netfabb可以在构建环境中使用它们的打包特性正确地定位几何图形，以最小化运行时间。
工作夹具 —— 设计可拆卸的工作夹具。这将让你在一定程度上可以控制如何制造特定的部件（3D打印较少的关键功能），并允许你切换出某些硬件/组件。这有效地减少了生产浪费的数量。
节省废料 —— 你永远不知道什么时候额外的材料会派上用场。当计划一个新的设计的建设，考虑项目，废料，和边角，你手头上的或那些从另一个组件生产的。
一种生成式设计的汽车零件设置，用于使用3D打印生成式设计的五轴数控机床加工后铣削案例
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总结
原材料和资源的消耗并不是一个新问题，这个问题也不会被很快解决。因此在设计决策过程中，考虑产品如何退出生命周期这是一个需要重点考虑的要求。成本可能是难以实现生产制造可持续的最大障碍，采用非传统的设计方法，瞄准关键制造部分以削减成本，只有通过有意识和负责任的设计才能实现可持续产品开发生产。
展开来说，我的设计理念就是挑战现状，不要安于当下，要勇于创新。我注意到，人们经常在前人的思维模式下工作、创造和设计。在这个众所周知的思维囚笼里，他们既觉得自己的思维受到限制，又与外界充分接触以获取新的信息，要知道我们已知的创作路径实际上并不是唯一的创作路径。
重新思考什么是可能的，以及如何最好地将可持续注入到设计制造过程中，这是Autodesk 技术中心始终努力的方向。我们依靠社区中全球的活跃思维和丰富的经验带给世界制造者更加长远的眼光，和全球制造者一起建设更美好的未来。
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参考文章：查看链接 ↗ University
译者：小鸡炖蘑菇为尊重版权和译者转载请联系我们