在（绿色）材料世界中制造

工业，社会和地球本身都面临着气候紧急情况。随着世界各国争相采用更清洁的能源并减少碳足迹，人们敦促工业界将制造过程脱碳。材料和供应商数据库Matmatch的技术撰稿人Samir Jaber在这里看来似乎是艰巨的任务，但他解释了制造商可以采用的五种减少碳排放的方法，更多信息尽在振工链。
今天，与环境问题或生存威胁一样，气候变化问题也被视为经济挑战。实际上，世界经济论坛将“凝聚力与可持续世界的利益相关者”作为其在瑞士达沃斯举行的2020年年会的主题。
因此，我们看到越来越多的企业采取行动来实现绿色环保，尤其是在工业领域。例如，在2019年，俄罗斯金属集团En +呼吁世界最大的工业金属市场伦敦金属交易所（London Metal Exchange）引入有关二氧化碳（CO2）排放的新披露规则。这些规定将迫使铝生产商在交易所中披露其金属的碳足迹。
然而，工业部门仍然是全球碳排放的最大诱因之一。特别是在生产材料的方式上。根据世界钢铁协会的数据，钢铁行业直接产生的化石燃料排放量高达9％。
但是，制造商有可能在其整个生命周期内降低其运营的碳排放量以及产品对环境的影响。这可以通过综合考虑设计，新制造技术和材料采购策略来实现。制造商可以通过以下五种方式最大程度地减少碳排放。
1.生态设计工程
制造商可以通过考虑并积极最小化产品从材料提取和供应到使用寿命结束的整个生命周期对环境的影响，来降低其二氧化碳排放量。这通常称为“生态设计”，但许多制造商和工程师可能将其称为产品设计中环境管理的ISO / TR 14062标准。
设计工程师可以通过考虑诸如生产中消耗的能源和材料的数量，产品及其制造副产品如何影响生物多样性等因素来遵循生态设计的原则。然后，工程师和制造商可以研究替代工艺，系统或材料，以最大程度地减少影响。
即使对于材料行业的制造商，这些考虑因素也可能导致以前碳密集型的工艺和行业发生重大变化。铝供应商Rusal是一个很好的例子。
由于冶炼等工艺，每吨铝平均生产大约11.5吨二氧化碳。然而，俄罗斯铝业公司公开地将目光投向了到2021年实现无碳铝的目标，这促使该公司开发了ALLOW系列低碳铝合金。
这些材料的碳足迹通常每吨铝不到4公吨，部分原因是用于某些过程的水力发电。这使得ALLOW成为可用的最低碳的铝产品之一。这就是Matmatch自豪地在我们的材料搜索引擎中展示该产品系列的原因。
这不仅显示了在计划产品设计或制造时考虑环境因素的影响，还显示了替代材料可以产生的影响。从Rusal（而不是标准供应商）采购铝合金的制造商有可能将其产品的碳足迹每吨铝减少约7吨CO2。
2.材料替代
正如切换到相同材料的低碳版本可以减少碳足迹一样，也可以找到常规设计的替代材料。一个例子是竹牙刷替代塑料的兴起。由于原材料具有吸收碳的能力，这种设计更改使产品可生物降解并抵消了CO2排放。
但是，任何设计工程师都知道，这并不像为产品选择其他材料并使用它那样简单。成功替代材料的关键是选择一种性能与原始材料相似的新材料。是否适用于机械性能（如拉伸强度）或化学和热性能。
从历史上看，这一直是设计工程师面临的主要挑战。但是，像Matmatch这样的在线材料数据库的兴起使得这种材料比较变得更加简化。
对于许多行业（例如包装业）来说，这是幸运的，因为包装业的环境问题已促使人们需要改变材料。对塑料污染的担忧已导致许多消费者要求更环保的替代品。反过来，这又推动了生物聚合物和可生物降解的聚合物的兴起，这些聚合物旨在替代传统的石油基塑料-用于饮料瓶和便餐等产品的包装。
材料替换不仅包括输入材料的按需交换。在2017年发表的一篇论文中，联合国技术执行委员会（TEC）概述了制造商提高材料生态效率的几种材料替代可能性。这些可能性包括替换输入材料，使用更少的输入材料进行设计以及轻巧的设计。
后一种想法可与汽车行业中的轻量化概念相提并论，在轻量化概念中，更轻的设计更可提高车辆的燃油经济性。通常，生产较轻的材料需要较少的能量，从而减少了生产的碳足迹。
然而，有时会感觉到，密度较小的较轻材料将缺乏使其适合于某些应用所需的机械性能。严格来说并非如此。正在进行的研究领域之一是具有增强其机械强度的结构的轻质材料。例如，英国的埃克塞特大学正在研究蜂窝结构在轻质材料中的使用，主要用于航空航天应用。
设计工程师和制造商还必须考虑替代材料的丰富性。正如TEC在其论文中指出的那样：“替代潜力……取决于材料的特性和足够数量的替代材料。例如，全世界每年人均生产200公斤以上的钢铁和380公斤的水泥。目前尚无其他材料可以替代如此数量的材料（IPCC，2014）。”
3.再制造计划
对于像钢这样的材料，如果要考虑其丰度，制造商可以通过再制造来减少生产链中的碳排放。这涉及到用过的耐用材料（例如钢）和可在将来的制造过程中重复使用的产品的回收。这种做法在汽车工业中相对普遍，在汽车工业中，通常会重新制造发动机，转向系统和变速箱等零件。
实际上，再制造的最早例子之一就是汽车领域。大萧条过后，亨利·福特（Henry Ford）通过在1930年代重新制造汽车发动机来应对新车销售的停滞。这是因为可持续性是一种奖励。对于制造商和客户而言，主要好处是节省了成本和时间。
如今，一些工业制造商也采取了类似的再制造计划。例如，全球最大的工业轴承制造商之一SKF轴承提供轴承再制造服务，以延长其产品的使用寿命。这减少了为现有系统制造新轴承的需求。
作为如何节省新材料加工需求的一个示例，GKN Automotive表示，其传动轴再制造服务使该公司“每年通过重复使用芯材中的80％的钢材来节省至少1,600吨的钢材集。”
如果我们将其与世界钢铁协会报道的每吨钢所产生的1.85吨二氧化碳一起考虑，那就意味着通过再制造可以避免至少2960吨的二氧化碳排放。
4.增材制造
再制造只是一种可以减少碳足迹的替代制造技术。另一个是增材制造（AM），近年来它越来越流行-很容易理解为什么。AM减少了产品浪费，减少了能源消耗，并且用途广泛。
传统的制造技术（例如模制和成型）是减法工艺，因此产品是由较大的材料块制成的。这意味着浪费是该过程固有的，并非所有这些材料残料都可以回收或再利用。AM仅使用所需的材料量，而不再使用，因此减少了浪费并降低了设计的碳强度。
如果设计工程师对AM有所保留，那就是该技术受到了现有材料类型的限制。这是因为AM需要特殊形式的材料，例如粉末。幸运的是，在Matmatch，我们看到了增材制造材料类型的蓬勃发展，现在可以使用各种金属合金，钢，树脂和生物聚合物。
使用这种技术，设计工程师还可以尝试用减法制造以前无法实现或不切实际的新型结构和设计。例如，可以使用晶格设计来增强产品设计的某些方面，同时使用更少的材料并且也更轻。这与TEC前面提到的材料替代建议有关，该建议是一种使用更少的输入材料进行设计的方法。
5.减少产量损失
AM减少材料过多和浪费的能力类似于制造商减少CO2排放的最终方法，即减少产量损失。熟悉整体设备效率（OEE）概念的制造工厂经理可能会知道六大损失：设备故障，计划停机，空转，速度降低，生产缺陷和产量下降。
这些损失中的每一个不仅会影响性能和生产率，而且还会相应地影响所使用的能量和碳足迹。制造商有许多解决这些损失的选择，从实施数据驱动的维护策略到将自动化引入生产线。但是，这些通常需要投资技术或系统。
相反，如何处理生产缺陷和废品则需要较少的投资。这是根据美国纽约锡拉丘兹大学（Syracuse University）的Rong Li于2018年发表的研究论文得出的，该论文探讨了这个确切的话题。Li表示，“制造商可以选择（1）以一定的成本报废所有不太理想的产品（NQPP），仅携带高端产品，或者（2）将部分或全部NQPP出售给注重价值的低端产品。高端市场，同时携带高端产品和低端产品”。
李总结说，将这些NQPP出售给低端市场可能会为制造商带来最大的利润，并指出“如果制造商转向报废策略，利润增长可能高达33％，甚至更高”。但是，这没有考虑到管理二氧化碳排放的环境法规以及这些法规如何影响成本。
例如，欧盟的排放交易系统（ETS）将成本和信用分配给欧洲企业的碳排放量。报废和制造新产品的碳成本可能会改变制造商的方程式。我们建议您在Matmatch而不是报废或出售NQPP，这是第三个选择：重新制造和重新使用NQPP。
绿色世界
当然，回顾碳时代的后代将看到环境艰难的时期，但也充满希望。确实存在可以帮助制造商和设计工程师将对环境的影响最小化的技术。
对于设计工程师而言，确保对设计和材料的使用进行规划时要考虑到其对环境的影响。这意味着识别并验证有关材料碳足迹的信息的准确性，为此，使用可靠的材料数据源至关重要。
摆脱数十年来工业发展所建立的实践可能是一项艰巨的任务，但这是工业可以为实现目标而采取的小步骤。只有时间能证明低碳制造业在应对气候危机方面的有效性，更多信息尽在振工链。