可持续性设计的初学者指南

介绍

你走在街上，手里拿着咖啡。太阳出来了，鸟儿叽叽喳喳：多么美好的一天！当你在街区尽头转弯时，你会发现你的道路被零碎的家具、废弃的消费品和碎片挡住了。今天是垃圾日，所有这些东西都运往垃圾填埋场。你可能会把这种情况归因于过度消费或浪费，但这主要是糟糕设计的结果。如果我们能够更深思熟虑地设计日常物品（和系统），我们就可以重写可持续和应对气候变化的意义。我们没有能源或污染问题，我们有设计问题。我们今天面临的环境问题是我们自己创造的副产品。更加深思熟虑我们如何创造产品，可以构建更可持续的未来。

本文通过讨论整个产品开发过程中使用的工具和策略，挑战每个人以更可持续的方式思考。读者将感到有能力，并对可持续性如何来自简单、智能的设计有一个基本的了解。我将介绍最能支持可持续产品创建的设计方法和数字工具（创成式设计、格子、仿真、嵌套）。此外，我还将讨论哪些外围环境、供应链和制造考虑因素对环保原型制作和生产最重要。读者还将通过欧特克技术中心的常驻反馈，深入了解多个行业的可持续发展。

在欧特克技术中心，我直接与研究人员以及行业、学术界和创业社区合作，提供技术专业知识和制造咨询。这个全球社区创造了一个关于制作未来的共同愿景。

我在欧特克获得的见解加深了对可持续性如何帮助您节省资金并成功集成到产品开发流程的不同阶段（构思、探索、制造、评估和生产）的深刻理解。这本可持续发展设计初学者指南将打破并揭开可持续发展领域的障碍，无论您是经验丰富的设计老手、自由职业者、最近的行业新成员还是企业决策者。我将介绍关键概念、工具和策略，这些概念、工具和策略将超越制造基础的设计。您可以立即开始实践的工具，加入欧特克，迈向更智能、更环保的产品开发之旅。

构思与设计理念

平均而言，产品80%的环境成本和性能在设计和概念阶段被锁定，从而产生下游影响（欧盟循环经济行动计划，2020年）。虽然开发过程中涉及的所有角色对于成功减少产品的碳足迹至关重要，但工业、产品和机械工程师在定下基调时应该成为目标。

您的任务是创建一个新产品，并且已经获得了此设计必须满足的一系列参数。当然，早期的设计迭代侧重于该产品的功能要求。在将自己描绘成众所周知的设计角落之前，请退后一步，从整体上评估设计挑战。大局是什么？深入了解设计的下游效果可以帮助您更好地满足核心产品需求，创造更具可持续性的东西，并更好地让您接触到非常规的设计灵感。这包括产品将如何退出其生命周期，以及它最终可能超出初始使用范围的位置，例如垃圾填埋场。输入循环性和仿生学。

泰森·福格尔（Tyson Fogel）讨论了循环设计，以及为什么他认为这是制造业的下一个前沿。

什么是循环性

循环性是通过设计消除浪费和污染来保持材料和产品永久使用的理念。它与升级再造或回收的不同之处在于，材料和产品可以在其生命周期结束时重新利用，使其具有相同或更低的价值。

什么是仿生学

仿生学是观察自然世界以获得设计灵感;例如，一种不含甲醛的木胶，其设计灵感来自蓝贻贝的 byssus 线的蛋白质化学，使其能够如此有效地粘附在被波浪袭击的岩石上。大自然在工程周期性复杂系统方面领先了数十亿年，这些系统对其维持多种生命形式的能力至关重要。解锁它们可能是成功克服我们面临的许多设计挑战的关键。

仿生学可以帮助设计师创造更可持续的产品，正如泰森·福格尔所解释的那样。

从哪里开始

• 从小处着手，把它作为优先事项——通过尽早引入可持续方法，为产品开发定下基调。选择您产品的一个（高消费）方面，并专注于使其尽可能可持续。例如，如果您在生产过程中消耗大量能源，请关注这一点;如果您使用很少的能源，请专注于材料。慢慢地，通过经验和失败，你会对这个过程充满信心，并将这种思维扩展到你产品的其他领域。
• 生命周期心态——始终考虑产品的不同方面，直到消费者使用（硬件、包装、处置等）。这里的重点是如何在产品的传统生命周期之外创造长期价值。
• 整合，巩固，巩固—这很简单：更少的零件意味着更少的能源和材料强度，从而减少浪费。识别在哪里进行整合可以为您指明使用哪些数字工具的方向。

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，追求循环性的下一个逻辑进展涉及重要性、供应商选择和制造。简而言之，制作零件原型和生产。收集更多信息可以导致战略性和可持续的决策。了解您采购的人员，以衡量组织如何开展业务，他们如何采购材料以及这些材料相对于您的运营的来源。请记住，并非所有制造工艺和材料都是平等的。能够确认供应商材料的环境声明，或将其认证为绿色企业，使您能够了解由此产生的碳足迹，或最大限度地减少供应链物流的影响。这是一种可持续的最佳实践。确定您的供应商是否以下面列出的方式之一运营，每种方式都在可持续制造的范围内：

• 精益—正如它所暗示的那样，瘦肉意味着在制造过程中“减少脂肪”或浪费。浪费是生产链中任何形式的混乱和低效率。基本上，精益生产意味着在增值步骤中创造具有不间断流动的东西。
• 单件流—产品组件在生产管道中移动，一次处理一个单元。蜂窝组装对这种制造形式是有利的。通常，单件流适用于精益生产。
• 聪明——传感、物联网、机器学习。这里的游戏名称是收集有关制造过程的数据。数据可以带来有关如何更好、更快、更高效地生产东西的见解。

真正的可持续制造是这些实践的交叉点。这有助于更好地了解供应商关系中的价值所在。要进一步推进此早期审计流程，请考虑进行更复杂的生命周期评估 （LCA）。

什么是生命周期评估

生命周期评估是一种定量方法，用于测量和评估影响产品整个生命周期（例如原材料、加工、运输、使用、报废等）的所有材料和能源输入/输出。它被认为是衡量产品环境影响的最准确方法之一。来自LCA的结果数据通常用于在替代设计和制造方法之间进行比较。

从历史上看，LCA 成本高昂，由于其复杂性、时间和资源强度，通常由第三方供应商完成。这些进入壁垒因需要广泛的数据库以及从收集的数据中提取见解的挑战而变得更加复杂。

为什么LCA很重要

退一步说，我们知道制造业务是能源密集型的，五分之一的工作与全球供应链有关，超过80%的温室气体（GHG）排放来自消费品行业的供应链。在全球范围内，制造商占温室气体排放量的19%（Herzog，2009年）和能源消耗的37%（国际能源署，2013年a）。

LCA让您有机会窥视供应过程，并允许您在制造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热点至关重要。

从哪里开始

• 做好功课——如上所述，与您的供应商交谈，研究他们的流程，并直接向他们询问特定于重要性的问题。例如，为什么他们的报价偏离市场价值？
• 环保至上—在采购新材料、硬件和操作设备时，请先尝试研究环保方案。无论您的结果是否是满足您需求的有效选择，都知道您正在进行尽职调查，请感到安慰。
• 跟踪和自我审核—您无需进行适当的 LCA 即可开始了解产品的碳足迹。利用您可以访问的数据来获取碳洞察，例如机器运行时间、运输距离、材料使用、装配时间;所有这些东西都有一个能量（碳）特征。这将帮助您确定在生产过程中可以做出哪些让步，并确定可以从整合中受益的组件。

数字工具和设计策略

到目前为止，我们专注于进入CAD环境之前要采用的策略。过渡期间，您可以在可持续的设计到制造工作流程中利用许多工具。最重要的是，成功来自于在打破数字线程之前对您的产品和制造过程有深刻的理解。这意味着通过有限元分析 （FEA）、过程模拟或 Autodesk 创成式设计 （GD） 来运行您的设计。这个想法是通过制造设计 （DFM） 策略、创造力、轻量化、罗纹（或格子）等来寻找提升产品的机会。我在这里选择的程序是Fusion 360，它以参数化和动态的方式解锁了许多关键功能工作区。

什么是融合360

Fusion 360 将数字设计、工程和制造统一到一个平台中。Fusion 360允许您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，将设计迭代和数据交到用户手中。

什么是创成式设计

Autodesk 创成式设计是 Fusion 360 原生的工作空间和设计探索技术（其结果也与 Autodesk Inventor 相衔接）。创成式设计使用基于 AI 的算法，为一个设计挑战创建多个设计解决方案和排列。这允许您根据实际制造约束和产品性能要求同时生成多个 CAD 就绪解决方案。

创成式设计是设计师可以用来整合装配体、轻量级设计和激发创造力的强大工具。

为什么这些工具很重要

想象一下数据触手可及。所有这些工具都可以让您实时预览设计在特定条件下的物理反应。根据质量、成本、材料和制造方法（仅举几例）过滤数十种优化的 GD 选项的强大功能意味着导出的变体让您对创造力充满信心，甚至在您打开机器之前就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支持或瞄准需求区域的位置。需要的领域可能是那些需要进一步整合的领域，通过罗纹、格子或关键特征实现轻量化。

从哪里开始

• 一站式软件—您的组织可能有一个CAD包，一个制造包，一个单独的模拟工具，一个用于管理团队项目文件的单独实体，等等。通过定位一种可以将您一直带到机器的软件来简化您的工作流程。这样，您可以花更少的时间担心如何在流程中注入可持续的最佳实践，而将更多的时间用于考虑结果。Fusion 360可以带你到达那里。
• 仿真零件和流程 - 仿真是一种诊断工具，可帮助设计人员更好地了解组件在不同环境和不同条件下的完整性、性能和结构。大多数制造复杂性源于缺乏操作员/设计师的远见卓识。无法预测下游陷阱可能会导致错误逐渐复合到故障点。仿真可以为您提供这种洞察力，并能够适应、改进或解决任何低效率问题。

• 使用数据来对抗试错——最大限度地提高从设计到制造软件的功能，尤其是那些能够更深入地了解如何使您的产品更好、更强大或更易于生产的仿真功能。利用此类资源可以提高您针对制造过程进行设计的能力，从而有效地消除原型试错方法。
• 生成一些设计—这一点我怎么强调都不为过：利用创成式设计。无论您认为设计结果的制造成本太高，还是研究成本太高而无法计算，GD都可以成为您武器库中的超动力学工具。以下是我看到它使用的一些方式：

1） 创意发射台 - 根据您的设置，设计结果本质上可能是外星人。这可以发挥您在制作真正独特的设计或尝试重新构想常见结构特征方面的优势。例如，重新设计 GD 结果以使其与钣金加工或焊接更兼容。

2） 真正的可制造性 - 从您的制造策略设计中消除猜测工作，并产生特定于您手头设备的结果。例如，GD 现在具有 2.5 轴约束，非常适合减材制造，并确保您的所有设计功能都可以通过工具和设备限制来满足。

3） 验证、修改和迭代 - 将 GD 视为迭代过程的扩展。在初始 GD 算例中使用假设或理论载荷条件，选择最佳结果，然后对这些设计进行物理测试以衡量计算载荷的精度。使用测试结果设置第二个 GD 算例并重复。

制造和原型制作

据估计，1975年至2000年间，美国的材料消费量增长了57%（WRI，2008）。当时，这相当于大约70亿吨固体工业废物。快进二十年，想象一下今天的数字是多少。

可持续发展的战斗并不止于制造业的设计。生产和原型制作是所有阶段中最有触感和最关键的。按理说，如何过渡到机器对于最大限度地减少失败的原型数量至关重要，因为故障会导致材料和能源消耗过多。认识到并承认您在此过程中会遇到失误的事实。为他们计划。

为什么这很重要

虽然其中一部分可能感觉违反直觉，因为原型设计在很大程度上是一个试错过程，用于微调任何设计，减少此阶段的迭代次数将有助于有效地打破产品开发过程中的循环，并鼓励更周到的制造。

通过反思我在整个制造过程中目睹的许多陷阱，我注意到实际上有三个相互关联的支柱在很大程度上有助于制造过程的可持续性：材料消耗、能源消耗和运行时间。

了解用于制造产品的能源大约是生产成本的20%（麦肯锡，2012），很容易看出积极改变或限制一个支柱意味着间接影响另一个支柱。这些微小的修改可能会导致失败的原型或制造过程中产生的碳排放减少。适应或调整这些支柱是通过准备（这些是我们可以控制的因素）来完成的，以消除随着时间的推移可能复合的低效率。

从哪里开始

• 更多数据，更多进展—我们知道数据为王。在制造过程中收集有针对性的信息，以提高零件的运行性能（运行时间、体积、材料浪费等）。这包括了解首选制造方法中的比较过程（变化）并适当选择。例如，一些3D打印机在生产更复杂的几何形状方面更有效，而其他3D打印机则更好地最大限度地减少大型组件的运行时间或所需的后处理量及其回收材料的能力。
• 材料刻度—不要在您选择的材料上运行初始原型。我见过的失败比我对自己的设计过于自信的人多得数不清。一开始使用更多可回收材料，逐步使用您选择的材料。例如，激光切割组件首先使用纸板而不是丙烯酸或木材，或者在3D打印时首先使用可回收的热塑性塑料。
• 外形、合身和功能——这不是一种罕见的方法，但值得重复。通过运行缩放版本或隔离关键功能/部分进行迭代测试，将您的快速原型提升到一个新的水平。这些可能包括支撑移除、后处理、机械接头等。

• 为胜利而加药——增材制造的辉煌之处在于它能够使用最少量的原材料来生产功能部件。升级您的原型制作过程也绝不是一个坏主意，首先从更环保的选项开始。
• 管理参数以反映测试—根据您希望从原型接收的信息类型，确保工艺参数和设置反映并优先考虑这一需求（原型的速度、质量、完整性）。例如，如果您正在运行3D打印机来测试零件的形状和功能，那么您可能对打印速度最感兴趣。请考虑以下事项以减少运行时和材料使用：

1） 管理支座结构 - 根据零件方向评估支座的高度和重心;尽量减少需要支撑的区域量（将支撑视为自身的一部分）。

2） 管理填充—降低填充密度并最大化层高;使用基于有限元分析仿真结果 （Netfabb） 的梯度晶格结构，或直接在 Fusion 360 中对零件进行切片。

• 嵌套和包装—在制造过程中以最佳方式排列零件，以延长运行时间并减少材料浪费。正是出于这个原因，Fusion 360 在其中嵌入了一个嵌套工作区，让您在如何运行水刀、2 轴和激光切割零件方面具有更大的灵活性。同样，在增材制造中，Netfabb可以使用其包装功能在构建环境中正确定位和定向几何图形，以最大限度地减少运行时间。
• 工件夹具和夹具—设计用于拆卸的工作夹具。这将使您对制造某些部件的方式有一定程度的控制（3D打印不太重要的功能），并允许您切换某些磨损更大的硬件/组件。这有效地减少了生产浪费的数量，同时延长了您值得信赖的工作持有量的使用时间。
• 保存残羹剩饭——您永远不知道何时会派上用场。在规划新设计的构造时，请考虑您手头的物料、废料和边角料或由其他组件生产的物料、废料和边角料。

在地平线上

原材料和资源的枯竭并不是一个新问题，也不会很快消失。如果有一个要点：循环性设计是产品开发洋葱的附加层。考虑产品如何退出其生命周期不是可选的;这是一个在设计决策过程中值得同等重视和考虑的要求。成本也许是采用的最大障碍，可以说是我们克服这一障碍的共同点或主要障碍。遏制传统的设计方法，同时针对关键领域来降低成本，只能通过意识和负责任的设计来实现。

为了扩展，我自己的设计理念的基础是挑战现状。我注意到人们经常在我们之前的人的心理墙内工作、创造和设计。在这个众所周知的盒子里，他们既感到思维受限，又过度接受物质世界;已知的创作路径是唯一的创作路径。为循环性而设计重新构想了可能性，打破这些围墙并说：“我们可以做得更好。

重新构想什么是可能的，以及如何最好地将可持续性注入到从设计到制造的过程中，正是我们试图在欧特克技术中心发现的。我们依靠全球（居民）社区的思想和经验的多样性来带来洞察力并建设更美好的未来。如果您有兴趣加入此社区或观看有关上述某些概念的演示，我建议您查看我的一些 Autodesk 大学课程，包括增材制造：了解和应用关键设计注意事项以及可持续性和 Fusion 360 如何帮助您节省资金和地球。您还可以访问欧特克技术中心网站。

受循环性和仿生学的启发，泰森·福格尔是一位狂热的制造商和可持续发展倡导者。他直接与居民、创新社区和研究人员合作，通过欧特克 Outsight 网络提供技术专长和制造咨询。作为一名设计师和橱柜制造商，Tyson 过去的工作包括从增材和减材制造、木工到 CAD/CAM、创成式设计、施工以及最近的机器人技术等方方面面。在加入欧特克之前，Tyson曾在多伦多大学担任木工店的技术员，并在瑞尔森大学开发支持社会企业家的计划。