工業可持續性和輕量化

來源:Pixabay

英國利物浦大學工程學系製造系統學系教授
韓國強教授

導論
工業的可持續性尋求在發展的同時,在經濟、環境及社會三方面取得平衡。這是個值得稱頌的目標,因為自然資源有限,而全球人口卻不斷增加,儘管全球人口增長率於2016年放緩至1.13%,但聯合國估計到了2023年,全球人口將突破80億。顯然,保護自然資源和減少浪費至關重要。

製造業於六十年代起著重改善生產力,以致近年提倡材料及能源效益都有助推動工業的可持續發展,下一步則是要思考如何實現工業可持續發展。現時,除了只有一些框架及原則外,並沒有廣泛性的法律為實現工業可持續發展提供必要的基礎,例如由世界可持續發展工商理會事所提出的七項生態效率原則。原則為實現可持續發展提供了實用的方針。然而,它們涵蓋了非常廣泛的範圍,故此,本文只選取當中一種有效而能直接推動工業可持續性的工程方法 ─ 輕量化作全面討論。

在英國,政府鼓勵企業每年提供「企業可持續發展報告」,就空氣質素及排放、水質、生物多樣性及生態系統、天然材料及廢料五方面評估並且報告成效。過去十年,英國的工業取得重大的進步,例如2016年女王企業可持續發展獎的得主 ─ Anglia Print,於生產過程中運用100%的可再生能源、實施無水印刷及產生零堆填廢物。

輕量化
輕量化的基礎概念簡單而直接,在不影響產品的功能和結構完整下,降低產品的重量(實際上是質量),這亦是材料效益的直接展示。如果汽車的重量降低,其材料及加工成本亦會降低;此外,其燃料成本亦會減少,連帶降低二氧化碳的排放。Casade & Board指出若果傳統汽車的耗油量降低4.1%的話,能源經濟成本減少10%。事實上,輕量化對整個運輸業尤為有利。

基於實際目的,下文將連同實例,總結輕量化的實際運用方式。

結構優化 (有限元分析)
有限元分析是一種現代而高效的分析方法,用於建模及分析物體的物理及機械行為,一般用於工業產品。現今,有限元分析已能與3D建模無縫整合,為「計算機輔助工程」提供一部份的分析。透過改善結構來輕量化是一個迭代過程。以下是由Autodesk Sustainable Workshop所得的例子,關於一款用於Formula SAE汽車的製動踏板。圖一是踏板首個設計的壓力及位移分析,圖二則是引入工字鐵及空腔後新設計的分析。結果顯示,產品的重量由309gm降低至141gm,安全系數從3.6跌至2.83,但仍能達到所規定的安全系數(2)。

材料替代
利用鋁(Ai)、鎂(Mg)和鈦(Ti)等輕合金替代鋼材是相對容易和直接的選擇。正常鋼的密度是7.85g/cm3,而鋁、鎂和鈦的密度分別只為鋼的40%,25%和56%。因此,這些輕合金都被用於需要減輕重量的現代工程產品中。例如Audi A8和A4都使用全鋁體車身;Lenovo、Dell和HP的筆記本電腦均使用鋁合金;而鈦則用於航空引擎的零件和運動器材。處理這些材料,特別是鈦,需要更高的製造技術要求。另一種值得注意的輕質材料是碳纖維增強複合材料,這種材料對於航天工業而言日益重要。例如,波音787的機身有50%由複合材料製成。在決定材料替代品時,需考慮諸如材料成本、可製造性、使用的能源、回收的難度等因素。

製造和裝配設計
製造和裝配設計(DFMA)的理念於1970年代被首次提出。DFMA的中心理念是透過組合幾部份零件成為單一個較複雜的零件,從而減少零件的數量。Boothroyd Dewhurst Inc, DFMA軟件的母公司分析超過100宗案例,指DFMA能將產品的勞工成本及重量平均降低42%和22%。根據這結果,如圖3所示,Porter能將摩打引擎部件的數量由19件減至7件展示出製造業和輕量化的顯著進步。

增材製造
增材製造亦被稱為3D印刷,是一種將部件逐層建造的新式製造方法。首種增材製造方法是1988年引入的立體光刻技術。如今,增材製造技術已被廣泛應用,Wohlers Associates估計其市場規模已達66.03億美元。目前最流行的增材製造技術都是利用擠型、噴墨和選擇性雷射熔化等方法。由於這些方法不受「幾何」限制,它們能製造「矩陣」或「細胞」等結構,顯著地降低產品的重量,達致輕量化。圖4是一種由Renishaw所生產的複雜矩陣結構部件。由於與傳統的減法加工方式相比,增材製造技術的生產率較低,因此,現時增材製造技術主要用於醫療業等較高價值的行業內。

微型化
隨著微型工程和微型製造技術逐漸興起,產品亦出現微型化的趨勢。手機的發展就是一個典型的例子。Motorola於1973年生產的第一代手機重1.1公斤,長23厘米,闊13厘米,然而通話時間只有30分鍾。經過四十年的發展,IPhone 7等現代的手機的重量只有0.138公斤,不及當年Motorola第一代手機半成。更重要的是,現今手機的功能和性能均遠超當年的手機型號,手機已經成為了日常生活中不可或缺的必需品。除了電訊和電子產業外,微型化亦被應用於機電、光學和軍事產品上。

結論
不斷追求更高的材料和能源效率是推動工業可持續發展的一大動力。輕量化是實現工業可持續性的一種直接而高效的工程方法。具有獨特性能的新材料,如石墨烯和碳納米管均有巨大的輕量化和應用潛力。新的商業模式和概念,如循環經濟和再製造,都將會為行業帶來廣泛的革新。在為構建可持續發展的世界而努力追求創新的同時,我們亦需要教育下一代的工程師,在開發新產品和系統時,必須於經濟、社會和環境三方面取得平衡。

作者簡介

韓國強教授是國際知名的製造系統工程學學者,專門研究製造系統及可持續工業,多年來發表了逾百篇科學論文及刊物。他曾參與多所國家和國際組織擔的研究評估、基礎及應用研究和教育工作。他亦是國際生產工程科學院的研究員。