利用仿真技术大幅减少电子垃圾的形成

本文原刊登于Ansys Blog：《Simulation Technology Helps Reduce E-Waste》

作者：Pepi Maksimovic | Ansys客户卓越总监

编辑整理：何雅威 | Ansys主任应用工程师

您知道电子废弃物（或称为电子垃圾）问题，是全球增长最快的废弃物吗？事实上，人类每年产生的电子废弃物高达5,000万吨，这一数字极其惊人，而且还在不断增长。值得庆幸的是，仿真技术能够帮助我们减少电子废弃物并改进电子废弃物管理解决方案，以充分应对这一日益严重的全球性问题。

电子废弃物是指因冗余、更换或损坏而耗尽其实用价值的电气和电子设备。

信息化发展测评伙伴联盟（Partnership on Measuring ICT for Development）将电子废弃物分为六大类：

1. 温度交换设备——如空调、冰柜

2. 屏幕和显示器——如电视和笔记本电脑

3. 灯具

4. 大型设备——如洗衣机和电炉

5. 小型设备——如微波炉和电动剃须刀

6. 小型IT和电信设备——如手机和打印机

令人担忧的是，由于技术进步、消费者需求不断变化以及产品生命周期日益缩短，电子废弃物已经成为世界上数量增长最快的废弃物。到2030年，每年电子废弃物产生量预计将飙升至7,500万吨。

许多人在购买新设备时，并不会将旧设备进行适当的回收处理，这会导致产生大量的电子废弃物。此外，许多设备的设计也并未考虑到维修或回收等等这些方面。这都会导致大量电子废弃物无法得到恰当的处置，从而对环境和人类健康产生负面影响。

电子废弃物中的高度危险材料——比如汞、铅、砷和溴化阻燃剂，都需要进行特殊处理。然而，根据加速循环经济平台PACE（Platform for Accelerating the Circular Economy）和联合国电子废弃物联盟（UN E-Waste Coalition）的报告指出，每年全球电子废弃物中只有一小部分（20%）被收集并妥善回收。这就会导致严重的环境和健康危害，包括污染、将有毒物质排放到空气和水中，以及对人类和动物的健康造成不利影响。此外，回收不当的电子废弃物也可能导致数据安全风险。

电子废弃物可能是致命的：从先天性残疾到中枢和周围神经系统的健康问题，电子废弃物对人类健康具有重大影响。它对生态系统也会带来毁灭性的影响，例如在广东贵屿的电子废弃物处理场，其土壤样本中检测到的有毒二恶英和重金属的浓度为全球最高，导致人们无法在当地种植农作物或饮用安全的水（根据研究，检测记录的铅浓度比安全水平高出2,400倍）。

仿真在帮助创新者快速、低成本地创造新产品方面发挥着关键作用。仿真可通过四种不同的方式来用于减少电子废弃物。

1. 材料选择

在产品设计早期阶段，通过仿真助力减少电子废弃物的方法值得一试。第一步是确保产品由具有最小环境足迹的材料制造而成。

Ansys Granta Selector等工具专注于材料导向型生态设计，因此工程师可以在设计流程早期阶段考虑材料的可持续性，从而助力企业减少产品开发时间并做出更具可持续性的材料选择。

2.拓扑优化

电子废弃物的另一个解决方案是减少产品中使用的材料数量。

对于产品的组件结构，采用金属或塑料材料的固体梁乍一看似乎是正确的选择。但工程师可以执行拓扑优化分析，找到在不影响梁强度的情况下从梁中去除材料的位置。拓扑优化可生成独特的设计，工程师可能不会在一开始就考虑到这些设计，但其实，其强度足以为产品提供必要的结构支持。

3. 电磁仿真

通过仿真电磁材料的属性并将结果与规范进行比较，工程师可以最大限度地减少电磁材料使用。例如，为了提供设备组件电绝缘属性的误差范围，工程师可能会使用比所需厚度更厚的电介质。电磁仿真可用于帮助减少电介质的厚度，同时仍然提供必要的电绝缘。工程师可以运行类似的仿真，以最大限度地减少导体、电阻和其它组件中使用的材料数量。

4. 产品拆卸

少有电子设备制造公司会在设计产品时考虑拆卸问题。通常来说，企业在开发阶段的首要任务是找到装配组件的最有效方法。但是，假如组件的装配方式使其能够在设备生命周期结束时更容易进行拆卸，结果会是如何呢？这样人们就可以更轻松地提取有价值的材料以进行回收和再利用，并且更容易去除有毒材料，因此这些电子设备也不会被丢进垃圾填埋场。

仿真使工程师能够探索更多的方法来管理组件及其装配顺序，而且用时要远远少于构建原型所需的时间。利用仿真进行虚拟设计和测试，工程师能够在设计阶段考虑装配和拆卸，从而在产品不再可用时，人们能够更容易回收有价值的材料并去除有毒材料。

即将在9月举办的Ansys 2023全球仿真大会中，推出「可持续发展与能源」专题分会场，将重点介绍仿真在风能、光伏、氢能、化学储能和电力设备领域的应用，探讨如何通过仿真技术使能源转型更加安全、可靠和高效，关注能源生产和转化的效率，欢迎报名参会。