康明斯(Cummins)和 PLANET 2050 簡介

 

作為社會和環境責任的全球領導者，康明斯(Cummins)致力於儘自己的一份力量，創造一個更加可持續、更加繁榮的世界。這就是康明斯推出PLANET 2050的原因，這是一項積極的可持續發展戰略，有著長期的願望，但到 2030 年將包括重要的里程碑，例如：

● 將設施和運營的絕對溫室氣體排放量減少 50%

● 為每個零件創建循環生命週期計劃

● 設施和運營中產生的廢物減少 25%

 

康明斯設定的目標雄心勃勃，特別是考慮到該業務每年生產超過一百萬個最終用戶發動機產品。如此大的產量需要大量的材料和自然資源，並遵守環境法規。此外，與其他動力系統不同的是，某些康明斯產品的嚴格運行時間可長達 25 年（或超過 120,000 小時）。康明斯的電力系統經過多次重建才能實現如此長的使用壽命，這強調了在產品生命週期中考慮可持續性的重要性。

 

 

康明斯以可持續發展為重點，開始重新思考其內燃機和燃料電池發動機系統的設計流程。大約 70% 的產品生命週期二氧化碳足跡是在產品設計階段的早期設定的，這意味著如果康明斯的目標是最大限度地減少產品在其整個生命週期中對環境的影響，康明斯的工程師需要專門為可持續發展而設計產品。

 

什麼是可持續設計？

 

可持續設計 (DfS) 不僅僅是輕量化。相反，它是一種整體方法，可以最大限度地減少設計在整個生命週期中對環境的影響。

 

儘管可持續設計是一個廣泛的主題，但本文重點關注以下過程：

● 設計一個物品時，所使用的材料不超過滿足其強度和剛度要求所需的材料。

● 從環境角度謹慎選擇組件材料。

● 制定一個記錄在案的、可操作的物品再利用、回收和再製造計劃的重要性。

● 從近淨角度設計產品，最大限度地減少物品後處理（例如，鑄造或鍛造物品後的機械加工）所需的能源和水。

 

與可持續發展設計相關的商業利益

 

當承諾預先（或在設計過程的早期）完成 DfS 工作時，並通過適當的跨職能基礎設施和高層領導的倡導，DfS 可以帶來顯著的業務效益，包括：

● 由於在材料提取和加工過程中使用較少的二氧化碳密集型材料和水，因此產品對環境影響較小；

● 產品的再利用、再製造或有效回收能力得到提高，從而提高售後市場的適銷性；

● 考慮到運輸和車輛燃油經濟性的影響，產品重量減輕，二氧化碳排放量進一步減少；

● 由於消除了非增值材料，降低了產品成本；

● 提高設計工程師的工作滿意度（和保留率），他們​​可以通過更具體的方式向業務展示其底線價值，而專家分析師則可以利用他們獨特的技能集中精力應對更複雜的分析挑戰

● 通過提高第一次正確設計產品的潛力，減少返工的可能性（見下圖）。

 

 

許多公司低估了從產品最初發佈到投入生產之間需要以某種方式修改（或重新設計）的次數。重新設計工作是工程學科和支持新產品設計的其他職能部門效率低下的一個巨大根源。

 

換句話說，需要進行某種程度的重新設計也會導致重新詳細設計圖紙、重新發布模型和產品結構、與供應商重新報價、重新加工的成本和復雜性、重新設計的時間。重新分析、重新驗證和重新測試的成本和時間等。因此，“返工”的任何減少都將對提高工程組織的整體效率產生重大影響。一旦承諾以任何方式優化產品（而不是遵循清單方法來克服一系列設計裕度閾值），產品中的浪費就會被消除，重新設計的需要也會被最小化。

 

克服 DfS 需要“額外工作”的觀念

 

讓 DfS 成為康明斯設計新產品的文化需要一些時間來實施。“較重的組件更堅固”或“沒有時間或人員來執行此類額外任務”的看法給企業帶來了需要克服的嚴峻挑戰。然而，一旦 DfS 技術到位並由那些精通拓撲優化的人員實踐，結果表明，用於設計產品的材料可以減少 10-15%，而不會對其結構完整性產生不利影響。在某些情況下，經過材料優化的部件甚至比它所取代的較重部件更堅固。

 

下圖展示了拓撲優化如何幫助康明斯減少其發動機系統的材料使用。

 

標記的紅色區域顯示可以去除的材料，因為從強度或剛度的角度來看，該材料缺乏附加值。

 

拓撲覆蓋（綠色）提供了更大的強度和設計餘量。

 

為字體發動機支架選擇此設計選項使康明斯設計人員能夠將其質量減少 23%。

 

為前置發動機支架選擇這種設計選項將使康明斯設計人員能夠將其質量減少 16%。

 

此外，當與精通執行此類分析技術的資源配合時，可以完成執行此類工作的時間，而不需要額外的時間來設計產品。再加上承諾執行 DfS 帶來的其他好處，康明斯有進一步的動力去改變其文化，在所有新產品設計中實施 DfS。

 

康明斯做出改變以擁抱 DfS

 

正如 PLANET 2050 宣言所述，康明斯的環境管理不是一項可選活動。為了實現 DfS 目標，康明斯必須實施多項變革。這些變化並不是為了“更智能地工作”，而是為了消除與現有設計流程相關的低效率問題。這些變化包括：

● 從主要遵守經過時間考驗的設計標準的文化轉變為仍然遵守相同標準的文化，但也注重“優化”如何實現每個設計利潤目標（包括生命週期材料使用）；

● 提高設計工程人員的熟練程度，以快速構建版權所有 PTC Inc. 2022 8 個高質量實體模型，然後通過前期結構分析工作完善其設計概念

● 利用在基於優化的技術方面具有經過驗證的效率的個人來試點支持新產品設計流程；

● 遷移到更新版本的 PTC CAD 軟體CREO，使設計工程師能夠在將設計概念發送給分析師進行最終檢查之前主動迭代設計概念（並對其進行結構優化）；

● 在管理新產品開發的總體企業標準中定義 DfS 期望。

 

Cummins 運用 Creo 的生成式功能建立模擬導向設計，發揮生產資源的最大效益

 

Cummins 知道，身為電力解決方案業者，如果想同時縮短上市時間，並兼顧營運、製造和服務層面的環保永續目標，通常得從打造健全的初步設計機制做起。設計工程師提出特定任務的工程和營運需求後，Creo 可提供一套設計和模擬工具協助他們開發設計概念。如此一來，設計工程師就能更有效地開發並迭代改良設計概念，而且不用像往常一樣與分析師來回溝通，因此關鍵資源的使用效益自然大幅提升。此外，設計工程師還能探索先前受到時間限制，而被迫放棄的其他可行選項。

 

Cummins 正在運用 Creo Generative Topology Optimization、Creo Simulate 和 Creo Simulation Live (CSL) 設計並測試各種數位原型，了解它們在真實引擎系統中的效能表現。Creo Simulation Live 能針對設計師的決策即時做出回應，協助他們加速產生並迭代改良更多選項，進而省下可觀的時間。設計師每完成一項變更，Creo Simulation Live 的典型工作流程便會在幾秒鐘內完成相關分析；由於全程無需離開 CAD 環境，效率自然隨之大幅提升。

 

這樣的工作流程為 Cummins 帶來幾項好處。他們可以運用生成式設計和 CSL，在第一時間產生具備正確功能的設計，而且不需與分析師來回確認目標元件是否符合規定的設計限制。在設計階段及早進行模擬，則有助 Cummins 降低成本、設計出更好的產品，並縮短上市時間。有了這樣的流程，就能確保在第一時間正確設計出製造零件所需的任何模具，同時藉由測試基本情境以及快速迭代改良模型，讓分析師可以投入更多時間，全力解決自己專業領域內的問題。

 

量化二氧化碳排放、底線節約和資源回報的效益，以及獲得康明斯首席執行官自上而下的支持，對於整個康明斯採用 DfS 至關重要。儘管所做的改變主要是為了減少二氧化碳排放和幫助維持地球的可持續發展，但一旦 DfS 舉措實施，其他商業效益就變得顯而易見。

 

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