从目前的资源使用速度来看，可以预见到一些重要的自然资源，在可预见的时间内将为数不多。所以人们必须从现在开始就转变观念，思考如何通过节约能源和资源，来获得高附加值的生产。也就是说，未来的制造是不应该以最少成本获得最大赢利的，而应该以最少资源创造最大价值。

注重生产中的能源效益，会给制造者带来30%甚至更多的能源损耗节约。为了实现这一目标，需要对现有的生产进行很多改变，不只是生产流程需要改变，产品也需要改变。需要技术创新和技术进步，以开发出能够涵盖生产和回收全过程的工艺、方法和产品。

效率——生产技术的意义

人口不断增长，现在全球共有70亿人口，到2050年也许会增长到90亿，这是否意味着我们要成比例地增加生产、成比例地开发资源？但资源是有限的，所以我们必须要减少消耗，并确定生产对于环境的影响，将其进一步减少。德国的工程师近期正致力于研究，如何用最少的资源来更大程度地增加附加值，而不是通过最少的成本获得，这一过程中就需要创新。

另外，资源的有限性也值得引起广泛关注。全球每天需要1100万t的矿物油，900万t的煤，80亿m3的天然气，这样的资源如果不合理利用，还按这种使用量继续的话，那么再过几十年，矿物油和天然气即将枯竭，2180年煤也将耗尽。所以人们在探讨可再生能源的利用，如太阳能、风能、地热以及生物能源，是否可以利用这些能源来满足我们未来对于能源的需求。德国现在有17%的能源来自可再生能源，但在未来需要有更多的可再生能源，才能满足其对于能源的需求。

第三点就是气候的变化，在欧洲有两个主题是我们一直讨论的，就是引起全球变暖的两个主要因素，一是人为造成的，一是自然本身运转使全球变暖的一个阶段，是非人为的。所以我们要考虑能源的有效利用和节能减排的问题。

能源自给、零排放的未来工厂

减少能源消耗，意味着生产的有效性，这里通过三步贯穿在生产技术中，从而实现能源需求的降低。一是效率的优化，即在生产的流程和工序方面要减少能源的消耗；二是进行全面的能源管理，使生产系统实现可持续性；三是可选择性能源的使用，以及与工厂工序相关的能源的有效利用。

德国工程师认为，我们可以通过对工作流程的优化减少30%的能源消耗，我们做过一种分析，随着能源增加的时间，测量每个工件的能源利用量。结果是，在不同的使用方式之下，每一个零部件所使用的能源以及如何去减少能源的浪费，可以获得更高的使用效率，我们完全可以减少30%的能源消耗。

对于全面的能源管理，我们也有过分析，研究如何减少整个工厂的能源消耗，最大的减少量可以达到20%。我们也可以通过工艺的改进减少能源的消耗，同时也可以在一个周期中进行闭环的能源利用。比如说成型加工和紧压加工，因为就目前加工来看，65%的能源都消耗在缓冲方面，这是完全可以进一步改进的（图2）。

生产中的能源效率

1. 对于能源效率的要求

IWU曾对30位负责人进行过问卷调查，询问能源效率对于其品牌的影响，得出一个结论，大部分人都认为能源效率对他们的品牌影响非常大，并且影响到未来的发展。现在越来越多的经理人都非常注重可持续发展，以及成本和降低能源消耗。这是一个非常重要的趋势，能源效率是可以帮助大家获益的。

另外还有政治方面的需求，比如ISO现在就希望制定一些标准来降低能源消耗，提升能源效率。在我们操作和运行方面的能源消耗，欧盟也有一些指令，希望能源消耗能降低30%。还有CECIMO制造商自己的项目。所有标准共同的目标都是降低能源消耗。

还有需求是来自于使用者本身的，他们想要获得经济性的效果。我们拿三种不同的机器进行比较实验——小型、中型和大型。不同的设备对于能源消耗产生的影响也不同，在此，大型设备基础耗能最多，主要来自于冷却系统。此外，机器零件也要考虑是否节能，还有就是生产时间，因为非生产时间也会消耗能量，所以闭环的能量循环。

2. 流程和系统设计

举个例子，关于流程和系统设计。当我们谈到工艺流程，现在工程师已经开始使用仿真技术来模拟工作流程，有的时候是经验的描述，有的时候是用物理模型，或者其他模拟技术，对生产工艺流程进行仿真模拟。谈到能源效率，如果我们能在能源使用方面进行模拟的话，我们可以把它整个流程进行详细分析，并把它放在整个工艺链中进行分析，这属于技术分析，也是关于流程的分析，是网络的整体优化。对于德国的工程师来说，首先要找到模型的限制，把不同单独的流程连接在一起。当进一步深入研究效益的时候，就要选择正确的、相关的变量和参数，还有模型的使用要正确。这一过程的挑战在于，对模块限制和耦合性的定义、参数的可用性以及过程链模型的发展。

有这样一个实例，一个中空的齿轮从毛坯到成品的加工流程模拟，我们队每一个步骤都进行了模拟，明晰整个过程的能量使用，探索每一个过程进行节能和效率优化的可行性（图3）。传统的加工方式是进行钻孔、车削、滚齿、硬化，最后精加工，中间我们进行了第一步优化，即不再进行钻孔，而是以旋压代替，不再进行滚齿，而是进行齿轮滚压然后车削；第二步，进一步整合和优化，将上一步中的旋压和车削进行整合，再把齿轮滚压和车削进行整合。优化后的工艺流程是，旋压和车削同步、然后进行齿轮滚压和车削同步，最后进行硬化和精加工。整体的目的就是延伸机床的寿命并提高精确度，也要降低失效率并提升最终成品的精确度。

例如在打孔过程中，如果提升金属去除率，会对能量和效率产生一定影响，我们这样做是希望可以降低机床的使用能量，提高效率，经过分析，各个变量如冷却系统，如果采用三种不同的方法会怎样，分别是浸没式、微量润滑和干式，结论是冷却系统对能量节约是一个非常重要的方面，特别是在钻孔方面。所以如果能优化润滑冷却系统的话，将会带来很大益处。当然这也是一个需要综合考虑的过程，因为并不是每一项的指标都会同时提升，需要权衡利弊。

如何监控能量的使用并最大限度避免能量的消耗呢？这里需要讨论关于系统设计的问题。图4是一张机床模拟的图片，当我们开发新的机器或者新的系统的时候，会进行虚拟样机测试。我们可以进行3D的模拟，还有新的方式帮助我们进行虚拟的模拟，搜集分析数据。工程师可以去看、去分析这些3D模拟图形，不仅是机器的行为，而是整个的运动，这种虚拟样机帮助工程师对能量效率还有能量消耗有更好的认识，帮助他们找到更加高效的解决方案。

还有一个非常重要的方面，即仿生学带给机床设计和优化的一些思考。大自然的万物都有一套通过长期进化而得的解决方案，现在就有工程师喜欢用仿生学知识来优化现在的系统。大自然的很多现象都在提示我们，要向大自然学习，来优化我们的技术。这里举两个例子，分别从运动仿生学和结构仿生学来阐述。首先，一台机器，从运动方面进行仿生学研究，即降低它的质量，提升它的效率。比如可移动的机加工，我们不是把零件移到机器那里，而是把机器移到零件那里进行加工，这是IWU研究所应用中心一个初步的设计。另外一种是在结构方面进行仿生学的设计，如通过设计来优化负载。

进一步阐述运动仿生学（图5），图片上是可移动的机床，左边那个零件非常大，如果移动非常难，所以我们研究了新的机床，这就是我们向啄木鸟学习的成果。另外我们还研发了移动磨头，可以用在难移动工件的研磨中。可移动的机床都可以降低能源的消耗，因为我们不需要移动部件，而是只需要找到一种方法，把机器移到工件处。但是这其中还是有一些挑战的，第一就是工件的定向，如何协调工件与机器之间的位置；第二是必须将工件看作是加工机器结构的一部分；第三是加工的高动态性，加工阻力小，从而能源效率更高。尽管有这些挑战，我们还是能找到解决方案，比如降低动态量，降低整体能源消耗等。

这两个是仿生学的例子，汲取大自然的知识，帮助我们解决在大零件加工方面、节能方面的问题。我们还可以从人的书写方面进行仿生学学习，因为人在写字时不是全身在动，而是只有手在动。除了人之外，还可以向青蛙、大象等其他各种生物进行学习，这样可以帮助我们提升机器的灵活性还有我们的设计。

我们曾与大众、西门子在我们的应用研发中心合作一个项目，针对超大型机床的，对于高生产率切削和高速切削都非常适用，并且有更高的刚性和准确度。设计中考虑几个因素，如果是大型立柱，那么就不需要对移动有过多设计；如果想要更高刚性，那么对执行机构就没有太多要求；如果是对高精度有要求，那么就不需要传感器。通过这样的设计，所有的轴可以实现联动，对于大工件的加工，动态效果较好。并且我们可以决定是让机床移动还是零件移动。结果表明，可以降低18%的加工时间，能源节约达15%，不仅精度可以提高，生产效率也可以提高。

关于结构仿生学，比如钢结构，我们会做一些轻量化设计，让整体质量可以降低19%。更好的一种情况是可以进行材料方面的优化，如我们可以使用碳纤维增强塑料，这个特别适用于移动零件，通过这种方法，整体质量可以降低52%。与此同时还可以提升各个轴的刚性，但有些轴的刚性也会降低，所以整体设计时，这些因素都要考虑在其中。

还有一个例子是通过设计优化立柱的重量，比如之前是3850kg，通过结构仿生学设计后，可以将质量降低30%，降低到2700kg。但是要考虑到动力电子学还有电机方面的损失。

3. 能量平衡

对成品的加工流程工艺分析可以帮助我们了解能量的损失。引入汽车行业的一个例子，计算KEA累计能量消耗数据。整车的能量消耗，其中26.6%的能量消耗是用于车身制造，21.4%是用于生产汽车底盘，21.9%用于驱动。所以不难看出，其中很大一部分能量消耗在于车身的制造，包括机加工、车体组装等都需要大量能量。

这就涉及到冲压车间、组装车间、喷漆车间等方面的整体的能量消耗。在研究过程中，我们获得了大众汽车还有其他16家汽车生产制造商的支持。我们分析了上述三个车间整体需要的能量，其中冲压车间有50%在于边角料的损耗，12%是产生在废料方面和缓冲方面，大概有60%能量损失没有用在汽车的生产上。而且在组装这方面，还有这样一个连接，各方面工序都需要消耗大量能量。喷漆车间，对于车身进行涂装都有能量的消耗。如果看整个系统，我们需要全面的解决方案，基于整体的方案，我们可以节省大约50%的能量，70%的CO2排放和90%的水使用量。我们在进行车辆生产的时候，不仅要分析成本、分析时间，我们还应分析能量，分析节能方面的问题。

我们要找的并不是技术方面的系统解决方案，我们有一个很重要的目标，就是进行整个系统的优化，目的是基于能量消耗对于整个系统进行规划，并提前知道每一个环节需要多少能量。

又如汽车零部件生产，我们都是越来越多使用高强度的钢，把它加热，可能要超过1000℃进行热冲压。我们对这个热冲压过程进行了分析，对每一个环节所需要的能量都做了归类。得出，加热过程中消耗能量最大。十几年之前，我们的冲压车间只有冷却的环节，现在我们还有加热的环节，那么我们要问，是否值得做这样的热冲压。我们对整个流程进行了分析，需要的原材料、使用的能源、流程以及排放等，要找到所有这些研究数据，非常困难，要进行大量计算。我们最后发现一共有16个影响的因子，有很多因素都会影响能源的效率。

能源效率和部件最好的加工效果

拿汽车的引擎部分的汽缸和活塞的加工为例，发动机汽缸在工作时会出现几何偏差，受摩擦的影响，它占到所有摩擦的50%，燃油消耗的70%～80%，而且不完全密封的燃烧室，还会增加CO2的排放。一旦出现形变，整个系统的精度会受到影响。产生这种偏差的原因在于几个方面，包括组装、运行中温度的变化、热膨胀和气压。要将这种几何偏差最小化，就要进行逆向仿形切削靠模加工。所以我们要优化系统，改进密封。有一个密封件，进行它的机加工的时候，可以去模仿一个气缸的形状，进行虚拟化的组装。

总结

●零误差生产，如果我们能寻找误差，我们就可以减少废品的产生，减少能源的消耗和资源的利用，可以进一步提高生产率。

●零浪费，100%的材料使用，能进行冷却液闭环的使用。

●零损失，提高能源的循环再利用，在生产线中进行设计优化。

●功能整合，确定新的材料，如传感器等的应用，让他们进行互动。确定功能的整合和相互利用。