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即将枯竭。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。

德国Fraunhofer 应用研究促进协会(IWU)Dr.Matthias Putz

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。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。

生产中的能源效率

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。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。整合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。

如何监控能量的使用并最大限度避免能量的消耗呢?回答是进行虚拟样机测试。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。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。

除此之外，仿生学也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。

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。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。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。

如果我们能寻找误差，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。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。