ESPR对电子产品设计意味着什么

在电子产品漫长的历史中，维修一直都是产品所有权的一部分。收音机、电视机和早期的消费电子产品在制造时，就预设了它们在使用一段时间后需要维修，而且维修手册随处可得，备件可以购买，当地的技术人员也会定期维修可能使用了数十年的设备。当设备停止工作时，大家自然的应对方式，就是找出并更换故障的元器件。

对可维修性的需求，在很大程度上是出于实用性的考虑。那时候，电子产品价格昂贵，维修通常比更换更经济。设备的使用寿命更长，被丢弃的产品也更少。这正是现在所说的可持续产品设计方法。

随着时间的推移，行业发生了变化。半导体集成技术、制造规模和全球供应链的进步，使电子产品体积更小、功能更强，价格也更加亲民。许多情况下，更换设备比维修它更容易。

与此同时，可持续性的理念也发生了转变。在电子设备普及度提升、能耗也有所增加的背景下，可持续性的关注重点已转向能效。工程师致力于降低产品的功耗、延长电池寿命，并提高电源和电子系统的性能。这些进展带来了切实可衡量的效益。

然而，能效毕竟不是可持续理念的全部。产品对环境的影响早在其通电之前就已经开始。原材料必须先通过全球制造和供应网络进行采购和运输，才能变为成品设备的组成部分。最终，每件产品都会达到其生命周期的终点，这就引发了一个问题：它的组成部分究竟是可以回收利用，还是会直接变成电子垃圾？

在欧盟《可持续产品生态设计法规》（ESPR）中，这一观点就得到了体现^[1]。虽然ESPR是欧盟（EU）的法规，但它的影响力已经触达全球。现代电子产品是通过全球供应链设计和制造的，面向国际市场的产品往往需要满足多种监管框架的要求。因此，ESPR所倡导的设计原则可以影响全球的工程决策。

这些理念并不完全是新鲜事物。工程师在设计系统时，一直都会将可靠性和使用寿命纳入考量，同时也会密切关注产品所使用的材料。真正发生变化的，是对这些原则的重视程度，以及它们与环境责任之间的联系方式。

对可持续设计的更广阔视角

ESPR反映了一种日益增长的共识，即可持续性不能仅由单一指标来定义。在早期的讨论中，能耗往往会视为环境绩效的主要衡量标准。

然而，可持续性很少是线性的。一种用于降低能耗的设计可能会依赖难以回收的材料，而一种旨在实现极致耐用性的产品，在制造过程中可能需要消耗额外的资源。

对于工程师而言，他们的挑战在于综合考虑这些因素，而非孤立地看待它们。ESPR通过强调产品设计中涉及环境影响的各个方面，为这种更广阔的视角提供支持。其中，耐用性是一项重要因素，因为使用寿命更长的产品可以减少更换需求；而可维修性则使系统在个别组件发生故障时仍能继续工作。负责任的材料选择有助于限制在制造或弃置过程中可能带来风险的物质。

ESPR将这些常见的设计决策纳入到了强调生命周期责任的框架内。

设计经久耐用的产品

延长产品寿命是减少环境影响最有效的方法之一。制造电子设备需要消耗大量能源和原材料。当设备频繁更换时，需要重新获取同样的资源来生产替代硬件。工程师设计出使用寿命更长的产品，就能减少制造新设备的需求。产品寿命取决于日常的设计决策，从设计工程师的元器件选型，到散热管理方式，以及机械结构的耐久性。

可靠性测试同样发挥着关键作用。加速寿命测试和环境认证，使工程师能够在产品投入实际应用之前，识别潜在的故障机制。通过了解元器件在压力下的表现，设计人员可以开发出能在更长周期内持续可靠运行的系统。

连接器和其他机电元器件在此背景下往往也需要仔细考量，因为它们会经历反复的机械循环，并可能暴露在恶劣环境中。选择专为相应工作周期设计的元器件，可以显著延长产品的整体使用寿命。延长寿命仍然是工程师可采用的最有效可持续性策略之一。

将维修纳入考量的设计

电子产品的可维修性正重新受到关注。许多类型的设备，包括工业系统、电信基础设施和运输设备，在设计时通常都会考虑到在其整个使用寿命期间需要进行维修。

然而，消费电子产品却往往走的是另一条路。集成化的设计，使现代电子产品体积更小、功能更强，但同时也使它们更难维修。采用粘接、密封外壳或高度集成模块组装的产品非常难以维修（图1）。

图1 在系统设计中让元器件易于触及，可确保产品在整个使用寿命期间的可维护性和可维修性（图源：st.kolensikov/stock.adobe.com）

要将维修纳入设计的考量范围，并不总是需要彻底的改变。许多情况下，它只涉及避免使用不必要地阻碍维修的方案。模块化结构可以实现元器件独立更换。无需专用工具即可拆卸的紧固件，也可以便于维修人员接触到内部元器件。对于电池或连接器等存在可预测磨损的部分，可以将其设计成便于直接更换。

清晰的维修文档和备件供应也对可维修性起到支持作用。这些做法有助于确保即使个别元器件发生故障，产品仍能继续工作。可维修设计秉持这样一种理念：只要产品能够合理维护，就不应将其视为一次性用品。

生命周期终点也要纳入考量

每件产品最终都会达到使用寿命的尽头，而全球的电子废弃物仍在持续增长，预计到2030年将达到8200万吨^[2]。回收有价值材料的能力变得越来越重要。电子元器件（图2）含有铜和铝等有价值材料，回收这些资源可减少对额外开采和冶炼的需求。

图2 电子废弃物中含有铜等有价值的金属，当产品为有效回收而设计时，这些金属可以回收再利用（图源：S.Leitenberger/adobe.stock.com）

然而，有效的回收取决于产品的设计方式。由多种不同材料组合而成或依赖复杂粘合技术的产品组件，往往难以分离并回收。当元器件无法轻易拆卸时，有用的材料就会被困在混合废弃物中。如果产品减少使用的材料组合，并避免使用会干扰回收的涂层，材料回收率就可以提高。在寿命结束时可以拆卸的元器件，也便于将材料分离成有用的回收料。

回收和再利用是循环经济的关键，这种经济模式提倡材料尽可能长时间保持在生产性的使用中，而不是在完成一个生命周期后就丢弃。

值得关注的材料和物质

可持续性还需要关注电子产品中使用的物质。诸如《限制有害物质指令》（RoHS）和《化学品注册、评估、许可和限制》（REACH）等法规，已经对可能危害人类健康或环境的材料设定了限制。

ESPR关注电子设计全过程中的材料。工程师通常依赖供应商文档和材料声明来确认组件是否符合法规要求。

由于现代电子系统依赖于复杂的全球供应链，合规性问题变得愈发复杂。一款产品可能包含来自数十家供应商的元器件，而每家供应商都有自己的材料和制造工艺。确保合规性往往取决于详尽的文档记录以及制造商与其供应商之间的紧密协调。

在设计过程早期检查材料合规性，有助于避免开发后期陷入耗资巨大的重新设计。将环境要求与性能目标和可靠性目标一并考虑，就能让可持续性成为产品开发工作流程中理所当然的一部分。

支持可持续设计的工具

虽然可持续性引入了额外的考量因素，但工程师可以使用日益丰富的工具来了解设计决策如何影响环境。

生命周期评估（LCA）软件可估算产品生命周期各阶段（包括原料开采、制造、运输、使用和弃置）对环境的影响^[3]。这些模型使设计团队能够对比不同方案；例如，LCA模型可帮助设计师判断：相比需要更频繁更换的轻量化设计，更重但使用寿命更长的外壳是否能降低整体环境影响。

许多LCA工具已经成为产品生命周期管理（PLM）和计算机辅助设计（CAD）环境的一部分。这使工程师能够在设计仍未定型时，就可以评估材料选择和制造方法。选择不同的合金或改用可回收聚合物时，这些工具不仅可以评估其成本和性能，还可以评估其生命周期影响。

仿真和数字孪生技术也发挥着作用。热仿真和可靠性仿真使工程师能够估算产品的预期寿命。运行温度较低或避免机械应力的设计也可以显著延长使用寿命，从而减少更换硬件的需求。

通过在开发过程的早期阶段就考虑这些原则，工程师可以将可持续性纳入常规的设计权衡之中。

结语

ESPR拓展了在产品设计全过程中对可持续性的考量范围。它不再仅仅关注运行过程中的能耗，而是更侧重于产品所使用的材料、设备的使用寿命，以及产品达到使用寿命终点后的处理方式。

工程师们早已熟悉这些考量因素。可靠性、可维护性以及负责任的材料选择一直影响着电子系统的设计。ESPR将这些决策纳入到监管框架中，使其与环境影响直接挂钩。

可持续设计往往与良好的工程实践相一致。具有长生命周期、可维修性且在使用结束时能回收材料的产品，可以减少浪费和资源消耗。ESPR强调了这些决策在工程师日常工作中的重要性。

参考资料

[1]https://environment.ec.europa.eu/news/sustainable-products-be-norm-consumers-new-regulation-2024-07-19_en

[2]https://ewastemonitor.info/electronic-waste-rising-five-times-faster-than-documeted-e-waste-recycling-un/

[3]https://www.iso.org/standard/37456.html