利用数字技术重新构想工业能源使用
如今，制造业占美国能源消耗和碳排放量的25%，整个工业部门是美国温室气体排放的最大贡献者，占30%。毫无疑问，改变工业生产材料和产品的方式对于实现我们国家的气候目标至关重要。
通过与工业界和学术界的密切合作，美国制造业网络中的17个制造创新机构正在开发下一代数字和其他创新技术，以减少能源使用和排放。这些研究所还致力于以新的方式部署这些能力，以提高可持续性，因为工业部门也面临着如何解决其对日益稀缺资源的依赖问题。
向清洁能源过渡在2050年实现净零排放方面发挥着重要作用，这是2015年联合国《巴黎协定》中设定的首要气候目标之一。但清洁能源只能帮助减少55%的碳排放。为了实现净零排放，我们需要改变我们生产产品和消费材料的方式。我们需要找到重复使用、再制造、回收和回收它们的方法，而不是扔掉用过的产品和材料——一种被称为“Re-X”的循环方法。制造创新机构正在进行的技术开发和部署对这一转变至关重要。
这些研究所正在建立包括研究实体和成员公司在内的协作创新生态系统，以大幅减少工业能源的使用和排放。数字技术使传感器和连接设备能够从流程中收集实时数据，以提高效率、生产力和灵活性，并确定从根本上减少能源使用、消除浪费以及回收和再利用材料的方法。
REMADE 专注于循环经济、减少浪费和资源最大化
为了解决剩余的 45% 的排放问题，REMADE 研究所专注于循环经济，开发可持续技术，以减少能源使用、减少排放、最大限度地减少浪费和最大限度地利用资源。通过在供应链中传播这些技术，REMADE研究所正在加速美国向循环经济的过渡，在这种经济中，产品的设计寿命更长，可以重复使用、再制造和回收。
REMADE首席技术官Magdi Azer表示：“再制造可以减少80%至98%的温室气体排放，并消除80%至98%的新材料需求。
REMADE及其成员正在努力从当前的“获取、制造、处置”线性经济模式过渡到可持续的“制造、使用、再利用、再制造、回收”循环经济方法。为此，工业必须从根本上改变其材料消费方式，以及设计和使用产品的方式。
铝的使用是数字技术如何实现这些成果的一个很好的例子。铝广泛用于航空航天和汽车行业，因为它允许制造商同时减轻重量、能耗和排放。不幸的是，生产铝需要大量的能源。预计到 2030 年，全球对铝的需求将增长 40%，并且没有能力在国内生产新铝，工业界越来越多地尝试使用再生铝，其生产所需的能源比新铝少 20 倍。对于某些合金，制造商必须排除或尽量减少废料的使用。为了减少能源和排放，一个REMADE项目团队正在利用智能传感器和人工智能来控制废料的使用量。
REMADE还与其合作伙伴合作，将用于鞋中底的乙酸乙烯酯或EVA泡沫转化为新鞋的材料。全球每年生产超过 230 亿双鞋，该项目将使制鞋商在制造新鞋和运动鞋时使用五倍的旧中底。作为回报，这将减少能源使用，减少排放，最大限度地减少浪费，并最大限度地利用材料。
制造必须为再利用而设计，而不是计划报废
REMADE和循环经济的核心原则是设计产品，以提高再利用、再制造和回收能力。产品的设计通常便于组装，并考虑到耐用性。例如，手机有许多胶合部件，不容易更换。
“让设计工程师和公司就将无法回收的东西变成可以回收的东西的重要性保持一致将是一个挑战，”Azer说。
此外，许多行业，如消费电子制造商，都参与了“计划报废”，设计寿命有限的产品，以便消费者不得不丢弃它们，转而使用新平台支持的升级型号或设备。Azer分享说，这些做法导致电子废物成为世界上增长最快的废物流。全球每年产生 5000 万吨电子垃圾，到 2030 年，这一数字预计将增长到 7500 万吨。
REMADE正在努力解决这一关键问题，投资于众多电子废物研发项目，包括那些使智能手机更容易拆卸的项目，以及那些将增加从废弃电子产品中回收贵重矿物的项目。
CESMII为智能制造提供了切入点
成立于2016年的智能制造研究所CESMII很快了解到，对于制造商来说，能源效率本身就很难推销，尤其是那些占该行业大部分的小型、资源匮乏的公司。制造商历来专注于具有成本效益的运营效率。然而，改善生产的数字技术也减少了能源和浪费。
捕获实时数据是采用智能制造的核心。数字技术可以帮助制造商确保信息流向正确的人员以获得可见性，使他们能够更快地评估、控制和改进流程。在某些情况下，机器可以根据实时数据自动进行调整。
CESMII及其合作伙伴为拥有低成本传感器的中小型制造商建立了一个智能制造的切入点，以增强现有设备，而不是购买新设备。制造商可以访问数据，并可以使用这些数据来提高运营效率。清洁能源的好处与运营效率密切相关。
CESMII继续开发增强高级传感器、控制、平台和建模的方法。他们的智能制造架构方法为所有行业（离散、混合和流程）的即插即用技术创造了最佳环境。通过利用智能制造互操作性平台 （SMIP） 中的数据情境化，可以广泛利用来自运营的数据，而无需锁定在特定供应商中。这项工作对于改变所有制造商减少能源消耗的范式至关重要。
IACMI利用数字技术推进复合材料的使用
虽然并非所有的美国制造业网络研究所都致力于数字技术，但它们都依靠数字技术来推进他们的学科。 复合材料协会（IACMI）就是一个很好的例子。数字技术通过设计和仿真、监控制造过程以进行质量控制以及集成传感器以生产能够适应不断变化的条件的智能材料，改变了复合材料行业。
IACMI生态系统中的成功案例之一是使用复合材料开发更轻的SUV掀背车门。传统的复合材料方法只能实现20%的重量减轻。数字孪生仿真过程使工程师能够在开发过程的早期识别潜在的设计缺陷。它还模拟了产品在虚拟环境中的行为。这有助于避免在原型制作阶段后期进行代价高昂的返工和重新设计。在这种情况下，该项目的利益相关者能够将装配后的掀背车门重量减少 40%，从而减少运行过程中的能源使用，并将经常性零件制造成本降低 9%，与钢冲压和焊接相比。
另一个例子是安装在田纳西州东部一条安静道路上的小型复合桥。桥面由纤维增强聚合物 （FRP） 制成，仅用了两个小时就完成了安装。预计它将持续 100 年，远远长于传统的混凝土桥，后者的重量是传统的混凝土桥的 10 倍，并且需要在同一时期内更换多次。它也是一个智能桥，带有嵌入式传感器来标记任何问题并监控其随时间推移的稳定性。
NEXTFLEX 将数字技术应用于柔性混合电子产品
数字技术似乎为柔性混合电子研究所 NextFlex 带来了无穷无尽的好处。能够将电子元件设计成柔性材料和基板，从而实现紧凑轻量级的设计，并提高处理能力。灵活的设计通常可以增加传输范围，使用低成本材料，并降低单位制造成本。柔性混合电子（FHE）与增材制造相结合的能力也具有重要意义。
重新构想产品以使其更具可持续性的一个例子是“一劳永逸”的医疗应用，这些应用往往价格昂贵，并且在一次性使用后就被丢弃了。NextFlex 和合作伙伴正在研究在可生物降解材料上打印用于心电图 （ECG） 监测仪的电子设备——想想信用卡大小的绷带。电子设备通过移动设备连接，可监测心脏长达 24 小时。有朝一日，患者可以在家中使用它，因为它可靠、具有成本效益且可回收。
NextFlex 还致力于使用带有内置电子元件的柔性基板进行高混合、大批量的卷对卷加工，据该研究所的工程和晶圆厂运营总监 Art Wall 称。在这种类型的生产中，您无需停止操作即可更换电子元件。基板不断移动，以实现更高效的生产过程。
推进可持续先进制造
这些研究所采用新的数字和其他创新技术的项目正在帮助实现美国的气候目标，为当前和下一代工人创造就业机会，减少能源使用和成本，减少碳排放，并提高美国的全球制造业竞争力。
这些研究所及其生态系统的共同使命是推动制造业的能源效率和可持续性。 EPIXC（无碳工业电气化流程）是美国制造业网络中的第 17 个也是最新的研究所，旨在解决工业过程脱碳问题。它的使命是用电加热取代基于化石燃料的过程加热。当与向可再生能源发电的过渡相结合时，这将成为减少工业碳排放努力的关键转变。
2022 年，这些机构与 2,500 多个成员组织共同合作开展了 670 多个重大技术和劳动力研发项目，并吸引了超过 106,000 人参与先进制造培训。州、行业和联邦基金为这些活动贡献了 4.16 亿美元。