<p>制造業(yè)度過了一個大夏天。今年8月簽署的《芯片與科學(xué)法案》代表著對美國國內(nèi)制造業(yè)的大規(guī)模投資。該法案旨在大幅擴大美國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，加強供應(yīng)鏈，并投資于新的技術(shù)突破的研發(fā)。機械工程教授、麻省理工學(xué)院制造與生產(chǎn)力實驗室主任約翰&middot;哈特(John Hart)表示，CHIPS法案只是近年來人們對制造業(yè)興趣顯著增加的最新例證。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特說:&ldquo;有多種力量共同發(fā)揮作用:疫情對供應(yīng)鏈的影響、全球地緣政治局勢，以及可持續(xù)性的緊迫性和重要性。&rdquo;&ldquo;這使政府、行業(yè)和投資界的激勵措施保持一致，以加速制造業(yè)和工業(yè)技術(shù)的創(chuàng)新。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著對制造業(yè)的日益關(guān)注，我們需要優(yōu)先考慮可持續(xù)性。</p> <p>&nbsp;</p> <p>2020年，大約四分之一的溫室氣體排放來自工業(yè)和制造業(yè)。工廠和工廠也會耗盡當(dāng)?shù)氐乃Y源儲備，產(chǎn)生大量的廢物，其中一些可能是有毒的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>為了解決這些問題并推動向低碳經(jīng)濟的過渡，必須在開發(fā)可持續(xù)制造技術(shù)的同時開發(fā)新產(chǎn)品和工業(yè)工藝。哈特認為機械工程師在這一轉(zhuǎn)變中扮演著至關(guān)重要的角色。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;機械工程師可以獨特地解決需要下一代硬件技術(shù)的關(guān)鍵問題，并知道如何將他們的解決方案規(guī)?；?。&rdquo;哈特說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>由麻省理工學(xué)院機械工程系的教師和校友創(chuàng)立的幾家快速增長的公司為制造業(yè)的環(huán)境問題提供了解決方案，為更可持續(xù)的未來鋪平了道路。</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>梯度:清潔技術(shù)水解決方案</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>制造業(yè)需要大量的水。一個中等規(guī)模的半導(dǎo)體制造工廠每天要消耗1000萬加侖以上的水。在一個越來越受干旱困擾的世界里，這種對水的依賴構(gòu)成了一個重大挑戰(zhàn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant為這個水問題提供了一個解決方案。該公司由Anurag Bajpayee SM ' 08, PhD ' 12和Prakash Govindan PhD ' 12共同創(chuàng)立，是可持續(xù)或&ldquo;清潔技術(shù)&rdquo;水項目的先驅(qū)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>作為羅森諾肯德爾傳熱實驗室的博士生，巴杰帕伊和戈文丹有著共同的實用主義和行動傾向。他們都從事海水淡化研究，Bajpayee和陳剛教授合作，Govindan和John Lienhard教授合作。</p> <p>&nbsp;</p> <p>戈文丹在印度金奈度過了嚴重干旱的童年，受此啟發(fā)，他在攻讀博士學(xué)位時開發(fā)了一種模擬自然降雨周期的加濕-除濕技術(shù)。他們將這項技術(shù)命名為載氣萃取(CGE)，并于2013年創(chuàng)立了Gradiant公司。</p> <p>&nbsp;</p> <p>CGE的關(guān)鍵在于一種專有算法，該算法可以解釋廢水飼料中質(zhì)量和數(shù)量的可變性。該算法的核心是一個無量綱數(shù)，戈文丹建議有朝一日將其命名為&ldquo;林哈德數(shù)&rdquo;(Lienhard number)，以他的博士導(dǎo)師命名。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當(dāng)系統(tǒng)中的水質(zhì)發(fā)生變化時，我們的技術(shù)會自動向工廠內(nèi)的電機發(fā)送信號，調(diào)整流速，使無量綱數(shù)恢復(fù)到1。一旦它恢復(fù)到1，你就處于最佳運行狀態(tài)，&rdquo;戈文丹解釋道，他是Gradiant的首席運營官。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該系統(tǒng)可以處理和清潔制造工廠產(chǎn)生的廢水進行再利用，最終每年節(jié)約數(shù)百萬加侖的水。</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著公司的發(fā)展，Gradiant團隊增加了新技術(shù)，包括選擇性污染物提取，一種只去除特定污染物的經(jīng)濟高效的方法，以及一種稱為逆流反滲透的鹽水濃縮方法。他們現(xiàn)在為包括制藥、能源、采礦、食品和飲料以及不斷增長的半導(dǎo)體行業(yè)的客戶提供水和廢水處理解決方案的完整技術(shù)堆棧。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們是端到端的水解決方案提供商。我們擁有一系列專有技術(shù)，并將根據(jù)客戶的需求從我們的&ldquo;箭袋&rdquo;中進行挑選。&rdquo;現(xiàn)任Gradiant首席執(zhí)行官的Bajpayee說。&ldquo;客戶將我們視為他們的水務(wù)合作伙伴。我們可以端到端解決他們的用水問題，這樣他們就可以專注于自己的核心業(yè)務(wù)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant在過去10年經(jīng)歷了爆炸式增長。到目前為止，他們已經(jīng)建成了450座水和廢水處理廠，每天處理的水相當(dāng)于500萬戶家庭的用水。最近的收購使他們的員工總數(shù)增加到500人以上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant解決方案的多樣性反映在他們的客戶中，包括輝瑞、百威英博和可口可樂。他們的客戶還包括美光科技、GlobalFoundries、英特爾和臺積電等半導(dǎo)體巨頭。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Bajpayee說:&ldquo;在過去的幾年里，我們真的發(fā)展了我們在半導(dǎo)體廢水和半導(dǎo)體超純水服務(wù)方面的能力和聲譽。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>半導(dǎo)體制造商需要超純水進行制造。飲用水的溶解固體總量為百萬分之一，而用于制造微芯片的水的溶解固體總量為十億分之一或千萬億分之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>目前，新加坡半導(dǎo)體制造廠(晶圓廠)的平均回收率只有43%。利用Gradiant的技術(shù)，這些晶圓廠每天可以回收1000萬加侖水中的98- 99%。這些重復(fù)使用的水足夠純凈，可以重新投入生產(chǎn)過程。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Bajpayee補充說:&ldquo;我們所做的就是消除這種污水的排放，幾乎消除了半導(dǎo)體工廠對公共供水的依賴。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著新法規(guī)的出臺，晶圓廠改善用水的壓力越來越大，這使得可持續(xù)性對品牌所有者及其利益相關(guān)者更加重要。</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在CHIPS和科學(xué)法案的影響下不斷擴張，Gradiant看到了將他們的半導(dǎo)體水處理技術(shù)帶到美國更多工廠的機會。</p> <p>&nbsp;</p> <p><strong>通過分離:高效的化學(xué)過濾</strong></p> <p>&nbsp;</p> <p>像巴杰帕伊和戈文丹一樣，Shreya Dave ' 09, SM ' 12，博士' 16專注于她的博士論文的海水淡化。在她的導(dǎo)師、材料科學(xué)與工程教授杰弗里&middot;格羅斯曼(Jeffrey Grossman)的指導(dǎo)下，戴夫制造了一種可以更高效、更便宜地脫鹽的薄膜。</p> <p>&nbsp;</p> <p>經(jīng)過徹底的成本和市場分析，戴夫得出結(jié)論，她開發(fā)的海水淡化膜不會商業(yè)化。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;目前的技術(shù)真的很擅長他們所做的事情。它們成本低，批量生產(chǎn)，而且很有效。我們的技術(shù)在市場上沒有空間。&rdquo;戴夫說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在論文答辯后不久，她在《自然》雜志上讀到了一篇評論文章，這篇文章改變了一切。這篇文章概括了一個問題?；瘜W(xué)分離是許多制造過程的核心，需要大量的能源。工業(yè)需要更高效、更便宜的膜。戴夫覺得她可能有辦法。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在確定有一個經(jīng)濟機會后，戴夫、格羅斯曼和布倫特&middot;凱勒博士于2017年成立了Via Separations。此后不久，他們被選為首批獲得麻省理工學(xué)院風(fēng)險投資公司the Engine資助的公司之一。</p> <p>&nbsp;</p> <p>目前，工業(yè)過濾是通過在非常高的溫度下加熱化學(xué)品來分離化合物。戴夫把它比作做意大利面，把所有的水都煮掉，直到蒸發(fā)，剩下的就只有意大利面了。在制造業(yè)中，這種化學(xué)分離方法是極其耗能和低效的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Via Separations創(chuàng)造了化學(xué)上的&ldquo;意大利面過濾器&rdquo;。它們的膜&ldquo;過濾&rdquo;化學(xué)化合物，而不是利用熱來分離。這種化學(xué)過濾方法比標(biāo)準(zhǔn)方法少用90%的能量。</p> <p>&nbsp;</p> <p>雖然大多數(shù)膜是由聚合物制成的，但Via Separations的膜是由氧化石墨烯制成的，可以承受高溫和惡劣的條件。通過改變孔隙大小和調(diào)整表面化學(xué)成分，膜可以根據(jù)客戶的需求進行校準(zhǔn)。</p> <p>&nbsp;</p> <p>目前，戴夫和她的團隊正專注于紙漿和造紙行業(yè)作為他們的灘頭市場。他們開發(fā)了一種系統(tǒng)，使一種被稱為&ldquo;黑液&rdquo;的物質(zhì)的回收更加節(jié)能。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;當(dāng)樹木變成紙張時，只有三分之一的生物量被用于紙張。目前，剩余的三分之二不需要造紙的最有價值的用途是通過蒸發(fā)器將水煮沸，將水從相當(dāng)稀的溪流變成相當(dāng)濃的溪流。&rdquo;戴夫說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>然后將這些黑液焚燒。產(chǎn)生的大部分能量被用來驅(qū)動過濾過程。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Dave補充道:&ldquo;在美國，這種閉環(huán)系統(tǒng)消耗了大量的能源。我們可以通過在鍋爐前放置&lsquo;面食過濾器&rsquo;，使這一過程的效率提高84%。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p><span class="h1"><strong>VulcanForms:工業(yè)規(guī)模的增材制造</strong></span></p> <p>&nbsp;</p> <p>約翰&middot;哈特在麻省理工學(xué)院任教的第一個學(xué)期收獲頗豐。他教授了一門關(guān)于3D打印的課程，即增材制造(AM)。雖然這不是他當(dāng)時的主要研究重點，但他發(fā)現(xiàn)這個話題很吸引人。班里的許多學(xué)生也是如此，包括馬丁&middot;費爾德曼孟' 14。</p> <p>&nbsp;</p> <p>在獲得先進制造專業(yè)的學(xué)士學(xué)位后，費爾德曼全職加入了哈特的研究小組。在那里，他們因為對AM的共同興趣而聯(lián)系在一起。他們看到了利用現(xiàn)有的金屬AM技術(shù)進行創(chuàng)新的機會，被稱為激光粉末床融合，并提出了在工業(yè)規(guī)模上實現(xiàn)金屬AM的概念。</p> <p>&nbsp;</p> <p>兩人于2015年共同創(chuàng)立了VulcanForms。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;我們已經(jīng)為金屬AM開發(fā)了一種機器架構(gòu)，可以制造具有卓越質(zhì)量和生產(chǎn)力的部件。&rdquo;Hart說。&ldquo;而且，我們已經(jīng)將我們的機器集成到一個全數(shù)字化生產(chǎn)系統(tǒng)中，結(jié)合AM、后處理和精密加工。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>與其他公司出售3D打印機給別人生產(chǎn)零件不同，VulcanForms使用他們的工業(yè)機器為客戶制造和銷售零件。VulcanForms已經(jīng)發(fā)展到近400名員工。去年，該團隊在馬薩諸塞州的德文斯開設(shè)了他們的第一家生產(chǎn)工廠，名為&ldquo;VulcanOne&rdquo;。</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms生產(chǎn)部件的質(zhì)量和精度對于醫(yī)療植入物、熱交換器和飛機發(fā)動機等產(chǎn)品至關(guān)重要。他們的機器可以打印出比頭發(fā)絲還薄的金屬層。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特是該公司董事會成員，他補充說:&ldquo;我們正在生產(chǎn)的部件很難生產(chǎn)，在某些情況下不可能生產(chǎn)。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms開發(fā)的技術(shù)可能有助于以更可持續(xù)的方式制造零件和產(chǎn)品，既可以直接通過添加劑工藝，也可以間接通過更高效、靈活的供應(yīng)鏈。</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms和AM促進可持續(xù)性的一種方式是通過節(jié)省材料。</p> <p>&nbsp;</p> <p>VulcanForms使用的許多材料，如鈦合金，都需要大量的能源來生產(chǎn)。當(dāng)鈦部件是3d打印時，使用的材料比傳統(tǒng)加工過程要少得多。這種材料效率是哈特認為AM在節(jié)約能源方面產(chǎn)生巨大影響的地方。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特還指出，AM可以加速清潔能源技術(shù)的創(chuàng)新，從更高效的噴氣發(fā)動機到未來的聚變反應(yīng)堆。</p> <p>&nbsp;</p> <p>哈特補充說:&ldquo;尋求降低風(fēng)險和擴大清潔能源技術(shù)規(guī)模的公司需要專門知識和先進的制造能力，而工業(yè)增材制造在這方面具有變革性。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>LiquiGlide:通過消除摩擦減少浪費</p> <p>&nbsp;</p> <p>說到制造業(yè)和消費產(chǎn)品的浪費，有一個不太可能的罪魁禍?zhǔn)?摩擦。機械工程教授Kripa Varanasi和LiquiGlide團隊的使命是創(chuàng)造一個無摩擦的未來，并大幅減少過程中的浪費。</p> <p>&nbsp;</p> <p>LiquiGlide由Varanasi和校友David Smith SM ' 11于2012年創(chuàng)立，設(shè)計定制涂層，使液體能夠在表面&ldquo;滑動&rdquo;。產(chǎn)品的每一滴都可以被利用，無論是從牙膏管中擠出來的，還是從制造廠的500升水箱中排出的。使容器無摩擦大大減少了浪費的產(chǎn)品，并消除了在回收或重復(fù)使用之前清潔容器的需要。</p> <p>&nbsp;</p> <p>自成立以來，該公司在消費產(chǎn)品方面取得了巨大成功?？蛻舾呗稘嵲诟呗稘岴lixir牙膏瓶的設(shè)計中使用了LiquiGlide的技術(shù)，該產(chǎn)品獲得了多個行業(yè)設(shè)計獎項。LiquiGlide與世界著名設(shè)計師Yves B&eacute;har合作，將他們的技術(shù)應(yīng)用于美容和個人護理產(chǎn)品包裝。與此同時，美國食品和藥物管理局已經(jīng)批準(zhǔn)了他們的設(shè)備主備案，為該技術(shù)在醫(yī)療設(shè)備、藥物輸送和生物制藥領(lǐng)域的應(yīng)用提供了機會。</p> <p>&nbsp;</p> <p>2016年，該公司開發(fā)了一種使容器制造無摩擦的系統(tǒng)。該技術(shù)被稱為CleanTanX，用于處理儲罐、漏斗和料斗的表面，防止材料粘在側(cè)面。該系統(tǒng)可以減少高達99%的材料浪費。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;這可能真的會改變游戲規(guī)則。它節(jié)省了浪費的產(chǎn)品，減少了清洗罐產(chǎn)生的廢水，并有助于使制造過程零浪費。&rdquo;LiquiGlide董事長瓦拉納西說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>LiquiGlide的工作原理是在容器表面創(chuàng)建一種由紋理固體和液體潤滑劑制成的涂層。當(dāng)應(yīng)用到容器時，潤滑劑仍然注入到紋理中。毛細管力穩(wěn)定并允許液體在表面擴散，形成一個持續(xù)潤滑的表面，任何粘性物質(zhì)都可以向下滑動。該公司使用熱力學(xué)算法來確定安全固體和液體的組合，這取決于產(chǎn)品，無論是牙膏還是油漆。</p> <p>&nbsp;</p> <p>該公司已經(jīng)建立了一個機器人噴涂系統(tǒng)，可以在現(xiàn)場制造工廠處理大型桶和罐。除了為公司節(jié)省數(shù)百萬美元的產(chǎn)品浪費外，LiquiGlide還大大減少了定期清潔這些容器所需的水量，這些容器通常會將產(chǎn)品粘在邊上。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;通常情況下，當(dāng)你把水箱里的所有東西都清空后，仍然會有殘留物需要用大量的水清洗。例如，在農(nóng)用化學(xué)品領(lǐng)域，對于如何處理產(chǎn)生的有毒廢水有嚴格的規(guī)定。所有這些都可以用LiquiGlide消除。&rdquo;Varanasi說。</p> <p>&nbsp;</p> <p>盡管在大流行早期關(guān)閉了許多生產(chǎn)設(shè)施，減緩了清潔x試點在工廠的推廣，但最近幾個月情況有所好轉(zhuǎn)。隨著全球和國內(nèi)制造業(yè)的增長，Varanasi看到了對LiquiGlide技術(shù)的需求不斷增長，特別是對半導(dǎo)體漿液等液體的需求。</p> <p>&nbsp;</p> <p>Gradiant、Via Separations、VulcanForms和LiquiGlide等公司證明，制造業(yè)的擴張并不需要以高昂的環(huán)境成本為代價。以可持續(xù)的方式擴大制造業(yè)規(guī)模是可能的。</p> <p>&nbsp;</p> <p>&ldquo;作為機械工程師，制造業(yè)一直是我們工作的支柱。&rdquo;福特工程教授、機械工程系前系主任汪伊芙琳(Evelyn Wang)說:&ldquo;尤其是在麻省理工學(xué)院，總是有一種推動制造業(yè)可持續(xù)發(fā)展的動力。&rdquo;&ldquo;看到我們部門的初創(chuàng)公司如何關(guān)注制造過程的各個方面，并找出如何改善我們星球的健康，這很令人驚訝。&rdquo;</p> <p>&nbsp;</p> <p>隨著《芯片法案》和《科學(xué)法案》等立法推動制造業(yè)的增長，對初創(chuàng)公司和公司的需求將會增加，這些公司將開發(fā)出減輕環(huán)境影響的解決方案，使我們更接近一個更可持續(xù)的未來。</p> <p>&nbsp;</p> <blockquote> <p>注：本文由院校官方新聞直譯，僅供參考，不代表指南者留學(xué)態(tài)度觀點。</p> </blockquote>