基于机械工业中的绿色设计
摘要: 在机械制造业中 , 要把保护环境、控制和预防污染物落实到设计与制造的全过程 , 合理利用资源、能源 , 进行清洁生产 , 减轻环境的污染 , 走可持续发展的道路。要求优化各有关设计因素 , 使产品及其制造过程对环境的总体影响减到最小 ,量采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。未来的绿色设计与绿色制造将向全球化、社会、集成化、并行化、智能化、产业化方向发展。
关键词: 机械工业; 绿色设计; 绿色制造; 绿色壁垒
Abstract : In mechanical manufacturing industry , it requires the protection of environment , the controlling and preservation of polluting mate 2rial should be put into all the process of design and manufacturing , using resources and energy reasonably , producing cleanly , reducing the pollutionof environment , making the development continuous 1 It requires superiority every relevant design factor , reducing the general influence of producingand its manufacturing process to environment to the least , do one p s best to adopt technological scheme and technological sequence which exhaust lessmaterial and energy , discharge less wastage , do less damage to environment 1 The green design and manufacture in future will be globalize , social 2ize , competitive , collateral , intelligent and industrialize 1
随着我国加入 WTO的进程 , 在机械制造业 , 除了面临着产品质量和成本等方面的竞争外 , 如何突破绿色壁垒是更加严峻的挑战。在我国的机械加工过程中 ,绿色设计、绿色制造以及报废处理问题至今还没有得到企业的足够重视 , 许多企业仍然走的是粗放型老路子 (即高投入、高消耗、高污染的发展模式) , 只注重产品的质量、成本、效益 , 而忽略了加工、使用、产品报废给环境带来的污染 (即环境成本) 。近年来 , 国际标准化组织 ( ISO) 提出了关于环境管理的 140000系列标准[1]后 , 推动了绿色制造研究的发展。绿色制造研究的强大浪潮 , 正在全球兴起 , 那么我们国内企业的设计、制造也应该紧跟步伐 , 合理利用资源、能源 , 进行清洁化生产 , 减轻环境的污染 , 走可持续发展的道路。加强环境保护、拯救地球、改善人类的生存环境、实现人类的可持续发展已成为全世界人民的共同呼声。如今 ,“绿色设计”、“绿色制造”、“清洁化生产”等新概念、新理论、新方法不断涌现[2]。其中绿色设计与制造是“清洁化生产”出“绿色产品”的设计手段。
1绿色设计与绿色制造问题的提出
据统计 , 造成环境污染的排放物有 70 %以上来自制造业 , 它们每年约产生出 55亿吨无害废物和 7 亿吨有害废物[3]。在过去 , 更多的把保护环境的重点放在了污染物的“末端治理”上 , 而忽略了污染物的全过程控制和预防上。要想彻底解决对环境污染问题 , 必须从源头上进行治理。具体到制造业 , 就是要求考虑产品整个生命周期对环境的影响 , 最大限度地利用原材料、能源 , 减少有害废物的排放量 , 减轻对环境的污染。随着环境问题的日益严重 , 绿色产品设计的思想也日益受到重视。
绿色设计与制造是近几年提出的新概念 , 其深刻的内涵尚处于探索发展阶段。综合现有文献的观点和学者们所作的研究 , 将绿色制造定义为: 绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式 ,其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中 , 对环境的负面影响最小 , 资源效率最高 , 并使企业经济效益和社会效益协调优化[4]。从产品的寿命循环周期整体角度出发 ,在产品概念设计中运用并行工程的原理在保证产品功能、质量和成本等基本性能情况下 , 充分考虑产品寿命循环周期各个环节中的资源、能源的合理利用 , 环境保护和劳动保护等问题[5]。总之 , 绿色产品设计是一种综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计的一种发展中的系统设计方法 , 是产品的质量、功能、寿命和环境一体的设计系统。
绿色设计是“可持续生产”设计 , 是实现清洁化生产和生产出绿色产品的设计手段[6]。近年来 , 围绕生态环境问题 , 人们提出了“既满足当代人的需求 ,又不对子孙后代满足其需要之能力构成危害的发展”的“可持续发展战略”。可持续发展战略的思想具有极为丰富的内涵 , 它将生态环境与经济发展联结为一个互为因果的有机整体 , 认为经济发展要考虑到自然生态环境的长期承载能力 , 使环境和资源既能满足经济发展的需要 , 又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要 , 从而形成了一种综合性的发展战略。绿色设计和制造在我国还处在起步阶段 , 有关这方面的论文和报导也较少。绿色设计和制造的结构体系还在不断完善中。
2 绿色设计与制造的结构体系
(1) 产品的绿色设计
在实施绿色制造过程中 , 绿色设计是关键 , 它决定了产品生命周期的 80 %～90 %消耗。绿色设计是指在产品及其生命周期全过程的设计中 , 充分考虑对资源和环境的影响 , 在考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时 , 优化各有关设计因素 , 使产品及其制造过程对环境的总体影响减到最小。绿色设计又称为面向环境的设计 (Design For Environment , DFE)。绿色产品设计包括以下主要内容:
①绿色材料及其选择。绿色材料是指在满足一般功能要求的前提下 , 具有良好的环境兼容性的材料。绿色材料在制备、使用以及用后处置等生命周期的各阶段 , 具有最大的资源利用率和最小的环境影响。绿色材料选择的三个原则[8]: A1 优先选用可再生材料 ,尽量选用回收材料。提高资源利用率 , 实现可持续发展; B1尽量选用低能耗、少污染的材料; C1 尽量选择环境兼容性好的材料及零部件 , 避免选用有毒、有害和有辐射特性的材料。所用材料应易于再利用、回收、再制造或易于降解。
②产品可回收性 设 计 (Design For Recycling , DFR) 。要求产品在初期设计时考虑其零件回收及再生的可能性 , 即在其他新产品中 , 可以利用使用过的或废弃产品中的零部件及材料。针对零部件的再使用和材料的再使用提出了几种设计策略: A1可回收材料及其标志; B1可回收工艺与方法; C1 可回收经济评估; D1可回收性结构设计。
③产品的可拆卸性设计 (Design For Disassembly , DFD) 。面向可拆卸设计是一种使产品容易拆卸并能从材料回收和零件重新使用中获得最高利润的设计方法学。可拆卸性是绿色产品设计的主要内容之一 , 也是绿色产品设计中研究比较早而且比较系统的一种方法。它研究如何设计产品才能高效率、低成本地进行组件、零件的拆卸以及材料的分类拆卸 , 以便重新使用及回收 , 它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为一个评价准则 , 使所设计的结构易于拆卸 ,因而维护方便。并可在产品报废后可重用部分充分有效地回收和重用 , 以达到节约资源和能源、保护环境的目的。
④绿色包装。绿色包装技术就是从环境保护的角度 , 优化产品包装方案 , 使得资源消耗和废弃物产生最少。目前这方面的研究很广泛 , 但大致可以分为包装材料、包装结构和包装废弃物回收处理三个方面。当今世界主要工业国要求包装应做到“3R1D”(Reduce减量化、Reuse 回收重用、Recycle 循环再生和 Degrad2able可降解) 原则。产品的包装应摒弃求新、求异的消费理念 , 简化包装 , 这样既可减少资源浪费 , 又可减少环境污染和废弃物的后处置费用。另外 , 产品包装应尽量选择无毒、无公害、可回收或易于降解的材料 , 如纸、可复用产品及可回收材料 (如 EPS、聚苯乙烯产品) 等。
⑤绿色产品的成本分析。绿色产品的成本分析不同于传统的成本分析 , 在产品设计的初期 , 就必须考虑产品的回收、再利用等性能 , 因此成本分析时 , 就必须考虑污染物的替代、产品拆卸、重复利用成本、特殊产品相应的环境成本等。绿色产品成本分析应在每一设计选择时进行 , 以便使设计出的产品更具绿色且成本低。
(2) 产品的绿色制造
产品对环境的影响不仅在设计过程中要加以考虑 ,而且在产品制造过程中对环境的各种影响也要作相应的考虑 , 采用绿色工艺是实现绿色制造的重要一环 ,绿色工艺与清洁生产密不可分 , 清洁生产被正式认定为可持续发展的先决条件。绿色工艺是指清洁工艺 , 指既能提高经济效益 , 又能减少环境影响的工艺技术。它要求在提高生产效率的同时必须兼顾削减或消除危险废物及其它有毒化学品的用量 , 改善劳动条件 , 减少对操作者的健康威胁 , 并能生产出安全的与环境兼容的产品。在加工过程中的零件绿色工艺主要包括加工顺序工艺优化、加工参数、切削刀具、切削液、润滑剂的使用、加工质量、热处理、金属成型 (铸造、熔炼) 中的清洁工艺以及环境评估。绿色工艺既要从技术入手 , 尽量研究和采用物料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染小的工艺方案和工艺路线。
3 绿色制造的发展趋势
将来绿色设计和制造的特点将趋向于全球化、社会化、集成化、并行化、智能化、产业化方向发展[3]。未来可能的研究方法有: (1) 模块化设计; (2) 神经网络和模糊数学的应用; (3) 公理化设计; (4) 虚拟拆卸人们提出了绿色设计发展体系 , 其中关键是绿色产品设计评价体系的完善 , 对产品从设计、制造、包装、运输、报废整个生命周期中每一个环节对环境影响作出评价 , 并且要在整个生命周期中、集成环境下建立绿色产品的评价体系[4]。同时 , 要研究开发先进制造技术 , 以及与之相匹配的先进制造模式 , 大力开发低污染、低能耗、无公害的生产工艺与最终产品。
能否在绿色设计与制造方面有所作为 , 不再是一个间接的或长远的效益问题 , 而是一个直接的效益问题。必须加强对企业的“绿色”教育 , 完善政府部门对企业绿色制造的监督机制 , 加强立法和行政规定以及相关的经济政策。建立较为系统的绿色制造理论和方法体系 , 促进和指导绿色设计和制造技术的深入研究和学科发展。
