面向單張紙膠印機(jī)綠色制造的綠色設(shè)計(jì)

楊曉鳴+喬俊偉

在國(guó)家“提高裝備工業(yè)發(fā)展的質(zhì)量和效益，走綠色可循環(huán)發(fā)展路線”方針的指引下，印刷設(shè)備制造商在產(chǎn)品的研發(fā)、制造、銷售等經(jīng)營(yíng)活動(dòng)中，不僅要面向綠色印刷過程，也要面向綠色制造過程。綠色設(shè)計(jì)是綠色制造過程的源頭，其核心是通過現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，減少資源和能源的消耗，減少有害物質(zhì)的排放，降低對(duì)環(huán)境和人體健康的影響。本文通過闡述綠色制造和綠色設(shè)計(jì)的概念，結(jié)合多年來筆者在單張紙膠印機(jī)研發(fā)方面積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討如何通過綠色設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)綠色制造，最終達(dá)到為社會(huì)創(chuàng)造綠色價(jià)值的目標(biāo)。

綠色制造和綠色設(shè)計(jì)

綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效率的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響最小，資源效率最高，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。綠色制造的產(chǎn)物是綠色產(chǎn)品。綠色產(chǎn)品是在其生命周期全程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無害或危害極少，資源利用率最高，能源消耗最低的產(chǎn)品，即綠色產(chǎn)品應(yīng)有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，不產(chǎn)生環(huán)境污染或使污染最小化，同時(shí)有利于節(jié)約資源和能源。

綠色設(shè)計(jì)，也稱為生態(tài)設(shè)計(jì)、環(huán)境設(shè)計(jì)等。雖然叫法不同，內(nèi)涵卻是一致的，其基本思想是：在設(shè)計(jì)階段就將環(huán)境因素和預(yù)防污染的措施納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，將環(huán)境性能作為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)和出發(fā)點(diǎn)，力求使產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響最小。綠色設(shè)計(jì)遵循的原則有生態(tài)效益最好原則、安全及人機(jī)工學(xué)原則、資源損耗最少原則、可拆卸性原則等。

在實(shí)施綠色制造的過程中，采用什么樣的設(shè)計(jì)、工藝思路是關(guān)鍵。設(shè)計(jì)者不僅要求考慮自然科學(xué)技術(shù)，還要求面向產(chǎn)品的全生命周期進(jìn)行設(shè)計(jì)，將“產(chǎn)品-人-環(huán)境-社會(huì)”看成是設(shè)計(jì)中完整的一個(gè)系統(tǒng)；既要考慮產(chǎn)品本身，又要考慮產(chǎn)品對(duì)環(huán)境的影響；既要考慮技術(shù)層面，又要考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)層面；既要看當(dāng)前發(fā)展，又要看長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

綠色設(shè)計(jì)實(shí)踐

在此，筆者談一下在面向單張紙膠印機(jī)綠色制造中，應(yīng)當(dāng)遵循的四大原則。

1.生態(tài)效益最好原則

生態(tài)效益最好原則要求從設(shè)計(jì)上考慮生產(chǎn)過程的環(huán)保性，避免有毒、有害物質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染。在單張紙膠印機(jī)中，印版滾筒、橡皮滾筒和壓印滾筒是關(guān)鍵部件，為避免銹蝕和磨損，過去的做法是在滾筒表面電鍍硬質(zhì)鉻層。眾所周知，電鍍過程中的被鍍金屬是不可能完全變成所需要的鍍層，其中有相當(dāng)部分將變成對(duì)環(huán)境有害的重金屬污染。以鍍鉻為例，其電鍍平均效率低于25%，也就是說75%以上的鉻酸酐以大部分劇毒的六價(jià)鉻及少部分三價(jià)鉻流失于鍍鉻廢水及鍍鉻污泥中。

鑒于此，我們?cè)跐L筒的設(shè)計(jì)過程中，放棄了原有的表面鍍鉻工藝，取而代之的是更為環(huán)保的超音速噴涂不銹鋼工藝。超音速噴涂不銹鋼工藝是近年來在航空、航天、石油化工、冶金、電力等行業(yè)快速發(fā)展起來的一種表面處理工藝，它是利用熱源將不銹鋼基材加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，然后借助外加的氣流霧化并以超過音速的速度噴射到已經(jīng)過預(yù)處理的滾筒表面，并牢固地結(jié)合其上。該工藝不僅可以使?jié)L筒表面達(dá)到防銹、耐磨的特點(diǎn)，而且在整個(gè)工藝過程中不產(chǎn)生廢液、廢渣及重金屬污染。因此，在單張紙膠印機(jī)滾筒的制造過程中，采用超音速噴涂不銹鋼工藝替代鍍鉻工藝，可以減少對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)生態(tài)效益最好原則。

2.安全及人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)

在研發(fā)過程中，我們?cè)絹碓阶⒅貑螐埣埬z印機(jī)的安全及人機(jī)工學(xué)設(shè)計(jì)，使操作者在安全、舒適的工作環(huán)境下完成印刷過程，這體現(xiàn)了我們“以人為本”的研發(fā)思路。以光華EP106系列高速單張紙膠印機(jī)為例，如圖1所示，首先，在產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)上，突破了原有的“非圓即方”的概念，而是運(yùn)用色組間圓弧的過渡，實(shí)現(xiàn)整機(jī)從飛達(dá)到收紙?jiān)俚紸CC看樣臺(tái)間的協(xié)調(diào)。同時(shí)，在罩殼有可能對(duì)操作者造成碰撞傷害的位置，全部進(jìn)行了圓角化處理，確保操作者的安全。

其次，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，保證色組間具有寬敞的操作空間，使操作者在擦洗滾筒、清理墨斗、更換印版和橡皮布時(shí)不會(huì)產(chǎn)生空間局促感或壓迫感。

再次，采用靜音設(shè)計(jì)的思路，把真空泵、鼓風(fēng)機(jī)等間歇啟動(dòng)且噪聲大的功能部件，安置在一系列設(shè)計(jì)有吸音材料的安裝柜內(nèi)，降低這些功能部件對(duì)印刷車間的噪聲污染，給操作者提供安靜舒適的操作環(huán)境。

3.資源損耗最少原則

資源損耗最少原則要求用最少的原料和能源投入來達(dá)到既定的生產(chǎn)目的，從設(shè)計(jì)角度使資源的利用率最大化。在單張紙膠印機(jī)中，機(jī)座、墻板、滾筒等主關(guān)件普遍采用鑄件形式，通常，機(jī)座和墻板使用HT300，滾筒使用QT500或QT700。這些鑄件的特點(diǎn)是體積大、重量重、結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其重量之和占整機(jī)重量的比重甚至超過50%。因此，在研發(fā)這些大鑄件時(shí)，我們考慮的重點(diǎn)是資源的優(yōu)化利用，即設(shè)計(jì)出的鑄件在生產(chǎn)過程中消耗的資源最少。在這個(gè)過程中我們提出兩點(diǎn)要求，一是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，二是最小切削用量工藝。

近年來，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)理論在汽車制造行業(yè)應(yīng)用非常突出，該理論的成熟性得到了實(shí)踐的廣泛驗(yàn)證。因此，我們將其借鑒到單張紙膠印機(jī)大鑄件的研發(fā)過程中，通過使用有限元方法（FEM）和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAE）等手段，在“不降低結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度及壽命”的原則基礎(chǔ)上，降低鑄件的重量，從而降低鑄件毛坯材料的消耗。

最小切削用量工藝旨在減少大鑄件的毛坯加工余量，使機(jī)械加工過程產(chǎn)生的廢屑最少，達(dá)到降低原材料消耗的目的。我們采用的方法是在設(shè)計(jì)定型后，用鋁模代替木模進(jìn)行鑄造。盡管鋁模的單價(jià)比木模高，但得益于鋁模精度高、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，使用鋁模鑄造出來的毛坯加工余量可以比木模少三分之一甚至更多。另外，我們?cè)诠に囈?guī)劃中，對(duì)大鑄件二次回火前的粗加工過程進(jìn)行了詳細(xì)的檢驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)有縮孔、縮松等鑄造缺陷時(shí)，立即進(jìn)入報(bào)廢流程，杜絕進(jìn)入下一道工序。這就避免了在精加工過程中才發(fā)現(xiàn)這些問題時(shí)，工時(shí)和設(shè)備的極大浪費(fèi)已無可挽回的現(xiàn)象。

4.可拆卸性原則

可拆卸性原則又稱面向拆卸的設(shè)計(jì)原則，是綠色設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一，它要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初級(jí)階段就將產(chǎn)品維修或廢棄后的拆卸問題考慮在內(nèi)，使設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)易于拆卸，便于回收，以達(dá)到節(jié)約資源和能源、保護(hù)環(huán)境的目的。

單張紙膠印機(jī)滾筒支撐軸承是重要的承載零件，其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣不僅直接影響到滾筒的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和印品的質(zhì)量，也涉及到裝配、維修的難易程度。尤其在高速單張紙膠印機(jī)中，滾筒支撐軸承與墻板軸承座和滾筒軸頭的配合精度已經(jīng)上升到微米級(jí)。如何在裝配、維修過程中簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確地控制這些配合尺寸，是保證高速印刷質(zhì)量和設(shè)備壽命的關(guān)鍵。以往，國(guó)產(chǎn)單張紙膠印機(jī)多以雙列滾針軸承或雙列圓錐滾子軸承為主要選擇，這兩種方式最大的問題是配合間隙和預(yù)緊力難以準(zhǔn)確控制，裝配和維修難度較大。

在研發(fā)EP106高速單張紙膠印機(jī)過程中，我們采用了內(nèi)錐面圓柱滾子軸承作為滾筒支撐軸承，如圖2所示。根據(jù)需要達(dá)到的軸承配合間隙，借助專用的測(cè)量器具，即可確定實(shí)際隔圈的寬度。這樣的結(jié)構(gòu)使裝配過程大為簡(jiǎn)化，生產(chǎn)效率顯著提升。同時(shí)，需要拆卸的時(shí)候，僅需通過圖3所示的液壓方式即可方便地拆除軸承內(nèi)圈，因此維修也變得極為簡(jiǎn)便。

綠色制造與綠色設(shè)計(jì)是今后機(jī)械裝備制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)之一?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020年）》等文件明確指出，積極發(fā)展綠色制造，加快相關(guān)技術(shù)在材料與產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、加工制造、銷售服務(wù)及回收利用等產(chǎn)品全生命周期中的應(yīng)用，形成高效、節(jié)能、環(huán)保和可循環(huán)的新型制造工藝，使得制造業(yè)資源消耗、環(huán)境負(fù)荷水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。近些年來，綠色制造與綠色設(shè)計(jì)在汽車、石油、造船、機(jī)床等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，而印刷設(shè)備制造業(yè)在這方面的工作進(jìn)行得相對(duì)較緩慢，希望國(guó)內(nèi)印刷設(shè)備制造商重視綠色制造和綠色設(shè)計(jì)的研發(fā)及應(yīng)用，使之成為我國(guó)印刷產(chǎn)業(yè)鏈中不可或缺的一環(huán)。