逆向制造在循環(huán)型制造業(yè)中的應(yīng)用

馬 梅，林 宋，胡建新

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

逆向制造在循環(huán)型制造業(yè)中的應(yīng)用

馬 梅，林 宋，胡建新

（北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144）

隨著制造業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突出，人們普遍認(rèn)為制造業(yè)應(yīng)當(dāng)從當(dāng)前的粗放型生產(chǎn)轉(zhuǎn)向可持續(xù)生產(chǎn)。實現(xiàn)可持續(xù)生產(chǎn)的關(guān)鍵是建立閉環(huán)產(chǎn)品生命周期全過程：原材料-生產(chǎn)制造-產(chǎn)品使用、維護(hù)-產(chǎn)品報廢-多層次、多方式的多次再利用，即逆向制造。逆向制造是實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、解決環(huán)境問題的重要途徑。

逆向制造；產(chǎn)品生命周期；循環(huán)型制造業(yè)

0　引言

可持續(xù)發(fā)展概念是20世紀(jì)80年代從環(huán)境與自然資源角度提出的關(guān)于人類長期發(fā)展的戰(zhàn)略。在社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展中，資源利用和環(huán)境保護(hù)占有十分重要地位?？沙掷m(xù)發(fā)展是實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的必經(jīng)之路，國家“十一五”規(guī)劃把發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展列為重點發(fā)展項目。鑒于此，開發(fā)基于“逆向制造”概念的新方法應(yīng)運而生。

圖1　逆向制造流程圖

逆向制造是一種新的生產(chǎn)模式，如圖1所示。失效了的產(chǎn)品即人工物作為一種資源通過逆向制造變?yōu)榉现圃祀A段要求的自然物。經(jīng)過逆向制造的人工物，對制造階段來說是一種資源即自然物，而對于自然物來說就是產(chǎn)品了。逆向制造的閉環(huán)系統(tǒng)遵循“4R”原則即“減量化，再利用，再循環(huán)，再制造”，可實現(xiàn)資源的充分高效利用。在該系統(tǒng)中一方面可把無法直接再利用的部件轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)制造過程中可再利用的資源，另一方面使用通過逆向物流回收來的可再利用部件。

逆向制造通過構(gòu)建更小閉環(huán)產(chǎn)品生命周期來鼓勵工業(yè)從“制造”產(chǎn)業(yè)向“生命周期”行業(yè)即循環(huán)型行業(yè)轉(zhuǎn)變。當(dāng)前的制造業(yè)主要是生產(chǎn)和銷售產(chǎn)品，然而生命周期行業(yè)則是對產(chǎn)品的整個生命周期承擔(dān)責(zé)任，不僅為顧客提供產(chǎn)品，還包括其他服務(wù)如運營支持、維護(hù)升級、廢棄品的回收及再循環(huán)。逆向制造從產(chǎn)品的設(shè)計、制造、使用到報廢回收的整個生命周期出發(fā)，綜合考慮資源利用率和環(huán)境的影響，使企業(yè)成本和用戶成本達(dá)到最優(yōu)。逆向制造將廢棄部件（或零件）作為生產(chǎn)原材料，直接利用或轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)過程中可再利用的資源，通過合理配置回收的廢舊產(chǎn)品，充分利用資源，實現(xiàn)生產(chǎn)最大化。

1　逆向制造的系統(tǒng)框架

如果制造業(yè)以創(chuàng)建循環(huán)型企業(yè)作為目標(biāo)，那么其必須開展實施逆向制造。逆向制造把回收系統(tǒng)集成到制造系統(tǒng)中，所以要對回收系統(tǒng)的質(zhì)量和成本進(jìn)行嚴(yán)格管控，包括回收材料和重復(fù)使用組件的質(zhì)量和成本。在保持公司利潤和產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，循環(huán)型制造業(yè)旨在從整體上優(yōu)化產(chǎn)品整個生命周期的資源消耗以及廢物排放[1]，通過產(chǎn)品的拆卸、分類、翻新等處理使其達(dá)到一定的質(zhì)量要求，保留部件（或者零件），以便再裝配和重新銷售[2]。基于逆向制造的產(chǎn)品生命周期成本包括企業(yè)成本、用戶成本和社會成本。企業(yè)成本主要考慮生產(chǎn)成本（材料、人工）、相關(guān)輔助制造費用、管理成本、產(chǎn)品銷售費用。用戶成本考慮的是產(chǎn)品使用、維護(hù)、拆卸回收、廢棄物處置（掩埋和焚燒）成本。社會成本主要包括各種環(huán)境污染和資源使用問題的經(jīng)濟(jì)成本等。

循環(huán)型制造業(yè)實現(xiàn)逆向制造本質(zhì)上包括兩方面內(nèi)容：最小化生產(chǎn)（即以消耗最少的資源和能源以及產(chǎn)生最少的廢物為目標(biāo)，來獲取具有最大功能性的產(chǎn)品的制造系統(tǒng)）及最大化服務(wù)（即以最小的資源、能源消耗及廢物排放，為人們提供最大產(chǎn)品服務(wù)的服務(wù)體系）。實現(xiàn)逆向制造的有效方式包括再制造和再利用、維護(hù)與升級和生命周期服務(wù)；主要瓶頸包括消費者的意識、社會基礎(chǔ)設(shè)施的準(zhǔn)備以及公司額外的費用[1]。實際上，在這一領(lǐng)域我們可以找到大量相關(guān)的研究工作。比如，環(huán)境意識設(shè)計[4]、產(chǎn)品生命周期設(shè)計[5]和面向回收的設(shè)計[6]等。

逆向制造的特點是提倡設(shè)計跨產(chǎn)品平臺的通用零部件，并且將通用零部件設(shè)計得盡可能高質(zhì)量和耐用，使這些零部件可以在整機(jī)報廢后，不經(jīng)過循環(huán)再制造直接回流到新產(chǎn)品的裝配流水線中[3]，從而使設(shè)計的產(chǎn)品從源頭上減少對環(huán)境的負(fù)面影響，實現(xiàn)從“末端治理”向“源頭控制”轉(zhuǎn)變。循環(huán)型制造業(yè)在產(chǎn)品的設(shè)計階段既要綜合考慮產(chǎn)品的功能、成本等傳統(tǒng)設(shè)計要素，也要把產(chǎn)品生命周期的環(huán)境屬性（減少材料、降低能耗、可回收重用等）同樣考慮在內(nèi)，從資源、環(huán)境的角度對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，以滿足生態(tài)性和經(jīng)濟(jì)性要求。

各國政府頒布的多項有關(guān)環(huán)保的法令在推動企業(yè)生產(chǎn)循環(huán)型產(chǎn)品過程中起到了非常好的導(dǎo)向作用。2007年8月歐盟在實施的《耗能產(chǎn)品設(shè)計指令》中明確指出要將環(huán)保融入到產(chǎn)品的設(shè)計、制造和使用的各階段中；1992年，美國頒布了《資源保護(hù)恢復(fù)法》、《資源保護(hù)回收法》和《有毒物質(zhì)控制法》等相關(guān)法規(guī)。以報廢汽車回收為例，頒布的主要法規(guī)如表1所示。

表1　報廢汽車回收利用的主要法規(guī)

美國2020年的報廢汽車目標(biāo)回收利用率如圖2所示。

圖2　美國2020年的報廢汽車目標(biāo)回收利用率

日本在《廢物處理法》和《資源有效利用促進(jìn)法》中定義了 “循環(huán)型社會”，即通過抑制產(chǎn)品成為廢物，當(dāng)產(chǎn)品成為可循環(huán)資源時則促進(jìn)產(chǎn)品的適當(dāng)循環(huán)，并確保不可循環(huán)的回收資源得到適當(dāng)處置，從而使自然資源的消耗受到抑制，環(huán)境負(fù)荷得到消減的社會形態(tài)[2]。我國的《固體廢棄物污染環(huán)境防治法》自2005年4月1日起開始實施，且在2012年2月修改了《中華人民共和國清潔生產(chǎn)促進(jìn)法》。我國2015～2020年報廢汽車總量預(yù)測如表2所示[7]，2006年我國發(fā)布的報廢汽車回收利用技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

表2　我國2015～2020年報廢汽車總量預(yù)測

表3　報廢汽車回收利用技術(shù)指標(biāo)

2　逆向制造的研究現(xiàn)狀

日本富士施樂是實施逆向制造的設(shè)備制造企業(yè)，富士施樂制造的一些產(chǎn)品70%使用了從報廢設(shè)備拆下來的部件，60%的部件曾被3次再利用，這些部件既有來自相同型號的產(chǎn)品，也有來自其他種類的產(chǎn)品。2003年7月，富士施樂成為辦公設(shè)備行業(yè)首家開展打印機(jī)回收服務(wù)的企業(yè)。在2003年中，該公司使用再利用部件制造出230000臺設(shè)備，使得全年的新資源消耗量降低到2200噸之內(nèi)。據(jù)富士施樂公布的環(huán)境數(shù)字，在2003～2007年間逆向制造所節(jié)約的生產(chǎn)成本，不但完全彌補(bǔ)了企業(yè)花在產(chǎn)品回收上的費用，還附帶凈利潤：2007年的利潤高達(dá)4.7億日元。2008年富士施樂在蘇州建立產(chǎn)品回收拆解中心，集中處理來自全國各地的舊產(chǎn)品回收和轉(zhuǎn)運泰國的工作[3]。

日本東京大學(xué)工程中心的A. Nonomura和T. Tomimaya以及逆向制造實驗室的Y. Umeda共同提出了在產(chǎn)品的設(shè)計階段通過模擬它們的生命周期模型配置模塊化產(chǎn)品以及規(guī)劃其生命周期[8]。根據(jù)模擬結(jié)果，從環(huán)境意識、企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及用四種類型的逆向制造（回收設(shè)計類型、再利用+回收設(shè)計類型、維護(hù)+回收設(shè)計類型以及維護(hù)+再利用+回收設(shè)計類型）與傳統(tǒng)生命周期相比較的成本的綜合角度考慮，討論了逆向制造的可行性。得出模塊化是減少產(chǎn)品維護(hù)和再利用成本的有效方法。并且為了協(xié)助模塊化設(shè)計，還開發(fā)了優(yōu)化的產(chǎn)品模塊化配置。

大連理工大學(xué)于隨然副教授提出基于逆向制造的考慮方法，對產(chǎn)品的計劃、設(shè)計、制造、使用及維護(hù)、回收再利用等全壽命周期進(jìn)行建模，通過合理的設(shè)計與評價，研究如何實現(xiàn)循環(huán)型產(chǎn)品全壽命周期的方法。倡導(dǎo)設(shè)計者在設(shè)計時不僅考慮產(chǎn)品的設(shè)計與制造問題，也要統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品的全壽命周期問題。提出了如下方法：明確產(chǎn)品全壽命周期的設(shè)計目標(biāo)，特別是環(huán)境目標(biāo)；合理確定描述產(chǎn)品全壽命周期的變量，尤其要包括環(huán)境變量；建立目標(biāo)與變量之間的數(shù)學(xué)模型，對變量進(jìn)行優(yōu)化從而得到優(yōu)化的全壽命周期戰(zhàn)略[9]。

日本東京都立大學(xué)Fujimoto J，Umeda Y，Tamura T等人指出現(xiàn)在的制造業(yè)僅僅致力于產(chǎn)品的生產(chǎn)和銷售，為了解決環(huán)境問題及可持續(xù)發(fā)展問題，必須鼓勵工業(yè)由單純的制造產(chǎn)業(yè)向生命周期產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。文章首先從企業(yè)的角度闡述了各種環(huán)境載荷和回收費用以及從回收質(zhì)量、成本和運輸角度討論了再利用系統(tǒng)。然后從制造業(yè)的角度介紹了設(shè)計回收系統(tǒng)的必要性，并以“服務(wù)化產(chǎn)品”－傳真機(jī)為例討論了產(chǎn)品的開發(fā)，并進(jìn)行了生命周期的仿真來確認(rèn)對減少環(huán)境影響的可能性。最后探討了產(chǎn)品開發(fā)的結(jié)果以及生命周期仿真。不足的是，為了簡化仿真模型，仿真模型中沒有包含環(huán)境負(fù)載以及操作和運輸成本[10]。

3　逆向制造的發(fā)展前景

我國經(jīng)濟(jì)以外向型為主，要繼續(xù)開拓發(fā)達(dá)國家市場就要在設(shè)計階段采用源頭減量化的措施，開發(fā)節(jié)能低碳環(huán)保產(chǎn)品，創(chuàng)建逆向制造循環(huán)型企業(yè)。只有從資源可持續(xù)利用的角度出發(fā)，從源頭上減少廢棄物的產(chǎn)生，同時將可用的資源循環(huán)回收再利用，大力實行產(chǎn)品逆向制造，才能實現(xiàn)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境、企業(yè)可持發(fā)展。

逆向制造通過循環(huán)利用產(chǎn)品廢棄物，可獲得高附加值的產(chǎn)品且能夠?qū)^(qū)域環(huán)境的整治做出貢獻(xiàn)。對于產(chǎn)生嚴(yán)重環(huán)境污染的大型集團(tuán)公司，可將其下屬企業(yè)通過廢物交換的方式構(gòu)建閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，那么從整體來看，該集團(tuán)公司產(chǎn)生的總的廢物量將會大大減少，從而使集團(tuán)廢棄物排放量最低。各下屬企業(yè)經(jīng)過廢棄物和副產(chǎn)品的交換既會節(jié)約生產(chǎn)成本，又可充分利用已有資源，也會提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。整個集團(tuán)公司將會實現(xiàn)生產(chǎn)成本最小化和經(jīng)濟(jì)利潤最大化的最優(yōu)目標(biāo)。

如今，機(jī)床制造企業(yè)面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)在的機(jī)床保有量可達(dá)到800萬臺左右，如此規(guī)模的機(jī)床保有量將會帶來一系列的資源、環(huán)境問題。從機(jī)床制造角度來說，在制造過程中會使用大量鋼材，消耗大量能源。從機(jī)床使用角度來說，機(jī)床是高耗能設(shè)備，會持續(xù)產(chǎn)生大量廢棄物。要解決降低能耗、減少排放的問題，機(jī)床制造企業(yè)必須采用新工藝、新方法。針對這一問題，可對機(jī)床產(chǎn)品實行逆向制造，即通過采用先進(jìn)的技術(shù)工藝，最大限度地利用廢舊機(jī)床產(chǎn)品零部件所蘊含的殘留價值，同時保障機(jī)床質(zhì)量、性能及使用壽命達(dá)到或接近新品。逆向制造可使機(jī)床制造業(yè)節(jié)約大量的資源、能源，顯著降低環(huán)境污染。實施逆向制造是振興我國機(jī)床行業(yè)的必然發(fā)展方式。

4　結(jié)束語

逆向制造符合生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，同時順應(yīng)制造技術(shù)發(fā)展進(jìn)步的趨勢。實施逆向制造是發(fā)展循環(huán)型企業(yè)的必然要求。制造業(yè)要實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的制造，實行逆向制造勢在必行。

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The application of inverse manufacturing in the circular manufacturing

MA Mei, LIN Song, HU Jian-xin

TH165+.4

A

1009-0134(2016)02-0117-03

2015-10-09

機(jī)床零部件再制造關(guān)鍵工藝研究及質(zhì)量分析

馬梅（1989 -），女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為機(jī)電產(chǎn)品再制造。