面向機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)探析

徐 剛，宋穎慧

（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)與制造所發(fā)揮的作用逐漸增大，在進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)與制造的同時(shí)，我們需要對(duì)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行合理的分析與探討，這樣才可以對(duì)后續(xù)的具體設(shè)計(jì)有一定的借鑒意義。希望本文通過相關(guān)內(nèi)容的闡述，能夠?qū)窈蟮男袠I(yè)發(fā)展有一定的借鑒意義。

1 綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 綠色設(shè)計(jì)技術(shù)

綠色設(shè)計(jì)一般指的是生態(tài)設(shè)計(jì)，在學(xué)術(shù)定義上指的是整個(gè)生命周期之中的生態(tài)屬性，其主要指的是可回收利用等一系列的具體指標(biāo)，在滿足環(huán)境目標(biāo)的同時(shí)，也能夠滿足產(chǎn)品應(yīng)有的設(shè)計(jì)性能要求，從而讓其達(dá)到既定的目標(biāo)。綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)在一定程度上決定了綠色產(chǎn)品。生命周期之中出現(xiàn)的損耗，這就是綠色設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵特征。

1.1.1 綠色設(shè)計(jì)屬于并行式閉環(huán)設(shè)計(jì)

綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的閉環(huán)設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式存在極大的差異，閉環(huán)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)信息的相互交換以及反饋，在一定程度上，能夠?qū)a(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中多次修改的問題改善，同時(shí)，綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品的回收利用以及報(bào)廢拆卸等方面進(jìn)行了綜合性的設(shè)計(jì)與考量，這樣就使得從成型概念到最后的生產(chǎn)與回收利用形成了閉環(huán)設(shè)計(jì)[1]。

1.1.2 綠色設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)綠色產(chǎn)品的要求

綠色設(shè)計(jì)有利于環(huán)境的保護(hù)，能夠維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡，主要是為了實(shí)現(xiàn)綠色產(chǎn)品的具體要求。在整個(gè)設(shè)計(jì)與使用周期之中，首先需要考慮其概念，分析產(chǎn)品與工藝，了解其環(huán)境污染等副作用，這樣才可以從根本上消除環(huán)境污染帶來的影響。

1.2 綠色包裝技術(shù)

綠色包裝技術(shù)指的是基于減小環(huán)境污染的過程設(shè)計(jì)。綠色包裝技術(shù)能夠滿足我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，基于綠色包裝技術(shù)的具體原則，需要考慮：第一，減少包裝材料。第二，使用包裝材料，需要滿足重復(fù)使用的要求。第三，進(jìn)行能量的再次回收利用。目前，機(jī)電產(chǎn)品的包裝材料使用中，合理的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料的選擇才是綠色包裝的前提條件。良好的包裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以減少包裝材料，能夠滿足綠色包裝的Reduce的原則。按照相關(guān)的統(tǒng)計(jì)顯示，增加包裝容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，可以降低62%的包裝費(fèi)用，同時(shí)也可以節(jié)約54%的包裝材料。同時(shí)，通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改善，還可以滿足包裝設(shè)計(jì)的要求，并且也可以簡化包裝，減少材料帶來的環(huán)境污染以及材料的實(shí)際消耗[2]。

2 機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容

目前，機(jī)電產(chǎn)品已經(jīng)深入人們生活的各個(gè)方面，但是廢舊機(jī)電產(chǎn)品所帶來的環(huán)境問題就一直困擾著人們。所以，針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)，就成為當(dāng)前研究的重點(diǎn)。對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)而言，其涉及到的內(nèi)容較為廣泛。為了讓研究更有針對(duì)性，本章節(jié)主要是針對(duì)材料、拆卸、回收、綠色評(píng)價(jià)等關(guān)鍵性的內(nèi)容進(jìn)行了講解。

2.1 材料選擇

材料的選擇是產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)初期需要面對(duì)的問題，同時(shí)也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行的重要決策，其作為最直接的手段，能夠幫助產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)最小的環(huán)境影響。在選擇機(jī)電產(chǎn)品綠色材料的時(shí)候，需要考慮到：第一，選擇能夠滿足機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能要求的材料，也就是剛度、強(qiáng)度、彈性模量等多個(gè)方面的物理量都需要符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的要求，并且還能夠保證產(chǎn)品的使用性能與質(zhì)量[3]。第二，充分考慮到對(duì)環(huán)境帶來的影響，盡量選擇容易降解、無毒害，可以再制造重新使用的材料，這樣也可以滿足機(jī)電產(chǎn)品的環(huán)境屬性要求。針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行綠色設(shè)計(jì)，其具體的材料選擇要求見圖1所示。

圖1 綠色設(shè)計(jì)對(duì)材料的要求Fig.1 The requirements of green design for materials

2.2 拆卸性設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般只會(huì)考慮產(chǎn)品裝配性能的提升，但是卻忽略了拆卸性能如何。正是因?yàn)橛羞@一種傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的存在，導(dǎo)致很多廢舊的機(jī)電產(chǎn)品在進(jìn)行回收處理的時(shí)候，都沒有一個(gè)良好的拆卸性結(jié)構(gòu)，這樣就可能無法讓產(chǎn)品內(nèi)部性能完好的零件進(jìn)行再一次的回收重用，或者是完全呈現(xiàn)出無法回收的局面，導(dǎo)致資源出現(xiàn)嚴(yán)重浪費(fèi)，并且出現(xiàn)惡劣的環(huán)境影響。所以，在進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的時(shí)候，就需要重點(diǎn)的考慮產(chǎn)品的拆卸性能。擁有良好的拆卸性能，才能夠讓機(jī)電產(chǎn)品在今后報(bào)廢處理的環(huán)節(jié)能夠?qū)⒘悴考咝У牟鹦断聛?，這樣也方便零部件的回收與重用，同時(shí)也可以滿足時(shí)間與成本的節(jié)約，并且還可以起到一定的環(huán)境保護(hù)作用[4]。所以，就目前的可拆卸性設(shè)計(jì)而言，其具體的內(nèi)容見圖2所示。

圖2 拆卸性設(shè)計(jì)的內(nèi)容Fig.2 Disassembly design content

通過上圖2的具體內(nèi)容可以看出，對(duì)于可拆卸性設(shè)計(jì)的研究，主要還是集中在拆卸序列的規(guī)劃以及構(gòu)建拆卸模型這兩個(gè)方面，但是研究人員對(duì)于可拆卸序列的評(píng)價(jià)不夠重視，對(duì)于在今后的研究之中還需要重點(diǎn)的關(guān)注對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品的可行拆卸序列的評(píng)價(jià)。不過，考慮到不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所以針對(duì)不同的產(chǎn)品，還需要作出不同的拆卸設(shè)計(jì)，一般來說，拆卸設(shè)計(jì)應(yīng)該遵循的原則見圖3所示。

圖3 拆卸性設(shè)計(jì)遵循的一般原則Fig.3 General principles for disassembly design

具體而言：第一，拆卸工作量最少。也就是說在確保產(chǎn)品質(zhì)量的前提條件下，盡可能的減少材料的總類以及零部件的數(shù)量，這樣就可以減少拆卸的時(shí)間；第二，結(jié)構(gòu)可拆卸。這一原則是的是零部件之間連接應(yīng)該選擇同一種緊固的類型，盡量選擇簡單的方式來進(jìn)行連接，并且在拆卸的過程之中還需要具備良好的可達(dá)性以及拆卸運(yùn)動(dòng)；第三，容易操作；第四，容易進(jìn)行分離，其中主要包含了表面原則、識(shí)別原則、模塊化設(shè)計(jì)原則以及標(biāo)準(zhǔn)件原則；第五，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的可預(yù)估性原則。在使用產(chǎn)品的時(shí)候，由于各個(gè)方面的因素影響，就可能讓產(chǎn)品的原始狀態(tài)和最終狀態(tài)出現(xiàn)不確定性的變化，這樣就會(huì)增加拆卸的難度。結(jié)構(gòu)的可預(yù)估性主要指的是避免將容易腐蝕以及容易老化的材料同可以進(jìn)行拆卸和回收的材料放置在一起。避免需要拆卸的零部件受到污染或者是腐蝕的情況。

2.3 回收性設(shè)計(jì)

回收性設(shè)計(jì)主要指的是廣義的回收手段和方法?？紤]到機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)有的廣泛性，所以我國的廢舊機(jī)電產(chǎn)品的回收必定會(huì)成為具有良好前景的行業(yè)。所以，將機(jī)電產(chǎn)品回收效率提高，研究回收價(jià)值勢(shì)在必行。機(jī)電產(chǎn)品零部件組成相對(duì)復(fù)雜，其包含了諸多類型，如容易造成污染，并且不容易降解的材料。所以，在進(jìn)行廢舊機(jī)電產(chǎn)品處理的時(shí)候，一般會(huì)選擇填埋或者是焚燒的方式，但是這樣無法滿足環(huán)境保護(hù)以及資源節(jié)約的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。反之，如果我們?cè)谠O(shè)計(jì)產(chǎn)品的階段就可以考慮到產(chǎn)品的可回收性，那么所設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品就會(huì)具有良好的回收性能。并且在其報(bào)廢之后，還可以高效合理的回收其零部件，這樣才可以滿足資源節(jié)約，減少環(huán)境污染，同時(shí)還能夠增加機(jī)電產(chǎn)品全生命周期的經(jīng)濟(jì)效益[5]。

針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的回收性設(shè)計(jì)，其主要內(nèi)容和設(shè)計(jì)原則見圖5與圖6。

圖4 廣義產(chǎn)品回收系統(tǒng)Fig.4 Generalized product recovery system

圖5 研究內(nèi)容Fig.5 Research contents

圖6 設(shè)計(jì)原則Fig.6 Design principles

2.4 綠色度評(píng)價(jià)

針對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)，主要是要考慮到設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品具有環(huán)境友好型和技術(shù)先進(jìn)性。那么如何才能夠判斷一個(gè)機(jī)電產(chǎn)品是否屬于綠色產(chǎn)品呢？目前，定量與定性分析相互結(jié)合的方式，就是目前最有效的方式之一。通過評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立，利用合理的評(píng)價(jià)方法，開展產(chǎn)品綠色度的評(píng)價(jià)，具體見圖7所示。

在構(gòu)建機(jī)電產(chǎn)品評(píng)價(jià)體系的時(shí)候，需要考慮到資源、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、能源等多個(gè)方面的內(nèi)容，其本身屬于多層次、多指標(biāo)、典型的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖8。因?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品的種類較多，所以，在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的時(shí)候，需要根據(jù)實(shí)際的情況來對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行合理的增減，并建立相對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

在選擇綠色度評(píng)價(jià)的時(shí)候，直接關(guān)系到產(chǎn)品綠色度評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。按照機(jī)電產(chǎn)品評(píng)價(jià)質(zhì)保體系，機(jī)電產(chǎn)品的綠色度評(píng)價(jià)屬于多指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)，目前，多指標(biāo)評(píng)價(jià)的方法有很多，從適用的范圍以及應(yīng)用的特點(diǎn)出發(fā)，其包含了兩個(gè)方面，主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)。單一的評(píng)價(jià)方法無法做到全面而準(zhǔn)確，一般在解決中會(huì)考慮到將兩種或者是兩種以上的評(píng)價(jià)方法相互的結(jié)合起來，從而對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的綠色度進(jìn)行評(píng)價(jià)，這樣才能讓評(píng)價(jià)的結(jié)果更加滿足真實(shí)情況的要求。

圖7 產(chǎn)品綠色度評(píng)價(jià)過程Fig.7 Evaluation process of product greenness

圖8 機(jī)電產(chǎn)品綠色度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.8 Evaluation index system of green degree of mechanical and electrical products

3 結(jié)束語

總而言之，在現(xiàn)代制造行業(yè)中，綠色制造是可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本體現(xiàn)，綜合特色就是綠色制造業(yè)的特色。在綠色制造與產(chǎn)品制造的應(yīng)用之中，整體產(chǎn)品生命周期的設(shè)計(jì)，其使用與處置不會(huì)對(duì)環(huán)境帶來過大的負(fù)面影響，并且其資源的利用效率較高，可以滿足經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的相互協(xié)調(diào)。隨著社會(huì)大眾環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，越來越多的企業(yè)開始考慮綠色制造，相信綠色制造必定會(huì)成為制造業(yè)的未來發(fā)展主流方向。

[1]李委委.綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)在當(dāng)代社會(huì)的全方位構(gòu)建[J].生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2013，2.

[2]楊茜.綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)的起源發(fā)展和研究現(xiàn)狀[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2016，1.

[3]楊茜.基于生命周期評(píng)價(jià)的綠色產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015，16.

[4]陳夢(mèng)瑤，張仲鳳.綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的材質(zhì)情感研究[J].家具與室內(nèi)裝飾，2015，1.

[5]吉祥.面向產(chǎn)品綠色設(shè)計(jì)的知識(shí)建模及應(yīng)用技術(shù)研究[D].浙江大學(xué)，2013.