面向再制造的产品绿色模块化设计研究

来源:用户上传      作者: 吴小艳

　　摘要：各大再制造企业在实践中认识到，如果早在新产品的设计阶段就考虑产品使用期满后的回收和再制造的要求，就可以显著地提高再制造的效益和效率。对面向再制造的产品绿色模块化设计及其实施进行了研究，探讨了面向再制造的绿色模块化设计的优点，提出了面向再制造的产品绿色模块化设计的具体实现步骤。
　　关键词：再制造 产品的再制造性 绿色模块化设计
　　中图分类号：F27 文献标志码：Ａ文章编号：１６７３－２９１Ｘ（２０11）26－０270－03
　　一、面向再制造的产品设计
　　20世纪80年代以来，一种更加顺应可持续发展要求的废旧产品处理方式――绿色再制造（Green Remanufacturing）引起了全社会的广泛重视。绿色再制造是以产品全寿命周期理论为指导，以废旧产品性能提升为目标，以优质、高效、节能、节材、环保为准则，以先进技术和产业化生产为手段，来修复、改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造产品的优势十分明显，其性能可达到或超过原型机新品，而成本仅为新品的50%左右，节能60%，节材70%以上，经济效益和社会效益突出。
　　各大率先进行废旧产品回收和再制造加工的企业在实践中认识到，如果早在新产品的设计阶段就考虑产品使用寿命到期后的回收和再制造阶段的相关要求，融入新产品的可再制造性的设计理念，就可以显著地提高再制造的效益，更好地实现资源的可持续发展战略。
　　面向再制造的产品设计（Design for Remanufacturing），是指按照再制造的目的设计产品，在产品设计阶段对产品的再制造性进行充分考虑，并提出再制造性指标和要求，使得产品到达寿命末端时具有良好的再制造能力。
　　（一）LCA在面向再制造的产品设计中的使用
　　LCA，Life Cycle Assessment，简称生命周期评价。国际标准组织（ISO）给出的LCA是：汇总和评价一个产品或服务体系在整个寿命周期所有投入与产出对环境造成的和潜在的影响的方法。可见，生命周期评价主要用于评估产品在它的生产、使用到回收整个过程中，对环境造成的影响。包括所耗费的原材料、能源以及所产生的排放。
　　面向再制造的产品设计应该在新产品设计阶段就考虑产品服役周期结束后需要进行拆解和回收利用，运用LCA的方法对产品从原材料的选择、设计加工、销售运输、回收清洁、拆解检测、再制造加工、再制造成品组装等各个环节充分考虑对资源的消耗和对环境的影响，尽量提高产品的再制造性。
　　面向再制造的产品设计完成了由传统的“被动解决问题”向“主动预防问题产生”的方向的转变，是产品设计思想的一次创新和变革，大大节约了资源和能源，并将带来巨大的经济和社会效益。
　　（二）设计重点是提高产品的再制造性
　　面向再制造的产品设计的重点是提高产品的再制造性。再制造性（Remanufacturability）也称为可再制造性，是产品本身的一种属性，是决定废旧产品进行再制造的前提，是面向再制造的产品设计中的重要内容。其定义可描述为：再制造性是产品设计过程赋予产品的一种固有属性，是指由于各种原因产品退役后，综合考虑各种因素，该产品经过再制造加工后达到规定性能时，获取原产品价值的能力。
　　再制造性评价具有明显的阶段性，主要包括新产品设计开发阶段和废旧产品再制造前的决策阶段。其中，新产品设计开发阶段十分关键，产品在新产品设计阶段就已经将材料性能、各零部件的连接方式、产品结构等因素确定了下来。废旧产品的再制造性的影响因素，既包括该产品在新品设计阶段就确定下来的那些因素，又包括产品服役期满后的产品状况、当时的再制造技术的发展状况、环境和经济状况等因素。所以，产品的再制造性具有动态性、个体性、地域性和时间性等特点，即使同一产品在不同情况下的再制造性也是不同的。可见，在新产品设计阶段就考虑其后期回收和再制造的需要，尽量提高产品的再制造性是十分必要的。
　　二、实施绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径
　　面向再制造的产品设计需要同时解决这样一些难题：使产品在设计之初就全面考虑该产品在其多生命周期内的环境属性及零部件的重复使用性，无论是所选用材料还是产品的结构，连接方法设计都能方便其日后的维修、升级，以及产品废弃后的拆解、回收和处理，同时保证与环境得有更好的协调性。显然，原有的传统设计方法不能满足这些要求。面向再制造的绿色模块化设计方法正是在这种情况下提出来的，绿色模块化设计是提高产品再制造性的有效途径。
　　（一）面向再制造的绿色模块化设计的含义
　　绿色设计（Green Design）是指在产品整个生命周期内优先考虑产品环境属性，如可拆卸性、可回收性、可维护性和可充分利用性等，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的基本性能、使用寿命和质量等。在产品的设计阶段就考虑其回收、拆解等需要，才能最终实现产品的回收和再制造效率。
　　模块是产品的子结构，它与产品的功能元素子集有一一对应的关系。产品的模块化设计，就是在产品设计时，根据原材料属性、产品的结构，以及日后的使用功能、升级、维修，废弃后的回收、拆卸等因素，将产品划分为不同的模块单位，把离散的零件聚合成模块。产品的模块化设计，既可以在产品生产时大批量生产模块化的半成品，降低生产成本，获得规模效应；又可以根据顾客的个性化需要，将不同功能的模块进行组合，提高了产品对市场差异化需求的响应能力。
　　绿色设计和模块化设计密切相关。绿色设计要求产品易维修与升级，不易轻易淘汰；绿色设计要求产品具有可拆解性和易回收性，经简单再制造加工后就能恢复或超过原品性能并能被再次利用。这些正需要模块化设计思想来实现。模块化设计方便失效模块的简易替换和产品的快速升级，延长产品的使用寿命，减少产品的丢弃和环境的破坏，与绿色设计的某些理念不谋而合。通过绿色模块的构建，产品比传统产品具有更好的多方面效益，产品的功能属性和环境属性能同时满足，效果十分显著。
　　面向再制造的绿色模块化设计方法是将绿色设计和模块化设计进行有机结合后，运用于产品的再制造性设计阶段中，使产品同时满足易于拆解和装配、易于修复和升级、环境友好性等再制造性的指标和要求。在模块化的设计时，考虑产品的再制造性，让产品在寿命末端回收之后，能容易地拆卸为不同的模块，且尽可能减小各模块内的可再制造性的差异，则可提高产废旧产品回收利用率。这种设计方法是一种顺应时代发展的崭新的设计方法，有助于实现制造业的可持续发展。
　　（二）面向再制造的绿色模块化设计的优点
　　1．能有效提高产品的易拆解和装配性
　　再制造加工过程包括前期对回收产品的拆解环节，和后期将再制造后的零部件装配为再制造成品的环节。所以，面向再制造的产品设计一定要考虑零部件的易拆解和装配性，这既影响再制造过程的效率，又影响再制造产品的质量。
　　再制造的拆解不同于再循环，需要确保拆解过程中尽可能少地损坏零部件。因此，产品结构设计，连接件的数量和类型，以及拆解深度的选择成为面向再制造的产品设计的重点内容。不同的产品结构将导致不同的拆解方法和拆解难度。常见的拆解方法有两种：有损拆解和无损拆解。常见的有损拆解是机械裂解或粉碎。机械产品中常见的连接方式有四种：可拆解连接、活动连接、半永久性连接和永久性连接。前三种连接一般都可以拆解，第四种则只能采用有损拆解的方法。

　　产品结构设计时应改变传统的连接方式，零部件之间尽量不采用焊接或粘接的连接方式，代之以易于拆解的连接方式。扣压和螺钉的方式便于拆解，前者较后者又更容易拆解、更省时。连接件方面，卡式接头和插入式接头更容易拆解和装配，已经有越来越多的企业在产品设计时就采取了这些类型的连接方式。尤其是一些易损零件，由于更换次数较多，在设计其安装结构时就考虑其易拆性，较多采用插入式结构设计、标准化插口设计等。如计算机主板上的插槽与上面插装线路板的连接方式。
　　采用绿色模块化设计既能明显简化产品结构，又能大量减少连接件的数量和类型，大大提高产品的易拆解和装配性，并减少产品的破损率，提高产品的拆卸和装配效率。
　　2．有助于提升产品的易分类性
　　同一部机器上往往有钢、铁、铝、铜、塑料、木材等不同的材料，它们的表面常常有油漆覆盖，不易区分，应加强标识，便于拆卸和分类存放。同一材质、不同形状和尺寸的零部件，由于加工方式或使用机床的不同，也要进行标识和分类，提高总的再制造效率。
　　采用绿色模块化设计有助于大量减少零部件的数量和种类，使拆解后的零部件更易于分类和识别，将使再制造生产加工时间大为缩短。
　　3．能显著提升产品的易修复性和升级性
　　再制造工程包括再制造加工和过时产品的性能升级。前者主要针对报废的产品，把有剩余寿命的废旧零部件作为再制造毛坯，采用表面工程等先进技术使其性能恢复，甚至超过新品。后者对过时的产品通过技术改造改善产品的技术性能，使原产品能跟上时代的要求。所以，对原制造品进行修复和技术升级是再制造过程中的一个重要部分。
　　实施绿色模块化设计，可以采用易于替换的标准化零部件和可以改造的产品结构并预留模块接口，以备升级之需，在必要时即可通过模块替换或增加模块实现产品修复或升级，减少拆解中的破损，增强再制造加工和产品升级改造的效率。
　　三、面向再制造的绿色模块化设计的具体实现步骤
　　在进行产品的再制造性设计时要兼顾产品材料的合理性、易运输装卸性、易拆解和装配性、易于分类性、易清洗性、易修复和升级性。面向再制造的绿色模块化设计方法将绿色设计和模块化设计进行了有机结合，其具体实现步骤归纳如下：
　　1．进行用户需求分析
　　面向再制造的绿色模块化设计活动首先从分析用户对产品的需求开始。在调查、了解用户对产品的功能、使用寿命、价格、需求量、升级性能等具体要求后，考虑该产品采用绿色模块化设计的可行性。如果经过分析，在满足环境属性的前提下用户对该产品的要求均可满足，则该产品的绿色模块化设计的可行性获得通过，面向再制造的绿色模块化设计活动可以进入下一环节。
　　2．选取合理的产品参数定义范围
　　面向再制造的绿色模块化设计活动的第二步，是选取合理的产品参数定义范围。通常，产品参数分为三类，即动力参数、运动参数和尺寸参数。合理地选取产品的参数定义范围十分重要。如果参数定义范围过高，将造成能源和资源等的浪费，有悖于绿色模块化设计的思想；如果参数定义范围过低，又满足不了客户的要求。通常的做法是先定义主参数，然后在参数满足用户需求的基础上实现尽可能高的绿色化和模块化。
　　3．确定合理的产品系列型谱
　　面向再制造的绿色模块化设计活动的第三步，是系列型谱的制定，即合理确定绿色模块化设计的产品种类和规格型号。型谱过大过小都不好。如果型谱过大，则产品规格众多，市场适应能力强，环境属性好，模块通用程度高，但工作量也相应增大，人力资源能耗大，成本上升，总体来说效果并不好；反之，则又会走向另一个极端，效果也不好。因此，产品系列型谱的制定至关重要。
　　4．产品的模块划分与选择
　　面向再制造的绿色模块化设计活动的第四步，是产品模块的划分与选择，这是模块化方法最重要的内容。通常根据产品的功能，将其分为基本功能、次要功能、特殊功能和适应功能等，然后划分相应的模块。模块的划分使得产品的设计过程思路清晰，并有利于产品报废退役后的零部件回收、重新利用或升级换代。
　　5．绿色模块的组合
　　面向再制造的绿色模块化设计活动的第五步，是模块的组合。划分完模块后，将这些模块按照直接组合、集装式组合或改装后组合等方法组合成系统。组合时要考虑今后的易拆解性、不易损坏性及产品的节能省时等环境友好性特征。
　　6．对设计好的产品进行分析校验
　　面向再制造的绿色模块化设计活动的第六步，是用机械零件设计软件包、优化设计软件包、有限元软件包等现代设计工具对设计好的产品进行分析、计算和校验。如果分析校验不合要求，就要回到模块选择上进行修改、完善，重新整合模块，直至产品符合要求。
　　7．产品设计的绿色度与模块度指标评价
　　面向再制造的绿色模块化设计活动的最后步骤，是采用层次分析法（AHP）及模糊综合评价法等数学工具对产品再制造设计的绿色度和模块度指标进行计算及评价，再根据计算结果对产品的有关参数加以调整或进行重新设计。
　　收稿日期：2011-07-22
　　作者简介：吴小艳（1972-），女，湖北云梦人，副教授，硕士，从事企业管理与市场营销研究。
　　参考文献：
　　[1] 朱胜， 姚巨坤. 再制造设计理论及应用[M].北京：机械工业出版社，2009.
　　[2] 苏和平，等. 绿色产品及绿色设计[J].哲里木畜牧学院学报， 2000，（2）：75.
　　[3] Ijomah W L， et al. Development of design for remanufacturing guidelines to support sustainable manufacturing[J]. Robotics & Computer Integrated Manufacturing， 2007，23（6）：712－719.
　　Research on the remanufacturing products green modularization design
　　WU Xiao-yan
　　(Management college,Wuhan science and technology university,Wuhan 430070,China)
　　Abstract: Each remake to build the business enterprise greatly to know in the fulfillment, if the design stage of the as early as new product consider after product uses the period expires of recovery and remake the request for build, can show the performance and the efficiency that an exaltation of remakes to build.The opposite turns the design toward the product the green mold piece that remake to build and in fact carried on the research, the green mold piece advantage that turns the design that inquiry in to face to remake to build, put forward to face to remake to build of product the green mold piece turn to design concrete to carry out the step.
　　Key words:remanufacturing;product remanufacturing ;green modularization design
　　[责任编辑李 可]

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