大连交通大学学报

大连交通大学现代设计理论与方法

浅析机械制造中的绿色设计

王彦昌

（大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连112061）

摘要：随着人们长期对自然界资源的无限度开发利用，人们如今面临着资源短缺、气候变暖等一系列的危胁。保护环境，节约资源逐渐为各界人士所重视。机械制造业承担着生产、生活资料工加工重任，为了最大限度的实现可持续发展，绿色设计、绿色制造、新能源等糅合了环境因素的现在制造技术正被人们所提倡。

关键词：绿色设计

0 引言

绿色设计制造是综合运用生物技术、“绿色化学”、信息技术和环境科学等方面的成果，使制造过程中没有或极少产生废料和污染物的工艺或制造系统的综合集成生态型制造技术。绿色制造模式是实现制造业可持续长远发展的制造模式。 日趋严格的环境与资源约束，使绿色制造显得越来越重要。发达国家的经验表明，解决生态与环境问题必须依靠全社会和各行各业的广泛参与和投入，“为环境而设计”、“环境友好产业和产品”、“绿色制造”、“绿色化学”等都是近年来先进工业国家进行的卓有成效的实践。绿色制造已成为制造业未来的重要发展方向。

绿色制造技术是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。它使产品从设计、制造、使用到报废整个产品生命周期中不产生环境污染或环境污染最小化，符合环境保护要求，对生态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最低。

传统的制造模式是一个开环系统，即原料－工业生产－产品使用－报废－二次原料资源，从设计、制造、使用一直到产品报废回收整个寿命周期对环境影响最小，资源效率最高，也就是说要在产品整个生命周期内，以系统集成的观点考虑产品环境属性，改变了原来末端处理的环境保护办法，对环境保护从源头抓起，并考虑产品的基本属性，使产品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、质量等。

1 绿色设计的国内外发展现状

2011年，绿色节能引起了全社会的共同关注，生存的环境日益恶化，可利用的资源日趋枯竭，经济的进一步发展受到严重制约，这些问题甚至直接影响到人类文明的繁衍，令人们再也无法忽视现状。制造业企业不断消耗自然资源，不断开发新产品，淘汰旧产品，产生大量废弃物，从而污染环境。为此人们必须改变传统的生产模式，实行可持续发展模式，即合理地利用资源，最大限度地减少对环境的破坏和污染，使人类生存和环境协调地发展。相关的法规也开始逐步被制订出来，2006年7月1日，欧盟《电气、电子设备中限制使用某些有害物质》(RoHS)指令正式生效，这将对全球的电子制造厂商进行约束。

目前，国外不少国家的政府部门推出了以保护环境为主题的“绿色计划”。首先加拿大政府已开始实施环境保护“绿色计划’’。美国、英国、德国也推出类似计划。在一些发达国家，除政府采取一系列环境保护措施外，广大消费者已出现热衷于购买环境无害产品的绿色消费的新动向，促进了绿色制造的发展。 大连交通大学现代设计理论与方法

2 凡产品标有“绿色标志"图形的，表明该产品从生产到使用以及回收的整个过程都符合环境保护的要求，对生态环境无害或危害极小，并利于资源的再生和回收。国际经济专家分析认为，在未来10年内绿色产品有可能成为世界商品市场的主导产品。不少著名企业都将绿色产品作为未来竞争的重要筹码，不惜投入大量财力、人力、物力进行研究。

清华大学为创建绿色大学，已将绿色工程技术列为优先发展和支持项目，在美国“China

Bridge"基金和国家自然科学基金会的支持下，己与美国“Texas Tech University"先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究，取得一定进展。

上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，与Ford公司合作，研究中国轿车的回收工程问题；与内贸部中国物资再生利用华东分公司合作，撰写了“探讨中国汽车销售、维修、二手车交易及回收利用一条龙管理模式的可行性报告’’；与德国最大的工业大学—柏林工业大学机床和生产管理研究所建立了合作关系，在废弃工业品回收方面展开了研究工作。

2008年1月中国机械工程学会等在海口召开了中国绿色制造新年论坛，会议主题为“推广绿色制造，实现节能减排，突破绿色壁垒"。

由此可见，国内对绿色设计、绿色制造逐渐重视起来。从总体研究现状来看，与国外还有较大差距。济南复强动力和上海大众动力公司等十四家企业开展了汽车发动机的再制造试点工作，企业对产品绿色设计的研究尚没有深入开展。

2绿色制造的支撑技术

(1) 绿色制造的数据库和知识库 研究绿色制造的数据库和知识库，为绿色设计、绿色材料选择、绿色工艺规划和回收处理方 案设计提供数据支撑和知识支撑。

绿色设计的目标就是如何将环境需求与其它需求有机地结合在一起。比较理想的方法是将CA D和环境信息集成起来，以便设计人员在设计过程中，像在传统设计中获得有关技术信息与 成本信息一样，能够获得所有有关的环境数据，这是绿色设计的前提条件。只有这样设计人 员 才能根据环境需求设计开发产品，获取设计决策所造成的环境影响的具体情况，并可将设计 结果与给定的需求比较对设计方案进行评价。由此可见，为了满足绿色设计需求，必须建立 相应的绿色设计数据库与知识库，并对其进行管理和维护。

(2) 制造系统环境影响评估系统 环境影响评估系统要对产品生命周期中的资源消耗和环境影响的情况进行评估，评估的主要 内容如下：制造过程物料的消耗状况、制造过程能源的消耗状况、制造过程对环境的污染状 况、产品使用过程对环境的污染状况、产品寿命终结后对环境的污染状况等。

制造系统中资源种类繁多，消耗情况复杂，因而制造过程对环境的污染状况多样、程度不一 、极其复杂。如何测算和评估这些状况，如何评估绿色制造实施的状况和程度是一个十分复 杂的问题。

因此，研究绿色制造的评估体系和评估系统是当前绿色制造研究和实施急需解决的问题 。当然此问题涉及面广，又非常复杂，有待于作专门的系统研究。

(3) 绿色ERP管理模式和绿色供应链 在绿色制造的企业中，企业的经营和生产管理必须考虑资源消耗和环境影响及其相应的资源 成本和环境处理成本，以提高企业的经济效益和环境效益。其中，面向绿色制造的整个（多 个）产品生命周期的绿色MRP II/ERP管理模式及其绿色供应链是重要研究内容。

(4) 绿色制造的实施工具和产品 研究绿色制造的支撑软件，包括计算机辅助绿色设计、绿色工艺规划系统、绿色制造的决策 支持系统，ISO14000国际认证的支撑系统等。

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3 3 绿色设计制造的应用

4 快速成型技术的发展趋势

4.1社会化--绿色制造的社会支撑系统需要形成

绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与，以建立绿色制造所必需的社会支撑系统。绿色制造涉及的社会支撑系统首先是立法和行政规定问题。当前，这方面的法律和行政规定 对绿色制造行为还不能形成有力的支持，对相反行为的惩罚力度不够。立法问题现在已愈来 愈受到各个国家的重视。其次，政府可制定经济政策，用市场经济的机制对绿色制造实施导向，例如，制定有效的资 源价格政策，利用经济手段对不可再生资源和虽可再生资源但开采后会对环境产生影响的资 源（如树木）严加控制，使得企业和人们不得不尽可能减少直接使用这类资源，转而寻求开 发替代资源。又如，城市的汽车废气污染是一个十分严重的问题，政府可以对每辆汽车年检 时，测定废气排放水平，收取高额的污染废气排放费。这样，废气排放量大的汽车自然没有 销路，市场机制将迫使汽车制造厂生产绿色汽车。企业要真正有效地实施绿色制造，必须考虑产品寿命终结后的处理，这就可能导致企业、产 品、用户三者之间的新型集成关系的形成，例如，有人就建议，需要回收处理的主要产品， 如汽车、冰箱、空调、电视机等，用户只买了使用权，而企业拥有所有权，有责任进行产品 报废后的回收处理。

无论是绿色制造涉及的立法和行政规定以及需要制定的经济政策，还是绿色制造所需要建立 的企业、产品、用户三者之间新型的集成关系，均是十分复杂的问题，其中又包含大量的相 关技术问题，均有待于深入研究，以形成绿色制造所需要的社会支撑系统。

4.2集成化--将更加注重系统技术和集成技术的研究

要真正有效地实施绿色制造，必须从系统的角度和集成的角度来考虑和研究绿色制造中 的有关问题。

当前，绿色制造的集成功能目标体系、产品和工艺设计与材料选择系统的集成、用户需求与 产品使用的集成、绿色制造的问题领域集成、绿色制造系统中的信息集成、绿色制造的过程 集成等集成技术的研究将成为绿色制造的重要研究内容。

绿色制造集成化的另一个方面是绿色制造的实施需要一个集成化的制造系统来进行。为此， 文献［11］提出了绿色集成制造系统的概念，并建立了一种绿色集成制造系统的体系框架 ：该系统包括管理信息系统、绿色设计系统、制造过程系统、质量保证系统、物能资源系统 、环境影响评估系统6个功能分系统，以及计算机通讯网络系统和数据库/知识库系统等2个 支持分系统以及与外部的联系。

绿色集成制造技术和绿色集成制造系统将可能成为今后绿色制造研究的热点。

4.3并行化--绿色并行工程将可能成为绿色产品开发的有效模式

绿色设计今后仍将是绿色制造中的关键技术。绿色设计今后的一个重要趋势就是与并行工程 的的结合，从而形成一种新的产品设计和开发模式--绿色并行工程。

绿色并行工程又称为绿色并行设计，是现代绿色产品设计和开发的新模式。它是一个系统方 法，以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程，力求使产品开发人员在设计一开 始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，包括质量、成本、 进度计划、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。

绿色并行工程涉及一系列关键技术，包括绿色并行工程的协同组织模式、协同支撑平台、绿 色设计 大连交通大学现代设计理论与方法

4 的数据库和知识库、设计过程的评价技术和方法、绿色并行设计的决策支持系统等。 许多技术有待于今后的深入研究。

4.4智能化--人工智能和智能制造技术将在绿色制造研究中发挥重要作用

绿色制造的决策目标体系是现有制造系统TQCS（即产品上市时间T、产品质量Q、产品成本C 和为用户提供的服务S）目标体系与环境影响E和资源消耗R的集成，即形成了TQCSRE的决策 目标体系［17］。要优化这些目标，是一个难于用一般数学方法处理的十分复杂的 多目标优化问题，需要用人工智能方法来支撑处理。另外，绿色产品评估指标体系及评估专 家系统，均需要人工智能和智能制造技术。

基于知识系统、模糊系统和神经网络等的人工智能技术将在绿色制造研究开发中起到重要作 用，如在制造过程中应用专家系统识别和量化产品设计、材料消耗和废弃物产生之间的关系 ；运用这些关系来比较产品的设计和制造对环境的影响；使用基于知识的原则来选择实用的 材料等。