绿色、低碳制造
2021-11-17 来源： 智造苑
在设计过程的所有阶段，可持续性都可以被纳入到设计中，并且已经开发和应用了许多支持这种设计的工具。随着现代社会环境问题日益突出，自然或社会科学都对制造业提出了环保要求，绿色、低碳制造应运而生，减少了对环境的影响，提高了资源利用率。
「 1. 绿色设计 」
1）绿色设计的概念
绿色设计也被称为生态设计、环境设计等。虽然名称不同，但内涵是一样的。基本思路是将环境属性作为设计目标而不是约束的产品设计理念。它的目标是在不损害项目的性能、质量、功能和使用寿命的情况下兼顾这些属性。在设计阶段考虑环境因素以减少其对环境的影响。对于工业设计来说，绿色设计的核心是“3R”（reduce，recycle，reuse）。不仅要减少材料和能源的消耗，减少有害物质的排放，还要使产品和零件易于分类、回收和再循环利用。
2）绿色设计的方法
（1）生态设计：是生态学思想在产品设计中的具体应用，考虑产品的性能、质量和成本以及产品更新对环境的影响。同时，“模块化”是西方现代工业设计中的一个重要思想。模块化产品设计具有低故障率、易于维护以及易于产品功能和样式升级的特点。
（2）可持续性设计：是一个涉及面广泛的设计方。例如，如何确保产品的功能，减轻整个地球的负担；如何延长产品的使用寿命；如何回收和使用可回收材料等。在绿色设计理念中，一个重要的原则是减削、循环、再开发。
（3）绿色设计的发展趋势：可持续性已成为21世纪研究的一个组成部分。主要原因在于：快速的城市化和人口增长；每年向垃圾填埋场倾倒的大量垃圾；化石燃料、矿物和水等自然资源的全球稀缺；基础设施的激增；二氧化碳(CO2)大量排放；气候变化。可持续研究预示着社会向一个更平衡的世界发展，在这个世界中，自然系统可持续性的承载能力是当前人类面临的主要挑战之一。
「 2. 产品生命周期设计 」
1）产品生命周期设计的概念
全生命周期设计的概念源于并行工程的思想，它考虑了从产品概念设计到详细设计过程的所有阶段，包括需求识别、产品设计、生产、运输、使用、回收等。全生命周期设计是针对产品生命周期的整个过程而设计的。从市场需求识别开始就要考虑产品生命周期的各个方面，以确保缩短新产品上市时间，提高产品质量，降低成本，提高服务质量，增强环保意识，实现可持续发展。由于产品生命周期各个阶段都与环境发生物质能源输入输出关系，因此产品环境性能体现在它整个生命周期中。
2）产品生命周期设计的方法
（1）为制造而设计 (design for manufacturing，DFM)：是为了以更低的成本制造更好的产品为最终目标而设计易于制造的零部件或产品的过程，通过简化、优化和细化产品设计来实现这这个过程。在DFM过程中，将坚守五个原则，分别是过程、设计、材料、环境、测试。
（2） 基于QFD（quality function deployment）的绿色设计方法：QFD作为因果分析的一种形式，质量是衡量顾客对产品或服务满意程度的标准。QFD是一种结构化的方法，它使用七种管理和规划工具来快速有效地识别和优先考虑客户的期望。从最初的矩阵开始，通常称为质量屋，QFD方法关注最重要的产品或服务属性或质量。这些是由客户的偏好和需求组成的。
3）产品生命周期设计的关键技术
（1）产品的寿命周期的预测：产品的寿命与产品的生命周期不同。产品寿命是从产品投入使用到不再使用的一段时间。它只是产品生命周期闭环的一部分。产品的可靠性、可维护性、组件和材料的重复使用以及回收利用取决于其使用寿命，因此在整个生命周期设计过程中预测产品的使用寿命至关重要。目前，预测产品寿命的方法主要包括基于疲劳力学的安全寿命方法和基于断裂力学的损伤容限及耐久性方法。
（2）产品全生命周期集成模型的建立：传统的产品设计流程具有连续性特征，即下一环节的实施必须在上一环节结束后才能进行，并且各环节之间联系不紧密，导致产品研发周期长和研发成本高，而全生命周期设计恰恰克服了以上缺点。全生命周期设计的主要问题是考虑产品生命周期内的多个指标，进而建立完整的产品模型。产品生命周期模型由主模型、流程模型和信息模型组成。主模型是产品模型的核心，它包括所有应用领域的共同信息，如设计、分析和制造。该信息来自每个CAX系统，包括几何信息、形状特征信息、可变尺寸、拓扑关系、装配、尺寸和形状公差、表面粗糙度、加工参数、模拟分析结果、CNC加工路径、工艺信息等。
4）产品生命周期评估及其在绿色设计中的应用
生命周期评估（life cycle assessment，LCA）是一种对环境相互作用的全面评估，涉及一系列活动，包括从资源的开采到生产、分配和使用，再到处理和回收。LCA是一种相对而不是绝对工具，因此有助于决策者在选择不同的行动方针时比较所有主要的环境影响。LCA的应用有助于促进产品和工艺的可持续设计和重新设计，从而减少总体环境影响，减少不可再生或有毒材料的使用和释放。LCA研究确定了产品生命周期中可能造成最大影响的关键材料和过程，包括资源需求和人类健康影响。这些评估描述了产品或过程的全部收益和成本，这允许决策者选择最有效的解决方案。虽然LCA是一种工具，可以向决策者提供信息，但也应该考虑其他决策标准，例如成本和性能，以便做出平衡良好的决策。
「 3. 绿色制造 」
1）绿色制造的概念
绿色制造是三个重要问题领域的交叉，即环境保护问题、资源优化利用问题和制造问题的交集。
绿色制造是指更新生产流程，在制造领域内建立环保作业。从本质上讲，它是制造业的“绿化”，即工人使用更少的自然资源，减少污染和废物，回收和再利用材料，并在其过程中适度排放。通过绿色制造可以提高能源效率，减少和消除污染，减少温室气体，实现循环利用。绿色制造不仅有利于环境，而且越来越多的企业发现，注重回收利用和减少废物可以使他们的企业整体受益。
2）绿色制造的特点
（1）经济性；
（2）系统性；
（3）保持适合性；
（4）突出预防性。
3）绿色制造的主要内容
（1）绿色设计：是绿色制造的重要组成部分。良好的绿色设计是绿色产品成功的关键第一步。过去，传统设计通常只考虑产品的功能、质量、寿命和成本，很少考虑环境因素，这不利于环境的保护，也不符合可持续发展的要求。而绿色设计优先考虑环境，它必须符合可持续发展的要求，包括节能设计以及可回收性设计和可拆卸性设计。
（2）绿色材料：指在生产、加工、使用和废弃后对环境不利影响几乎没有或很少，且能够重复使用，包括那些对人类和环境有危害，但是通过净化等措施就可以减少危害的材料及制成品。
（3）绿色工艺：这是一个包罗万象的术语。它涉及利用科学技术来保护环境。这项工艺被用来将生命重新注入受损的生态系统。其主要目的是保护自然，弥补人类对自然的负面影响。绿色工艺的使用一方面要加强对原材料的再利用，提高原材料的利用率；另一方面要改变原材料的加工流程，减少材料浪费、减少危险替代品的使用，减少能源的消耗，并减少对环境的负面影响。
（4）绿色包装：是从环境保护的角度优化产品包装解决方案，使资源消耗和废弃物排放量最小化。目前，该领域的技术研究非常广泛，但可大致分为三个方面：包装材料、包装结构和包装废弃物回收。
（5）回收利用：当前人们越来越重视产品的回收再利用，使得从产品的设计到回收形成闭环。同时产品的制造理念也得以改变，即从产品设计开始便考虑产品的回收问题。一方面，这种做法减少了废弃产品对环境的污染；另一方面，拆卸后，零件或材料可以重复使用，这可以节省大量原材料，避免不必要的浪费。产品回收的基本原则是根据的产品的使用价值分类回收，即使用价值越大越需要回收，同时对于不能回收的产品要加以处理。
4）绿色制造相关技术
（1）纳米技术：是一门在科学技术产业中流行多年的学科。所谓的纳米技术是微加工技术的极限，即通过纳米精度“加工”，人工形成纳米尺寸结构的技术。现在，随着技术的不断进步，纳米技术正在加快步伐，并引起了很多人的关注。工程师们正在研究如何使它有益于环境。这被称为“绿色纳米技术”，因为它可以确保工艺和产品的环保性。
（2）干式加工：主要应用领域是加工行业，如切削和磨削。顾名思义，干式加工是一种在加工过程中不使用任何冷却剂的过程。干式加工简化了工艺，降低了成本，并消除了诸如废气排放和回收等冷却剂带来的一系列问题。干式加工的原理就是快速加热工件，当工件的被加热到一定程度时，其强度就会变低，这样就可以选择合适的加工工具对其进行处理。
（3）热加工工艺模拟技术：是一种应用模拟仿真、试验测试等手段，在模拟环境中模拟材料加工过程，显示过程中材料的形状、大小、内部组织和缺陷的演变，预测其组织性能和质量，以达到优化工艺流程设计的新技术。采用工艺模拟技术将数值模拟、物理模拟和专家系统相结合，可以确定最佳工艺参数、优化工艺方案，预测加工过程中可能产生的缺陷并实施预防和改进措施，从而能有效控制和保证加工工件的质量。
（4）基于网络的敏捷制造：简称AM，集成了柔性生产技术和管理的生产管理系统，能够快速响应迅速变化和不可预测的市场需求和时机。其特点是：将客户、企业和供应商紧密相连，进而缩短产品研发周期，降低产品研发成本。同时利用虚拟制造技术和网络制造技术，可以实现网络化协同制造。
（5）近净成形技术：指零件成型后无需再加工或者只需要很少的加工。近净成形制造技术包括铸造、焊接、塑性加工等，它们从接近部件的形状转向直接形成工件，即精密成形或近净成形。通过使用近净成形技术可以减少原材料的使用量并减少对环境的负面影响，近净成形通常与近无缺陷成形技术结合使用以进行批量生产。
5）绿色制造的发展趋势
（1）集成化，即绿色制造将更加注重系统技术和集成技术的研究；
（2）并行化，即绿色并行工程将有可能成为绿色产品开发的有效模式；
（3）产业化，即绿色制造的实施将导致一批新兴产业的形成；
（4）智能化，即智能制造技术和人工智能将在绿色制造研究中发挥重要作用；
（5）社会化，即绿色制造的社会支撑系统需要形成；
（6）全球化，即绿色制造的研究和应用将愈加体现全球化的特征和趋势。
7）绿色制造与可持续发展
可持续性现在是并将成为当代和后代的关键问题。目前的假设是自然资源是无限的，环境的再生能力能够弥补所有人类行为，但这假设已经不再被接受。从经济、政治、社会和环境的角度来看，可持续性问题将影响人类生活的所有组织方面。尤其是制造业，虽然其提供对支持人类生活质量至关重要的商品和服务，也为世界经济做出了重大贡献，但是我们不能忽视制造业对环境的巨大影响。原材料和能源消耗是第一个重要因素。例如，在欧洲，制造业中能源消耗的大部分是由于使用电能和石油。对于制造业而言，绿色制造是从传统制造模式向可持续发展模式的转变，即从高投入、高消耗、高污染的广泛发展模式到集约化发展模式——提高生产效率和最大化利用资源和以及减少废物的产生。这种发展模式需要通过绿色制造技术来实现。可以有效地节约资源，改变传统的制造模式。简而言之，绿色制造追求以人为本，强调环境、功能和经济产品的统一，是制造业实施可持续发展战略的有效途径。
「 4. 低碳制造 」
1）低碳制造的概念
低碳制造可以描述为在制造过程中排放低强度二氧化碳。当前，国内还未对低碳制造的概念、内涵等进行深入的分析，主要研究还集中于绿色制造(green manufacturing)、环境友好制造(environmentally benign manufacturing)、可持续制造(sustainable manufacturing)等领域。低碳制造不同于绿色制造、环保制造和可持续制造的概念，低碳制造主要是减少整个生命周期的碳排放。而新兴的绿色制造、可持续制造的概念都是以低碳制造为基础来讨论制造过程对环境的影响问题。同时，低碳制造还要考虑能源利用率，更偏重从能源角度评价生产制造，更主要生产和制造过程中的碳排量和能源利用率。
2）低碳制造的特征
（1）低排放；
（2）能源利用率高；
（3）高产出。
3）低碳制造的内容
低碳加工可以描述为从系统资源和生产过程中释放低浓度二氧化碳的过程。其架构包括三个方面：低碳设计、低碳生产和低碳发展。
（1）产品设计：通常情况下，产品设计的目标是在确保产品正常使用的情况下使得产品成本最小或者收益最大。但是随着人们对环境和资源意识的提高，人们设计产品时还应该尽力满足“低碳”要求。因此，分析产品设计并考虑环境等因素对于实现环境保护具有重要意义。面向低碳制造的机械产品的设计主要包括以下设计方法：轻量化设计；生态化设计；模块化设计。
（2）生产过程：包括生产设备、加工工艺、生产管理。
（3）低碳资源发展：指使用产生较少温室气体的能源，例如二氧化碳。或者化石燃料，例如煤，石油和天然气，它们通常被称为高碳能源和传统能源，因为它们每单位能源产生的二氧化碳比其他能源多得多。相应地，风能，太阳能，氢能，核聚变能，潮汐能，波浪能，生物质能和地热能统称为低碳能。开发低碳能源的主要方式是：①在集约式、分布式能源市场上分别推进低碳能源；②在交通、建筑两大消耗领域重点加强低碳能源利用；③突破、优化、尽最大可能利用生物质能源；④方位推进新能源利用。
4）低碳制造的发展趋势
（1）定量化——形成更为有效的制造业碳排放的量化方法；
（2）综合化——针对碳排放多源特征；
（3）集成化——面向全生命周期碳排放数据设计集成；
（4）标准化——形成基于自主技术和产品的低碳制造标准体系；
（5）产业化——低碳制造将加速产业升级并导致一系列新兴产业的兴起。
5）低碳制造与可持续发展
可持续发展不仅是中国的趋势，也是全球的趋势。例如，在中国以外的越南和印度尼西亚(服装等行业)出现了一批创新型可持续制造商。为了在全球经济中保持竞争力，中国需要继续这种演变，以保持其对全球零售商和品牌的价值定位。政府提出的措施只是在2017年开展环境检查的基础上进行，今后还将在更大范围内加快对可持续发展的投资。无论是内涵还是外延，低碳制造与可持续发展之间都存在着必然的联系。可持续发展是指在不损害后代满足其需求的能力的情况下满足现代人的需求。它促进了经济、社会、资源和环境保护的协调发展。低碳制造与可持续发展是一个不可分割的整体，不仅要实现经济发展的目标，也要保护人类赖以生存的自然资源和环境。从低碳概念的引入到低碳制造业的兴起，无论是低碳经还是低碳社会，这都离不开可持续发展概念的支撑，低碳制造业服务于可持续发展，低碳制造是实现可持续发展的方法和手段，也是可持续发展的必然途径。低碳制造是中国制造业转型的重要发展方向和核心趋势。随着“中国制造2025”和“一带一路”建设的推进，随着全球环境和经济力量的推动，中国制造业将发生重大转变，成为低碳制造和可持续产业的潜在领导者。
引编自：《未来制造新模式——理论、模式及实践》（作者：江志斌，林文进，王康周，李乐飞，涂金）
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