绿色产品设计及其关键技术

《机械设计与研究》1997 No. 4
拆卸。因此, 产品的拆卸是产品回收再生的前提, 直接影响产 品的可回收再生性, 面向拆卸的设计 (D FD , D esign Fo r D is2 assem b ly) 设计思想和方法也就应运而生。
面向拆卸的设计是绿色产品设计中研究比较早而且比 较系统的一种方法, 并且已在汽车、计算机、复印机等产品中 得到应用, 由于产品种类千差万别, 具体的产品必须采用具 体的方法去解决, 这里从五个方面介绍面向拆卸的设计的一 些基本原则:
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《机械设计与研究》1997 No. 4
绿色产品及其评价系统框架3
合肥工业大学 (230009) 刘光复 刘志峰
摘要 本文介绍了绿色产品及其特征, 从系统的观点提 出了绿色产品的评价体系框架, 并讨论了评价模型及其评价 方法。
关键词 绿色产品 评价方法 产品设计
一、概 述
目前, 工业发达国家在产品设计时努力追求小型化 (少 用料)、多功能 (一物多用、少占地)、可回收利用 (减少废弃物 的数量和污染) , 生产技术上努力追求节能、省料、无废少废、 回收重用, 这些都是实现绿色产品的有效手段 (本文所讨论 的绿色产品主要是指绿色工业产品)。近几年, 绿色产品无论 在数量还是在种类上都得到了迅猛发展, 已逐渐成为消费市 场上的主导产品。越来越多的事实表明[1]: 谁拥有绿色产品,
1. 面向再生的设计方法 减少环境污染和节省自然资源是绿色产品设计的根本 目标, 合理的再生方法会产生巨大的经济和社会效益。然而, 目前废弃产品再生的再生率并不理想, 以汽车为例, 目前全 球的平均再生率在 75% 到 80% 左右, 大大低于其应达到的 目标, 造成再生困难的原因一是缺少更有效的再生技术, 另 一个主要的原因就是产品的设计没有考虑其废弃后的回收 和再生, 比如产品很难拆卸和分类, 在产品废弃时很难找到
四、结论与展望
绿色产品设计作为一种新的设计方法学不仅在西方发 达工业国家得到广泛的认可和重视, 在亚洲的日本和韩国的 学术界和企业界也以开展了相关的研究。绿色产品设计带动 了产品生命周期内各个阶段对自然环境的关注, 形成了以绿 色产品设计为龙头的绿色产品工程 (L CE, L ife Cycle Engin2 neering)。 然而绿色产品设计毕竟才刚刚起步, 其要走的路 还很长, 学术界和企业界应该通力合作, 在以下几个方面作 出更大的努力:
关键字 绿色产品设计 并行工程 再生
一、环境污染对产品设计的挑战
世界范围内的环境污染正在不断地威胁人类的生存环 境, 当广播、电视、报纸等各种传媒向人们展示着品种繁多、 不断更新而又新奇百态的商品时, 许多发达的工业国家却正 关注着商品社会中两个引人忧虑的怪圈: 一个是商品的生产 循环, 生产厂家以创造流行为成功目标, 新产品层出不穷; 另 一个是商品的消费循环, 消费者跟着流行走, 以为流行的就 是需要的, 产品的使用寿命越来越短, 不是其原有功能丧失, 而是被更新、更流行的所替代。 这种背景下的经济增长是粗 放型的, 它严重影响地球的生存环境, 主要表现在:
使用材料的资料, 不同材料构成的难拆组件不宜分离等。 如 果能够在设计时就同时考虑回收和再生, 那么就可以大大提 高废弃产品的再生率, 这样就产生了面向再生 (D FR , D esign Fo r R ecycling) 的设计方法。
这里, 我们把再生定义为在新的产品中利用使用过的或 废弃的产品的零部件和材料, 这个定义的突出特点是明确指 出了再生的目的, 那就是最有效地在新产品中使用再生后的 零部件和材料。 产品的再生形式是多样化的, 对于同一种产 品可以有多种再生的形式, 表中所列是以废弃的汽车这一特 定的产品为例解释再生的形式。
附表 汽车的再生形式
再生形式 再生深度 再生前产品
再生后产品
同化再使用 部件
发动机 作为维修用的发动机
零件
点火器 作为配件出售的点火器
异化再使用 配件 汽车音响
改装为家用音响
零件
蓄电池
照明用蓄电池
同化再利用 异化再利用
材料 材料
车身 车身
用车身材料再生造车身 用车身材料再生造机床
零件
依照产品再生的形式, 面向再生的设计策略主要有两方 面:
二、绿色产品设计的基本概念
环境的挑战已迫使在产品设计的过程中作出适当的反 应, 很多汽车和电子产品的国际著名企业已开始在其产品的 设计中体现这一新思想。 同时, 如何在设计中考虑与环境的 影响已成为近年来学术研究的热点, 目前研究方向已集中在 面向产品生命周期的设计 (L CD , L ife Cycle D esign) 这一领 域, 为了易于国内企业界和公众接受, 我们把其称作绿色产 品设计。
《机械设计与研究》1997 No. 4
绿色产品设计及其关键技术
北京航空航天大学 (100083) 于 军 上 海 交 通 大 学 (200030) 蔡建国
摘要 随着环境问题的日益严重, 绿色产品设计的思想 也日益受到重视, 本文通过对其研究背景的深入分析, 完整 地给出了绿色产品设计的定义, 论述了面向再生的设计、面 向拆卸的设计和面向生命周期的评估这三大关键技术。
(1) 零部件的再使用 ①零部件的拆卸应尽可能不损坏原有的功能, 并且使拆 卸过程尽可能的方便; ②尽可能地选取可整新 (经工艺处理, 功能和使用寿命 与同类新零件相同) 的零件; ③采用系列化、模块化的产品设计; ④考虑零件的异化再使用方法, 为其在全社会范围内寻 找再使用的途径。 (2) 材料的再利用 ①限制材料的种类数, 特别是塑料。 材料种类的缩减可 以增加同种类材料的使用量, 这不仅便于在回收过程中分拣 出更多的纯材料, 同时也可使材料的购买价格降低; ②考虑材料的兼容性, 当在一个产品中选择某种零部件 的材料时, 满足功能要求的材料可以有多种类型, 比如工程 塑料, 如果选择彼此兼容的材料, 即使不同材料构成的零件 被连接在一起无法拆卸, 它们也可以一起被再生; ③尽可能使用再生材料, 在选择产品零部件的材料时应 该选择再生材料, 这样整个社会就会形成一个有效使用资源 的良性循环。 2. 面向拆卸的设计方法 在产品设计时, 一般只关注零部件的装配性, 而很少考 虑产品的拆卸性, 特别是这两个方面往往会产生矛盾。然而, 如果废弃产品的零部件经过维修或其它处理方法后可以被 再使用, 那么这些零部件必须首先能够并且方便的拆卸; 如 果废弃产品的材料经过采用一定的再生技术可以被再利用, 那么由这些材料构成的零部件也必须首先能够并且方便的
(1) 减少拆卸的工作量 ①明确应该被拆卸的零部件, 比如可重用的零部件、具 有材料回收价值的零部件; ②功能集成, 把由多个零件完成的功能集中到一个零件 上, 减少零件数; ③便于接近, 应该拆卸的零部件应该设计得易于接近, 减少拆卸不必要拆卸的零件。 (2) 可预测的产品构造 ①避免相互影响的材料组合, 有些材料间的接触会加速 零件的老化和腐蚀; ②避免零件的污损。 (3) 易于拆卸 ①易于接近排放口, 当装配件盛有液体时, 其排放口应 易于接近; ②选择适当的坚固定方法, 不同零件间的紧定方法应选 择易于拆卸的; ③减少固定原件的数目, 装配件间固定数目越少, 在拆 卸时需要的操作也减少; ④拆卸操作的运动方式应尽量简化; ⑤拆卸件应提供易于抓取的表面以方便人和机器人的 工作; ⑥安全拆卸, 对于有毒液体应全面密封防止拆卸过程中 对人造成伤害。 (4) 易于分离 ①避免辅助操作, 如喷漆在原有的材料上增加其它的材 料, 在再生过程中很难分离; ②便于分类, 对于不同的材料应该便于识别, 如通过不 同的颜色、不同的形状等。 (5) 减少零件的多样性 ①零件的标准化, 在不同的产品中尽可能采用标准化零 件; ②紧定方法的标准化, 减少采用的紧定方法数, 同时也 减少了拆卸工具数。 3. 面向生命周期的评估 如何方便而有效地评价一个产品对人和环境的影响这 是绿色产品设计能否最终在产品设计中被设计者所采用的 关键, 这就要求能提供展示一个产品在资源消耗和环境污染 方面所产生的后果的工具, 目前有关的研究集中在面向生命 周期的评价上 (L CA , L ife Cycle A ssessm en t)。L CA 能够量 化一个产品贯穿其整个产品生命周期的对环境的影响, 并提
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附图 绿色产品设计 绿色产品设计就是考虑生命周期内每一个阶段产品与 人和环境的相互影响 (见附图)。绿色产品设计主要绿色因素 是:
(1) 环境保护, 主要包括: 建立一套约定环境因素的设计 规范; 分析物流以跟踪每一个阶段的输入输出; 建立环境影 响的评估模型; 对于有损环境的方面进行风险评估。
3 安徽省自然科学基金 (960207E2) 资助。
供改进的指导原则, 因此, L CA 被认为是支持绿色产品设计 的核心工具。L CA 对一个特定产品的分析具有四个基本的 阶段:
(1) 定义目标和范围, 通过选择产品中与环境相互作用 的功能单元和定义有关的产品生命周期的阶段来确定 L CA 进行分析和评价的系统边界;
(1) 新产品的生产消耗大量的原材料和能量, 导致对自 然资源的大量开采。
(2) 新产品的生产过程也会造成对人和环境的危害。 (3) 废弃产品的剧增造成了大量的固态垃圾, 而人类处 理固体垃圾的能力几乎到了极限。 比如美国已关闭了近 85% 的固态垃圾处理场所 (L andfill) , 德国的费用由 100 吨上涨到 600～ 1000 吨。 面对日益严重的环境污染, 西方先进的工业国家已开始 了相关的立法工作, 这些法规是以谁造成污染谁支付相关的 费用为基本原则的。另一方面, 随着公众环保意识的提高, 对 那些在生产、使用和废弃过程中直接或间接地引起环境污染 的产品将会产生抵触。 目前人们所倡导的是一种新的概念: 可持续发展, 可持续发展是人类享有过健康而富有生活的权 利, 但必须以与自然相和谐的方式并满足今世和后代在发展 与环境方面的需要。 可持续发展给产品设计带来了挑战, 产 品设计不能只考虑功能、美学以及市场等方面的需求, 它还 必须考虑环境。
三、绿色产品设计的关键技术
CAD CA E 等计算机辅助技术的深入应用给常规产品 设计带来了很大的便利, 同时也影响着设计者的设计方法和 思路, 绿色产品设计思想的实现也必须给设计者提供方便 的、可操作的方法和工具。目Biblioteka Baidu, 支持绿色产品设计的方法和 工具已成为研究的重点, 有些已在一些企业中得以应用, 本 文将介绍其中三个比较成熟的, 并称之为三大关键技术:
谁就拥有市场。
二、绿色产品及其特征
1、绿色产品的定义 绿色产品目前尚无统一的定义, 对“绿色”的描述和量化
还不十分充分和准确, 归纳现有的定义[1][2][3]: 绿色产品就 是在其生命周期全程中, 符合特定的环境保护要求, 对生态 环境无害或危害极小, 资源利用率高、能源消耗低的产品。绿 色产品生命周期包括四个过程, 即 (1) 确定绿色产品的概念 及指标, 并按此要求完成设计的过程; (2) 产品制造与生产过 程; (3) 产品使用过程及使用中的维护和服务过程; (4) 产品
(2) 分条目量化, 指定的产品生命周期中所有的与环境 相关的过程的输入和输出都被量化, 给出指定产品对材料与 能源消耗和对空气、水和土壤的排放的基础数据;
(3) 影响因素评估, 对量化的基础数据进行分析, 将其转 换成有关的对环境影响的测量数据;
(4) 结果评估, 对各影响因素造成最严重的环境问题的 结果进行评估, 影响范围一般分成局部的、区域的和全球的。
(2) 工作条件, 并行考虑产品在制造、使用、废弃与回收 过程中对人健康的损害。
(3) 资源优化, 研究整个产品生命周期内每个过程中对 物资和能量的有效利用。
(4) 产品成本, 建立整个产品生命周期的成本模型, 不能 只考虑设计、制造和销售过程中企业内部成本, 还要考虑包 括使用和废弃与回收过程中用户和社会承担的成本。