绿色制造的发展现状及趋势

目录

摘要 (3)

Abstract (4)

0文献综述 (5)

0.1 发展绿色制造的背景 (5)

0.2 绿色制造的内涵 (5)

0.3 绿色制造的特点 (6)

0.4 绿色制造发展现状及趋势 (7)

0.5 结语 (9)

1 引言 (9)

2 绿色制造的概念 (10)

3 绿色设计 (11)

3.1 绿色设计的概念 (11)

3.2 绿色设计的内容 (12)

3.3 绿色设计的方法 (12)

3.3.1 产品生命周期设计法 (12)

3.3.2 并行工程法 (13)

3.3.3 模块化设计法 (16)

3.4 绿色设计的研究现状 (17)

3.5 绿色设计理念在机械实践中的体现 (20)

4绿色材料 (22)

4.1 绿色材料的概念 (22)

4.2 绿色材料的分类 (23)

4.3 绿色材料的发展现状 (23)

4.4 绿色材料的发展趋势 (24)

5 绿色制造工艺技术 (25)

5.1 绿色制造工艺技术的概念 (25)

5.2 绿色制造工艺技术的具体内容及应用 (26)

5.2.1 干式加工 (26)

5.2.2 准干式加工 (29)

5.2.3 风冷却切削技术 (29)

5.3 绿色制造工艺技术的发展趋势 (30)

6 产品的绿色包装技术 (30)

6.1 概念阐述 (30)

6.2 绿色包装材料的种类 (31)

6.3 绿色包装的发展现状 (32)

6.4 发展绿色包装技术的意义 (33)

7 产品的可拆卸、可回收技术 (33)

7.1 产品回收利用概念 (33)

7.2 影响产品拆卸回收利用的因素 (34)

7.3 我国产品回收利用现状 (34)

8 绿色制造的研究方向 (35)

9 实施绿色制造的措施 (36)

9.1 加紧绿色制造关键技术的研究 (36)

9.2 提高公众和企业的环境意识 (38)

9.3 政府立法并加大执法力度 (38)

10 结论 (38)

参考文献 (39)

致谢 (40)

绿色制造的发展现状及趋势

摘要：本文在综合大量文献的基础上，首先对绿色制造的概念和内容作了简要的论述。绿色制造过程包括五大部分：绿色设计、绿色材料的使用、面向环境、能源、材料的绿色制造工艺技术、产品的绿色包装技术和产品可拆卸、可回收技术。着重介绍了各个环节的具体定义和发展现状、这些部分在发展过程中所遇到的各种问题以及克服这些问题应该采取的措施。面对制造行业对环境带来的巨大影响，绿色制造是我国制造产业发展的新趋势。绿色制造是制造业发展的必由之路，它将使传统的制造业发生巨大的变化，为可持续发展战略提供重要的保证。绿色制造的研究具有非常高的科学价值和广阔的应用前景。

关键词：绿色设计；绿色材料；绿色制造工艺技术；绿色包装；回收利用

The development of green manufacturing and trends

Abstract: The concept and content of green manufacturing are discussed briefly basing on a great deal of integrated literature in this thesis. Green manufacturing process includes five major parts: green design, using of green materials, art and technology of green manufacturing which are facing

environment, energy and materials, green packaging technology of products and sectional products, recyclable technology. Introduction is most focused on specific definition and development of all aspects, various problems and settlement measure should be taken in the development process of these parts. Green manufacturing is new trend of Chinese manufacturing industry development in facing of tremendous environmental impact brought by manufacturing industry. Green Manufacturing is the only way for development of the manufacturing industry. It will change the traditional manufacturing industry a lot and provide sustainable development strategy an important guarantee to. Research on green manufacturing has high scientific value and broad application prospects.

Keywords：green design；green materials；art and technology of green manufacturing；

green packaging；recycling

0 文献综述

迄今为止，人们对制造的理解和看法尚有许多不同的观点，因而对绿色制造更各有所云。不管怎样去理解、去认识，但其实质是相同的，即绿色制造具有节能、降耗、少环境污染或无环境污染的特征，是在传统制造的基础上发展而来的。绿色制造，又称环境意识制造、面向环境的制造等。它是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代化制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的影响（负作用）最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。绿色制造这种现代化制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。

0.1 发展绿色制造的背景

人与自然和谐发展问题已成为众多领域、部门所关注的焦点。全球经济自20世纪60年代以来以前所未有的速度持续发展，但由于忽略了环境保护，结果带来了严重的后果。当今人类面临着三大全球性的灾难：大气层中臭氧的破坏和局部消失、过量的二氧化碳逸入大气层导致温室效应以及酸雨的迅速蔓延。此外，工业废弃物的大量增加和能源的巨大消耗，也已经成为威胁人类生存的全球性问题。传统的环境治理方法是末端治理，但不能从根本上实现对环境的保护，要彻底解决环境污染问题，必须从源头上进行治理。对于制造业而言，就是要求考虑产品整个生命周期对环境的影响，最大限度地利用原材料、能源，减少有害废物和固体、液体、气体的排放物，改进操作安全，减轻对环境的污染。绿色制造就是在这样的背景下提出来的。它被看作是解决问题的根本方法和途径，也是现代企业获得竞争优势的主要来源。

0.2 绿色制造的内涵

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[1]。目前绿色制造的研究思路主要集中在：（１）从产品寿命周期的角度出发考虑制造全过程的技术和管理；（２）从制造模式的角度来看待绿色制造；（３）从环境和资源的角度来看待制造。

由此看出，绿色制造具有广义的内涵。它首先有1个实现目标，即保护环境和最有效地利用有限的资源。还包括2个层次的全过程控制，一是集体的制造过程，即物料转化过程中，充分利用资源，减少环境污染，实现具体绿色制造的过程；另一是指在构思、设计、制造、装配、运输、销售、售后服务及产品报废后回收的整个产品周期中每个环节均充分考虑资源和环境问题，以实现最大限度地优化利用资源和减少环境污染的广义绿色制造过程。绿色制造的产物是绿色产品，绿色产品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少，资源利用率最高，能源消耗最低的产品。即绿色产品应有利于保护生态环境，不产生环境污染或使污染最小化，同时有利于节约资源和能源，且这一特点应贯穿于产品。

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[2]。

0.3 绿色制造的特点

绿色制造与传统制造相比，具有以下特点[1]：

（1）系统性。绿色制造系统与传统的制造系统相比，其本质特征在于绿色制造系统除保证一般的制造系统功能外，还要保证环境污染为最小。

（2）突出预防性。绿色制造对产品和生产过程中进行综合预防污染的战略，强调以预防为主，通过污染源消减和保证环境安全的回收利用，杜绝废弃物产生或使废弃物最小化。

（3）保持适合性。绿色制造必须结合产品的特点和工艺要求，使绿色制造目标符合企业生产经营发展的需要，又不损害生态环境，且能保持资源的合理使用。

（4）符合经济性。通过绿色制造技术的应用，可节省原材料，减少能源的消耗，降低废弃物处理处置费用，降低生产成本，提高产品的经济性。在国际上绿色产品已经获得越来越广泛的市场，生产绿色产品或环境标志产品必然使企业在国际市场上具

有更大的竞争力。

（5）注意有效性和动态性。绿色制造从产品末端治理转向对产品及生产过程的连续控制，使污染物产生最少化或消失于生产过程中，综合利用再生资源和能源、物料的循环利用技术，有效地防止二次污染。随着相关科学技术的发展，绿色制造的目标、内容会产生相应的变化和提高，也会不断地走向完善。绿色制造必须与市场需求、经济发展的动态相适应。

0.4 绿色制造发展现状及趋势

0.4.1 国内研究现状

国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门的支持下对绿色制造技术进行了广泛的研究探索。

机械科学研究院已完成了国家科委“九五”攻关项目－－清洁生产技术选择与数据库的建立、机械工业基金项目－－绿色设计技术发展趋势及对策研究。围绕机械工业中九个行业对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，在国内首次提出适合机械工业的绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研究。目前正在开展国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究”。以环境保护绿色技术评价体系为研究载体，将ETV评价技术导入机械制造业的绿色设计、绿色制造，建立制造业的绿色概念、描述方法和ETV评价体系。

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，已与美国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”；与法国柏林工业大学IWF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。

重庆大学承担了国家自然科学基金和国家863／CIMS主题资助的关于绿色制造技术的研究项目，主要研究可持续发展CIMS（S－CIMS）的体系结构研究、清洁化生产系统和体系结构及实施策略、清洁化生产管理信息系统等。

国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国发展绿色制造技术奠定了基础。

0.4.2 国外研究现状

国外不少国家的政府部门已推出了以保护环境为主题的绿色计划。1991年日本推出了绿色行业计划，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。目前，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。产品的绿色标志制度相继建立，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少，并利于资源的再生和回收，这为企业打开销路、参与国际市场竞争提供了条件。如德国水溶油漆自1981年开始被授于环境标志（绿色标志）以来，其贸易额已增加20％。德国目前已有60种类型3500个产品授予环境标志，法国、瑞士、芬兰和澳大利亚等国于1991年对产品实施环境标志，日本于1992年对产品实施环境标志，新加坡和马来西亚也在1992年开始实施环境标志。目前已有20多个国家对产品实施环境标志，从而促进了这些国家绿色产品的发展，在国际市场竞争中取得更多的地位和份额。

国际经济专家分析认为，目前绿色产品比例大约为5－10％，再过10年，所有产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸，部件或整机可翻新和循环利用。也就是说，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。

0.4.3 绿色制造的发展趋势

当前，世界上掀起一股绿色浪潮，环境问题已经成为世界各国关注的热点，并列入世界议事日程。制造业将改变传统制造模式，推行绿色制造技术，发展相关的绿色材料、绿色能源和绿色设计数据库、知识库等基础技术，生产出保护环境、提高资源效率的绿色产品，如绿色汽车、绿色冰箱等，并用法律、法规规范企业行为，随着人们环保意识的增强，那些不推行绿色制造技术和不生产绿色产品的企业，将会在市场竞争中被淘汰，使发展绿色制造技术势在必行。绿色制造的未来发展方向，主要是以新能源在制造加工中的利用，作为制造行业的动力发展方向，如使用风能来进行机械制造中的切削加工的冷却等。同时对制造加工过程中的材料以及附加资源进行再次处理进行循环利用，如工业废水的多次循环利用，使水资源缺乏的情况得到一定的缓解。同时使在产品制造过程中所用机器的精准度不断提高，

减少因为机器本身而产生的对生产材料的浪费以及工人劳动力的浪费。加快全球制造行业同类企业间的技术交流，有利于防止因机械加工过程引起的不必要的浪费。

绿色制造的实施与应用首先必须得到企业自身的重视，从企业内部的管理入手，不断进行工艺及管理创新，加强人员管理与培训，按照要求，对企业的运行进行全过程控制，最终取得企业经济效益、社会效益与环境效益的同步发展。

0.5 结语

绿色制造过程包括绿色设计和绿色制造设备以及绿色制造的工艺、物料和环境。绿色制造是人类的可持续发展战略在制造业的重要体现，而且是决定能否实现人类可持续发展的关键产业。绿色制造是制造业发展的必由之路，它将使传统的制造业发生巨大的变化，为可持续发展战略提供重要的保证。绿色制造的研究具有非常高的科学价值和广阔的应用前景。

1 引言

制造业是将可用资源(包括能源)通过制造过程，转化为可供人们使用和利用的工业产品和生活消费品的过程。制造业一方面是制造人类财富的支柱产业；另一方面也产生大量废弃物(物料废弃物、能源废弃物、产品使用终结后的废弃物等)，对环境造成污染，是当前环境污染的主要源头。如何使制造业尽可能少地产生环境污染是当今的环境问题研究的—个重要方面。

资源、环境、人口是当今人类社会面临的三大主要问题，特别是环境问题，正对人类社会生存与发展造成严重的威胁。随着全球环境问题的日益恶化，人们愈来愈重视对于环境问题的研究。近年来的研究和实践使人们认识到：环境问题决非是孤立存在的，它和资源、人口两大问题有着根本性的内在联系，特别是资源问题，它不仅涉及人类世界有限资源的合理利用，而且它又是环境问题的主要根源。

传统的环境治理方法主要采用过程末端治理, 但存在诸多弊端, 如部门分割、增量发展、成本高昂、经济效益恶化、科技惰性等, 难以从根本上实现环境保护与治理。为了从源头上治理环境污染, 在宏观上必须遵循热力学第二定律, 在中观上必须采用工业生态学原理, 在微观上必须实施清洁生产和绿色制造。为了寻求从根本上解决制造业环境污染的有效方法，到了90年代，随着全球性产业结构的调整和

人类对客观认识的日益深化，在全球掀起了一股绿色消费浪潮。在这股绿色浪潮中设计师们更多地以冷静、理性的思维来反省一个世纪以来工业设计的历史进程。展望新世纪的发展方向，而不只是追求形式上的创新。而实际上，进入90年代，工业设计需要理论上的突破。于是不少设计师转向从深层次上探索工业设计与人类可持续发展的关系，力图通过设计活动，在人——社会——环境之间建立起一种协调发展的机制，这标志着工业设计发展的一次重大转变。绿色制造的概念应运而生，成了当今制造工业发展的主要趋势之一。

2 绿色制造的概念

绿色制造是一种现代制造模式, 它综合考虑了制造业对环境的影响和对资源效率的利用, 它的目标是使产品在设计、制造、装配、运输、销售、使用的整个过程中, 对资源的利用率最高, 对环境造成的有害影响最小。其主要内容为：（1）绿色设计。在简化产品结构、建立绿色产品设计指标评价体系的基础上，提出绿色设计工具，并与其它设计工具如CAD(Computer Aided Design)计算机辅助设计，CAPP（Computer Aided Process Planning）计算机辅助工艺过程设计等集成，形成集成环境。特别积极推行产品的生态设计，即一切环境问题都要解决在设计之中。选用无污染、低污染、可再生、可再用的材料进行产品设计，选用科技含量高，资源消耗低，环境污染少的生产技术和工艺，选用便于高效拆洗、综合利用的产品技术方案。（2）绿色材料。减少所用材料的品种和数量，选用易加工、低能耗、少污染、容易再回收的材料。（3）面向环境、能源、材料的绿色制造工艺技术。（4）产品的绿色包装技术。（5）产品可拆卸、可回收技术[1]。

实施绿色制造是一个极其复杂的系统工程。制造系统中资源消耗种类繁多，消耗情况复杂，从而造成制造过程对环境的污染状况多样，程度不一。在这种情况下，不仅需要研究制定一套绿色制造的评价指标体系和标准，而且要随着产品的变换、技术的更新，及时进行修订。

总之，绿色制造是综合考虑制造、环境与资源三大领域的创新。从技术层面上来看，绿色制造是绿色产品设计技术、绿色制造技术、产品的回收与循环再制造技术的集成与综合。从生产性质层面上来看，绿色制造又是精益生产、柔性生产、快捷制造的延伸与发展。从技术创新层面上来看，绿色制造已经在影响和引导当今制造技术的

发展理念和方向[2]。

3 绿色设计

绿色设计是获得绿色产品的基础，并且已成为当前设计领域的研究热点之一。研究表明：设计阶段决定了产品制造成本的70％一80％，而设计本身的成本仅占产品总成本的10％，如果考虑环境因素，这个比例还会增大。因为产品设计所造成的生态破坏程度远远大于设计过程本身所造成的对生态影响的程度。出此，只有从设计阶段将产品“绿色程度”作为设计目标，才能取得理想的设计结果。

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(减少废弃物数量和污染)；生产技术追求节能、省料、无废少废，闭路循环等，都是努力实现绿色设计的有效手段。

绿色设计是绿色制造的关键和第一步。不仅要在产品及其生命周期全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，而且要在充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体影响减到最小。因此，绿色设计在很大程度上决定了材料、工艺、包装和产品寿命终结后处理的绿色性。

3.1 绿色设计的概念

绿色设计不同于传统设计，绿色设计包含产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、重用及处理处置的各个阶段，即涉及产品整个寿命周期，是从摇篮到再现的过程。也就是说，要从根本上防止污染，节约资源和能源，不能等产品产生了不良的环境后果之后再采取防治措施(现行的末端处理即是

如此)，要预先设法防止产品及其工艺对环境产生的负作用。

概括起来，可以给绿色设计这样一个定义：绿色设计是这样一种设计，即在产品整个生命周期内，着重考虑产品环境属性(自然资源的利用、环境影响及可拆卸性、可回收性、可重复利用性等)，并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑并保证产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。其基本思想是：在设计阶段就将环境因素和预防污染的措施纳入产品设计之中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点，力求使产品对环境的影响为最小。对工业设计而言，绿色设计的核心是“3R”（Reduce.Recycle.Reuse）,

不仅要减少物质和能源的消耗，减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便地分类回收并再生循环或重新利用[3]。

3.2 绿色设计的内容

绿色设计的主要内容包括：绿色产品设计的材料选择与管理；产品的可拆卸性设计；产品的可回收性设计[16]。

1）绿色产品设计的材料选择与管理。一方面，不能把含有有害成分与无害成分的材料混放在一起；另一方面，对于达到寿命周期的产品，有用部分要充分回收利用，不可用部分要用一定的工艺方法进行处理，使其对环境的影响降到最低。

2）产品的可回收性设计。综合考虑材料的回收可能性，回收价值的大小，回收的处理方法等。

3）产品的可拆卸性设计。设计师要使所设计的结构易于拆卸，维护方便，并在产品报废后能够重新回收利用。

除此之外，还有绿色产品的成本分析，绿色产品设计数据库等。

3.3 绿色设计的方法

3.3.1 产品生命周期设计法

传统设计的依据是产品的技术、经济性能和相应的设计规范。企业通常只管设计与制造产品，并将生产的产品投向市场，而使用是用户的事，废弃淘汰后的处理或回收则是社会的事，生产厂家、用户和社会三者之间没有太多的联系。产品使用期间对人体健康造成的伤害及在生命周期过程中造成的环境污染由社会承担，不会追溯到生产厂家。这种状况已经不能适应未来社会发展的要求。只有生产厂家、用户和社会三者共同关心并参与产品的设计开发，也就是进行产品的全生命周期设计，才能克服传统设计存在的不足。

产品生命周期设计的各个环节可用图1来描述。从此图可以看出，—个产品的生命周期包括以下各个环节：市场需求分析、设计开发、生产制造、销售、使用及废弃后的回收处理。在设计过程中，设计方案的选择是根据某种评价函数来进行，这种评价函数必须包含图1中外围所示的各项因素，即产品的基本

属性、环境属性、劳动保护、资源有效利用、可制造性、企业策略和生命周期

成本[4]。

图1 产品生命周期设计轮图

Fig1. Design Cycle of Product Lifecycle

产品的基本属性是指产品应具有的功能、质量、成本、服务及寿命。环境属性是指在产品生命周期内的任何一个阶段都不会造成环境污染。劳动保护或职业保健是指在生命周期设计中，分析评价产品生命周期内各阶段的工作条件对劳动安全和人体健康的影响，并采取适当措施减少或消除这种影响。资源有效利用在这里通常是指材料资源和能源，由于材料和能源生产过程中会产生严重的环境污染，如煤炭发电会排放出大量的二氧化碳和二氧化硫，原材料的提取冶炼会排放大量的烟尘和产生辐射等，因而必须节约能源和原材料，实现其最佳有效的利用。可制造性是指产品可制造性能的好坏，如制造工艺性、装配工艺性、拆卸工艺性等。企业策略是指企业为迎合市场及用户需求而制定的本企业的若干特殊政策，如绿色产品战略、绿色设计准则、企业绿色形象等。生命周期成本不同于传统产品的成本概念，它不仅包括设计成本、生产成本及某些附加成本，也包括使用成本及废弃淘汰产品的拆卸回收、处理处置成本等。

3.3.2 并行工程方法

为了在设计过程中考虑产品的整个生命周期，在设计观念、方法和组织方面必然产生根本性的变革。从这个意义上讲，设计就是将产品整个生命周期内适应挑战性要求而提出的所有商业属性和技术属性汇集起来的过程。对设计的

这种理解使设计跨出了只是满足某种技术要求的概念范围，它同时强调了产品设计的商业效果。并行工程正是实现这一目标的有效途径。

并行工程是现代产品开发的一种模式和系统方法，它以集成、并行的方式设计产品及其相关，力求使产品开发人员在设计一开始就考虑产品生命周期全过程的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户的要求等，最终使产品达到最优化[4]。绿色设计与一般设计相比而言，对并行工程有着更加迫切的需求。绿色设计的产品既要具有基本的性能与功能，又要满足环境要求。绿色设计比一般产品设计涉及的问题更多，问题的复杂程度也更高(如涉及资源消耗、产品绿色性能的评价等)。

图2 绿色产品并行设计小组的组成

Fig.2 Composition of Concurrent Design Group for Green Products

要实现并行绿色设计，首先要实现人员的集成。即采用绿色协同工作组(Green Team Work—GTW)的模式，这是一种先进的设计人员组织模式。由于设计目标和涉及问题的复杂性，并行绿色设计应组织多专业(如材料、设计、工艺和环境等)开发小组负责整个产品的设计，并要求设计小组内所有人员协调工作，并行交叉地进行。图2即为绿色产品并行设计小组的组成。

其次，要进行有关信息与技术集成。实现并行绿色设计的关键是产品的信息集成和技术方法的集成。产品生命周期全过程中的各类信息的获取、表达、表现和操作工具都集成在一起并组成统一的管理系统，特别是产品信息模型和

产品数据管理。产品开发过程中涉及的多学科知识以及各种技术和方法也必须集成，并形成集成的知识库和方法库，以利于并行过程的实施。这两种集成能提供所需的分析工具和信息，并能在设计过程中尽可能早地分析设计特征的影响，规划生产过程，从而提供一个集成的工程支撑环境。

图3 并行绿色设计的支撑环境

Fig3. Support Environment for Concurrent Green Design

此外，并行绿色设计需要有一定的支撑环境。由于并行绿色设计是基于并行工程的绿色设计，因此其支撑环境应包括并行工程支撑环境和绿色设计支撑环境两部分，如图3所示。

并行绿色设计可根据图4所示的设计网络来实现。每个设计人员在各自的工作站上既可以像在传统的CAD工作站上一样进行自己的设计工作，又可以同时与其他工作站进行通信。根据设计目标的要求，既可以随时应其他设计人员

的要求修改自己的设计，也可以要求其他设计人员修改其设计以适应自己的要求。这样，多种工作就可以并行协调地进行。

图4 并行绿色设计的设计网络

Fig4. Design Network of Concurrent Green Design 并行绿色设计与传统设计相比，实现了各环节之间的信息交流与反馈，在每一次决策中都能从优化产品生命周期的角度考虑问题，从而消除了产品设计过程中的反复修改。而且在设计过程中将产品寿命终结后的拆卸、分离、回收、处理处置等环节都考虑进去，使所设计的产品从概念形成到寿命终结再回到回收处理形成了一个闭环过程，满足了产品生命周期全程的绿色要求。

3.3.3 模块化设计法

模块化设计就是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场的不同需求。模块化设计既可以

很好地解决产品品种规格、设计制造周期和生产成本之间的矛盾，又可为产品快速更新换代，提高产品质量，方便维修，有利于产品废弃后的拆卸回收，增强产品的竞争力提供必要条件[4]。产品模块化对绿色设计具有重要意义。这主要表现在以下几个方面：

1)模块化设计能够满足绿色产品的快速开发要求。按模块化设计开发的产品结构是由便于装配、易于拆卸和维护、有利于回收及重用等模块单元织成的，简化了产品结构，并能快速组合成用户和市场需求的产品。

2)模块化设计可将产品中对环境或对人体有害的部分、使用寿命相近的部分等集成在同一模块中，便于拆卸回收和维护更换等，同时，由于产品由相对独立的模块组成，团此，便于维修，必要时可更换模块，而不致影响生产。

3)模块化设计可以简化产品结构。按传统的观点，产品由部件组成，部件由组件构成，组件由零件构成，因而要生产一种产品，就得制造大量的专用零件。而按模块化的观点，产品由模块构成，模块即为构成产品的单元，从而减少了零部件数量，简化了产品结构。

模块化设计可根据绿色设计的不同目标要求来进行。如在模块化设计时，若以可重用性为主，则需要考虑两个主要因素：期望的零(部)件寿命及其重用性能。考虑零(部)件寿命时，可将长寿命的零(部)件集成在相同模块中，以便产品维护和回收后的重用；当考虑可重用性时，应将具有相同重用性零(部)件(回收价值与回收成本之比)集成在同一模块中。

模块化设计能较为经济地用于多品种小批量生产，更适合与绿色产品的结构设计，如可拆卸结构设计等。

除上述设计方法之外，在绿色设计中，还必须考虑所设计的每个零部件应具有均衡的使用寿命，即进行均衡寿命设计。对于产品设计而言，要达到使产品的每个零部件具有相同或相似的使用寿命，有时是不可能的。此时，应考虑使一些重要组成部件具有较长的寿命，而那些易损件、易于更换的零部件，则可设计成在产品整个生命周期中根据具体情况可多次更换的短寿命零部件，即所谓的长寿命设计。

3.4 绿色设计的研究现状

目前的绿色设计研究主要集中在能源、原材料等资源的合理利用；废旧产品的回收利用和拆卸；安全健康问题等方面。

1）合理利用能源、材料等资源

为了解决各种重大的环境影响问题，美国国家制造科学中心制定了一项绿色制造计划，它采用两种方法来减轻制造过程对环境的影响：一是在制造过程中不用或少用有害物质；二是分析各种置换方案中废弃物的产生机理。前者的研究目标大部分集中在材料置换与选择上，后者则努力改进制造过程的安全性。选择理想的材料和制造过程，既可以提高技术效果和生产效率，还能减轻对环境的影响。然而，选择最合适的材料和工艺过程是非常复杂的。一种叫做计算机辅助材料与工艺选择的交互式专家系统提供了选择材料和工艺过程的方法。它由4个主要模块织成：筛选模块；知识采集与咨询模块；设计分析模块；成本估计模块。为了合理地选择材料，还需要建立包括各种材料特性信息的材料数据库。

成对比较法提供了绿包产品的决策体系，并可用来进行样品比较。这些决策包括：零部件材料选择；紧固件的数量和类型；接触件用的润滑剂；装配件上零部件的几何关系。然后用比较结果来分派设计任务，这样能极大地提高设计方案的环境适应性。

节能就是采取“少入少出”的原则，在一种产品上少用额外能源，或者减少这个产品在不用期间的能量总消耗。最近在大多数电池供电的“掌中宝”和膝上式计算机开始安装能量管理软件，以减少能量浪费。

2）废旧产品的拆卸回收

绿色设计突出了绿色产品拆卸和回收利用的重要性。所谓回收利用就是从用过产品上回收材料或零部件，然后再把它们用到新产品上。回收利用的另一个含义就是采用有利于产品材料回收和重新使用的产品设计方法。实质上，回收利用就是反复地利用用过的材料和零部件。

(1)回收利用据报道造纸业的产品回收利用率已达到50％，而塑料工业的回收利用率却很低。在美国售出的2620万吨塑料树脂中，回收利用率还不到1％。回收利用废旧产品的好处在于：一是创造企业的绿色形象；二是重新使用全部零部件或分装件，这样能降低生产成本。

回收利用要求所用的材料和紧固方法与现行技术相适应。材料回收利用可适用的总原则包括：简化机械拆卸；避免材料间发生自污染结合；材料使用标准化等。在回收利用设计上存在着两个问题，就是拆卸技术和回收利用成本问

题。由于回收利用和重构技术是不断发展变化的，这就增加了废旧产品利用的困难性。处理这一问题遵循两条准则：一是先拆卸最有价值的部分；二是尽量发挥每一拆卸作业的生产效率。宝马汽车公司在回收利用和拆卸设计方面做了大量工作．该公司生产的Z1型和BMW3251汽车．计多零部件是由可回收利用的塑料制成的。在拆卸时，公司首先将注意力放在适合重新使用的、最有价值的零部件的拆卸上[5]。

一种产品要做到百分之百完全回收利用是不现实，也是不经济的，所以部分拆卸可能是最经济的方式。因而，回收利出的目的是最大可能地利用这种回收资源，尽量减少产品的剩余量和污染。为了有助于回收利用，还必须重视材料的识别与分类技术。

(2)拆卸产品拆卸主要是从经济和环境两方面考虑。废旧产品的拆卸就是寻求在现行技术条件下如何经济地回收利用其材料和零部件。拆卸的定义就是从产品或部件上有规律地拆下可用的构成件的过程，同时保证不因拆卸过程而造成该零部件的损伤。

在拆卸方面所遇到的最大的技术挑战是怎样设计出易于拆卸的产品。设计一种易于拆卸又易于装配的产品是一个复杂的过程。以往在设计产品和机器时，考虑装配多，而很少考虑拆卸。在易于装配易于拆卸的产品设计中，需要解决易分离性、紧固件、模块化设计、材料选择等诸多问题。拆卸设计是绿色设计的一个重要组成部分，这样设计出的产品，其大部分零部件都能重新使用或回收利用。拆卸成本则与所用的时间和拆卸的零部件数量成正比[13]。

产品拆卸方法通常有两种：逆装配法和强力法。逆装配法就是以装配顺序的反方向进行拆卸。强力法就是采用各种方法切开零部件[14]。目前的产品拆卸起来不是很方便，其主要原因在于缺少拆卸所需的全部信息；产品的某些部分在使用过程中可能改动过；因磨损而使连接在一起的元件难于分开；许多消费品采用不易拆卸的设计方式等。拆卸设计就是设法克服这些不足，提高产品的可回收利用能力和可拆卸能力。在拆卸没计中遇到的另一个问题就是拆卸顺序。为了顺利拆卸，需要考虑产品局部和全局两方面的几何形状信息。零部件的成功拆卸，不仅取决于所要拆卸的零部件之间的关系，而且也取决于与装配件上其他所有零部件的关系。基于图形的推理方法可通过特征数据库自动生成拆卸顺序。

3）安全健康问题

绿色设计的另一个研究内容就是安全和健康问题。如在汽车和电子工业行业中，现在最常用的是铅锡钎料。由于铅毒性极大，近十年来，已经限制或禁止在油漆、汽油等其他许多产品中使用铅。因此，大量的研究集中在用无铅钎料或导电性胶粘剂代替铅锡钎料。导电性胶粘剂由于具有良好的经济性和可回收利用能力，可能是铅锡钎料的最合适替代品。同样，铍是另一种工业有毒材料，与其接触后可能危及健康，必须对工业用铍进行实时监控。

瑞典的沃尔沃(volvo)汽车公司设计了一种产品设计环境优先战略系统，它使用环境负荷基数指标来衡量汽车所用材料对环境产生的影响。

4）其他相关问题

除上述主要研究内容外，绿色设计也与其他学科领域有密切的关系，如环境保护、污染防治等。因此，研究这些相关内容对有效地开展绿色设计也是必不可少的，如面向环境的设计DFE(Design For Environment)、生命周期工程LCE （Life Cycle Engineering)与生命周期估计LCA（Life Cycle Assessment）等。

绿色设计由于涉及的学科领域多(如机械学科、材料学科、环境保护、社会科学和管理学科等)，涉及的范围广，属于多学科交叉研究领域，目前还处于不断发展完善之中。因此，绿色设计的实施需要从系统的角度，进行综合分析和协调，从技术和管理两方面着手，并需要社会各方面的共同努力。

3.5 绿色设计理念在机械实践中的体现[8]

数控车床是制造业进行生产加工的主要工作母机之一，随着制造业自动化的发展和数字化加工要求的提高，其市场需求量大幅度增加。因此，开发绿色环保的数控车床尤为重要。

普通车床的主传动系统主要是变速机构的设计，传动链多、传动关系复杂、制造周期长。在绿色设计规范下，为简化传动链，数控车床主轴驱动可有三种形式：a.采用变频电机,实现多档内自动无级调速；b.采用主轴伺服电机,实现无级调速；c.由电动机直接驱动主轴旋转。

床身是数控车床的主要支承件，传统的铸造过程环境污染严重、能耗高。目前，采用钢板焊接床身结构代替，不但可提高机床的强度和刚性，而且因为减少了铸造工艺而大大减少了机床在制造过程中的环境污染和能源消耗。同时，为了消减车床工作中的振动，可在床身内填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相对摩擦来耗