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绿色制造技术及应用进展综述样本
绿色制造技术及其应用进展综述
王亚杰
(机电工程学院5)
摘要:
随着人类社会可持续发展,绿色制造技术成为国内制造业中一项新重要课题。
绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率当代制造模式,其目的是使产品从设计、制造、包装、使用、报废解决、回收再生与复用整个产品全生命周期中,对环境负影响最小,资源运用率尽量高,并使公司经济效益和社会效益协调优化。
本文阐述了国内外绿色制造技术研究现状以及技术体系框架,并简介了绿色制造技术在某些领域应用状况。
核心字:
绿色制造技术、环境负影响、全生命周期、“4R”、应用
0、引言:
60年代以来,全球经济此前所未有高速度持续发展。
但由于忽视了环境污染,成果带来了全球变暖、臭氧层破坏、酸雨、空气污染、水源污染、土地沙化等等恶果。
与此同步,大量消费品因生命周期缩短,导致废旧产品数量猛增。
并且据记录,导致环境污染排放物有70%以上来自制造业。
要想从主线上彻底解决该环境污染问题,必要从源头上进行治理。
详细到制造业,就是规定考虑产品整个生命周期对环境影响,最大限度地运用原材料、能源,减少有害废物和固体、液体、气体排放物,改进操作安全,减轻对环境污染。
专家学者普遍以为绿色制造(GreenManufacturing)是解决该问题主线办法和途径,是21世纪制造业和可持续发展必由之路。
1、绿色制造技术有关概念及技术体系
绿色制造技术(GreenManufacturingTechnology简称GMT),是指在产品整个生命周期过程中持续地运用一体化、防止性环保战略,以达到优化资源和能源合理运用,并对环境产生污染最小化,保护劳动者安全和健康,并且向市场提供极具竞争力绿色产品,从而最后实现经济、环境和人类社会可持续发展。
制造业对环境影响贯穿于产品生命周期各个阶段。
L.Alting提出将产品生命周期划分为六个阶段:
需求辨认、设计开发、制造、运送、使用以及处置或回收。
R.Zust等人进一步将产品生命周期划分为四个阶段:
产品开发(从概念设计到详细设计,设计过程中考虑产品整个生命周期其他各个阶段)、产品制造(加工和装配)、产品使用及最后产品处置(涉及解体或拆卸、再使用、回收、开发、焚烧及掩埋)。
绿色制造技术核心就是在节能环保规定下完毕对机械产品研发以及生产,所体现出来是一种可持续性,即在产品生命周期过程中实现“4R”——减量化(reduce)、重用(reuse)、再生循环(recycle)、再制造(remanufacturing)。
简朴来讲,绿色制造技术由绿色设计、绿色制造、绿色解决三某些构成,全面考虑产品整个生命周期对环境影响。
1.1绿色设计
绿色设计是在产品及其寿命全过程设计中,充分考虑对资源和环境影响和产品环境属性(如:
可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复运用性等),并将其作为一种重要指引原则,充分考虑产品性能、质量、开发周期和成本同步,优化各关于设计因素,使得产品及其制造过程对环境总体负影响降到最低水平。
在设计过程中使材料选取、构造设计、工艺设计、包装运送设计、使用维护设计、拆卸回收设计、报废处置设计等各种设计阶段同步进行、互相协调,各阶段和整体设计方案、分析评价成果及时进行信息交流和反馈,从而在其设计研发过程中及时改进,使产品设计达到最优化。
绿色设计又称为面向环境设计DFE(DesignfortheEnvironment)。
它是绿色消费运动和绿色市场兴起在产品设计领域中所涌现出来新潮流。
对工业设计而言,绿色设计核心是“3R”即Reduce、Reuse、Recycle,不但要减少物质和能源消耗,减少有物质排放,并且要使产品及零部件可以以便分类回收并再生循环或重新运用。
设计阶段是产品生命周期源头,从源头控制环境要素无疑是最有效办法。
搞好绿色设计,意味着从源头实现废弃物最小化或污染防止,特别是几乎决定了产品设计之后其她过程走向,因而绿色设计是绿色制造技术核心。
1.2绿色制造
绿色制造(greenmanufacturing)是一种综合考虑环境影响和资源消耗当前制作模式。
以过去老式制造技术为基本,使用当代先进制造技术和新材料,使得制造产品质量高、成本低,对环境污染小,其基本思想是实现制造业产品全生命周期资源消耗、环境污染以及人体安全健康危害减量化和源头控制,并有助于资源循环运用。
因而又被人称为环境意识制造。
基于生命周期,绿色制造可定义为:
在不牺牲产品功能、质量和成本前提下,系统考虑产品开发制造及其活动对环境影响,使产品在整个生命周期中对环境负影响最小,资源运用率最高。
1.2.1绿色材料
绿色材料(GreenMaterials)是指在制备、生产过程中能耗低、噪声小、无毒性并对环境无害材料和材料制品,也涉及那些对人类、环境有危害,但采用恰当办法后就可以减少或消除材料及制成品。
绿色制造中所强调绿色材料是指在满足一定功能规定前提下,具备良好环境兼容性材料,因而绿色材料又被称为生态材料。
1.2.2绿色工艺
采用绿色工艺是实现绿色制造重要一环,绿色工艺与清洁生产密不可分。
所谓绿色工艺,简而言之就是既能保障产品质量又能减少环境影响工艺技术。
绿色工艺实现途径详细涉及:
加强对自然资源使用以及空气、土壤、水体和废物排放环境评价,依照环境负荷相对尺度,拟定其对生物多样性、人体健康、自然资源影响评价;变化原材料投人,有用副产品运用,回收产品再运用以及对材料就地再运用,特别是在工艺过程中循环运用;变化生产工艺或制造技术,改进工艺控制,改造原有设备,将原材料消耗量、废物生量、能源消耗、健康与安全风险以及生态损坏减少到最低限度。
1.2.3绿色包装
绿色包装指是在产品处在包装环节时,包装材料以及包装工艺应当符合节能规定。
在机械产品进行包装过程中,不但要保证产品包装精美、质量优良。
也要考虑到包装材料成本,以及与否具备可降解性、可回收性。
在产品包装阶段,要考虑到包装材料环保性,并结装材料耐用性,选取循环运用率高、节能环保高科技绿色材料,如多次循环运用并自行降解绿色包装材料选取。
当今世界重要工业国规定包装应做到“3R1D”(Reduce、Reuse、Recycle、Degradable)原则。
1.3绿色解决
绿色解决是指上一种生命周期报废产品通过有效回收又进入下一种生命周期循环中。
为了便于产品绿色解决,一是设计之初就要考虑产品材料和构造设计,如采用面向拆卸设计办法、模块化设计办法;二是发展绿色再制造技术,如再制造加工、过时产品性能升级等。
产品绿色解决在其生命周期中占有重要位置,通过各种回收方略,产品生命周期形成了一种闭合回路。
寿命终了产品最后通过回收又进人下一种生命周期循环之中,使产品具备多生命周期属性。
对于产品可回收性设计,应综合考虑材料回收也许性,回收价值大小,回收解决办法等。
2、国内外绿色制造技术研究现状和所获得成果
2.1国外研究现状和所获得成果
美国、日本、德国等发达国家在这方面都获得了不少成果。
美国国际贸易及工业部对工业产品环境问题进行了研究,着手开展了“生态工厂技术”等协作项目,该项目重要研究范畴是产品技术、生产技术、拆卸技术回收技术,并且拟定了每一范畴研究对象。
1996年,美国制造工程师学会(SME)刊登了关于绿色制造蓝皮书《GreenManufacturing),提出了绿色设计和绿色制造概念,并对其内涵和作用等问题进行了系统简介,近来,SME又在国际互联网上刊登“绿色制造发展趋势”网上主题报告。
日本通产省从1992年开始实行“生态工厂”筹划,投入100-150亿日元对生产系统工厂和恢复系统工厂进行研究,对生产系统工厂,致力于产品设计、材料解决、加工和装配等阶段研究;对恢复系统工厂,则致力于产品生命周期结束时材料解决和回收研究。
1991年德国政府开始实行环保“绿色筹划”,当前已有60种类3500个产品授予环境标志。
加拿大、英国、法国等也推出类似筹划。
当前,在某些发达国家,除政府采用一系列环保办法外,广大消费者已浮现热衷于购买环境无害产品绿色消费新动向,增进了绿色制造发展。
国际经济专家分析以为,当前“绿色产品”比例大概为5%-10%,再过,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运用。
也就是说,在将来内绿色产品有也许成为世界商品市场主导产品。
2.2国内研究现状和所获得成果
国内对该领域研究和应用相对滞后,还处在起步阶段。
国内某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关于部门支持下对绿色制造技术进行了某些研究摸索。
机械科学研究院已完毕了国家科委“九五”攻关项目——清洁生产技术选取与数据库建立、机械工业基金项目——绿色设计技术发展趋势及对策研究。
环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,在国内初次提出适合机械工业绿色设计技术发展体系,同步还进行了车辆拆卸和回收技术研究。
当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研究”。
以环保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绿色设计、绿色制造,建立制造业绿色概念、描述办法和ETV评价体系。
清华大学为创立绿色大学,已将绿色工程技术列为优先发展和支持项目,对产品全生命周期建模等绿色设计理论和办法进行系统研究,获得一定进展。
上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术研究,在废弃工业品回收方面展开了研究工作。
合肥工业大学开展了机械产品可回收设计理论和核心技术及回收指标评价体系研究。
重庆大学承担了国家自然科学基金和国家863/CIMS主题资助关于绿色制造技术研究项目,重要研究可持续发展CIMS(S-CIMS)体系构造研究、清洁化生产系统和体系构造及实行方略、清洁化生产管理信息系统等。
华中科技大学、浙江大学、北京航空航天大学等高校也开展了绿色制造技术研究。
国内已形成了一支从事绿色制造技术研究专业队伍,为国内绿色制造技术产业发展获得了一定人才和技术支持。
3、绿色制造技术在某些领域详细应用
3.1绿色制造技术在机床中应用
在机床设计中,绿色生态机床提出一种全新理念:
减少机床量,节约材料;同步减少机床使用时能源消耗。
既有机床质繁80%用于“保证”机床刚度,而只有20%用于满足机床运动学需要。
因而可以通过采用新构造和新材料两个途径对机床构造进行优化。
并联机床和箱中箱构造机床为机床构造提出了新思路;树脂混凝土(或称矿物锻造、人造花岗石)、碳素纤维、陶瓷和复合材料等新材料使用也使机床质量大大减少,并且具备阻尼系数大、抗振性强、热稳定性好等一系列长处。
在加工过程改进方面,在切削加工过程中普通需要使用切削液。
切削液采购、存贮、使用需要专门技术和物流系统,费用很高,大概占加工成本10%到15%。
切削液使用与处置不当会对环境导致污染,甚至对人健康导致危害。
随着对环保注重。
针对这种状况,采用干切削和微量润滑(MQL)技术可以节约成本并代替高成本、高污染和有害健康湿切削过程,增进机床绿色化。
废旧机床再制造工程是以产品全寿命周期设计和管理为指引,以优质、高效、节能、环保为目的,以先进技术和产业化为手段,恢复或改造废旧机床一系列技术办法或工程活动总称。
废旧机床绿色再制造是废旧机床高科技维修产业化,它成本仅是新品50%左右,节能60%,节材70%以上,而再制造后机床性能至少能持平甚至提高。
3.2绿色制造技术在深孔钻削中应用
亚干式加工是控制环境污染源头一项绿色制造工艺,它可获得干净、无污染切屑,省去切削液及其解决等大量费用,可减少生产成本。
相对老式(湿式)深孔钻削中大量使用切削液进行冷却、润滑、排屑,导致环境污染和成本增长问题,在整个制造过程中做到对环境污染最小和对资源运用率最高。
亚干式深孔钻削中切削力较湿式深孔钻削略大,刀具磨损和加工表面粗糙度值与湿式深孔钻削相近,可获得较好刀具耐用度和内孔表面质量。
在老式深孔钻削中,由于切削区温度较高.切削液对后刀面润滑不够,容易引起后刀面与己加工面粘接、扯破,增大后刀面与工件表面摩擦,减少已加工面表面质量:
而在亚干式深孔钻削中切削液颗粒容易进入刀具与已加工面接触区,润滑及冷却效果良好,切削区温度较低,后刀面与已加工表面不易枯接,使两者之间摩擦减小从而使已加工表面粗糙度减小。
亚干式深孔钻削条件下也能获得较好刀具耐用度,可减小加工表面粗糙度值,保证内孔表面加工质量。
在切削加工中,影响刀具寿命最重要因素是切削点切削热,切削温度升高,会使刀具切削刃软化,从而加速刀具磨损。
亚干式加工切削区温度较低,防止了刀具软化,减轻了刀具磨损。
亚干式深孔钻削中采用风冷雾化装置可获得抱负冷却、润滑效果,由于亚干式深孔钻削排屑空间增大(无切削油)、空气压力高,因而排屑效果较好。
综上可见,亚干式深孔钻削是一种较优绿色加工方式。
3.3海洋平台工程绿色制造
海洋平台是一种特殊产品,其使用过程将在海上完毕,远离陆地,维护维修费用极其昂贵且极不以便,营运寿命终结后,报废回收解决将在海上进行,整个拆解过程相称复杂。
因而,在建造海洋平台过程中,重点应放在设计、制造、维修和拆卸环节上,以保证海洋工程及其产品绿色度。
海洋平台绿色设计是在设计阶段就将设计、制造、运送、安装、使用、维修到拆解回收全生命周期内产品环境因素和性能作为设计目的和出发点,力求使产品对环境影响最小,产品绿色度最大。
绿色工艺研发与应用是实现绿色制造重要手段。
老式组块建造工艺构造片预制完毕后,直接上滑道,然后各个专业附件依次吊装、组对,占用滑道时间长,吊装作业和高空作业较多,需搭设大量脚手架,各个工种之间交叉施工,安全风险大,成本高,己满足不了海洋石油工程高速发展需要。
为此,海油工程对老式组块建造工艺进行了革新,研究组块绿色建造工艺,结合场地实际状况,针对不同规模及参数平台,开发了分层建造法、框架式建造法、立体分段法切蛋糕建造法和正造法等绿色组块建造工艺。
海洋工程焊接构造是一种大型、复杂、特殊工程构造。
它工作环境和构造形式都与普通普通船舶和陆上构造有很大区别。
在海洋工程构造建造过程中,涉及到大量钢材加工,焊接贯穿在各中华人民共和国造船学术论文个环节中,焊接工作量占有相称大比例。
良好焊接工艺是满足产品质量和可靠性有力保证。
焊接作业过程中产生噪声、光、化学烟尘,并且高空作业较多,污染环境,影响作业者健康。
绿色焊接在海油工程应用前景非常辽阔。
重要体当前开发节能高效工艺,采用高效、无弧光、无粉尘污染焊接材料和办法等方面,减少焊后打磨,提高劳动效率,改进作业环境。
管线加工在海油工程作业过程中占有很大比重,老式管线切割多采用火焰加工,产生大量烟尘和颗粒、热辐射,生产效率低,对环境导致负面影响。
高压水射流技术是一种符合当今可持续发展潮流绿色制造技术,具备点切割、切缝窄、切口质量好,工件不产生热变形等特点,很容易通过计算机实现自动控制,理论上可切割任何曲线形状破口。
3.4军船绿色制造技术
军船绿色制造技术是指在保证军船作战性能和技战术指标基本上,综合考虑环境影响和资源运用效率,参军船全生命周期概念出发,始终贯彻绿色制造理念,使军船从设计、建造、服役、维修、改装和退役整个过程中,对空气、土壤和水体等自然环境负面影响至少,资源耗费至少,且对人体具备良好保护,同步不断采用各种先进技术,合理选取和使用高技术、无污染材料设备,从而减少军船制导致本,提高资源运用率,实现军船绿色制造。
军船绿色设计涉及船型优化设计(船体构造、主尺度和型线):
开展轻量化设计,消除冗余功能:
开展动力节能设计(在满足军船动力规定前提下选用环保主机,采用高效推动方式,采用电子网络技术实时监控动力装置参数):
选用绿色环保材料(采用高强度轻质环保钢材,舱室绝缘材料采用新型环保节能保温材料,环保焊接材料,高效防腐绿色涂料);计算机虚拟仿真舰船建造。
采用先进建造技术是指以成组技术和统筹优化原理为指引,应用先进作业主流程,切割加工技术,总段建造技术,船体分道建造技术,精度控制技术,区域舾装技术,区域涂装技术等达到提高资源运用率目,采用先进工艺装备是指在军船建造中选用环保高效切割加工设备、涂装设施和废弃回收装置来实现军船绿色制造。
军船服役期间,涉及当代化改装和维修,是军船对自然环境影响最大核心期,为保护海洋和大气生态环境,实现军船绿色服役,防污染技术是核心问题。
军船绿色退役重要是指军船退役后,对可以重复运用零部件设备材料进行重复运用,而对不能重复运用要按照关于规定和公约进行回收解决,以最大运用资源和保护自然环境。
德国海军始终保持大力度采用最新技术应用于军船,特别是护卫舰上制造上,MEKO型舰是采用模块化技术造舰典型,原则模块采用,使得维修改装等十分快捷和以便,提高了资源运用率降劳动成本,在最新型F125级护卫舰设计上,采用了造船领域许多创新型概念和技术,如模块化、隐身技术、密闭技术、箱型梁等,设计人员将声、热、磁等信号特性减少到了也许达到最低限度。
同步动力系统采用“柴电燃气联合动力装置”(CODLAG),与“柴燃联合动力装置”(CODAG)相比,提高了动力性能和经济性,减少了维修费用。
3.5绿色制造技术在模具制造中应用
延长寿命模具设计:
延长产品寿命是绿色制造重要手段之一。
对于锻造模具,在提高模具寿命方面已有诸多办法,如对的选取分模面位置、选取恰当飞边槽、选取适当吨位锻造设备、在一副锻模上开设两个终锻模膛分别单独使用等。
对于冲压模具,如冲压间隙值合理选用、尽量压缩凸模工作某些长度、采用弹性卸料板、改进凸(凹)模构造如采用一模多形、一形两用和拼装式模具来提高模具运用率。
对于注塑模具,如采用随形冷却水道可提高注塑精度和模具使用寿命;将模具型芯由整体构造改为镶拼式构造,可解决模具变形问题,提高模具寿命。
模具绿色并行工程:
绿色并行工程是当代绿色产品设计和开发新模式,它核心是并行一体化设计,强调产品设计及其有关过程同步交叉进行,即在设计阶段就要考虑整个生命周期中从概念形成到产品报废解决所有环节和因素,如质量、成本、顾客规定、环境影响、资源消耗状况等。
因而,涉及产品整个生命周期各个某些小构成员必要协同工作。
对于模具设计,不但需要模具设计小构成员之间进行讨论,协调产品设计任务,并且其她部门如工艺、制造、质量等小组也要参加产品设计工作,对产品设计方案提出修改意见等,从而使得整个模具设计工作一次成功。
模具绿色制造工艺:
在模具绿色制造过程中,采用绿色制造工艺也是实现模具绿色制造一种重要环节,它是一种既能提高经济效益,又能同步减少环境影响工艺技术。
近来年,随着先进制造技术在模具行业推广,模具行业也向着绿色制造工艺方向努力。
当前,在模具行业中应用较为典型先进制造技术有:
迅速原型制造、虚拟制造技术、高速切削等。
3.6绿色制造技术在机械制造过程中应用
绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效益当代制造模式,气目的是产品从设计、毛坯制造、切削加工、热解决、装配、包装使用和维修到报废回收等全过程中对资源材料和能源消耗量至少,对环境污染最小。
在毛坯制造阶段,若毛坯粗糙、机加工余量较大,不尽消耗较多原材料,并且生产效率低下、因而在条件容许状况下课组织专业化毛坯制造,提高其精度;另一方面尽量采用先进制造技术,如高速切削等。
在热解决阶及表面镀层解决阶段,热解决时对工件加热和天然气煤气加热污染少,以燃煤燃油加热污染大;淬火、表面淬火等热解决在淬火时材料不同所使用冷却剂也不同。
因此不但要考虑通过热解决容易获得优良机械物理性能,还要老驴热解决过程中产生有毒有害物质对工人危害和对环境污染。
4、结论
作为新兴先进制造技术领域绿色制造,当前在国内来说尚处在起步阶段,关于绿色制造研究还处在比较分散状况,基本较差,绿色制造技术体系尚未形成,核心技术和装备比较缺少,大多数公司尚未结识到位。
已有绿色制造技术在公司推广应用也有一定难度。
绿色制造技术规定咱们在保证产品使用性能同步做到产品整个生命周期对环境干扰和负影响最小化,可持续发展和绿色制造模式已被各国政府和社会各界广泛接受,其研究与实践已成为不可扭转社会趋势,并逐渐向老式工业制造业发起挑战,并在国民经济各个领域均有着深刻而广泛应用,正在变化着市场方向。
老式机械制造技术诸多弊端在绿色制造中得以避免,因而实行机械产品绿色制造,是国内制造业发展必由之路。
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