绿色制造技术及其应用进展综述

绿色制造技术及其应用进展综述王亚杰（机电工程学院132080203015）摘要：随着人类社会的可持续发展，绿色制造技术成为我国制造业中一项新的重要课题。绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、使用、报废处理、回收再生与复用的整个产品全生命周期中，对环境的负影响最小，资源利用率尽可能高，并使企业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的现状以及技术体系框架，并介绍了绿色制造技术在一些领域的应用情况。关键字：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，全球经济以前所未有的高速度持续发展。但由于忽略了环境污染，结果带来了全球变暖、臭氧层破坏、酸雨、空气污染、水源污染、土地沙化等等恶果。与此同时，大量消费品因生命周期的缩短，造成废旧产品数量猛增。并且据统计，造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业。要想从根本上彻底解决该环境污染问题，必须从源头上进行治理。具体到制造业，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。专家学者普遍认为绿色制造(GreenManufacturing)是解决该问题的根本方法和途径，是21世纪制造业和可持续发展的必由之路。1、绿色制造技术的相关概念及技术体系绿色制造技术(GreenManufacturingTechnology简称GMT)，是指在产品的整个生命周期过程中持续地运用一体化、预防性的环境保护战略，以达到优化资源和能源的合理利用，并对环境产生的污染最小化，保护劳动者的安全和健康，并且向市场提供极具竞争力的绿色产品，从而最终实现经济、环境和人类社会的可持续发展。制造业对环境的影响贯穿于产品生命周期的各个阶段。L.Alting提出将产品的生命周期划分为六个阶段:需求识别、设计开发、制造、运输、使用以及处置或回收。R.Zust等人进一步将产品的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的其它各个阶段）、产品制造(加工和装配)、产品使用及最后的产品处置(包括解体或拆卸、再使用、回收、开发、焚烧及掩埋)。绿色制造技术的核心就是在节能环保的要求下完成对机械产品的研发以及生产，所体现出来的是一种可持续性，即在产品的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）。简单来讲，绿色制造技术由绿色设计、绿色制造、绿色处理三部分组成，全面考虑产品的整个生命周期对环境的影响。1.1绿色设计绿色设计是在产品及其寿命的全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响和产品的环境属性(如:可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为一个重要的指导原则，充分考虑产品的性能、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负影响降到最低水平。在设计过程中使材料选择、结构设计、工艺设计、包装运输设计、使用维护设计、拆卸回收设计、报废处置设计等多个设计阶段同时进行、相互协调，各阶段和整体设计方案、分析评价结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的设计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的新潮流。对工业设计而言，绿色设计的核心是“3R”即Reduce、Reuse、Recycle，不仅要减少物质和能源的消耗，减少有物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类回收并再生循环或重新利用。设计阶段是产品生命周期的源头，从源头控制环境要素无疑是最有效的方法。搞好绿色设计，意味着从源头实现废弃物的最小化或污染预防，特别是几乎决定了产品设计之后的其他过程的走向，因此绿色设计是绿色制造技术的核心。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的现在制作模式。以过去传统的制造技术为基础，使用当代的先进制造技术和新的材料，使得制造的产品质量高、成本低，对环境的污染小，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的减量化和源头控制，并有利于资源循环利用。因此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、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发制造及其活动对环境的影响，使产品在整个生命周期中对环境的负影响最小，资源利用率最高。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的材料和材料制品，也包括那些对人类、环境有危害，但采取适当的措施后就可以减少或消除的材料及制成品。绿色制造中所强调的绿色材料是指在满足一定功能要求的前提下，具有良好的环境兼容性的材料，因此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的重要一环，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的工艺技术。绿色工艺的实现途径具体包括:加强对自然资源使用以及空气、土壤、水体和废物排放的环境评价，根据环境负荷的相对尺度，确定其对生物多样性、人体健康、自然资源的影响评价；改变原材料投人，有用副产品的利用，回收产品的再利用以及对材料的就地再利用，特别是在工艺过程中的循环利用；改变生产工艺或制造技术，改善工艺控制，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的损坏减少到最低程度。1.2.3绿色包装绿色包装指的是在产品处于包装环节时，包装材料以及包装工艺应该符合节能的要求。在机械产品进行包装过程中，不仅要保证产品包装精美、质量优良。也要考虑到包装材料的成本，以及是否具有可降解性、可回收性。在产品的包装阶段，要考虑到包装材料环保性，并结装材料的耐用性，选择循环利用率高、节能环保的高科技绿色材料，如多次循环利用并自行降解的绿色包装材料的选择。当今世界主要工业国要求包装应做到“3R1D”(Reduce、Reuse、Recycle、Degradable)原则。1.3绿色处理绿色处理是指上一个生命周期报废的产品通过有效的回收又进入下一个生命周期的循环中。为了便于产品的绿色处理，一是设计之初就要考虑产品的材料和结构设计，如采用面向拆卸的设计方法、模块化的设计方法；二是发展绿色再制造技术，如再制造加工、过时产品的性能升级等。产品的绿色处理在其生命周期中占有重要的位置，通过各种回收策略，产品的生命周期形成了一个闭合的回路。寿命终了的产品最终通过回收又进人下一个生命周期的循环之中，使产品具有多生命周期的属性。对于产品的可回收性设计，应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。2、国内外绿色制造技术的研究现状和所取得的成果2.1国外研究现状和所取得的成果美国、日本、德国等发达国家在这方面都取得了不少成果。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，该项目的主要研究范围是产品技术、生产技术、拆卸技术回收技术，并且确定了每一范围的研究对象。1996年，美国制造工程师学会(SME)发表了关于绿色制造的蓝皮书《GreenManufacturing)，提出了绿色设计和绿色制造的概念，并对其内涵和作用等问题进行了系统的介绍，最近，SME又在国际互联网上发表“绿色制造的发展趋势”的网上主题报告。日本通产省从1992年开始实施“生态工厂”的10年计划，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、材料处理、加工和装配等阶段的研究；对恢复系统工厂，则致力于产品生命周期结束时材料处理和回收的研究。1991年德国政府开始实施环境保护“绿色计划”，目前已有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。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。2.2国内研究现状和所取得的成果我国对该领域的研究和应用相对滞后，还处在起步阶段。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一些研究探索。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，对产品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，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关键技术及回收指标评价体系的研究。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。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的专业队伍，为我国绿色制造技术产业的发展取得了一定的人才和技术支持。3、绿色制造技术在一些领域的具体应用3.1绿色制造技术在机床中的应用在机床的设计中，绿色生态机床提出一种全新理念：减少机床的量，节省材料；同时降低机床使用时的能源消耗。现有机床质繁的80％用于“保证”机床的刚度，而只有20％用于满足机床运动学的需要。因此可以通过采用新结构和新材料两个途径对机床结构进行优化。并联机床和箱中箱结构机床为机床的结构提出了新的思路；树脂混凝土(或称矿物铸造、人造花岗石)、碳素纤维、陶瓷和复合材料等新材料的使用也使机床的质量大大降低，并且具有阻尼系数大、抗振性强、热稳定性好等一系列的优点。在加工过程的改进方面，在切削加工过程中通常需要使用切削液。切削液的采购、存贮、使用需要专门的技术和物流系统，费用很高，大约占加工成本10％到15％。切削液使用与处置不当会对环境造成污染，甚至对人的健康造成危害。随着对环保的重视。针对这种状况，采用干切削和微量润滑(MQL)技术可以节省成本并替代高成本、高污染和有害健康的湿切削过程，促进机床的绿色化。废旧机床的再制造工程是以产品的全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、环保为目标，以先进技术和产业化为手段，恢复或改造废旧机床的一系列技术措施或工程活动的总称。废旧机床的绿色再制造是废旧机床高科技维修的产业化，它的成本仅是新品的50％左右，节能60％，节材70％以上，而再制造后的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的应用亚干式加工是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去切削液及其处理等大量费用，可降低生产成本。相对传统(湿式)深孔钻削中大量使用切削液进行冷却、润滑、排屑，造成环境污染和成本增加的问题，在整个制造过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。亚干式深孔钻削中的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