机电产品绿色设计理论与方法 - 文章

机电产品绿色设计理论与方法

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文献综述

人类在发展经济的同时，对自然资源的肆意开发和对环境的无偿利用，已经造成了全球生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题，其中机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。据统计，造成全球环境污染的70%以上的排放物来自制造业，每年约产生55亿吨无害废物和7亿吨有害废物。整个人类的生存环境面临日益增长的机电产品废弃物的压力，以及资源日益缺乏的问题。1996年全球有2400万辆汽车报废，2000年全球有2000万台计算机被淘汰。而在我国，由于制造企业大多将注意力放在产品设计和制造阶段，很少考虑产品报废后的回收处理及再利用，很少从技术、经济与生态环境的协调发展的角度出发组织生产，因此问题相当严重。据有关资料统计，我国平均能源利用率为28%，而美国和日本分别为50%和57%；我国产品单位产值耗能1亿tbm，但国民产值仅为日本的25%；机械工业年耗钢材900万吨左右，金属利用率仅为60%。另外，三废的治理率也相当低，工业废水治理率仅为20%，工业废气治理率为56%，工业废渣治理率为50%。面对制造业如此严重的环境问题以及由它引起的社会经济结构变化（如企业业务重组、绿色贸易壁垒等），从本世纪70年代以来，旨在保护环境、实现资源和能源合理化利用的“绿色”行动在世界各国纷纷兴起，“生命周期评价”（Life Cycle Assessment）、“绿色产品” （Green Product）、“绿色设计”（Green Design）、“绿色制造”（Green Manufacturing）、“清洁化生产”（Cleaner Production）、“再制造工程”以及“绿色消费”（Green Consumption）等新理论、新方法、新概念不断涌现。

在这些众多的新思想中，绿色设计被认为是解决目前环境、人口和资源三大问题的重要手段。因为，国内外专家学者普遍认为产品的绿色性是设计出来，不是制造出来。为此，国内外众多研究机构（MIT、斯坦福、卡内基梅隆等）、企业（Benz、Motorola、Volvo、IBM等）和组织（CIRP、ASME、ISO等）都投入大量的人力、物力和财力进行相关研究，并取得了一定的成绩。下面对国内外在绿色设计及其相关领域的研究进行简要介绍。

1 绿色设计基本分析方法--产品生命周期评价

绿色产品及其生命周期评价研究涉及到材料科学、设计与制造科学、信息技术、资源及环境保护学以及系统工程理论等在内的多门学科，是一项极其复杂的系统工程。这一领域的相关研究工作有：

1）绿色产品及其评价指标体系研究

绿色产品概念的提出已有二十多年的历史。在其发展过程中，人们根据各自的理解为绿色产品下过多种定义，但到目前为止还未形成一个公认的、权威的定义，还有待继续进行研究。由于绿色产品是针对目前严重的环境问题提出的，因此现在有关绿色产品评价指标研究的重点放在产品的环境协调性方面，即主要考虑环境污染指标、能源消耗指标、资源消耗指标等。然而绿色产品是技术先进性、环境协调性和经济合理性的综合体现，因此简单地用环境协调性指标来确定产品的绿色性是不全面的。

2）生命周期评价（Life Cycle Assessment ，LCA）

a. LCA的发展过程

LCA是在19世纪60年代末、70年代初提出的，其主要分析评价的对象是产品的包装物。它按照当时的标准，对包装物的能源、资源消耗以及报废后的回收处理进行评价。到80年代初期，随着人们环境意识的不断增强，产品的LCA方法已广泛应用于各种各样的包装。例如，在欧洲，LCA已被广泛地应用于不同饮料包装物的环境评价。但由于当时采用的数据和方法不同，并未得到满意的结果，于是人们开始了LCA定额方法论研究。

从80年代末到现在，人们对产品LCA的兴趣逐渐增强，大量复杂的产品和系统需要进行评价和分析。人们根据自己的理解开始从不同的角度，用LCA的方法对不同的事物进行环境评价。例如政府机构用LCA制定约束环境行为的规章制度、法律；企业利用LCA进行产品开发、环境管理以及市场管理，用户用LCA来规范消费行为。

随着产品生命周期评价领域研究活动地增加，人们逐步将注意力集中到基本方法的研究上。1990年国际环境化学协会（The International Scientific Society of Environmental Chemists）、SETAC（Society of Environmental Toxicology and Chemistry）开始了LCA的研究工作。现有的研究机构如表1所示。

表1 LCA研究机构

b. LCA的研究现状

表2描述了在产品生命周期不同阶段的方法研究现状（SETAC’s，Code of Practice）。显然许多阶段还处于概念阶段，操作性较差，只有部分元素可以操作。

表2 产品生命周期评价方法研究现状（来源：SETAC）

1993年以后，世界各国的许多研究机构（如SETAC、丹麦技术大学的生命周期研究中心LCC等）都建立了许多工作组继续从事有关LCA的方法研究，力图使那些不能操作或操作性差的各类指标易于操作，现已取得了一定的进展。表3列出了一些LCA分析工具。在这些LCA工具或者方法中，Boustead Model是最早的LCA工具之一，该工具的数据库中大约有4000组单元数据，已经用于各种复杂的产品，尤其是在汽车行业中应用较广。但是该LCA工具无法进行环境影响评估。LCA Inventory Tool（瑞典）中的数据主要是关于制造、运输过程中的能量消耗方面的。该工具可用于复杂产品，比如电冰箱的LCA分析，但也没有环境影响评估功能。德国的GaBi LCA是全德语化的，其数据库中含有350个典型工艺的环境信息。Eco-Pro（瑞士）也是全德语化了的，它主要是针对包装材料开发的。OeKo-Base（瑞士）则是针对瑞士产品的包装材料开发的，也同样具有环境评估功能，但是不适用于复杂产品。Dutch SimaPro Tool则是专门针对复杂产品开发的。奔驰公司的Daimler-Benz 则是直接针对该公司的产品开发的，该工具全量化且完全具有环境影响评估功能。美国贝尔电话公司的Matrix approach 和数字公司的Pre-LCA 均属于半量化LCA工具，使用起来简捷，但是信息较为粗糙，在很大程度上还依靠人的主观判断，可用于复杂产品。遗憾的是，这些工具都还存在着这样那样的问题，还需要进一步完善。

表3 LCA工具总汇

c. LCA的标准化

国际标准化组织于1993年10月成立ISO/TC207环境管理技术委员会以来，为适应和推动全球性的环境管理需要，积极开展环境管理体系和工具方面的标准化工作，支持世界各国建立环境管理体系，加强环境管理措施以及规范企业及各种组织的活动、产品和服务的环境行为。到目前为止，已组织并制订20~30个有全球性影响的技术文件和国际标准，其中有关LCA的标准编制在ISO14040系列标准中，它们包括：

环境管理－生命周期评价－原则与框架
环境管理－生命周期评价－目标和范围的界定及清单分析
环境管理－生命周期评价－影响评价
环境管理生命周期评价 ISO 14042应用实例 (未来技术报告)
环境管理—生命周期评价—生命周期评价数据文件格式
ISO14041目标、范围定义和清单分析的应用实例

上述标准除第一和第二条分别于1999年和2000年发布外，其余都尚在起草之中。

另外，1995年5月，欧洲标准化组织CEN（Comité Europeén de Normalisation）发布了一个被称为CEN的报告。与ISO标准比较，它只是一个针对包装阶段的详细的指南而已。由于ISO和CEN的工作才刚起步，这些标准的制定受到不成熟的设计原则和对LCA的不同理解的影响，还有待进一步完善。

d. LCA的应用

虽然生命周期评价还不成熟，但它在人类社会生产活动中已初露锋芒。表4列举了LCA在丹麦的应用实例。

表4 丹麦产品环境评估的应用（1996）

3）国内外环境标志认证研究现状

绿色产品是一个相对概念，如何建立绿色产品评价指标体系以及如何评价产品的绿色度是绿色设计理论研究的一个十分重要的方面。目前，对绿色产品的评价主要集中在环境保护方面，即采用环境标志认证来认可绿色产品。图1所示为各国环境标志。

现在已经实施产品环境标志认证的国家很多，其评价通常采取如下步骤：

产品种类选择；
对初选产品种类进行产品整个生命周期的环境影响评价；
建立恰当的考核产品环境性能的标准值；
产品种类范围的精选。

其中对初选产品进行整个生命周期的环境影响评价是选择产品种类和制定绿色产品标准的依据，也是实施产品环境标志的核心。由于目前产品生命周期评价方法尚未规范和统一，且进行完整的产品生命周期评价需要大量的基础数据，因此，国外推行第三方认证绿色产品（环境标志产品）制度的一些国家采用了定性或简化定量产品生命周期评价方法来制定绿色产品的标准。如一些国家则只是简单地依据产品有利环境保护，有利于资源回收利用和对人体健康危害较小等一般原则作为制定绿色产品标准的依据。所以，各国的绿色产品评价指标与标准有一定的差异，发达国家的绿色产品评价标准明显高于发展中国家。下面简单介绍国外进行产品环境认证的情况。

德国采用名叫“蓝色天使”（Blue Angel）的环境标志对绿色产品进行认证，并在产品的环境标志制度中指出：在确定绿色产品标准时，必须始终考虑产品的生命周期，即考虑产品生命周期全过程中对环境造成危害的各个方面，包括考虑在产品的设计制造（包括原材料选用）、销售、运输、安装使用、最终处理过程中产生的有害物质、大气排放物、废水、对土壤的污染、噪音以及对能源和自然资源利用情况等。德国通常采用矩阵法来定性评价整个产品生命周期中最主要的环境影响。所采用的生命周期矩阵如表5所示。

表5 德国环境标志产品评价“生命周期”矩阵

然而为了更有效地进行产品评价，特别是对那些相互间竞争激烈的产品，只进行定性评价是不够的，还应采用定量的数据和分析手段。为此，德国联邦环境署提出了“分步生命周期”的评价方法，并用该方法来评价和制定了洗衣用洗涤剂的环境标准。此法分为三个步骤：

步骤一--筛选，此步骤是采用矩阵或清单分析方法来识别该产品生命周期中的主要阶段，并根据收集的有效数据来评价生命周期中主要阶段的环境影响，并依据消减此主要阶段的环境影响来制定标准。

步骤二--改进，此步骤是通过收集筛选步骤中未被采集完整的数据，并在此基础上进一步进行投入产出的定量分析来确定该产品生命周期的主要阶段及其影响，并修改标准。

步骤三--细化，此步骤是进行完整的定量生命周期评价，包括进行某些类型的影响评价，如全球变暖、资源耗竭等。

英国绿色产品标志的制定采用简化生命周期评价（Streamlined LCA）。其方法是首先从同类或相近产品中选择有代表性的一些产品进行生命周期评价。其评价目的不是对产品进行比较或得出有关被选择的具体产品的结论，而是鉴别产品生命周期中对环境影响最大的各个方面。该方法不试图对产品生命周期中各阶段的投入产出进行定量分析，而是依据专业人员的判断和获得的数据来获取相关影响因素的筛选步骤，同时估计该类产品生命周期中具体阶段可能产生的影响。例如对洗衣机环境标志的制定，首先采用现行的生命周期评价模式和基本数据，定量分析洗衣机所用原材料（如钢铁和塑料等）在生产中所产生的环境影响，并估算出洗衣机实际制造中总原料生产产生的影响所占的比例以及采用现行生命周期清单分析和影响评价来估算该产品生命周期其它阶段的环境影响。最后评价专家给出的评价结果是，洗衣机的环境标志标准应该重点放在考虑洗衣机使用阶段的能耗、水耗以及洗涤剂的消耗等问题上。

法国环境标志的标准制定明确规定采用生命周期评价中的清单分析法。其评价共分五步：

步骤一--对讨论的产品组进行市场调查和产品调查；
步骤二--从讨论的产品组中选出有市场和环境问题的代表性产品；
步骤三--对代表性产品进行生命周期清单分析；
步骤四--为了鉴别产品生命周期中与产品有关的主要环境问题，需要对产品生命周期清单分析的结果进行评价，即进行影响分析；
步骤五--组织专家组讨论并制定该类产品的环境标志标准，标准制定需注意下面几个方面：

·鉴别生命周期中的主要环境问题；
·减轻这些环境问题的可行技术；
·满足环境标志标准的经济可行性。

丹麦采用“定量和定性”相结合的生命周期评价方法。例如，在对纸制品的评价中首先采用简化生命周期方法对最初产品组进行定量和定性评价，然后根据生命周期清单分析找出产品生命周期的关键影响阶段和主要的环境问题，并进行更深入的影响评价以制定标准。

其它一些国家如加拿大、荷兰、北欧国家以及美国的民间环境标志——绿色标章（Green Seal）等都和上述国家相类似，在进行产品环境标志认证或制定标准时，大都采用定性生命周期评价方法，找出产品生命周期中最主要的阶段和最主要的环境影响，即能够反映该产品全部环境行为的最主要特征，针对削减产品的主要环境影响来制定标准。

也有一些国家不采用生命周期评价方法，如日本、新加坡、新西兰等国家是采用有利于环境的一般原则来评估和制定绿色产品评价标准。例如：

·产品使用中对环境的影响最小；
·产品使用能极大地改善环境；
·产品报废后的最终处理对环境的影响最小；
·对改善环境有明显的作用。

附加标准包括如下：

·产品在制造阶段有适宜的污染控制措施；
·产品易于最终处理；
·符合质量和安全的各种案例和标准；
·价格比同类产品不宜高得太多。

此外，有些部门和行业也根据自己的行业特征制定了自己的产品环境认证标准，如美国IBM公司生产的绿色电脑是以能源消耗情况来评价的，而电冰箱行业则以是否使用了含氯氟烷烃物质的制冷剂和发泡剂来衡量产品的环境协调性的。

为了给世界各国提供一个统一的环境标志认证，国际标准化组织也在进行产品环境标志认证方面的标准化工作，其中有关环境标志的标准编制在ISO14020中，它们包括：

·环境管理—环境标志和声明－通用原则
·环境管理—环境标志和声明－自我声明的环境宣言
·环境管理—环境标志和声明－I型环境标志－指导原则和程序
·环境管理—环境标志和声明－III 型环境声明

上述标准中前三条均已发布，第四条正在制定之中。

从上面的分析可以看出，虽然人们已经在绿色产品和生命周期评价方面进行了一些研究工作，但是仍存在很多问题有待解决。

·对绿色产品的理解不成熟，缺乏合理的绿色产品评价体系。目前各个公司都在大打“绿色”这张牌，纷纷宣称自己的产品是“绿色”的。然而由于至今没有统一、公认、权威的绿色产品定义和评价体系。因此给市场、用户以及绿色产品的认证工作带来诸多不便，甚至对消费者产生误导。

·生命周期评价的理论还不完善，还不能完全定量地对绿色产品进行评价。这一方面归咎于产品生命周期的数据采集工作不够完善，特别是一些难于定量的数据；另一方面也在于评价方法不成熟，例如排放物对人体健康的影响评价方法。目前主要采用数理统计学的知识，通过描述剂量-反应关系来推测，由于对人体的致病机理不了解，建立的健康评价和预测模型往往存在很大的不确定性。因此，生命周期评价还有待从理论上加以完善。

·生命周期评价的方法还不完善。由于生命周期评价针对的是产品的整个生命周期，包括从原材料制备到产品报废后的回收处理及再利用全过程，涉及的内容具有很大的时空跨度，另外，市场上的产品种类众多，产品的复杂程度不一，生命周期评价的对象具有多样性和复杂性。因此，到目前为止，仍没有一套有效的真正意义上的生命周期评价方法和支持工具应用于实际生产中，以指导产品的设计和产品的绿色度评价。

2 绿色设计中的材料选择与绿色材料的开发

2.1 绿色设计中的材料选择

材料选择是实现绿色产品的关键和前提。如何改变现有设计中只注重材料技术性能和经济性的材料选择思路，将环境问题纳入设计开发之中，已经成为绿色设计的重要内容。在材料选择方面，主要的研究工作表现在下面几个方面：

·研究绿色设计中的选材准则，如提出了优先选用可再生材料，尽量选用回收材料，尽量选择环境兼容性好的材料，尽量选用可降解材料等准则。

·建立材料的环境负担数据库和专家系统，针对现有材料，收集整理其生命周期的各种环境数据（如生产过程中的三废排放）和知识（如材料对人体健康的损害），为材料的环境协调性评价提供信息支持。

·研究材料生命周期评价的方法，其材料绿色特性评估流程图2。该图包括从原材料到成品材料的资源循环流程、从成品材料到制成品的材料循环流程以及从产品使用到报废后的物资循环流程三个过程。材料的绿色特性评估就是针对这一流程进行能源、资源、环保、劳保几方面的评价。图中Mx表示资源中心流，MxD表示待处理的废物，MxC表示材料生产过程的材料循环流，MxR表示再生材料流，Px表示产品生产过程中心流，PxD表示待处理的废物，PxC表示产品生产过程的材料循环流，PxR表示产品生产过程的再生材料流，Cx表示产品中心流，CxD表示产品报废后材料的回收处理，CxR表示产品报废后的材料再生流。

·开发各种评价系统计算机软件。Bock提供了一种选择材料和工艺的方法，即CAMPS（计算机辅助材料及工艺选择）的交互式专家系统。该系统使用交互式询问法和内在规则机制，模拟设计人员在选择某一组材料和工艺时的思维。CAMPS主要包括四个模块：（1）筛选模块，主要用于从材料数据库获取信息；（2）基于知识采集和咨询规则的模块；（3）设计分析模块，它使用有限元法来检查设计标准；（4）估计制造、表面加工和装配成本的模块。该模型的重点是把专家系统应用在工程设计及制造上。MCC公司提出应建立包含各种材料特性信息（如环境相容性、效率、风险及毒性、置换可能性、功能特性、制造性能、环境持久性、能量消耗、多用性、废物转化和成本等等）在内的材料数据库。

2.2 绿色材料研究领域

所谓绿色材料，是指在满足一般功能要求的前提下，具有良好的环境兼容性的材料。绿色材料在制备、使用以及用后处置等生命周期的各阶段，应具有最大的资源利用率和最小的环境影响。绿色材料也被称为生态材料（Eco-material）或环境意识材料（Environmentally Conscious Materials）。文献[##]对这方面的研究作了很好的总结，并给出了目前绿色材料发展的诸多方向：如材料的轻量化设计，材料的长寿命设计，生物降解材料的开发等。目前，有关绿色材料的开发工作已经取得了一定的进展，例如英国ICI综合化学公司利用名为Alcaligences eutrophus的微生物将葡萄糖和丙酸发酵合成为共聚聚酯，并已上市；美国的瓦那.兰巴特制药公司已率先推出了药用淀粉胶囊以及热塑性生物降解塑料；意大利孟特爱迪生集团的诺瓦孟特公司也用淀粉和变性聚乙烯醇的混合物开发了名为“Mater-Bi”的生物降解塑料；日本的工业技术院四国工业技术研究所也开发出了纤维素、脱乙酰多糖天然高分子的复合生物降解塑料等。

3清洁生产的研究

清洁生产是实现绿色制造的重要一环。1992年在里约联合国环发大会上，清洁生产被正式承认为可持续发展的先决条件。《中国21世纪议程》中也将其列入其中，并制定了相应的法律。

清洁生产要求对产品及其工艺不断实施综合的预防性措施，它要求在提高生产效率的同时必须兼顾削减或消除危险废物及其它有毒化学品的用量，改善劳动条件，减少对操作者的健康威胁，并能生产出安全的与环境兼容的产品。

有关清洁生产的研究清洁生产的实现途径包括：

·改变原材料投入，有用副产品的利用，回收产品的再利用，以及对原材料的就地再利用，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，对原有设备改造，将原材料消耗量、废物产生量、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；美国实行的《污染防止法规》提到的污染防止也与清洁技术密切相关。

·加强生产管理，有效的生产管理被认为是经济有效地减少环境污染、节省资源能源的方法。

从设计的角度来看，有关生产阶段的设计研究主要表现为对工艺方案的评价与比选：文献##中提出了一种基于环境意识的分层结构零件工艺制定策略，从微观工艺（零件特征基础上的工艺优化）和宏观工艺（通过对几何形态和加工过程的分析决定特征加工顺序，解决特征干涉问题）两方面来分析零件各特征的加工工艺，包括加工顺序、加工参数、切削工具、切削液、加工质量以及环境评估，实现了从更基本的特征单元来评估工艺设计和决策对环境的影响。文献##分析了金属成型工业中的清洁工艺问题，指出了各种润滑剂的使用造成的环境影响，并指出需进一步研究能量和资源消耗的影响。文献##详细分析了电物理加工（激光、电火花加工等）和电化学加工（电离、沉降等）对环境的影响，并提出了一些改进的措施。作者指出，虽然这些加工方法有很多优点，但是由此造成的环境负担也很大，对操作者的健康也存在这极大的威胁，需要引起人们的高度重视。还有一些研究集中在清洁生产中的安全与健康问题。如用无铅钎料或导电性胶粘剂替换锡铅钎料，从而减少对毒性较大的铅的使用。还有铍的代用，制冷用CFC（氟利昂）及CHC（氯氢化合物）的代用品的研究。另外，还有一些研究从选择合理的毛坯、合理的加工工艺以及优化下料等角度，讨论了如何通过合理的工艺规划，实现节省资源的目的。

4 绿色包装的研究

产品的包装已经成为绿色设计与制造的一个研究热点。各式各样的废弃包装物占据了废弃物中很大的份额。据报道，1990年美国约产生2亿吨城市固体废物，其中1/3为产品包装[i]。这些包装材料的使用和废弃后的处置给环境带来了极大的负担。尤其是一些塑料和复合化工产品，很多是难以回收和再利用的，有的材料的降解周期甚至长达上百年，只能焚烧或掩埋处理，给环境带来了极大的危害。为此，许多发达国家都制定了欧洲标准委员会最近制定了新的规定，强调要在包装物的设计制造中就考虑包装品使用后能够尽量被回收，从而减少对环境的污染。欧共体则从包装品的生产及其成分，可被多次运输及使用和再利用三个方面实施新的环境标准。1993年，德国还颁布了“回收”法令，强制要求制造商回收所有的包装材料。一方面要求制造商减少包装材料的使用，另一方面也要求减少有毒（害）材料的使用（税收相对较重）。产品包装一方面应摒弃求新、求异的消费理念，另一方面应该从设计的角度，去改善现有产品包装浪费资源、污染环境以及处置费用昂贵的不足，关于绿色包装设计方面的研究主要集中在：

1) 选择和开发绿色包装材料，例如，英国ICI综合化学公司利用名为Alcaligences eutrophus的微生物，由葡萄糖和丙酸发酵生产出名为Biopol的“生态聚合物”，这种聚合物可以融化、注塑和回收，性能和基于石油的塑料非常近似。而且，废弃后可以完全分解为二氧化碳。由于该材料的年产量仅有600t左右，价格3000日元/kg，非常昂贵，因此这种产品目前主要应用于医疗器械和高档化妆品的包装。但由于可降解材料的研究才刚刚起步，在品种和材料特性等方面还远远不能满足人们的要求。

2) 尽量使用回收得到的材料用于产品包装，回收重用包装材料，不仅能提高包装材料的利用率，减少生产成本，而且可以在包装材料的形成过程中节省大量的能源和其他的资源消耗，同时减少对环境的排放。例如目前铝制饮料罐在世界上非常流行，在日本铝制饮料罐的年产量高达三十几万吨，占铝总产量的8%，而将废铝罐再生成铝罐的年生产能力只有约2万吨，只占回收量的1/4~1/3。然而在铝的生产过程中的能量消耗主要是在脱氧阶段，而金属铝的再生只需适当加热熔化，其能量消耗只占原铝（从氧化物提炼的纯铝）生产过程能耗的1/20。另外，金属铝的再生还可以减少对宝贵的不可再生资源铝矾土的开发（回收一吨废铝可节省五吨铝矾土），因此通过加大废铝罐的收集、分类力度，经过一些加工实现铝的重用，将产生巨大的社会和经济效益。

3) 尽量选用无毒性材料，减少危险材料的使用；包装设计时应该尽量避免采用有毒有害的包装材料。欧美一些发达国家对此已有越来越严格的立法和规定，要求减少和避免使用含铅、铬、镉等对人体健康和生态环境有害的材料；一些国家和组织还限制PVC（聚氯乙稀）等材料的使用，以减少其制造和废弃后对环境造成的危害，尤其是对添加了Phthalate（邻苯二甲酸酯，一种增加PVC塑性的材料）的PVC，因为这种添加剂极易污染所包装的食品，对人体健康有很大损害。

4）改进产品结构，改善包装

改进产品结构，减少重量，也可改善包装，降低成本并减小对环境的不利影响。如增加产品的结构强度及其抗破坏能力，从而降低对包装材料的要求。DEC公司的研究表明，增加其产品的内部结构强度，可以减少54％的包装材料需求，并可降低62％的包装费用[ii]。

5 绿色产品使用维修的研究

对产品使用的研究目前主要集中在两个领域：延长产品的使用周期和减少使用中的能源浪费及环境污染。

1）延长产品的生命周期

尽量延长产品的生命周期是一个在绿色产品设计中应给予足够重视的问题。显而易见，延长产品的生命周期可以最终减少产品报废后的各种处置工作，从而提高资源利用率，减少对环境的负面影响。要延长产品的生命周期，增加产品的可维护性是一个重要的方法，而要实现产品的易于维护性，必须在设计阶段就考虑产品的拆卸性，尤其是易损件应易于拆卸和维修。这正是面向可维护性的设计DFM（Design for Maintenance）所研究的内容。

2）面向能源节省的设计（DFES）

已经越来越多的人在关注产品的使用所消耗的资源及其给环境带来的负担。英国政府统计服务局在一份报告中估计，1994年英国的电视机和录像机耗电8.3TWh（1TWh=1.0×109KWh）；而其中有1TWh以上（约12％）基本上耗费在用处极小的场合，其实这些设备完全不工作，只在等待遥控命令。最差者是录像机，它们消耗的电能达2.1TWh，其中约90%不是用于观看录像。德国联邦环境署的研究表明，德国家庭和办公室消耗的电力中，至少有11％是被处于待机方式的设备消耗掉。美国能源部估计，美国每年要为关机的电视机和录像机支付约10亿美元的电费[iii]。待机功耗已经引起了社会的广泛重视。

美国能源署在1993年推出的“能源之星”计划促进了计算机类产品在节能方面的发展。计划要求计算机在待机状态时，其耗电量应低于60W，其中主机和显示器均低于30W，凡此要求的计算机均可在其外包装上注明“Energy Star”标志。并且规定政府机构只能选购符合能源之星标准的计算机类产品。

预计到2000年，美国仅使用“能源之星”环保标志一项所节约的能源就可达260亿KWh，相当于少建10个电厂。因此在产品的设计阶段，对其使用造成的能源消耗问题应给予足够的重视。这正是面向能源节省的设计DFES（Design for Energy Saving）所研究的内容。

减少能源需求可以通过减少实际应用能源消耗和减少待机能源消耗来实现。许多人研究了产品在实际使用中节约能源的问题[iv]。为了减少各类产品特别是家电类产品的待机功耗问题，人们也进行了许多研究。如利用新型开关电源（SMPS）来解决待机功耗的问题。Philips公司研制的SMPS多芯片电源模块，被称为“绿色芯片”（Green Chip），它以绿色设计为目标，可以使许多电源在转入闲置待机方式时功耗大减。

面向能源节省的研究也关心产品的储存和运输环节。产品的运输也要消耗能源，产生污染。如汽车运输要消耗燃油，汽车尾气的污染等也会对环境产生一定的影响。减少产品的重量、减小产品的体积可能会减轻产品的运输给环境带来的负担。

6 面向回收的设计（DFR）

产品的回收在其生命周期工程中占有重要的位置，正是通过各种各样的回收策略，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入下一个生命周期的循环之中。可见，回收是实现生态工业的先决条件，它在产品的绿色制造中扮演着重要的角色。面向回收的设计DFR（Design for Recycling）正在引起人们的高度重视。

废弃产品的回收利用能减轻对原材料的消耗，同时减少废弃物对环境的危害。产品能否方便拆卸直接影响到产品的可回收性。在美国、欧洲、日本，国家指定的回收法规引起学术界和工业界的高度重视，许多学者和研究人员针对产品的可回收性提出了各自的理论。L. Alting等人提出了面向回收的设计（DFR-Design For Recycling）的概念，即在产品设计时，就考虑到产品未来的回收及再利用问题，则可以使产品、零件的回收利用率大为提高，从而可以节约材料及能源，并对环境影响最小。可回收性设计主要包括：可回收材料及标志、可回收工艺及方法、可回收经济性及可回收产品及零部件的结构设计等等。面向回收的设计思想，使产品设计师能考虑产品生命周期的全过程，既减少了对环境的影响，又使资源得到充分利用，同时还明显降低了产品成本。美、德、日等国家在汽车、家电等行业应用面向回收的产品设计思想，取得了良好的社会、经济效益。德国奔驰汽车公司在汽车的整个生命周期（包括设计、制造、使用、维护和报废）都体现回收利用的概念。从汽车设计开始，就注重汽车的可回收性，在生产、使用过程中产生的废弃物、废能、废气、废液等做到全部回收，到报废时，汽车本身再拆解回收、利用。大众汽车公司已将可回收设计法应用于新一代汽车开发。欧委会成立了有政府和工业界代表组成的工作组，着手提高废旧汽车的回收利用率，该工作组制订的规范激励制造商将汽车设计得更易拆解回收，减少不易于回收利用的材料种类和数量，促进应用可回收利用的材料及零部件。日本丰田、本田、马自达等各大汽车公司都积极开展了汽车的可回收性设计，开发回收利用新技术。柯达公司采用可回收性设计思想开发的“相迷救星”相机销量最大，赢利最高。

1）回收策略

产品的一般回收策略可分为使用中的回收和使用后的回收两类，它们包括：继续使用（Reusing）、重新使用（Using on）、继续利用（Reutilization）和重新利用（Utilizing on），参见表2。

表2 寿命终了产品及其零部件回收利用的各种形式

目前，回收主要还局限于材料的回收，而且是一般通过压碎后再分类的方法进行回收，显然压碎后的材料混合在一起，难于分离，回收效率低、难度大。因此，如何加强零部件的回收再利用是一个值得研究的课题[vi]。而面向拆卸的设计DFD（Design for Disassembly）目的正在于此。

2）面向拆卸的设计DFD

拆卸被定义为系统地从装配体上拆除其组成零部件的过程，并保证不对目标零部件造成损害[vii]。拆卸分为破坏性拆卸（Destructive Disassembly）和非破坏性拆卸（Non-destructive Disassembly）两种。目前对DFD的研究主要集中于非破坏性拆卸。

拆卸是实现有效回收策略的重要手段。只有拆卸才能实现完全的材料回收和可能的零部件再利用。而只有在产品设计的初始阶段，就将报废后的拆卸问题考虑进来，才能实现产品最终的高效回收。表3是一些通用的DFD设计准则。

表3 目前被广泛接受的DFD准则[viii]

拆卸可能会应用于以下领域：

·再使用和再制造：DFD使得产品易于分离，从而实现产品的再制造和再使用。
·维修：DFD使得产品易于拆卸，易于维修。
·材料回收：DFD可以帮助实现有用材料的回收和危险材料的去除。

目前DFD主要集中在以下三个阶段性研究上：

·收集、分类和归纳DFD的有关知识。
·拆卸可能性的量化评估。
·创建新的DFD方法和工具，并且这些工具一般是与CAD设计集成的专家系统。

现在绝大多数的研究主要在第一步和第二步之间。少数人正在开发与CAD集成的DFD专家系统。关于DFD早期的研究可参考文献[ix][x][xi]。早期的研究常常局限于面向装配的设计DFA（Design for Assembly）之中。实际上，DFD和DFA在内容上有较大的差别[xii]。近期的研究主要集中在拆卸顺序、拆卸路径分析和评估工具的开发[xiii][xiv][xv]。

文献[xvi]开发了一种拆卸顺序的决策方法。在文献[xvii]中，Ishii介绍了用倒鱼骨图来表示拆卸顺序的方法，与装配图相似，倒鱼骨图也可以标识出每一个拆卸步骤，这主要通过标识其拆卸所需工装需求、定位要求和拆除方向来实现。Gu和Yan提出了一种基于图论的启发式方法，可以自动地借助特征数据库生成拆卸顺序[xviii]。与强调非破坏性拆卸的Gu和Yan不同，Lee和Gadh提出了一种基于破坏性拆卸的DFD算法[xix]。文献[xx]研究了用后产品的拆卸和回收的经济和环境问题，并对一些家用产品进行了分析。他们还开发了基于最佳经济利益的最优拆卸顺序。Kuo和Zhang等开发了一种基于图形搜索机制的拆卸顺序优化方法[xxi]。文献29利用Petri网模型来进行拆卸过程规划。

也有人借助产品的几何信息来对其可拆卸性进行评估。产品的可拆卸性指某部件是否可从其装配体上拆除及相关的难易程度。Woo开发了一种算法通过分析部件和其它部分的结合面来判断其可拆卸性[xxii]。Beasley和Martin对拆卸时的运动进行了研究[xxiii]，其中既考虑了局部几何信息也考虑了全局几何信息。局部的几何运动可行性依赖于是否存在微小的移动，这取决于两个零部件之间的表面接触。全局的几何运动的可行性依赖于在某个方向上是否可进行有限的移动。这不但取决于相邻零部件的关系，而且取决于整个装配体之间的关系。Srinivasan和Gadh通过产品可拆卸性矩阵对产品可拆卸性进行了量化评估，并提出了“虚拟拆卸”的概念27。虚拟拆卸允许设计者在一个虚拟环境中评估产品的可拆卸性。Bras在面向产品退役的设计中对ABC（Activity-Based-Costing）方法进行了研究，并借助该方法对不同的设计方案进行评估[xxiv]。Kroll开发了一个打分系统，通过分析产品拆卸的各项工作的难度，从总体上评价产品设计的有效性。

拆卸的深度也是一个值得研究的领域。拆卸成本与所用的时间和拆下的零部件的多少基本成正比，因而，部分拆卸可能是更经济使用的。Simon提出了一种零部件拆卸的目标体系以帮助判断拆卸应何时终止。根据由高到低的顺序，该体系由继续使用、重新制造、高级材料的回收、低级材料的回收、材料焚烧的热能利用和掩埋等组成[xxv]。图5表示了考虑拆卸时的产品处置的总成本。

图5 考虑拆卸时的处置总成本[xxvi]

Ishii提出了“群”（Clump）的概念[xxvii]。群是具有共同应用特性的零部件的集合或子装配体。这里，材料的兼容性是一个关键的问题。

在拆卸方法方面，柏林工大IWF提出了四阶段法：包括产品分析、装配分析、使用模式和后果分析以及决定拆卸策略。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (11/28/2004)


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