绿色包装机械设计关键技术探讨

作者：河南科技大学 武瑞之 魏风军

欢迎访问e展厅 展厅 8 CAD硬件/先进制造技术展厅 图形工作站, 绘图仪/大幅面打印机, 3D控制器/3D鼠标, ... 摘要：从绿色产品设计的内涵和特点出发，用全生命周期、并行工程、可拆卸性和模块化的设计方法，研究了绿色包装机械设计所需的关键技术，阐述了包装机械进行绿色设计的必要性和紧迫性。 关键词：包装机械；绿色产品设计；可持续发展；关键技术 20世纪70年代以来，工业污染所导致的全球性环境恶化，达到了前所未有的程度，日益严重的生态危机要求世界各国加强环境保护，以拯救人类赖以生存的地球，确保人类的生活质量和经济的可持续发展。进入90年代以来，尤其是1992年6月世界环境与发展大会通过《21世纪议程》以后，各国的环保战略经历了一场新的转变，全球的产业结构调整呈现出新的绿色战略趋势，这就是向资源利用合理化、废弃物生产少量化、对环境无污染、少污染的方向发展。在这种“绿色浪潮”的推动下，绿色设计应运而生，相应地绿色产品设计技术也成为目前国内外的研究热点。 包装机械是现代包装工业生产包装产品的最主要的技术设备，随着高新技术向包装机械行业的日益渗透，一方面人们不断开发新产品，刺激消费并淘汰旧产品，另一方面在消耗资源进行大量生产的同时，废弃物不断增加，对环境造成极大的危害。因此，必须改变传统的包装机械设计及开发模式，在设计阶段就要考虑到使包装机械在其全生命周期中(设计、加工制造、装配、使用、维修直至废弃后处理处置过程)对环境无影响或使影响最小化、资源低耗、易于回收等绿色特性，即进行绿色设计。 1 绿色产品设计的内涵与特点 1.1 绿色产品设计的内涵 绿色产品是指在其全生命周期过程中，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。绿色产品设计是以环境资源的保护为核心的产品设计过程。在产品的整个生命周期内，优先考虑产品环境属性(自然资源的利用、对环填和人的影响、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。 1.2 绿色产品设计与传统产品设计的区别 在传统的产品设计中，设计仅涉及到产品寿命周期的市场分析、产品设计、工艺设计、制造(CAD／CAPP／CAM)、销售及售后服务等几个阶段，而且设计也多是从企业自身的发展和经济利益出发，仅仅考虑如何满足用户要求，满足产品的基本属性(如基本功能、质量、寿命、成本等)，而不考虑或很少考虑环境属性，其设计指导原则是只要产品易于制造，并且具有要求的功能、性能即可。 而绿色产品设计则不同，它包括概念设计、功能结构设计、生产制造设计、使用直至废弃后的回收、再利用及处理等内容，目口进行产品的全生命周期设计，是从“摇篮到再现”的过程。它要求设计人员在设计中应用并行工程的思想，把资源利用合理化，降低能源，易于拆卸，使之可再生利用和保护生态环境，与保证产品的功能、质量、使用寿命和成本的各要求列为同等的设计目标，并保证在生产中能够顺利实施。绿色产品设计可使资源、能源得到最大限度的利用，减轻或消除废弃产品对环境所造成的污染，是可持续发展的具体表现。 1.3 绿色产品设计的特点 1)产品设计的闭环设计过程。传统产品的全生命周期是指从设计、制造直至废弃的所有阶段，而产品废弃后的各个环节则没有被考虑，是一个开环过程。绿色设计的产品全生命周期除具有传统产品生命周期各阶段外，还包括产品废弃后的拆卸回收、处理及处置，是一个闭环过程。 2)节约资源和能源。绿色产品设计从整体上优化了产品性能，使组成产品的零部件和材料得到充分有效地利用，减少了对材料资源及能源的需求，减缓了资源消耗，使其以合理地、持续地使用。 3)从源头上减少环境污染绿色产品设计减少了废弃物的产生，减少了大量垃圾处理所造成的种种棘手问题。 4)有利于保护环境维护生态系统的平衡和实现可持续发展是绿色产品设计的核心所在。绿色产品设计可以预先设法防止产品及工艺对环境产生的负作用。 2 绿色包装机械设计的关键技术 2.1 包装机械的结构设计 目前，包装产品已趋向精致化及多元化，在这种大环境变化下，多元化、弹性化且具有多种切换功能的包装机械方能适应市场需求。正基于此，绿色包装机械的结构设计除应满足进行工商业产品包装功能的基本要求外，主要考虑提高资源利用率，结构易于拆卸和回收处理。较低的资源消耗、良好的拆卸性能和回收性能是包装机械进行绿色设计的主要内容。其具体原则为：简化包装机械的结构设计，尽量减少可有可无的零件；采用多功能的零件，使零件数量减少，减少资源消耗；对零件、支撑、载荷的布置进行优化设计，使整机产品尽可能“小型化”，提高材料利用率。 2，2 面向材料的包装机械设计技术 面向材料的设计技术是以材料为对象，在产品的全生命周期(设计、制造、使用、废弃)中的每一阶段，以材料对环境的影响和有效利用作为控制目标，在实现产品功能要求的同时，使其对环境污染最小和资源消耗最少的绿色产品设计技术。 基于此，在进行绿色包装机械设计时，对于所使用的材料的选择与管理应遵循： 1)使用易于进行加工制造的材料，降低包装机械零件加工的难度与废品率，并切实抓好机、电、气液等配套基础件的加工质量，尽量减少能源消耗； 2)尽量减少所用材料种类，尤其是基于成本考虑，应尽量少用稀有昂贵的原材料； 3)优先使用可回收、易分解、可循环利用、低污染的材料； 4)包装机械所用的各种材料往往具有各向异性，所以在进行包装机械的绿色设计时，应综合考虑所用材料的取向作用，从而使其性能得以最大发挥。 5)考虑新型包装材料的需要，包装材料的变化将引起包装机械的变化，包装机械进行绿色设计时，针对特定物料、特定材料设计将更能促进其经济效益的提高。 6)为便于回收，在包装机械所使用的材料上要标注出其型号、种类、等级等。 2.3 包装机械的制造工艺设计 包装机械的绿色制造工艺设计包括以下内容：1)采用合理的新型加工方法，优化包装机械的工艺设计方案，确定最佳工艺参数，降低原材料消耗，使生产过程的废料最少化；2)采用合适的包装机械生产工艺，减少废次品，提高产品合格率，提高能源利用率，降低消耗；3)在包装机械的生产过程中应尽量减少对环境或操作者有影响或危害的物质。 2.4 模块化设计 模块化设计是进行包装机械的结构设计的一种有效方法，也是绿色产品设计中确定其结构方案的常见手段之一。模块化设计就是在一定范围内，在对不同功能、或相同功能下的不同性能、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。包装机械特别是一些结构复杂的包装机械产品，都是由若干具有一定功能的子部件组成的。在进行设计时，应尽可能将各子部件设计成相对独立的功能模块，例如包装机械整机设备采用单元组成，换用一个或几个单元，即可应包装产品的变化。这样将绿色产品设计思想与模块化设计方法结合起来，可以同时满足包装机械的功能属性和环境属性，因此一方面可以缩短包装机械的研发周期，增加产品系列，提高其质量，以快速应对市场的变化；另一方面也可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和包装机械废弃后的拆卸、回收处理。 2.5 可拆卸设计 良好的可拆卸性是包装机械便于维护、所用零件材料可回收、可再生的重要保证，只有具有良好的可拆卸性才能实现完全的材料回收和可能的零部件再利用，从而达到节省成本、减少污染、保护环境的目的。基于此，先应从观念上重视可拆卸性设计。包装机械的研发人员应经常与使用者、产品维护及资源回收部门取得联系，获取包装机械的结构在拆卸方面存在的不足，并为可拆卸性设计的发展准备有关数据资料。其次，为便于拆卸，包装机械进行整机的系统规划时，就要从结构上考虑拆卸的难易程度，提出相应的设计目标、结构方案。 2.6 均衡寿命设计 实现产品各部件使用寿命的均衡性是绿色产品设计的一项基本原则，因此在绿色包装机械设计中，还必须考虑所设计的包装机械的零部件应具有均衡的使用寿命。很显然，对于包装机械而言，要达到使其每个零部件具有相同或相似的使用寿命是不可能的。正基于此，在设计开发时，应考虑使包装机械整机设备的一些重要组成模块具有较长的寿命，同时设备中易于损坏的模块应易于更换，对于一些关键涉及到安全的模块在设计时应考虑设计成可维修、便检测的结构。 2.7 人机工程设计 人机工程设计的目的是为减少包装机械使用中人的差错，发挥人和机械各自的特点以提高包装机械整体的可靠性。利用人机工程学原理优化包装机械的人机系统，比如，在进行包装机械的绿色设计时，其控制、操纵系统要可靠，不仅要求包装机械本身有满意的精度，而且适于入的使用习惯，便于识别操作，不易出错，牵扯到安全问题的，更应进行对人的防误操作设计；再者设计的操作环境尽量适合于人的工作需要，减少引起疲劳、干扰操作的因素，如温度、湿度、气压、光线、色彩、噪声、振动、沙尘、空间等，从而促使包装机械达到人机系统的最佳效率，以提升劳动生产率及工作质量。 2.8 可用性设计 包装机械是现代包装工业的骨干，它是集合机、电、气、光、生、磁于一体的机械电子设备。基于可用性的考虑，在进行包装机械的绿色设计时，应着力提高包装机械的可靠性和稳定性，着力于提高包装机械的自动化程度，将包装机械的研发与计算机紧密结合，实现机电一体化控制，将自动化操作程序、数据收集系统、自动检验系统、状态检测自动诊断系统、计算机辅助设计、快速成形技术等工艺技术更多地应用于包装机械之中。 3 结 语 绿色产品设计作为一种新的设计方法在国内外得到了广泛的认可与重视，并在企业得到了应用，取得了可观的生态经济效益。目前，我国太型包装机械生产线一直以引进为主，包装机械都是在借鉴国外设备的基础上发展起来的。特别是中国加入WTO后，包装机械行业竞争日益激烈，市场竞争将日益激烈，同时国外的绿色贸易壁垒也对我国包装机械行业提出了更高的要求。所以，基于绿色产品设计技术，增加包装机械的“绿色特征”，提高包装机械的可靠性和稳定性，以提升我国包装机械企业的核心竞争力，为我国包装机械行业尽快与国际接轨创造良好的条件和机遇。(end)

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