现代工业再制造技术

作者：南京工业大学 孔凡玉 张显程 巩建鸣

欢迎访问e展厅 展厅 3 管理咨询与服务展厅 企业文化, 战略管理, 生产管理/工业工程, 营销管理, 知识管理, ... 1 引言 二十世纪，自然资源的加速利用，带来了全球生态失衡、环境严重污染、资源浪费短缺等诸多问题，就制造业而言，全球每年排放7亿吨有害物。面对这些困境，人类社会逐渐意识到“可持续发展”(Sustainable Development)的必要性。而且，全球的科技工作者都在寻求一些有效的方法来减少环境污染、降低资源浪费，并已经取得了有效的进展。减少由于制造所带来的环境污染与资源浪费的方法很多，但是基础方法是对用于制造与使用的材料与产品的可重新利用。材料的可重新利用主要是指在产品的服役寿命结束时，采用一系列的方法来延长产品的寿命，达到循环利用，这些方法包括：修复、再制造、废品的回收利用，如图1所示。在这些方法中，再制造方法是主要的组成部分。 再制造是一种利于环保、节约资金并且满足可持续发展要求的系统工程。再制造技术致力于材料的增值、产品附加值的提取，并与材料的循环利用紧密联系并且形成了一个新的闭合制造系统，这些与简单的回收利用有所不同。在美国，已经形成了庞大的再制造产业，拥有73 000个再制造公司与350000个员工，每年创造产值53亿美元，这个数字相当惊人。同时，一些发达国家也拥有了很多的再制造研究机构与个人，尤其是美国，如美国的田纳西大学已经进行了汽车行业的再制造研究；Guide等人长期致力于再制造技术的产品计划与控制的研究，并且建立了相关的模式。相比之下，我国的再制造研究还刚刚起步，所以发展与提高再制造的研究显得极为迫切。 2 再制造的特征 早在1983年，美国的Lund等人就对再制造过程进行了定义：在工厂里，通过一系列的工业过程，将已经服役的产品进行拆卸，不能使用的零部件通过再制造技术进行修复，使得修复以后的零部件的性能与寿命期望值具有或者高于原来的零部件。这一定义严格地将再制造的维修技术与传统的修复操作与回收利用划分开来，充分考虑了能源、材料、环境等诸多因素。 一个完整的再制造过程可以划分为3个阶段：第1个阶段是拆卸阶段，将装置的单元机构拆散为单一的零部件；第2个阶段是将已拆卸的零部件进行检查，将不可继续使用的零部件进行再制造维修，并进行相关的测试、升级，使得其性能能够满足使用要求；第3个阶段是将维修好的零部件进行重新组装，一旦发现装配过程中出现不匹配等现象，还需进行二次优化的过程。这3个阶段的每1个阶段与其它2个阶段紧密相连与互相制约。这些都表明了再制造过程与传统的制造过程有着明显的区别，表现出很大的灵活性，传统的制造方法不适用于再制造系统。 1998年，Lund等人提出了可进行再制造产品的7条标准，分别是：(1)耐用产品；(2)功能失效的产品；(3)标准化的产品与可互换性的零件；(4)剩余附加值较高产品；(5)获得失效产品的费用低于产品的残余增值；(6)生产技术稳定产品；(7)再制造产品生成后，满足消费者要求。当然，再制造过程中，产品的制造计划与控制(Manufacturing Planning &Control)受到一些传统因素的影响，如再制造产品与消费者要求的匹配性、再制造产品使用过程中的性能、已使用材料的可回收率等等，所以再制造产品的制造计划与控制对于再制造厂家而言，显得更为复杂与重要。 再制造与再循环有很大的区别。如果将产品的形成价值划分为材料值与附加值，材料本身的价值远小于产品的附加值(包括加工费用、劳动力等)。再制造能够充分利用并提取产品的附加值，而再循环只是提取了材料本身的价值。 3 再制造与环境意识制造及产品重新利用 随着社会经济的高速发展与人们购买力的逐渐提高，制造业的发展极为迅速，但与此同时，工业制造过程中也造成了大量的资源浪费与严重的环境污染。以美国的制造业为例，1990年制造业产生的废物总量为19 600吨，人均每年要消耗20吨的原料。针对这一情况，在过去的10年里，全球制造业都在寻找一种既能生产利于环保的产品(绿色产品等)，又能使得已经使用的产品得以回收利用的科学制造方法。在这种困境下，环境意识制造及产品重获(Environmentally Conscious Manufacturingand Product Recovery,ECMPRO)思想应运而生。 就ECMPRO本身而言，ECM指的是充分考虑环境保护的要求，采用先进技术完成产品的概念性设计、装配以及最终的产品寿命终结后的处理；PRO指的是采用再制造技术等方法使得设计寿命已终结的产品得以重生，其中，再制造技术的作用最为重要。ECMPRO强调产品的全寿命周期思想。传统产品生命周期的概念包括产品的制造、使用与报废处理三个过程。而在ECMPRO方法中，全生命周期概念取代了传统产品生命周期的概念。全寿命周期不仅考虑以上所述的3个过程，更重要的是在产品的设计中，充分考虑产品的维护以及采用包括再制造在内的先进技术完成产品报废后的回收利用处理，使得产品的实用价值与经济寿命得以提高。 再制造技术充分考虑全寿命周期内产品性能维护，以资源与环境为核心概念，在保证资源利用率最高的情况下，使产品达到最佳服役性能。这些无疑是实现资源优化配置与资源再生的最佳途径。国内外已经有很多学者进行了利用再制造完成产品的功能修复所需的资源成本、资金成本与制造一个新的相同产品的成本的比较研究。结果都充分的表明：再制造技术完成产品功能修复所需要的成本比制造新产品需要的成本要低4～5倍。经济学家Pilzer.P.提出一著名的关系式，将社会财富表达为自然资源与含增长指数的技术的乘积，即[社会资源]=[自然资源][技术]n (n>1) 这一关系式合理的说明了技术的作用。社会财富随技术的指数增长意味着较小的技术进步，将产生极大的社会财富的增长。如果按照这个比例进行分析，再制造技术所带来的社会财富的增加量将是非常可观的。 4 再制造与工厂的延寿 在世界范围内，目前已经有很多的石油化工设备、发电设备运行了相当长的时间，甚至超过了其30年的使用寿命。但是由于政治、经济等诸多因素的限制，新设备的引进逐年减少，超过设计寿命期的工厂在今后将继续增加，然而为了社会发展的需要，同时又为了减少资源的消耗，政府与企业都在寻求一些高新技术来挖掘工厂的现有潜力，使之能继续服役20-40年。这种情形尤以在欧、美、日等发达国家为甚。而再制造等维修技术的出现给工厂延寿带来了很大的希望。 工厂延寿是高新科技发展的必然结果。在传统的设备服役过程中，采用传统的维修方法(如焊接等)，进行相关的维护，使得设备的使用寿命安全到达其设计寿命。但是在设计寿命或技术寿命终止时，很多关键设备的实际可用寿命并没有终结，但是很多设备由于长期在疲劳、腐蚀等环境下服役，导致了其可使用的安全系数大为降低，如何利用先进的技术，使得设备运行到可用寿命而终结，这就是工厂延寿的实质与关键。再制造等维修方法舍弃了传统的维修策略，而是在不损坏零部件性能的基础上，通过性能测试、失效分析，将退役设备进行拆卸与清洗，对一些零件采用表面处理技术及其它技术进行翻新与再装配，使得零部件的尺寸性能、操作性能得以恢复与重新利用。在工厂延寿的过程中，再制造工程优先考虑了设备的可拆卸性、可回收性、可再制造等属性的同时，保证了设备的基本目标(优质、高效等)，实现了企业经济效益与社会经济效益的协调优化。 5 再制造与现代工业的可持续发展 面对全球生态、环境、资源等诸多问题，“可持续发展”(Sustainable Development)的战略思想得到了广泛的关注。可持续发展就是建立极少废料和污染物的工艺与技术系统。这意味着可持续发展需要生产系统的转换。我国人口众多，科技和生产水平低，必须通过制造工业来维持。为了缓解各种危机，一方面要控制人口的增长，另一方面要积极促进现代工业体系向集约化方向的转化。 再制造可望成为我国现代工业发展的重要学科与新的经济增长点。很多发达国家的再制造产业已经形成了一定的规模，已经拥有一批专门从事再制造技术研究的科技工作者与产业，来提高在国际工业竟争中的实力。我国已经进人WTO，制造业同其它产业一样，同样面临着“绿色发展”的考验与挑战。同时，我国的工业设备经过多年的建设，已经具有数万亿元的资产，但是很多设备长年经受腐蚀等恶劣的环境，正需要进行相关的改造。我们可以设想：如果在报废的工业设备中，10%能够通过再制造而形成产品，必将创造可观的经济效益。而且再制造形成的产品完全可以与新的产品相互换，即完全可能用再制造产品取代新的产品进行相关的工作。 再制造技术充分考虑了地球资源物料流与能量流的减少与生态环境的平衡。再制造技术通过提取产品的附加值，追求人力资源与物力资源的投人减少，从1983年Lund的著作中，我们完全可以意识到这一点，这对全球环境污染的降低与废物的减少是一个有效的途径。再制造过程中包含着产品的质量升级，通过表面工程等一系列的先进技术对报废产品加以维修，这样能与先进的科技知识显著结合，将先进的科学知识有机地运用到再制造产品中。 6 展望 目前全球再制造工程主要用于汽车、电力、机械等领域，但是一些不发达国家，因为工业技术等原因，还没有在工业中得到很好的应用。我国的再制造工程的实施还刚刚起步，所以发展以及如何发展再制造工程显得极为迫切与重要。 产品的设计 全球制造业人士大力倡导环境意识设计的思想ECD(Environmentally Conscious Design)。ECD主要针对产品设计过程中，将产品对环境的影响加以考虑。随着ECD在产品设计中的应用，产品设计的价值在逐渐提高。ECD中重要的一点就是产品生命周期评价方法LCA(Life Cycle Assessment), LAC评价产品在其设计、生产、应用以及回收利用各个阶段对环境造成的影响，这对产品的选材优化、产品的设计加工以及应用等一系列过程，减少了对环境因素的影响。再制造工程应该舍弃传统的成本预算方法，采用LCA进行预算，在产品的设计阶段，要同时考虑产品的经济效益与生态价值。 另外，为了保证产品能够再制造，产品的设计显得更加复杂，包括：可拆卸性设计DFD(Design for disassembly)、可再制造设计DFR (Design for Remanufacturing)等。这就是要在产品的设计过程中，赋予再制造特性。DFD应该作为产品设计过程中的一个准则，提高产品的可拆卸性能即包括设计更容易拆卸的产品、设计最佳的拆卸方案等。这些不仅要求设计者具有很好的设计思想，还要求设计者具有很好的环境意识、计算机操作能力等。所以，发展再制造工程必须要提高设计者的素质，这一点很关键。 计算机支持技术 随着社会的发展，计算机在制造业上的作用变得日益重要，在再制造工程中也一样。主要表现在如下两方面。 产品的失效分析与寿命预测。再制造系统中，被拆卸的产品要经过性能测定才能被决定是否还需要进行再制造维修，尤其是长期在疲劳、腐蚀环境下使用的产品。虽然以往的分析技术可以应用到产品被拆卸检测上来，但是有时并不能得到定量的分析结果。如设备长期在承载环境下服役，对其主要从力学角度来完成，而现在这种判定大部分是借助一些有限元软件，如ANSYS,ABAQUS等。再如长期服役的典型石油化工设备——球罐，长期服役于腐蚀环境，往往容易造成应力腐蚀等形式的失效，目前对其再制造的最佳途径是整体热处理，而要选择整体热处理的热源数目、保温时间与最佳温度，就需要一些流体动力学软件的计算模拟，如CFD等。这些软件不仅能够准确地判断产品失效行为与机理，还能有效预测产品的使用寿命。特别是随着信息工具的发展，因特网在产品寿命预测中的应用已经成为现实。这些都为产品的再制造维修提供了有利的方法。 计算机支持技术在再制造工程中的另一点应用主要表现在产品的设计上。如产品的可拆卸设计就完全可以在计算机模型上完成，这就是所谓的虚拟制造。这种设计思路为设计者确定设计思想提供了很大的帮助，设计者可以借助虚拟模型确定拆卸的简易性与改进的方法。随着一些计算机图文学与计算机辅助设计软件的出现(CAD, Pro-E)等，实现可拆卸性设计是完全有可能的。 表面工程技术的提高 众所周知，表面工程技术是实现产品再制造的关键技术。从我国目前情况来看，表面工程技术的发展已经取得了一定的成果，但由于诸多因素的限制，很多新型的表面工程技术还没有得到很好的应用，如纳米涂层技术、超音速电弧喷涂技术、复合表面工程技术等。还有一点，在涂层失效问题上，还应该加大研究力度。如在腐蚀环境下，怎样才能有效地防止涂层提前失效、涂层的使用寿命评价等方面的工作，在国外已经开展，而我国还没有很多相关的研究。所以提高表面工程技术是再制造工程在我国今后发展的一个主要内容。(end)

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