第六章绿色制造技术

机械加工新技术第六章绿色制造技术济南大学机械工程学院陈秀生Email-cxs001cn@126.com

QQ:579093306.1绿色制造的基本概念6.2绿色设计6.3清洁生产6.4绿色再制造技术6.5虚拟绿色制造技术6.6绿色制造的发展趋势

6.1绿色制造的基本概念

6.1.1绿色制造的概念

6.1.2绿色制造的意义

6.1.3绿色制造的内涵和特征6.1.4绿色制造的结构体系6.1.5产品生命周期的概念

6.1.1绿色制造的概念绿色制造，GreenManufacturing又称环境意识制造或面向环境的制造；是一个系统地考虑环境影响和资源效率的现代制造模式；其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

6.1.2绿色制造的意义1.

绿色制造研究属国际制造科学技术前沿，将有力地推动制造科学的发展。2. 绿色制造是实现可持续发展的必然需求，具有重要社会效益和生态效益。3. 国际环境管理标准的提出，更增添了企业对实施绿色制造的需求。4.

绿色制造为制造企业取得显著的经济效益带来了新的机遇。5.

实施绿色制造战略将为我国企业突破国际绿色贸易壁垒提供有力支撑。6.1.3绿色制造的内涵和特征绿色制造涉及多个学科领域的理论、技术和方法，具有多学科交叉、技术集成的特点。绿色制造考虑两个过程：产品的生命周期过程和物流转化过程。通过绿色制造要实现两个目标：减少污染物排放，保护环境；实现资源优化。绿色制造技术内容广泛，包括绿色设计、清洁生产、绿色再制造等现代设计和制造技术。绿色制造是一种充分考虑资源、环境的现代制造模式。绿色制造的内涵要点：6.1.3绿色制造的内涵和特征绿色制造的特征主要表现为：绿色制造要求在整个产品生命周期过程中，实现减少环境污染、资源优化的目标。绿色制造是以提高企业经济效益、社会效益和生态效益为目标，强调以人为本，集成各种先进技术和现代管理技术，实现企业经济效益、社会效益和生态效益的协调与优化。绿色制造鼓励采用新的技术方法、使用新的材料资源用于制造过程。绿色制造模式具有社会性。6.1.4绿色制造的结构体系虚拟制造绿色设计绿色再制造清洁生产绿色制造面向清洁制造设计面向清洁材料设计面向可拆卸设计面向可回收设计清洁生产制造技术绿色加工工艺废物最小化制造生产过程无害化快速成形技术先进表面技术修复热处理技术自愈合生产技术绿色制造的结构体系框图6.1.5产品生命周期的概念材料开采与加工生产制造过程包装运输使用维护能源回收材料或零部件废弃后处理安全焚烧回收土地掩埋产品生命周期模型

6.2绿色设计6.2.1绿色设计的概念和内涵6.2.2绿色设计策略6.2.3绿色设计的基本步骤和方法6.2.1绿色设计的概念和内涵也称为面向环境的设计(DesignforEnvironment)。是系统地考虑环境影响并集成到产品最初设计过程中的技术和方法。其核心是从整个产品系统的角度考虑，在整个产品的生命周期内各个阶段对环境产生的影响；绿色设计要求在满足产品的功能、质量和成本的同时，使产品在整个生命周期过程中对环境的影响减少到最小。绿色设计(GreenDesign)6.2.2绿色设计策略概念：采用不同的设计方法以满足所设计产品特定环境特性要求的技术方法。从不同的角度分析产品的环境特性，提出减少对环境影响的技术方法：选择低环境影响材料减少材料的使用量优化产品生产技术优化销售系统减少使用中的环境影响优化产品寿命优化产品回收处理系统1．选择低环境影响材料 这种策略主要侧重于材料的选择以及表面处理方式的选择，目的是为产品选择对环境影响最小的材料。清洁材料可再生材料低含能材料回收的材料可回收材料6.2.2绿色设计策略2.减少材料的使用量 该策略的目的是采用最小的产品体积，以便产品在运输和使用过程中占用最小的空间。减少产品重量减小产品体积6.2.2绿色设计策略3.优化产品生产技术 该策略的目的是在生产过程中，最少量地使用辅助材料，减少能源消耗量，降低原材料的损失和废物的产生。采用绿色制造技术减少加工步骤降低能源消耗，使用清洁能源减少生产过程的废物6.2.2绿色设计策略4．优化销售系统 该策略保证产品以最有效的方式从工厂传输到零售商直到最终用户。减少包装材料，使用清洁和可重复使用的包装材料。采用最能效的运输方式。建立最能效的产品供应系统，也可有效地减少对环境的影响。6.2.2绿色设计策略5．减少使用中的环境影响 该策略是要减少用户在使用中对环境产生的影响。降低能量消耗。使用清洁能源。在满足产品功能的条件下，尽可能减少消费 品的使用。设计使用最清洁的消费品，并保证在其使用 中，不产生潜在的、有害的废物。避免产品和消耗品的误用，设置产品理想工 作状态，减少能源和其它消耗品的浪费。6.2.2绿色设计策略6．优化产品寿命 该策略的目的是要延长产品的使用寿命，包括产品的技术寿命和美学寿命，以及它们之间的平衡。可靠性和耐用性。易于维护和维修可以保证产品及时地清洁、维护 和修理。采用模块化产品结构便于产品的升级和更新换代 以及维护和修理。先进的设计保证产品在一定的时间内不落后，保 持产品技术寿命和美学寿命的平衡。具有良好的宜人性。6.2.2绿色设计策略7．优化产品回收处理系统 该策略的目的是在产品使用寿命结束后，重复使用具有使用价值的产品及元件，确保使用后的产品采取适当、安全的回收和处理方法。产品的重复使用重新加工和刷新材料的回收安全焚烧6.2.2绿色设计策略6.2.3绿色设计的基本步骤和方法绿色设计过程可分为以下三个步骤：产品选择和产品基本特性分析产品的环境影响分析绿色产品的实现1．产品选择和产品基本特性分析 产品的选择：主要由市场需求决定，同时考虑潜在的环境影响和技术可行性； 产品基本特性分析：分析报告应包括以下内容：产品市场情况市场上同类产品分析企业的资源和能力产品的适应性产品信息产品生命周期流程图6.2.3绿色设计的基本步骤和方法2．产品的环境影响分析，确立设计目标和方向

根据对所选择产品的环境特性及动力的分析，建立优先发展方向，选择最适合的绿色设计策略用于产品的设计。生命周期评价LCA(LifeCycleAssessment)

简化LCA过程绿色设计工作小组6.2.3绿色设计的基本步骤和方法生命周期评价LCA(LifeCycleAssessment)LCA是对产品整个生命周期，从获取原材料、生产、使用直至最终处置的环境因素及其潜在影响的研究。包括以下四个步骤：目的和范围的确定清单分析生命周期影响评价解释6.2.3绿色设计的基本步骤和方法生命周期评价方法示意图原料工程材料生产/组装使用/售后服务报废能量物料产品副产品废气废液固体废弃物6.2.3绿色设计的基本步骤和方法简化LCA过程

目的：获得产品在生命周期过程中主要的环境影响因素，确定影响因素次序，为设计过程提供参考和建议。 步骤：建立产品生命周期流程图；进行有限的产品清单分析；应用LCA分析工具软件进行环境影响分析，确定影响因素的重要性次序。6.2.3绿色设计的基本步骤和方法绿色制造在摩托罗拉应用举例——手机漆的ＬＣＡ评价 以摩托罗拉公司的某款型号的手机为案例，主要分析评价生产１０，０００部成品的手机壳对资源、能源的消耗以及对环境的影响。研究范围：包括手机壳成型手机漆的生产以及喷涂等过程，以及各过程中原材料和能源的消耗、生产加工以及产品及废弃物的排放。分析所得结论：手机喷漆过程中能量及原材料的生产对环境影响最大，其次是喷涂和漆生产过程；手机喷漆对局部地区的环境影响程度依次为温室效应、大气污染和水污染；使用水基手机漆对资源和能源消耗要小于使用溶剂漆，其生产和喷涂过程中环境影响也优于溶剂漆。通过研究，提出改进手机喷涂环境性能的建议，如提高喷涂效率、利用环保水基漆等。绿色制造在摩托罗拉图4使用水基漆时环境影响分布图3使用溶剂漆时环境影响分布图1生产10000部成品手机壳所需的能耗图2生产10000部成品手机壳对环境的影响3．绿色产品的实现将产品的环境影响因素按优先级分类，确定绿色设计策略；综合考虑和优化各相关环境目标，确定最佳解决方案；写出所设计产品的设计大纲，进行产品的详细设计、开发和原型制造。

6.2.3绿色设计的基本步骤和方法6.3清洁生产6.3.1清洁生产的内涵6.3.2清洁生产的实现方法6.3.3绿色包装6.3.4小结6.3.1清洁生产的内涵清洁生产(CleanerProduction)

就是在现有的技术和经济条件下，用清洁的能源和原材料、清洁工艺及无污染或少污染的生产方式，以及科学而严格的管理措施生产清洁的产品。是一种综合预防的环境保护策略，并持续地应用于生产过程、产品和产品服务的过程中，以期减少对人类和环境的影响和伤害。对于生产过程来说，清洁生产的目的就是在生产过程中节约原材料、水资源和能源，消除毒害材料的使用，减少毒害物质排放和废弃物的产生；对于产品来说，清洁生产目标在于减少产品在整个生命周期过程中，对生态环境和人类健康与安全的影响；对于产品服务而言，清洁生产是指在产品设计和服务中综合考虑环境影响因素，实现绿色设计；从可持续发展的角度讲，清洁生产是既可满足人们的需要，又可合理使用自然资源和能源，并保护环境的实用生产方法和有效措施。6.3.1清洁生产的内涵清洁生产包含两个过程控制：产品生产过程控制和产品整个生命周期过程控制。对生产过程而言，清洁生产包括节约原材料和能源，淘汰有毒有害的原材料，并在全部排放物和废物离开生产过程以前，尽最大可能减少它们的排放量和毒性。对产品而言，清洁生产要减少产品在整个生命周期过程中，从原料的提取、产品使用到产品的最终处置对人类和自然环境的影响。6.3.1清洁生产的内涵清洁生产要实现两个目标：合理利用自然资源，减缓资源的耗竭。通过资源的综合利用，短缺资源的代用，二次能源的利用，以及节能、降耗、节水，合理利用自然资源，减缓资源的耗竭。减少工业废弃物和污染物的产生和排放，促进工业产品的生产、消耗过程与环境相容，降低工业活动对人类和环境的风险，促进工业与环境的协调。6.3.1清洁生产的内涵6.3.2清洁生产的实现方法1.

实现清洁生产的基本途径改进产品设计，调整产品结构，选择绿色原材料，生产原料闭路循环、资源综合利用。不采用对环境有害的原料，不生产对环境有害的产品。改革生产工艺和设备，开发全新工艺流程，最大限度地提高生产效率，减少污染排放。加强生产管理，发展环保技术，减少和杜绝生产中的跑、冒、滴、漏。进行产品的生命周期评价或清洁生产审计，提出清洁生产方案并进行可行性分析。建立企业环境管理体系，为企业持续进行清洁生产提供组织和管理保障。6.3.2清洁生产的实现方法2.绿色制造工艺 绿色制造工艺是指在产品加工过程中，采用的既能提高经济效益，又能减少环境影响的工艺技术。可划分为三种类型：节约资源的工艺技术（如干式加工技术）节省能源的工艺技术环保型工艺技术（如采用绿色切削液）绿色制造工艺开发策略框图分析现有工艺从技术、经济、环境、法律等对现行工艺进行综合分析明确用户要求、市场需求及环境政策在企业实施绿色生产工艺开发替代工艺技术优化改进现有工艺设计新型机床及加工系统开发新型工艺技术面向绿色工艺的产品设计6.3.2清洁生产的实现方法干式加工－节约资源型

1. 干式加工就是在加工过程中不用冷却润滑液的加工工艺。2. 仅局限于铸铁材料的加工。3.

采用干式加工方法，逐步取消切削液，可以取得经济和环境两方面的效益。4. 主要介绍工艺：干式车削加工干式滚切加工干式磨削加工6.3.2清洁生产的实现方法中国农业大学干式车削加工关键问题：选择适合干式车削的刀具；改进刀具几何形状；确定干车削加工条件。应用实例： 如采用GE超硬磨料公司的PCBN刀具进行旋风铣削加工丝杠螺纹，以硬旋风铣削取代软车削和精磨工序，提高效率近100倍。6.3.2清洁生产的实现方法PCBN刀具干式滚切加工关键问题：提高滚切速度；快速排屑技术；开发高性能的高速滚刀等。应用实例：如采用硬质合金或陶瓷刀具进行完全干式加工的新型滚齿机；如滚削汽车变速箱中的普通齿轮，用硬质合金滚刀进行干滚削；6.3.2清洁生产的实现方法干式磨削强冷风磨削是现行较为有效的方式。应用实例： 采用CBN砂轮的强冷风磨削在实际应用中有很好的效果。6.3.2清洁生产的实现方法绿色切削液－环保型

切削液的使用中应遵循以下基本原则：做好切削液的使用过程记录。实现切削液配方标准化；选择高质量的切削液或具有兼容特性的切削液；在切削液的循环使用中，始终保持切削液浓度和PH值的稳定；采取有效防护措施，规范操作使用程序；建立切削液循环使用系统，及时清除切削液中的污染物和杂质；避免过量使用切削液杀菌剂；无毒、无害化处理废弃切削液。6.3.2清洁生产的实现方法6.3.3绿色包装绿色包装技术是从环境保护的角度，优化产品包装方案，使得资源消耗和废弃物产生最少。绿色包装可以分为以下三方面:包装材料包装结构包装废弃物回收处理产品绿色包装的基本原则是：减量化(Reduce)：减少包装材料的使用量。重新使用(Reuse)：包装材料的再利用。循环再生(Recycle)：包装材料的回收和循环使用。可降解(Degradable)：应尽量选择易于降解的材料，如纸、可回收材料等。6.3.3绿色包装6.3.4小结生产企业实施清洁生产利于：减少资源消耗和环境污染，保护生态环境、自然资源和大众健康；改善产品质量，降低生产成本，提高企业利润，增强产品竞争力，使企业走入良性循环。改善企业职工的劳动条件和工作环境，提高职工劳动积极性和生产效率。企业树立良好的社会公众形象。6.4绿色再制造技术6.4.1绿色再制造的概念和内涵6.4.2绿色再制造技术的主要内容6.4.3再制造产品的分类6.4.4绿色再制造的主要关键技术6.4.5面向再制造的产品设计6.4.6绿色再制造过程的一般步骤6.4.7绿色再制造的环境和社会效益6.4.1绿色再制造的概念和内涵绿色再制造(GreenRemanufacturing)是一个以产品全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、节材、环保为目标，以先进技术和产业化生产为手段，来修复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造是以报废或过时机件为对象，采用高新技术，以现代化生产方式和管理手段、严格的质量标准和管理程序组织生产，使再制造产品的质量、性能等同或高于原产品，价格上更具优势。

再制造在产品生命周期过程中的流程图设计制造原材料使用维护报废再使用再制造材料回收无害处理6.4.1绿色再制造的概念和内涵6.4.2绿色再制造技术的主要内容绿色再制造技术主要包括以下内容：再制造加工：主要针对达到物理寿命和经济寿命而报废的产品，在失效分析和寿命评估的基础上，把有剩余寿命的失效、报废零部件作为再制造的毛坯，采用先进加工技术，使其迅速恢复或超过原技术性能和应用价值，形成再制造新产品的工艺过程。过时产品的性能升级：主要针对已达到技术寿命的产品，或是不符合可持续发展要求的产品，通过技术改造、更新，改善产品的技术性能，延长产品的使用寿命，减少环境污染，节约能源和提升资源技术。6.4.3再制造产品的分类在产品的使用和维护阶段，产品或零部件由于磨损、腐蚀、损伤等原因造成产品或零部件失效，进行产品或零部件的维修和维护。在产品的废弃处理阶段，对于报废的产品其零部件可分为四类：性能符合要求的，可继续使用；有表面损伤或技术落后，或经济性较差的，可通过再制造加工或改造，使性能得以恢复或升级；在目前的技术条件下无法再制造或经济上已无再制造价值的，可以通过再循环过程，回收其原材料；只能作环保处理的产品。6.4.4绿色再制造的主要关键技术

再制造毛坯快速成形技术；先进表面技术；纳米复合及原位自愈合生产技术；修复热处理技术；应急维修技术；再制造特种加工技术；再制造机械加工技术；等。6.4.5面向再制造的产品设计产品设计的基本原则：设计产品具有分级和模块化结构，每个模块都能以最合适的方式被拆卸和重新加工；零部件之间尽量采用可拆卸的连接方法；采用标准件连接，以便产品在拆卸时，仅使用有限的工具种类；设计连接部位便于工作人员操作，而不必转来转去；在产品相应位置，标示拆卸方法，避免毁坏零部件等；确定相对易损零部件，可以容易地被替换；对需要以特殊方式进行清洁和维护的零部件必须在产品上进行标示等。6.4.6绿色再制造过程的一般步骤报废产品的清洗报废产品的拆卸拆卸零部件清洗零部件检测零件分类再制造技术选择再制造检验再制造生产流程图废旧产品拆卸分类清洗因为损坏已不能再使用的零件因为技术进步已被淘汰的零部件可继续使用的零部件经修复可再使用的零部件已做技术改进的零部件回炉作为冶炼的材料原材料库装配作业线检查实验调整出厂6.4.7绿色再制造的环境和社会效益采用绿色再制造技术，可大量恢复设备及其零部件的性能、延长使用寿命，降低产品的整个生命周期中的费用，节约原材料和能源、减少环境污染。通过再制造设计，在设计阶段就考虑产品减少环境污染和利用可持续发展的结构、性能特征；再制造过程本身不产生或产生很少的环境污染；再制造产品比制造同样的新产品消耗更少的资源和能源；能够高质量地提高产品或零部件的重新使用次数和重新使用率，从而产品或零部件的使用寿命，减少环保处理带来的环境污染。国内外再制造业发展动态

1、汽车再制造

国外：世界著名的汽车制造厂如福特、通用、大众、雷诺等，或者与其它独立的专业发动机再制造公司长期保持固定的合作关系，或者有自己的发动机再制造厂。美国福特、通用、克莱斯勒三大汽车公司结成回收联盟，共同在密西根创立了汽车回收开发中心，专门研究汽车的拆卸、再制造和循环再利用。日本的丰田公司也在实施汽车拆卸回收工艺和旧泵回收计划。国内：由中国重型汽车集团公司与英国Sandwell公司及ISTE公司合资创办的济南复强动力有限公司，是国内第一家真正意义上的汽车发动机再制造企业。上海大众联合发展有限公司也已推出了再制造发动机。国内外再制造业发展动态

2、电子产品再制造

美国贝尔蒙特贸易公司销售再制造电脑到技术上处于劣势的国家，包括墨西哥和俄罗斯。IBM成立了一家名为“国际商业用品”的子公司，将重新组装后再制造电脑以低价卖出或者免费提供给社会公共机构。此外，IBM推出了机体由可再生塑料制成的个人电脑，机体的绝大部分可以回收再利用。Lexmark于2001年第四个季度提出“回收策略”，把墨盒和硒鼓回收后再重新利用。Epson、Canon、Xerox等都在全球回收旧墨盒。荷兰建有专门的墨盒收集中心CCC(CartridgeCollectionCenter)；国内外再制造业发展动态

国内：天威集团坚持“绿色打印”理念，全部采用再生材料：所有包装均由再生纸张制成，并印有“Recycle”标志；所有塑料件都用PP、ABS可回收材料。清华同方开发的耗材产品，符合欧盟Directive61/155/ECC环保标准。宇宙、格力、红石、高宝、天马等也都在朝开发环保型耗材方面努力。

国内外再制造业发展动态

废旧印刷线路板的再资源化线路板粗碎线路板细碎线路板分类重选铜、贵重金属水循环系统固液分离系统非金属材料预处理材料改性深层次应用金属冶练提纯废旧印刷线路板的再资源化工艺过程6.5虚拟绿色制造技术

虚拟制造(VirtualManufacturing)技术是以计算机支持的仿真技术为前提，通过高级建模、仿真和分析技术的综合应用，在计算机上完成产品的设计开发、加工制造及装配过程，为决策人员提供从设计到制造全过程的三维可视的虚拟交互环境，对产品性能和可制造性进行预测和评价，使决策人员能在实际产品制造出来之前就能做出正确决策。

虚拟绿色制造系统可以实现如下主要功能：实现产品的绿色设计。包括产品的材料选择、面向拆卸的设计、产品的回收性设计、面向制造和装配的设计等；实现产品加工过程仿真、装配过程仿真、工作过程或使用过程仿真、拆卸过程仿真、回收处理过程仿真等；评估产品的功能性、经济性、全生命周期内对环境的影响程度，以及评价能源和资源利用率。6.5虚拟绿色制造技术虚拟绿色制造系统可以实现如下主要功能：实现产品的绿色设计。包括产品的材料选择、面向拆卸的设计、产品的回收性设计、面向制造和装配的设计等；实现产品加工过程仿真、装配过程仿真、工作过程或使用过程仿真、拆卸过程仿真、回收处理过程仿真等；评估产品的功能性、经济性、全生命周期内对环境的影响程度，以及评价能源和资源利用率。6.5虚拟绿色制造技术6.6绿色制造的发展趋势全球化：绿色制造的研究和应用中将愈来愈体现全球化的特征和趋势；社会化：绿色制造的社会支撑系统需要形成；集成化：将更加注重系统技术和集成技术的研究；并行化：绿色并行工程将可能成为绿色产品开发的有效模式；智能化：人工智能和智能制造技术将在绿色制造研究中发挥重要作用；产业化：绿色制造的实施将导致一批新兴产业的形成；绿色制造的全球化特征体现在：制造业对环境的影响往往是超越空间的，人类需要团结起来，保护我们共同拥有的惟一的地球。ISO14000系列标准的陆续出台为绿色制造的全球化研究和应用奠定了很好的基础，但一些标准尚需进一步完善，许多标准还有待于研究和制定。随着近年来全球化市场的形成，绿色产品的市场竞争将是全球化的。绿色制造将为我国企业消除国际贸易壁垒进入国际市场提供有力的支撑。6.6绿色制造的发展趋势社会化－绿色制造涉及的社会支撑系统包括：立法和行政规定问题；政府可制定经济政策，用市场经济的机制对绿色制造实施导向；企业要真正有效地实施绿色制造，必须考虑产品寿命终结后的处理，这就可能导致企业、产品、用户三者之间的新型集成关系的形成。6.6绿色制造的发展趋势集成化主要包括绿色集成制造技术和绿色集成制造系统。绿色集成制造技术的主要研究内容：绿色制造的集成功能目标体系产品和工艺设计与材料选择系统的集成用户需求与产品使用的集成绿色制造的问题领域集成绿色制造系统中的信息集成6.6绿色制造的发展趋势绿色集成制造系统的体系框架：管理信息系统绿色设计系统制造过程系统质量保证系统物能资源系统环境影响评估系统计算机通讯网络系统数据库知识库系统6.6绿色制造的发展趋势并行化绿色设计与并行工程的的结合，从而形成绿色并行工程。它又称为绿色并行设计。它是一个系统方法，以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程，力求使产品开发人员在设计一开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素。关键技术：绿色并行工程的协同组织模式、协同支撑平台、绿色设计的数据库和知识库、设计过程的评价技术和方法、绿色并行设计的决策支持系统等。

6.6绿色制造的发展趋势智能化优化绿色制造的决策目标体系需要用人工智能方法来支撑处理。绿色产品评估指标体系及评估专家系统