机械制造如何实现绿色制造?

绿色制造，又称环境意识制造或环境制造等。这是指综合考虑环境影响和资源效益的现代制造模式。其目标是在产品从设计、制造、包装、运输、使用到处置的整个生命周期中，最大限度地减少对环境的负面影响。提高了资源的最高利用率，协调优化了企业的经济效益和社会效益。绿色制造是一种现代制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造中的体现。

绿色制造技术是指在保证产品功能、质量和成本的前提下，综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式。在产品从设计、制造、使用到报废的整个生命周期内，最大限度地或最大限度地减少对环境的污染，符合环保要求，对生态环境无害或危害最小，节约资源能源，最大限度地利用资源。能耗最低。传统的制造模式是一个开环系统，即原材料-工业生产-产品使用-废料-二次原材料资源。从设计、制造、使用到产品报废的整个生命周期对环境的影响最小，资源效率最高。也就是说，在产品的整个生命周期中，要从系统集成的角度考虑产品的环境属性，改变了原有的末端处理的环保方式。除目标要求外，还应保证产品的基本性能、使用寿命和质量。

绿色制造的技术构成

绿色设计

绿色设计是指在产品及其生命周期的设计中，充分考虑对资源和环境的影响，同时充分考虑产品的功能、质量、开发周期和成本，对所有相关设计因素进行优化，使产品及其制造过程对环境和资源消耗的整体影响最小化。这就要求设计师要有良好的环保意识，不仅要综合考虑产品的TQCS (Time, Quality, Cost, Service)属性，还要注意产品的E属性(Environment)，即产品的绿色度。

工艺设计

产品制造工艺的工艺方案不同，材料和能源的消耗也会不同，对环境的影响也会不同。绿色工艺规划是根据制造系统的实际情况，研究和采用材料能耗小、废物少、噪音低、环境污染小的工艺方案和工艺路线。

材料选择

绿色材料选择技术是一个非常复杂的问题。绿色材料没有明确的边界，在实践中难以选择。在选择材料时，不能只考虑其绿色程度，还必须考虑产品的功能、质量、成本、噪音等要求。减少不可再生资源和稀缺资源的使用，并尽量使用各种替代材料和技术。

产品包装

绿色包装技术是从环境保护的角度优化产品包装方案，最大限度地减少资源消耗和废物产生。目前这方面的研究非常广泛，但大致可以分为三个方面:包装材料、包装结构、包装废弃物回收利用。当今世界主要工业国家要求包装符合“3R1D原则”(减少、再利用、回收、可降解)。台湾包装工业发展的基本任务与目标，提出包装产品向绿色包装技术方向发展，实施绿色包装工程，并以绿色包装技术为包装工业发展的重点，开发纸质包装产品，开发各种防潮、塑料薄膜的替代品。对于保鲜纸包装产品，适当开发易回收的金属包装和高强度薄壁轻质玻璃包装，研究开发塑料回收工艺和产品。

回收

产品生命周期结束后，如果不回收，将浪费资源，造成环境污染。目前的研究认为，面向环境的产品回收是一个系统工程，必须从产品设计之初就充分考虑这一问题，并进行系统分类。在产品的寿命结束后，可以有各种不同的处理选择，如重复使用、再使用和处置。各种方案的处理成本和回收价值不同。需要对各种选择进行分析和评估，以确定最佳的回收方式。以最少的成本获得最高的恢复价值的治疗方案。

绿色管理

尽量采用模块化、标准化的零部件，加强噪声的动态测试、分析和控制。国际环保标准ISO14000正式颁布实施后，将成为衡量产品性能的重要因素。一套科学、合理的绿色管理制度势在必行。

设备的使用

在国内很多工厂，都可以看到很多闲置和废弃的设备堆放在那里，绣花绣花。如何处理这些设备成为企业面临的主要问题，通过改造使它们重新发挥作用，最大限度地利用资源。目前对于很多厂家来说，来自机械的折旧费用仍然占成本的很大一部分。如何重新利用设备，使资本收益不是减少而是增加。

绿色制造的研究内容

1. 绿色设计
   • 提出绿色设计理论和方法，建立绿色产品设计指标评价体系，提出绿色设计工具，并与其他设计工具(如CAD、CAE、CAPP等)集成形成集成环境。
   • 联合企业选择几个典型产品，建立产品绿色制造示范点。
   • 提供一整套汽车可回收、可拆卸技术，并与企业整合建立示范点。
2. 主要研究内容
   • 绿色产品设计评价体系模型的建立
     • 绿色产品设计理论与方法:从生命周期的角度对绿色产品的内涵进行全面系统的研究，提出绿色产品设计理论与方法。
     • 绿色产品描述与建模技术:以绿色产品设计理论和方法为基础，对绿色产品进行描述，建立绿色产品评价体系，量化产品生命周期和评价过程中所有与环境相关的过程输入和输出，综合评价产品生命周期中经济与环境影响的关系，建立数学模型。
     • 绿色产品设计数据库:建立与绿色产品相关的材料、能源、空气、水、土壤、噪声排放基础数据库，为绿色产品设计提供依据。
     • 典型产品绿色设计系统集成:针对具体产品收集整理环保设计资料，形成指导设计的设计导则，建立绿色产品系统设计工具平台，并与其他设计工具(如CAD、CAE、CAPP等)集成，形成集成设计环境。
   • 绿色产品的清洁生产技术
     • 资源节约型生产技术:本项目主要从降低生产过程中的能源消耗、降低原材料消耗、降低生产过程中的其他消耗三个方面展开研究。
     • 环保生产技术:主要研究减少生产过程中的污染，包括减少生产过程中的废物，减少有毒有害物质(废水、废气、固体废物等)，减少噪音和振动。
     • 产品包装技术:包装是生产过程中的最后一个环节。产品的包装形式、包装材料以及产品的储存和运输都必须考虑环境因素。
   • 产品采用可拆卸可回收技术
     • 产品可拆卸技术:提出产品可拆卸性评价方法，提出产品可拆卸性评价指标体系，进行可拆卸结构模块划分，接口技术研究。
     • 产品可回收技术:提出可回收零部件和材料的识别和分类体系，开展零部件再利用技术研究，包括可回收零部件的修复和测试，使其满足产品设计要求，开展再利用技术和材料再利用技术研究。
   • 机电产品噪声控制技术
     • 声源识别，噪声和声场测量，动态测试，分析和显示技术
     • 机械结构声辐射计算方法及程序
     • 机械结构振动与振动控制技术
     • 低噪声优化设计技术
     • 低噪音结构和材料
     • 新型减振降噪技术
   • 环境、能源、材料的绿色制造技术
     • 以环境为导向的绿色制造技术:研究使产品在使用过程中满足减少水、气、固废物、降低振动、噪声等环保要求的相关技术。
     • 面向能源的绿色制造技术:研究能耗优化技术、能源控制工艺优化技术等，达到节能减排的目的。
     • 面向材料的绿色制造技术:针对高分子材料的无毒无害材料技术研究、废旧高分子材料的绿色回收技术研究、高分子过滤材料-功能膜材料、玻璃纤维毡增强热塑性复合材料等。改善现有材料环保性能的技术等。

绿色制造相关技术

纳米技术

所谓纳米技术是微加工技术的极限。这是一种通过纳米精密加工标准人工形成纳米结构的技术。当材料被粉碎到纳米级，制成“纳米材料”时，不仅光、电、热、磁发生变化，还具有辐射、吸收、吸附等许多新特性，可以彻底改变目前的产业结构。由于纳米技术导致产品小型化，减少所需资源，不仅实现了“低消耗、高效率”的可持续发展目标，而且其成本极低。其碰撞和摩擦产生的交变机械力将大大降低，噪声污染将得到有效控制。利用纳米技术研制的润滑剂不仅能在物体表面形成半永久固体薄膜，产生优异的润滑效果，大大降低机器设备的噪音，还能延长其使用寿命。纳米材料涂层可以大大提高屏蔽电磁波和紫外线的性能。

干燥处理

目前，干式加工的主要应用领域是切削、磨削等机械加工行业。顾名思义，干法加工是一种在加工过程中不使用任何冷却剂的加工方法。干法处理简化了工艺，降低了成本，消除了冷却液造成的废液排放、回收等一系列问题。目前，国外有严格的规定，限制某些切削液的使用。在美国、德国等发达国家，强烈提倡采用干式切割技术。目前，采用干式切削加工铸铁材料是没有问题的。使用陶瓷和CBN刀具，在高速和大进给量加工过程中，热量会迅速积聚到刀具前端，使其变红。当工件加热到一定温度时，其屈服强度降低，可获得较高的金属去除率。寻找最合适的干切削刀具、工件、机床，以及它们的参数的最佳匹配是目前的重点。

热过程模拟技术

热加工工艺模拟与优化设计技术是应用仿真、实验测试等手段，在现实环境中模拟材料的加工过程，展示材料在加工过程中形状、尺寸、内部组织、缺陷等的演化过程。一种全新的预测其组织性能质量的技术，达到优化工艺设计的目的。采用工艺仿真技术，将数值模拟、物理模拟和专家系统相结合，可以确定最佳工艺参数，优化工艺方案，预测过程中可能出现的缺陷和预防措施，有效控制和保证工件的加工质量。

基于web的敏捷制造

敏捷制造，简称AM，是一种灵活、快速的制造。它是一种集柔性生产技术、高技能劳动力、柔性管理于一体的生产管理系统，能够快速响应快速变化(且不可预测)的市场需求和时机。其特点是:将企业与客户、供应商有机地连接为一个整体，提高产品开发速度，降低开发成本，延长产品生命周期，打破成本与批量大小的直接关系，快速沟通，最大限度调动人们的积极性和创造力，将虚拟制造技术、网络技术相结合，实现分散式网络化制造。

近净成形技术和无缺陷成形技术

近净成形技术是指零件成形后只需要少量加工或不再加工的机械部件的成形技术。近净形制造技术包括铸造、焊接、塑料加工等。目前正从接近零件形状向直接制造工件发展，即精密成形或净成形。其中一些工件可以直接使用或稍加加工形成产品，从而大大降低原材料和能源的消耗。近净成形技术通常与近无缺陷成形技术相结合，用于大批量生产。

新的制造技术不断出现

现在对于制造技术本身来说，各个学科和专业之间的界限已经不那么明显了。从产品设计到产品加工工艺、加工过程、质量检验、总装、包装，这些中间环节的界限已经逐渐淡化和消失，逐渐变得一体化。例如，CAD、CAPP、CAM的出现使设计与制造融为一体。现在推出了一种新型技术——快速原型零件制造技术(RPM)， RPM技术是直接由CAD模型驱动快速制造任意复杂形状的三维实体，机械工程、CAD、NC、激光、材料等。多学科相互渗透、交叉的产品，其设计突破了传统的加工工艺，采用材料“去除”的原理，采用“添加与积累”的原理，是制造技术的一次新的革命。具有代表性的技术包括分层固体制造和融合沉积制造。

绿色制造的问题

旧机床的更新改造
在旧机床的处置中，一个特别突出的问题是废弃物或闲置设备的回收和再利用不好。许多工厂和厂房经常覆盖着生锈的旧设备，如数控机床、加工中心、FMS、CIMS，甚至网络加工。先进的制造系统与大量上世纪五六十年代的旧机床共存。改造和利用好这些旧设备是我们面临的一个问题。

浪费材料和能源
机械制造业对能源和原材料的浪费更为明显。地板上到处都是芯片、小零件和油污。中国从原材料到产品消耗的能源和原材料比美国、日本等发达国家高出数十倍。

环保意识淡薄
一些中小企业环境污染问题依然严重。

产品回收率低
我们长期遵循的生产模式是:从生产到流通到消费再到浪费的开放式循环。绿色制造主张采用闭环生产模式，即在原有生产模式的基础上增加回收环节。制造商是在产品的设计和制造过程中。我们必须充分考虑回收利用的问题。

绿色制造工艺

少切割工艺优势
采用精密铸造、冷挤压、直接沉积等成形技术，从接近零件形状发展到精密成形和仿形，自由成形制造代替切削，节约了传统毛坯制造的能源和材料消耗。它还节省了大量的原材料，缩短了生产周期。

干式切割工艺
干切削是一种在加工过程中不使用冷却润滑剂的加工方法。这样可以消除加工过程中切削液造成的大量污染问题，获得清洁无污染的切屑，节省大量切削液，也为加工切削液造成的污染节省了大量成本。

先进的制造技术
采用先进的现代制造技术是实现绿色制造的有效途径。如精益生产(LP)、敏捷制造(AM)、虚拟制造(VM)、数字化制造(DM)等。

减低及控制噪音
在机械制造车间，特别是锻压车间，生产过程中产生的强烈噪声是环境污染的一大问题。因此，必须控制和降低噪声。技术措施包括:做好飞轮等刚体旋转体的动平衡;轴承和轴承座之间增加弹性衬套，使用热模锻压力机，取消汽锤锻压机;隔音罩采用无冲击模板，带有油减震器等。

绿色包装研究
绿色包装是指使用对环境和人体无污染、可回收或可再生的包装材料和产品的包装。首先，产品包装必须尽可能简化，避免过度包装。使包装可重复使用多次或易于回收。并且不会产生二次污染。在重视环境保护的世界氛围中，绿色包装在销售中发挥着越来越重要的作用。
绿色包装技术是从环境保护的角度优化产品包装解决方案，最大限度地减少资源消耗和废物产生。绿色包装技术主要研究包装材料的选择、包装结构的改进、包装废弃物的回收利用三个方面。

产品使用及使用后处理研究
主要关注延长产品生命周期，减少使用中的能源浪费和环境污染。节能设计有利于减少产品使用中的能源浪费和环境污染。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%是由处于待机模式的设备消耗的。美国能源部估计，美国每年要为备用电视和录像机支付大约10亿美元的电费。待机功耗在社会上引起了广泛的关注。因此，在产品的设计阶段，应充分重视其使用所造成的能源消耗。目前，针对家电待机功耗，人们研究了新型开关电源和“绿色芯片”。他们的目标是绿色设计，当他们切换到空闲待机模式时，可以大大降低许多电源的功耗。

绿色制造技术发展现状

国外现状

国外许多政府部门都推出了以环境保护为主题的“绿色计划”。1991年，日本推出了“绿色产业计划”，加拿大政府也开始实施环境保护的“绿色计划”。美国、英国和德国也启动了类似的项目。目前，在一些发达国家，除了政府采取了一系列环保措施外，消费者热衷于购买环保产品，绿色消费的新趋势推动了绿色制造的发展。产品绿色标签制度相继建立。任何标有“绿色标签”图形的产品，都表明该产品从生产到使用、回收的整个过程符合环保要求，对生态环境无害或危害最小，对资源有利。回收再利用为企业开拓销售、参与国际市场竞争提供了条件。例如，自1981年德国水溶性涂料获得环保标签(绿色标签)以来，其贸易额增长了20%。德国目前有60种3500种产品被授予了环境标签。法国、瑞士、芬兰和澳大利亚等国家于1991年在产品上实施了环境标签。 Japan implemented environmental labels on products in 1992, and Singapore and Malaysia also started in 1992. Implement environmental labels. At present, more than 20 countries have implemented environmental labels on products, thus promoting the development of "green products" in these countries and gaining more positions and shares in the international market competition. International economic experts believe that the current proportion of "green products" is about 5 to 10%. In another 10 years, all products will enter the green design family, which can be recycled, easily disassembled, and components or complete machines can be refurbished and recycled. In other words, in the next 10 years, green products may become the leading products in the world commodity market.

中国国内研究基金

在国家科委、国家自然科学基金等有关部门的支持下，国内一些高校和科研院所对绿色制造技术进行了广泛的研究和探索。机械科学研究所已完成国家科委“九五”计划项目、清洁生产技术选择与数据库建立、机械工业基金项目、绿色设计技术发展趋势与对策研究。围绕机械行业的九个行业，对绿色技术的需求和绿色设计技术的发展趋势进行了研究。在国内首次提出了适合机械行业的绿色设计技术开发体系，并研究了车辆拆卸和回收技术。目前，国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系研究”。以环保型绿色技术评价体系为研究载体，将ETV评价技术引入机械制造业绿色设计和绿色制造，建立制造业绿色理念、描述方法和ETV评价体系。为了创建绿色大学，清华大学将绿色工程技术列为重点发展和支持项目。

绿色制造的发展趋势

1. 全球化:绿色制造的研究和应用将越来越多地反映全球化的特征和趋势
   绿色制造的全球性特征体现在很多方面，例如:
   • 制造业对环境的影响往往超越空间。人类需要团结起来保护他们共同拥有的唯一地球。
   • ISO14000系列标准的相继颁布，为全球绿色制造的研究和应用奠定了良好的基础，但有些标准还需要进一步完善，许多标准还有待研究和制定。
   • 随着近年来全球化市场的形成，绿色产品的市场竞争也将全球化。
   • 近年来，许多国家要求进口产品必须通过绿色认证，并有“绿色标志”。特别是一些国家以保护本国环境为由，制定极其苛刻的产品环境指标，限制国际产品进入中国市场，即设置“绿色贸易壁垒”。绿色制造将为中国企业提供提高产品绿色度的技术手段，从而为中国企业消除国际贸易壁垒、进入国际市场提供有力支持。这也从另一个角度说明了全球化的特点。
2. 社会化:需要形成绿色制造的社会支持体系

   绿色制造的研究和实施需要全社会的共同努力和参与，建立绿色制造所必需的社会支持体系。
   绿色制造所涉及的社会支持体系主要是一个立法和行政法规问题。目前，这方面的法律、行政法规尚不能对绿色制造行为形成良好的支持，对相反行为的惩罚力度不足。立法问题越来越受到各国的重视。
   第二，政府可以制定经济政策，利用市场经济机制引导绿色制造。例如:制定有效的资源价格政策，用经济手段严格控制不可再生资源和开采后对环境有影响的资源(如树木)虽然是可再生资源，使企业和人们不得不尽量减少直接使用这类资源，反过来寻求开发替代资源。再比如:城市汽车尾气污染是一个非常严重的问题。政府可以在每辆车年检时确定尾气排放水平，收取高额的污染尾气排放费。这样一来，尾气排放量大的汽车自然没有市场，市场机制会迫使汽车制造商生产绿色汽车。
   企业要有效地实施绿色制造，必须考虑产品生命周期结束后的加工，这可能会导致企业、产品和用户之间形成一种新的集成关系。例如，有人建议用户只购买需要回收的主要产品的使用权，如汽车、冰柜、空调、电视等，而公司拥有所有权，并负责产品报废后的回收。
   无论是绿色制造涉及的立法、行政法规，需要制定的经济政策，还是绿色制造需要建立的企业、产品、用户三者之间的新型一体化关系，都是非常复杂的问题，而且数量很多。需要深入研究相关技术问题，形成绿色制造所需的社会支持体系。这些也是未来绿色制造研究内容的重要组成部分。

3. 集成:将更加注重系统技术和集成技术的研究

   绿色制造涉及产品生命周期的全过程和企业生产经营活动的各个环节，是一个复杂的系统工程问题。因此，要有效实施绿色制造，必须从系统和集成的角度考虑和研究绿色制造中的相关问题。
   目前，绿色制造的集成功能目标体系、产品与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、绿色制造问题领域的集成、绿色制造系统中的信息集成、绿色制造的过程集成等。集成技术的研究将成为绿色制造的重要研究内容。
   绿色制造集成的另一个方面是，绿色制造的实施需要一个集成的制造系统。为此，提出了绿色集成制造系统的概念，并建立了绿色集成制造系统的体系框架:系统包括管理信息系统、绿色设计系统、制造工艺系统、质量保证系统、材料能源系统和环境影响评价系统。系统有6个功能子系统、计算机通信网络系统和数据库/知识库系统、2个支撑子系统和外部连接。绿色集成制造技术和绿色集成制造系统很可能成为未来绿色制造研究的重点。

4. 并行化:绿色并行工程可能成为绿色产品开发的有效模式

   绿色设计仍将是未来绿色制造的关键技术。未来绿色设计的一个重要趋势是与并行工程相结合，从而形成一种新的绿色并行工程产品设计开发模式。
   绿色并行工程，又称绿色并行设计，是现代绿色产品设计开发的一种新模式。它是一种对产品及其整个生命周期进行集成并行设计的系统方法，力求使产品开发人员从设计之初就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品处置的所有因素。包括质量、成本、进度、用户要求、环境影响、资源消耗等。
   绿色并行工程涉及一系列关键技术，包括绿色并行工程协同组织模型、协同支撑平台、绿色设计数据库与知识库、设计过程评价技术与方法、绿色并行设计决策支持系统等。许多技术需要在未来进一步研究。

5. 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

   绿色制造决策目标体系是将现有制造系统TQCS(即上市时间、产品质量、产品成本和提供给用户的服务)目标体系与环境影响E和资源消耗R相集成，形成TQCSRE决策目标体系。这些目标的优化是一个非常复杂的多目标优化问题，很难用一般的数学方法来处理，需要人工智能方法来支持处理。此外，绿色产品评价指标体系和评价专家系统都需要人工智能和智能制造技术。
   基于知识系统、模糊系统和神经网络的人工智能技术将在绿色制造研发中发挥重要作用。例如，在制造过程中，使用专家系统来识别和量化产品设计、材料消耗和废物产生之间的关系;利用这些关系来比较产品设计和制造对环境的影响;运用知识为本的原则选择实用的材料等。

6. 工业化:绿色制造的实施将导致若干新兴产业的形成

   绿色制造将带动若干新兴产业的形成。除了目前大家都注意到的垃圾回收设备制造业和垃圾回收服务业，还有两类行业值得特别关注:

   • 绿色产品制造业:制造业不断研究、设计和开发各种绿色产品，以取代消耗资源、对环境影响更大的传统产品，这将使该行业继续蓬勃发展。
   • 实施绿色制造的软件产业:企业实施绿色制造需要大量的工具和软件产品，如绿色设计的配套软件(计算机辅助绿色产品设计系统、绿色工艺规划系统、绿色制造决策系统、产品寿命周期评价系统、ISO14000国际认证支持体系等)将促进新型软件产业的形成。