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什么是綠色制造？

  美國制造工程師學會(SME)于1996年發(fā)布了綠色制造藍皮書《Green Manufacturing》，最早明確給出綠色制造的內涵，即“綠色制造，又稱清潔制造，其目標是使產(chǎn)品從設計、生產(chǎn)、運輸?shù)綀髲U處理的全過程對環(huán)境的負面影響達到最小”。隨后，1998年SME在國際互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)表了題為“綠色制造發(fā)展趨勢”的報告，對綠色制造重要性和有關問題作了進一步的闡述。國內，劉飛等于2000年就系統(tǒng)指出：“綠色制造是一種綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得產(chǎn)品從設計、制造、包裝、使用到報廢處理的整個生命周期中，對環(huán)境負面影響小、資源利用率高、綜合效益大，使得企業(yè)經(jīng)濟效益與社會效益得到協(xié)調優(yōu)化”。

  近年來，隨著科技發(fā)展和人們對綠色制造研究的深入，綠色制造的內涵不斷豐富，主要有：

①綠色制造是多領域、多學科的集成，涉及制造、環(huán)境、資源三大領域。

②綠色制造中的“制造”是一個廣義的制造概念，涉及產(chǎn)品全生命周期，是一個“大制造”概念，同計算機集成制造、敏捷制造等概念中的“制造”一樣，綠色制造體現(xiàn)了現(xiàn)代制造科學的“大制造、大過程、學科交叉”的特點，其生命周期示意圖見圖1。
   ③圍繞制造過程中的環(huán)境問題形成了許多與之相關的制造概念，如綠色設計、綠色工藝、綠色包裝、綠色使用、清潔生產(chǎn)和綠色回收等。④綠色制造涉及的范圍非常廣泛，包括機械、電子、食品、化工、軍工等，幾乎覆蓋整個工業(yè)領域。⑤從制造系統(tǒng)工程的觀點，綠色制造是一個充分考慮制造業(yè)資源和環(huán)境問題的復雜的系統(tǒng)工程問題。當前人類社會正在實施全球化的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，綠色制造實質上是人類社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)代制造業(yè)中的體現(xiàn)。

  綠色制造主要內容

  綠色制造創(chuàng)新模式

  近年來，工業(yè)發(fā)達國家相繼提出基于產(chǎn)業(yè)共生和資源循環(huán)的工業(yè)生態(tài)模式,通過融合新能源和能量回收技術實現(xiàn)能源自主獨立的生態(tài)工廠、生產(chǎn)者延伸責任制(extended producer responsibility,EPR)，注重新技術和產(chǎn)業(yè)模式變革創(chuàng)新。

  (1)工業(yè)共生模式。工業(yè)共生是以節(jié)約資源、保護環(huán)境和提高物質綜合利用率為特征的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展模式，是由社會、經(jīng)濟、環(huán)境三個子系統(tǒng)復合而成的有機整體。生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈設計是實現(xiàn)工業(yè)共生的重要手段，它強調環(huán)節(jié)之間的鏈接與交互，注重產(chǎn)業(yè)內部各種資源的流動，相互利用對方副產(chǎn)品(能量、水和物質等)。在生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈中，物質生產(chǎn)企業(yè)承擔著不可再生資源和可再生資源的開發(fā)與利用，為生產(chǎn)提供初級原料和能源；技術生產(chǎn)者通過對各企業(yè)提供無形的技術支持，使各個企業(yè)以及整個生態(tài)鏈都朝著更加豐富和完善的方向發(fā)展；加工生產(chǎn)企業(yè)將物質生產(chǎn)企業(yè)提供的初級原料或可作為原料的其他企業(yè)的副產(chǎn)物、廢棄物，加工成滿足人類生產(chǎn)生活所需的最終產(chǎn)品或中間產(chǎn)品；還原生產(chǎn)企業(yè)將生產(chǎn)過程中的各種副產(chǎn)品和廢棄物進行資源化，或從中進行無害化處理，或提供給其他企業(yè)作為原料，圖2為生態(tài)工業(yè)園生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈模型，目前丹麥已建立全球第一個工業(yè)共生體，即卡倫堡工業(yè)共生體。

  圖2生態(tài)工業(yè)園生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈模型

  (2)生態(tài)工廠。生態(tài)工廠通過融合新能源和能量回收技術實現(xiàn)能源自主獨立的生態(tài)型工廠，它從全局系統(tǒng)觀點來規(guī)劃和處理每一個環(huán)節(jié)，比“節(jié)能型”、“清潔型”工廠高一個層次。通過精心策劃、合理安排，可以在經(jīng)濟文化和技術不斷進步的情況下，使環(huán)境負荷保持在所希望的水平上，為此工廠的工業(yè)系統(tǒng)需同它周圍環(huán)境協(xié)調起來。生態(tài)工廠利用生態(tài)學物種共生和物質循環(huán)、轉化、再生原理，采用系統(tǒng)工程優(yōu)化方法，運用現(xiàn)代科技成果，設計物質和能量多層次、多級別利用的產(chǎn)業(yè)技術系統(tǒng)。這種模式可簡述為“資源—產(chǎn)品—再生資源”或“原料—產(chǎn)品—剩余物—產(chǎn)品”，具體表現(xiàn)為：過程減量化、再利用、再循環(huán)。生態(tài)工廠要求人們盡可能優(yōu)化物質的整個循環(huán)體系，從原料制成的材料、零部件、產(chǎn)品直到最后的廢棄物，各個部分都應從資源、能源、資金、環(huán)境等方面進行改善。

  (3)生產(chǎn)者延伸責任制。1988年，瑞典學者托馬斯在給瑞典環(huán)境署提交的報告中首次提出了EPR的概念。托馬斯認為：EPR制度是一種環(huán)境保護戰(zhàn)略，旨在降低產(chǎn)品的環(huán)境影響。EPR通過使產(chǎn)品制造者對產(chǎn)品的整個生命周期，特別是對產(chǎn)品的回收、循環(huán)和最終處置承擔責任來實現(xiàn)。EPR制度有利于設計和制造循環(huán)再利用的產(chǎn)品，降低產(chǎn)品生命終期的回收處理成本和提高資源循環(huán)再利用效率，是推動循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的根本性的產(chǎn)業(yè)模式。目前我國已經(jīng)進入電子產(chǎn)品淘汰的高峰期，這些日益增多的廢棄物，若不能得到有效處理，將會對環(huán)境造成極大危害。面對如此之大的潛在威脅，只靠政府來應對環(huán)保問題是不夠的，企業(yè)應該逐步施行EPR制度，義不容辭地承擔起環(huán)境責任、生態(tài)責任和社會責任。

  產(chǎn)品綠色評價技術

  綠色制造的一個重要挑戰(zhàn)是如何快速、可靠地量化檢測和評價產(chǎn)品全生命周期的資源消耗和環(huán)境影響，目前廣泛采用的產(chǎn)品綠色評價方法為生命周期評價(LCA)技術，LCA源于美國中西部研究所于1969年對可口可樂公司的飲料包裝瓶進行的評價研究，該研究從原材料采掘到制造，再到廢棄物最終處置，進行了全過程的跟蹤與定量研究，揭開了生命周期評價的序幕，當時這一分析方法被稱為資源與環(huán)境狀況分析(resource and environmental profile analysis，REPA)方法。20世紀70年代中期由于能源危機，REPA方法中有關能源分析的工作備受關注，進入20世紀80年代后，公眾的環(huán)境意識進一步提高，產(chǎn)品的環(huán)境性能成為市場競爭的重要因素。LCA作為擴展和強化環(huán)境管理、評價產(chǎn)品性能、開發(fā)綠色產(chǎn)品的有效工具，得到了學術界、企業(yè)界和政府的一致認同，其應用領域也從包裝材料和日用品擴展到電冰箱、洗衣機等家用電器以及建材、鋁材、塑料等原材料，目前已研究開發(fā)了SimaPro、Gabi、Ecoinvent、SolidWorks Sustainability等多種產(chǎn)品LCA與生態(tài)設計軟件及基礎數(shù)據(jù)庫，并制定了ISO標準LCA研究框架，為政府、企業(yè)和消費者開展綠色制造相關的分析和決策提供了參考。

  綠色設計

  綠色設計對產(chǎn)品全生命周期的資源消耗和環(huán)境影響具有決定性的作用，影響度可達70%～80%，直接影響產(chǎn)品供應鏈、使用和回收再利用的綠色性。綠色設計應遵循“3R(reduce，reuse，recycle)”的原則，設計產(chǎn)品時不僅要考慮減少產(chǎn)品制造物質和能源消耗，減少有害物質的排放，而且要綜合考慮產(chǎn)品及零部件報廢后能夠重新利用或方便分類回收并再生循環(huán)。

  (1)綠色材料替代設計。綠色材料替代設計的主要目的是在保持材料性能不變或提升的情況下，改善其環(huán)境性能。目前各國開展的綠色材料替代設計研究主要涉及仿生材料、復合材料、可回收材料、合金材料等。WANG等通過熱等靜壓技術制備了SCS-6纖維增強Ti/Ti-25Al-10Nb仿生疊層復合材料，與傳統(tǒng)的Ti基復合材料相比，該材料在韌性和抗損傷性方面有了顯著的提高；HOLMES等將一種新型竹基復合材料作為風力電機葉片的材料，以改善其環(huán)境性能；KAM等將回收材料作為綠色生產(chǎn)的一部分，推廣使用可回收材料來減小對環(huán)境的影響。

  另外，含Y2O3的MCrAIY涂層是發(fā)動機渦輪葉片、導向葉片等發(fā)動機熱端部件用的第三代涂層，已在國外高性能、長壽命發(fā)動機上得到應用。為便于在設計階段選擇結構性能較優(yōu)、環(huán)境性能較好的材料以有助于綠色材料替代設計，目前工業(yè)發(fā)達國家開發(fā)了相應的軟件工具以支持綠色材料替代設計。其中，歐特克設計軟件(Autodesk Inventor)的Eco-Materials Adviser和Granta的CES Selector軟件工具，能夠形成基于材料屬性的材料圖表，并根據(jù)材料追溯、材料配置、環(huán)境影響分析過程對材料進行比較，最終找到替代方案。

  (2)節(jié)能性設計。節(jié)能性設計綜合考慮產(chǎn)品制造、使用等過程的能耗情況，通過應用環(huán)保節(jié)能型材料，優(yōu)化機械結構，合理地制定并應用創(chuàng)新制造工藝、清潔燃料替代等措施來實現(xiàn)產(chǎn)品制造的節(jié)能減排。當前節(jié)能設計主要集中在高效動力、清潔燃料替代設計方面，如替代燃料主要有太陽能、甲醇、液化石油氣、壓縮天然氣、乙醇等。

  福特Edge HySeries采用了結合車載氫燃料電池發(fā)電機和鋰電池的氫燃料電池動力系列的混合傳動系統(tǒng)，該新型動力系統(tǒng)將傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的尺寸、質量、成本和復雜性減小(降低)了50%以上。通用汽車雪佛蘭Volt采用了一套獨特的電力驅動裝置來提高車輛的行駛效率，降低電動機的總轉速，提高車輛整體行駛效率。該公司還通過應用節(jié)能控制技術，優(yōu)化機電混合汽車內燃機的最佳工作狀況，大幅度降低能耗。另外，通用汽車推出的全新一代別克君越eAssist混合動力車，匯集了多項混合動力前沿核心技術，如起步/加速助力、發(fā)動機啟停系統(tǒng)、減速斷油、制動能量回收等，借助eAssist智能混合動力技術，該車型比同級傳統(tǒng)動力車型節(jié)油20%。

  (3)輕量化設計。國際輕量化設計研究主要包括輕量化材料的運用、結構輕量化設計與優(yōu)化(圖3a)、復合材料替代技術(圖3b)、先進的凈成形工藝等，涉及產(chǎn)品包括工業(yè)裝備、家電產(chǎn)品、電器電子產(chǎn)品、汽車和飛機等。EMMELMANN等通過激光直接進行飛機結構的仿形制造，同時分析加工區(qū)域的溫度分布并給出合適的加工工藝參數(shù)，為飛機制造業(yè)確定了合適的激光立體成形工藝。

  (4)面向回收/拆卸/再制造的設計。在設計的各個階段，不僅要考慮零部件的成本、可加工性、質量，還要考慮零部件的環(huán)境屬性。面向回收、拆卸、再制造的設計需考慮多壽命周期服役、材料相容性、可拆解性等因素，提高產(chǎn)品生命終期的回收、拆解效率和零部件再制造的服役安全壽命。再制造的設計是面向拆解、清洗、分類、檢查、修復和裝配的再制造所有階段的設計。面向拆卸設計需考慮減少拆卸步驟的數(shù)量和復雜性，其設計原則為：組件方便拆卸；使用易分離的連接形式；連接的壽命應與產(chǎn)品壽命一致。

  綠色制造工藝與裝備

  綠色制造工藝與裝備的創(chuàng)新是實現(xiàn)制造業(yè)綠色發(fā)展的基礎保障，主要創(chuàng)新領域包括：新工藝原理發(fā)現(xiàn)、綠色工藝裝備研制、替代性工藝技術、工藝鏈集成優(yōu)化和輔助物料(切削油液、溶劑等)的環(huán)保化，以4種基礎工藝創(chuàng)新為例進行說明。

  (1)鑄造。鑄造是將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄造空腔中，待其冷卻凝固后，以獲得零件或毛坯的方法。鑄造是零部件制造中應用最廣泛的工藝之一，可分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類。鑄造工藝污染較為嚴重，砂模鑄造對環(huán)境影響較大，其主要的污染源有：有害氣體污染、廢水排放、固體廢棄物等。鑄造工藝的質量及排放可通過先進技術得到改善，如在線工藝質量控制技術可提高成品率；無模鑄造及砂型涂層技術可有助于提高環(huán)境質量；基于工藝模型的環(huán)境評估能為鑄造的環(huán)境影響提供量化工具；熱管理及廢熱回收技術能減少能源及溫室氣體的排放；近凈成形精密鑄造新工藝技術能減少或消除產(chǎn)品下游生產(chǎn)的加工或精加工步驟等。

  (2)材料成形加工。單點漸近成形技術(SPIF)是改善成形加工環(huán)境性能的先進技術之一，適用于大批量成形加工，可減少成形模具的物料和能源消耗。模具激光熔覆再制造技術可延長模具的服役壽命，減少模具制造碳排放。此外，輕量化構件液力成形、模具涂層技術、近凈成形技術等都可減小材料成形加工的環(huán)境影響。

  (3)切削與磨削。切削與磨削都是減材工藝，其能源消耗也不容小覷。減少切削與磨削的能源消耗需從以下幾個方面考慮：加工能耗、切削液和切屑回收。其中，減少加工能耗主要通過應用綠色機床實現(xiàn)。2007年，漢諾威機床展覽會對綠色機床進行了定義，列舉了以下特點：機床零部件由再生材料制造；機床的質量和體積減少50%以上；提高能效30%～40%；減少污染排放50%～60%；報廢后機床的材料100%可回收。目前，國際上普遍從干切技術、微量潤滑技術和環(huán)保切削液的研發(fā)應用三個方面緩解切削液帶來的環(huán)境問題。在切削與磨削能源消耗中，切屑是另一大影響因素。雖然大部分切屑能被回收，但從經(jīng)濟與環(huán)境的角度，應通過零部件設計與工藝規(guī)劃盡可能使切削余量最小，并且通過切屑回收減少物料消耗。

  (4)清洗與改性處理。改性處理技術是采用化學/物理的方法改變材料或工件表面的化學成分或組織結構以提高機器零件或材料性能的一類熱處理技術，是制造過程中污染最嚴重的工藝。基于生命周期的工藝設計可以使得金屬熱處理、電鍍等改性處理的污染源最小。另外，還可通過如下方式減小改性處理的環(huán)境影響：減少上游工藝的冷卻潤滑殘留；開發(fā)低熱量的熱處理工藝替代整體熱處理，如超聲、激光、微波處理等；采用選擇性局部熱處理工藝，如熱噴涂替代整體表面電鍍工藝；減少有毒有害溶劑的使用和提高回收再利用等。

  資源化與再制造

  資源效率提高可通過資源回收利用方式實現(xiàn)。以鋼鐵為例，采用最佳實用技術，在發(fā)達國家的節(jié)能潛力為9%，在發(fā)展中國家可以達到30%；而通過廢棄鋼材的回收再利用后最大的節(jié)能潛力可達64%。雖然資源回收利用節(jié)能潛力巨大，但當前資源回收利用率并不高，尤其是稀貴金屬的回收。RECK等指出，金屬回收率普遍較低，鋼鐵、鋁、銅等金屬回收利用率超過50%，而絕大部分其他金屬材料回收利用率均低于50%，特別是稀貴金屬回收利用率低于1%。影響金屬回收利用率的主要因素有收集效率低、破碎分選技術落后等。

  應對未來回收挑戰(zhàn)需從普及先進技術、實施面向材料回收的設計、提高廢棄產(chǎn)品的收集率等方面實現(xiàn)。在處理生命周期末端的產(chǎn)品時，再制造的節(jié)能潛力優(yōu)于資源回收，可使回收的資源被最大化利用，如六缸柴油機使用再制造的組件可以避免額外的16 250 MJ能源消耗。再制造可以顯著地降低材料能源強度，但是對于再制造產(chǎn)品的節(jié)能潛力還需從產(chǎn)品的全生命周期角度評價。

  GUTOWSKI等指出對于使用階段能源消耗占主導的產(chǎn)品，再制造產(chǎn)品能效下降所導致的能耗增長將抵消甚至超過再制造產(chǎn)品材料能源強度下降所減少的能耗。圖4為25種新產(chǎn)品與再制造產(chǎn)品全生命周期能源消耗對比圖，平衡線以上表示再制造產(chǎn)品全生命周期能耗小于新產(chǎn)品，再制造產(chǎn)品較新產(chǎn)品有節(jié)能優(yōu)勢；同理，平衡線以下表示再制造產(chǎn)品全生命周期能耗大于新產(chǎn)品，再制造產(chǎn)品較新產(chǎn)品沒有節(jié)能優(yōu)勢。