基于電熱激發的主動拆卸產品設計方法及其設計準則研究

劉志峰 成煥波 李新宇 趙流現 張洪潮，2

1.合肥工業大學，合肥，230009 2.德克薩斯理工大學，德克薩斯，79409

基于電熱激發的主動拆卸產品設計方法及其設計準則研究

劉志峰1成煥波1李新宇1趙流現1張洪潮1，2

1.合肥工業大學，合肥，230009 2.德克薩斯理工大學，德克薩斯，79409

首先提出了基于電熱激發的主動拆卸方法、多級主動拆卸方法及其設計準則，結合實際案例分析，說明了基于電熱激發的主動拆卸產品的一般設計方法；將有限元分析結果與實驗結果、電熱激發實驗與傳統的熱激發實驗進行對比，驗證了電熱激發方法的可行性，并將這些方法及其設計準則用于產品的主動拆卸設計，明顯提高了產品的拆卸效率。

主動拆卸；電熱激發；多級主動拆卸；設計準則

0 引言

隨著對形狀記憶材料研究的深入及其應用的日漸廣泛，以記憶材料為基礎的ADSM（active disassembly using smart materials）方法引起了人們的廣泛關注，該方法是利用熱致型形狀記憶材料制成主動拆卸結構，當達到主動拆卸結構的激發溫度時可實現產品的主動拆卸［1－4］。ADSM的應用對象主要包括手機、汽車、液晶顯示器、遙控器、隨身聽等［6］。使用主動拆卸結構可大幅度提高產品的拆卸效率，最大限度地降低回收成本。設計體積較大或結構復雜的主動拆卸產品時，必須考慮多級主動拆卸的問題。傳統的多級主動拆卸需要在設計時選用激發條件不同的材料，使其激發條件（例如溫度）能有一個上升的梯度，按這個梯度安裝各級主動拆卸結構，拆卸時將產品通過傳送帶送至每一級拆卸的工作區拆去相應的部件，直至拆卸完成。目前針對主動拆卸結構，主要有五種加熱激發的方法：空氣對流加熱即空氣浴、沉浸法加熱即水浴加熱、微波加熱、遠紅外線加熱及感應加熱。這五種加熱方式各有利弊，如水浴或空氣浴均為對整件產品進行加熱，對耐熱性較差的其他零部件可能造成損害，而且加熱時能量分散，能耗較高，熱量傳遞到產品內部的主動拆卸結構耗時較長，激發時間不可控，產品的拆卸效率下降，回收成本變高［4－10］。因此，迫切需要一種拆卸效率高、拆卸性能好的主動拆卸方法。

采用電熱激發法實現產品的主動拆卸，能耗較低，能量集中，結構設計簡單，而且不需要使激發強度以梯度方式遞增，通過調節電熱元件的功率來控制主動拆卸時間，可實現產品的多級主動拆卸。

1 基于電熱激發的主動拆卸設計準則及其方法

1.1 基于電熱激發的主動拆卸產品設計準則

（1）形狀 記 憶 合 金 （shape memory alloy，SMA）驅動部件應滿足主動拆卸結構的輸出力要求，形狀記憶高分子材料（shape memory polymer，SMP）制成的卡扣應滿足主動拆卸結構的變形量要求，主動拆卸結構的有效拆卸力必須超過零部件的連接力，激發后要保證被連接件的有效分離。

（2）主動拆卸結構應盡量簡單，以降低結構復雜性，滿足產品的可靠性及其結構強度要求。

（3）主動拆卸結構的激發溫度必須高于產品的正常使用溫度，從而保證產品在正常使用時不會發生拆解。

（4）對于手機、遙控器、隨身聽等電子產品，SMA驅動件或主動拆卸卡扣根部的電熱元件的通電線路與產品的工作通電線路應相互分開，避免產品正常工作時進行自動拆解。

（5）主動拆卸卡扣變形量較大，對于產品內部的主動拆卸卡扣，電熱激發變形后的形狀不能與產品的其他零部件產生干涉，以免其他零部件難以拆卸或無法拆卸。

（6）主動拆卸卡扣的材料種類盡量與其他塑料件相同，便于材料的分類回收。

對于可電熱激發或可通過傳統的熱激發方法激發的主動拆卸結構（如形狀記憶合金驅動件、形狀記憶塑料卡扣），其設計方法相同而激發方式不同，故可電熱激發的主動拆卸產品設計準則與傳統的主動拆卸產品設計準則基本相同，設計準則（4）和（5）是可電熱激發的主動拆卸產品所特有的設計準則。

1.2 主動拆卸結構的電熱激發方法

主動拆卸結構的電熱激發方法有如下三類：

（1）SMA箔片、彈簧等主動拆卸結構制成產品零部件分離的驅動件，使其通電后被激發變形，實現產品零部件的分離。

鎳－鈦系合金是SMA材料中性能最優越且用途最廣的一種，其延展性、形狀記憶強度、應變、耐蝕性、導電性及穩定性均相當好，熔點較高［2］。Ni－Ti材料制成的形狀記憶合金驅動件（如SMA箔片、SMA彈簧等）激發后變形恢復力大，如圖1、圖2所示，通過對鎳鈦SMA箔片、SMA彈簧等驅動件通電，使其激發變形，產生一定的輸出力與變形量，破壞產品零部件的連接關系，從而實現產品零部件的分離。SMA箔片、SMA彈簧通電后被激發變形的時間與其電功率有關，功率越高，激發變形時間越短。工業用的鎳鈦合金電阻率通常在5×10－7～11×10－7Ω·m 范圍之內［2］，由于其電阻率很小，通電后的激發變形過程幾乎為瞬態發生，不利于產品拆卸，通過將電阻與SMA驅動件串接起來，可降低其工作電壓，從而滿足合理的拆卸時間的要求，控制與其串聯電阻的大小，可調節激發變形時所需的時間。

圖1 SMA箔片變形前后效果

圖2 SMA彈簧的電熱激發效果

（2）貼在形狀記憶塑料卡扣根部的電熱片通電后激發卡扣變形，實現產品零部件的分離。

SMP制成的主動拆卸結構（可主動分離扣件，以下簡稱SMP卡扣）用于產品零部件的連接，SMP卡扣的激發溫度一般應超過70℃，采用電熱片貼在SMP卡扣根部，電熱片通電后產生的熱量會對卡扣根部進行熱傳導，在極短的時間內達到SMP卡扣的激發溫度，SMP卡扣被激發變形，卡扣與卡槽的連接關系失效，實現零部件的主動分離，如圖3所示。或將電熱絲埋入SMP卡扣根部，電熱絲通電后激發SMP卡扣變形，同樣可實現零部件的主動分離，但這種方法要求電熱絲功率較小，避免SMP卡扣被電熱絲熔斷或損傷產品的其他零部件。SMP卡扣被激發變形的時間與電熱片的功率有關，通過控制電熱片的功率可調節主動拆卸時間，電熱片的功率不能太高，其通電后的卡扣根部最高溫度必須低于與其相連接的零部件熔點，以免產品的其他零部件受損，電熱片的絕緣層應具有更好的柔軟性，能夠隨著卡扣的變形而變形，并能夠與卡扣根部緊密地接觸。

電熱片對SMP塑料的激發效果如圖4所示。

圖3 SMP卡扣的電熱激發示意圖

圖4 電熱片對SMP塑料的激發效果

電熱絲對SMP塑料的激發效果如圖5所示。

（3）埋入普通熱塑性塑料卡扣根部的電熱絲通電后熔斷卡扣根部，實現零部件的分離。

對于普通熱塑性塑料制成的可分離扣件，電熱絲埋入普通熱塑性塑料卡扣根部，在極短的時間內電熱絲通電后熔化塑料卡扣根部，卡扣與卡槽的連接關系失效，從而達到主動拆卸的目的，如圖6所示。或采用電熱片貼在卡扣根部，此電熱片外部沒有絕緣層，由電熱絲直接構成，通電可熔化卡扣根部，但電熱絲通電后產生的高溫可能會損害與卡扣相連接的其他零部件。電熱絲熔斷卡扣根部的時間通常與卡扣的熔點以及電熱絲的功率有關，可通過調節電熱絲的功率改變卡扣被熔斷的時間，實現主動拆卸時間的可控性。

圖5 電熱絲對SMP塑料的激發效果

圖6 普通熱塑性塑料卡扣的電熱激發示意圖

電熱絲對普通熱塑性塑料的激發前后效果如圖7所示。

圖7 電熱絲對普通熱塑性塑料的激發前后對比圖

2 基于電熱激發方法的產品多級主動拆卸

傳統的多級主動拆卸可分為兩類：一類是利用激發介質的不同實現多級主動拆卸；另一類是激發介質相同、激發強度以遞增方式實現產品的多級主動拆卸。這兩種多級主動拆卸方法只能進行由外向內的產品零部件拆卸，對于大體積的電子產品，拆卸效率較低，不利于材料的分揀。電熱激發法屬于局部加熱激發，故其產品零部件的拆卸方式由外向內或由內向外均可應用。當應用由內向外的拆卸方式時，主動拆卸結構所屬連接部位間連接關系的失效順序可由內向外逐級失效；當應用由外向內的拆卸方式時，越是處在產品的內部的連接部位，其拆卸等級越高，產品的各等級主動拆卸結構均可采用相同激發溫度的SMP卡扣或相同熔點的普通熱塑性塑料卡扣。在主動拆卸結構連接處布置不同功率的電熱元件，對于由外向內的產品零部件拆卸方式，其拆卸等級越高，所需電熱元件的功率越低，可通過調節電熱元件的功率來控制SMP卡扣被激發變形的時間或普通熱塑性塑料卡扣被熔斷的時間。電熱激發的三類主動拆卸結構，其拆卸時間均可控，對于大體積且具有復雜結構的電子產品，將三類主動拆卸結構有效結合，利用拆卸時間的可控性，可實現產品的多級主動拆卸。如果在產品設計階段充分考慮各級主動拆卸零部件的拆卸順序，按照拆卸時間選擇不同功率的電熱元件，即可實現產品的一次性完全自動拆解。

實現產品的多級主動拆卸應考慮以下幾方面原則：

（1）確定放在同一級拆卸的零件是否具有可拆卸性，具有可拆卸性的零件才可放在同一級進行拆卸。

（2）同一等級零部件拆卸中SMA驅動件或電熱元件的功率相同，不在同一級拆卸的主動拆卸結構所需電熱元件的功率應產生一個下降的梯度。

（3）盡量使放在同級拆卸的零件具有材料相容性，以便材料的分類回收。對環境有害的零部件材料應單獨放在同一級拆卸，避免有害材料對環境的污染。

（4）為使零部件材料分揀方便，放在同一級拆卸的零件個數不應超過15個。

（5）為提高拆卸效率，相鄰等級的拆卸時間差應能滿足上一級所拆卸零部件的分揀時間要求，而且拆卸時間差應盡可能短。

3 主動拆卸產品的電熱激發實例分析

基于電熱激發的主動拆卸產品設計可分為四個步驟：①選擇合適的主動拆卸結構代替原有的產品連接方式，根據主動拆卸結構的設計方法設計產品零部件的主動拆卸結構；②根據產品多級主動拆卸的劃分原則，將產品的主動拆卸零部件進行分級；③根據各等級的主動拆卸結構選擇合適的電熱元件，SMA驅動部件可直接作為電熱元件；④由各等級主動拆卸零部件的拆卸順序以及相鄰零部件的拆卸時間差確定合理的電熱元件功率，同級零部件拆卸中電熱元件的功率相同。

3.1 實例分析

假設一個主動拆卸產品，根據多級主動拆卸的劃分原則可分為三級拆卸：第一級與第三級主動拆卸結構均采用SMP卡扣，第二級主動拆卸采用SMA箔片驅動。將不同功率的電熱片貼在第一級與第三級主動拆卸卡扣的根部，產品各等級主動拆卸卡扣的激發溫度相同，同一等級主動拆卸卡扣被激發變形時所需電熱片的功率相同。將電阻與箔片串聯起來滿足第二級的主動拆卸時間要求，通電后使得整個產品的主動拆卸結構被激發變形的時間產生一個上升的梯度，從而實現產品的一次性完全自動拆解。設三級主動拆卸時間分別為7s、10s、17s。

第二級主動拆卸中，將鎳鈦SMA箔片布置于產品內部，SMA箔片被激發變形而產生一定的輸出力使得零部件脫開。假設主動拆卸結構需要的輸出力不小于50N，變形量為3mm，波浪數為3，鎳鈦合金的最大形狀記憶形變為6%，通過SMA箔片的設計方法可計算出鎳鈦SMA箔片的長度L＝75mm，寬度為2mm，厚度為0.26mm［4］。由截面積S＝0.52mm2，箔片的體積為 3.9×10－8m3，鎳鈦箔片的電阻率ρ＝0.87×10－6Ω·m，密度為8800kg／m3，可計算出鎳鈦SMA箔片質量m＝0.000 34kg，電阻為

由鎳鈦SMA箔片的質量熱容c＝380 J／（kg·K）、質量和第二級拆卸的時間t＝10s，從常溫20℃升至激發溫度80℃時，溫度差ΔT＝60K，可計算出鎳鈦SMA箔片功率為

根據箔片的電阻和功率計算出箔片工作電壓U＝0.23V，當總工作電壓為5V時，由串聯電路的分壓原理可知，與箔片串聯的電阻R＝1.45Ω。

在第一等級拆卸與第三等級主動拆卸結構中，采用SMP卡扣的熱傳導率λ＝0.28 W／（m·K），質量熱容c＝1900J／（kg·K），密度ρ＝1150kg／m3，電熱片貼在卡扣的根部（圖8），通過有限元分析軟件ABAQUS采用DC3D8單元模擬電熱片通電后對卡扣產生的溫度場分布，由模擬結果可知，SMP卡扣的激發溫度為84℃左右。將電熱片的功率作為熱流量加載到SMP卡扣根部，根據第一級與第三級的拆卸時間，最終確定電熱片的電功率。

圖8 卡扣模型

以第一等級拆卸為例，要達到卡扣的激發變形溫度84℃，則卡扣根部最低溫度應為84℃。如圖8所示，在電熱片所處位置處加載熱流量，卡扣被激發變形的時間為7s，在ABAQUS中經過熱流量的多次加載實驗，最終確定需加功率為0.05W的電熱片，才能使得SMP卡扣在規定時間被激發變形，零部件連接失效。

SMP卡扣的有限元模型及溫度場分布分別如圖8、圖9所示。

圖9 卡扣的溫度場分布

同理，要滿足第三級卡扣被激發變形的時間要求，經過有限元模擬可知，所需電熱片功率為0.02W。

3.2 有限元分析結果與實驗驗證結果比較

對SMP卡扣根部進行實驗分析可知，達到第一級的主動拆卸時間為7s，需要電熱片的功率為0.06W；達到第三級主動拆卸的時間為17s，需要電熱片的功率為0.025W，SMP卡扣根部的電熱激發變形前后效果如圖10所示。

圖10 SMP卡扣電熱激發變形前后對比圖

通過實驗分析可知，在相同的激發時間下，實際需要的電熱片功率比在有限元軟件分析中的電熱片功率高，主要原因有兩點：①在有限元分析軟件中對卡扣進行的是絕熱分析，沒有考慮空氣對卡扣的對流作用；②在有限元軟件分析中熱流量是直接加載到卡扣的根部的，而實際應用中電熱片的內部為電熱絲，外部為絕緣層，熱量由電熱絲傳遞到絕緣層有一定的時間過程。實驗中采用的是硅膠電熱片，外部絕緣層為硅膠，電熱絲通電后產生的熱量需經過硅膠才能夠傳遞到卡扣根部。通過實驗數據與有限元模擬中的數據對比可知，實際應用中可采取將電熱絲埋入SMP卡扣根部，但要求電熱絲的功率較低，以保證電熱絲通電后SMP卡扣的根部不被電熱絲熔化，記憶效果不被破壞，只起到激發SMP卡扣變形的作用。而且能量集中在卡扣根部，對外熱量消耗較小。在相同激發溫度與激發時間下，采用電熱絲的功率要比采用電熱片的功率要小，而且電熱絲更易激發SMP卡扣變形。

由卡扣的電熱激發實驗和有限元熱分析可知：熱流量即電熱片功率的不同，會造成卡扣的溫度場發生變化，通過給定的主動拆卸時間和SMP卡扣的激發變形溫度，采用有限元分析軟件模擬的方法確定合理的電熱片功率，對每級主動拆卸中電熱片的功率選擇具有指導意義。

3.3 電熱激發實驗與傳統的熱激發實驗比較

采用傳統的熱激發方法（如熱空氣?。┘訜峒ぐl具有相同激發溫度的SMP卡扣，在卡扣被激發后的變形量相同的情形下，以第一等級拆卸中SMP卡扣為例，采用熱風槍加熱激發其變形所需的時間為22s，如圖11所示，而由上述電熱激發實驗可知，采用電熱片通電激發SMP卡扣變形所需的時間為7s。

圖11 SMP卡扣空氣浴激發變形前后對比圖

由實驗可知：激發具有相同變形量和相同激發溫度的形狀記憶塑料卡扣，采用電熱激發比采用傳統的熱激發方法激發時間要短。當采用空氣浴加熱激發時，卡扣周圍耐熱性能較差的零部件會產生熱損傷，加熱時能量分散，其熱量不能完全集中在卡扣根部；當加熱激發產品內部的主動拆卸結構時，熱量由產品外部向內部傳導，能量消耗較大，且加熱激發時間不可控；而采用電熱激發主動拆卸卡扣，能量集中，激發時間可通過控制電熱片功率進行調節。

4 結論

（1）本文提出了基于電熱激發的主動拆卸結構設計準則以及產品的多級主動拆卸設計方法與原則。

（2）通過實驗驗證了電熱激發方法的可行性，通過實例分析說明了基于電熱激發的主動拆卸產品設計的一般方法。

（3）對于體積較大或結構復雜的電子產品，應用基于電熱激發的產品多級主動拆卸設計方法，大幅度提高了產品的拆卸效率，證明了這是一種可行的產品主動拆卸設計方法。

［1］徐祖耀.形狀記憶材料［M］.上海：上海交通大學出版社，2000.

［2］舟久保，熙康.形狀記憶合金［M］.千東范，譯.北京：機械工業出版社，1992.

［3］劉志峰，李新宇，張洪潮.基于智能材料主動拆卸的產品設計方法［J］.機械工程學報，2009，45（10）：192－197.

［4］李新宇.基于智能材料的主動拆卸結構設計理論與方法研究［D］.合肥：合肥工業大學，2008.

［5］Willems B，Dewulf W，Duflou J.Design for Active Disassembly（DFAD）：an Outline for Future Research［C］／／Proceedings of the 2005 IEEE International Symposium on Electronics ＆ the Environment.New Orleans，LA，2005：129－134.

［6］Chiodo J D.Design Principles for Active Disassembly－Initial Findings，Active Disassembly Research Ltd.http：／／www.ActiveDisassembly.com.

［7］Chiodo J D，Mc Laren J，Billett E H，et al.Isolating LCD’s at End－of－life Using Active Disassembly Technology：a Feasibility Study［C］／／Proceedings of the 2000 IEEE International Symposium on Electronics and the Environment.San Francisco，California，2000：318－323.

［8］Torres F，GIL P，Puente S T.Automatic PC Disassembly for Component Recovery［J］.Int.Adv.Manuf.Technol.，2004，23：39－46.

［9］Chiodo J D.Shape Memory Alloy Actuators for Active Disassembly Using Smart Materials of Consumer Electronic Products［J］.Materials and Design，2002，23（11）：471－478.

［10］Chiodo J D，Boks C.Assessment of End－of－life Strategies With Active Disassembly Using Smart Materials［J］.The Journal of Sustainable Product Design，2002（2）：69－82.

［11］莊茁，由小川，廖劍暉.基于ABAQUS的有限元分析和應用［M］.北京：清華大學出版社，2009.

Research on Design Method of Active Disassembly Products and Design Criterion Based on Electro and Heat Stimulation

Liu Zhifeng1Cheng Huanbo1Li Xinyu1Zhao Liuxian1Zhang Hongchao1，2
1.Hefei University of Technology，Hefei，230009 2.Texas Technology University，Texas，79409

The paper put forward to active disassembly，multi－step active disassembly methods and design criteria based on electro and heat stimulation.General design method of active disassembly product based on electro and heat stimulation was explained through the case analysis.Finite element analysis results are compared with experimental ones，electro and heat stimulation experiments were compared with the traditional heat stimulation experiments，and then the feasibility of method was proved.Active disassembly method and the design criterion were used in active disassembly design of products，disassembly efficiency for products are improved obviously.

active disassembly；electro and heat stimulation；multi－step active disassembly；design criterion

TH122

1004—132X（2011）19—2359—06

2010—11—19

國家自然科學基金資助項目（50775064）；國家自然科學基金資助重點項目（50735006）；“十一五”國家科技支撐計劃項目（2008BAC46B01）

（編輯 陳 勇）

劉志峰，男，1963年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為產品的綠色設計理論與方法、拆卸理論與方法、回收理論、回收工藝方法與回收裝備制造。獲國家科技進步二等獎1項、省級科技進步一等獎1項。出版專著8部，發表論文100余篇。成煥波，男，1987年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士研究生。李新宇，男，1985年生。合肥工業大學機械與汽車工程學院博士研究生。趙流現，男，1986生。合肥工業大學機械與汽車工程學院碩士研究生。張洪潮，男，1953年生。美國德克薩斯理工大學先進制造中心教授。