基于智能材料主動拆卸技術的產品多級主動拆卸方法及其設計準則研究

趙流現 劉志峰 李新宇 張洪潮，2 成煥波

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

0 引言

智能材料主動拆卸技術（active disassembly using smart materials，ADSM）利用形狀記憶材料制成主動拆卸結構代替傳統的連接件，當加熱到激發溫度時，產品即可主動拆解。ADSM技術可極大地提高產品的拆卸效率，因而得到了廣泛的關注。隨著環境意識的不斷提高，人們更加關注廢棄電子產品的回收和再利用。在科學技術日益發展的今天，人們的消費水平逐漸提高，產品廢棄淘汰速度不斷加快，從而造成了廢棄電子產品數量的不斷增加，因此，機電產品的綠色回收處理已成為國內外各界關注的焦點之一［1－5］。產品拆卸是進行綠色回收處理的一個關鍵環節，面向拆卸的產品設計（design f or disassembly，Df D）也愈來愈受到關注［6－8］。

形狀記憶材料的研究與發展是21世紀的主要研究課題之一。20世紀80年代中期，人們提出了智能材料的概念。隨著智能材料研究的深入與發展，以形狀記憶材料為基礎的ADSM方法應用 于 機 電 產 品 的 拆 卸 逐 漸 得 到 了 關 注［9－18］。ADSM是英國布魯內爾大學（Br unel University）清潔電子產品研究所的Joseph Chiodo博士于1997年提出的。該研究所設計了SMP材料制成的螺紋連接件，并成功對索尼CD播放器和飛利浦 數 字 調 頻 收 音 機 實 現 了 主 動 拆 卸［9－10］。 在2000～2001年，Nokia研發中心與芬蘭赫爾辛基工業大學以及赫爾辛基藝術設計大學進行了合作，開展了手機回收智能拆卸項目研究，并成功地實現了手機的經濟、高效回收。在2005年2月，一個由私人贊助的研究中心也開始研究主動拆卸技術，其內容是與汽車有關的零件的拆卸，他們希望將這一技術應用于包含面向維修的設計、翻新和重用的設計及系統制造過程控制（system process control，SPC）［12，14］。

目前基于ADSM的研究主要是考慮產品的主動拆卸如何實現的問題。有些產品內部主動拆卸結構與外殼距離較遠，加熱到激發溫度的時間很長，如果只采用一級拆卸，那么拆卸效率較低，此外有些產品零部件很多，拆下的零部件混雜在一起也給后續的分選帶來困難。雖然已有文獻提出了多級主動拆卸的問題［14－15］，但如何完成產品的多級主動拆卸以及如何劃分產品的級數尚無定論，成為現在重要的研究目標之一。本文主要研究產品多級主動拆卸方法及其設計準則，以完成產品的多級主動拆卸。

1 實現多級主動拆卸的原理與方法

ADSM方法是利用形狀記憶合金（shape memor y all oy，SMA）或形狀記憶高分子材料（shape memory poly mer，SMP）在特定環境下自動恢復原狀的原理，用SMA或SMP材料制成智能驅動器或可主動分離的扣件等主動拆卸結構，在產品設計和裝配時將其置入產品中。當回收處理這些產品時，只須將產品置于主動拆卸結構的激發條件（如一定的溫度）下，這些主動拆卸結構就會使產品自行拆解，使其產品的拆卸和回收處理非常方便［12－14，19］。

根據形狀記憶材料的屬性，對于不同的形狀記憶材料，當其處于某種激發介質（如紅外線加熱，微波，水浴等）作用下時，它們所需要的激發強度是不一樣的，可以根據激發介質不同，或者激發介質相同，但激發強度以遞增的方式進行產品設計。當回收這些產品時，將產品送至不同的拆卸區域，每一次拆除一個或幾個零件，直到產品完全拆解，以實現分級拆解的目的，這種方法稱為產品的多級主動拆卸。

根據多級主動拆卸原理，可采取兩種方法或其組合形式來實現多級主動拆卸：

（1）激發介質不同。可以采用空氣加熱的方法來激發SMP可解扣件，從而實現零部件的分離，亦可采用電場效應來激發SMA驅動器以實現零部件的分離，從而達到多級主動拆卸的目的。

（2）激發介質相同，但激發強度以梯度方式遞增。例如，輻照劑量為100k Gy的PVC材料的激發溫度為65℃，而記憶合金片的激發溫度為75℃，因此，可以在65℃溫度場中拆卸掉記憶高分子材料連接的零部件，而在75℃的溫度場中拆卸掉記憶合金片連接的零部件，這樣可以實現多級主動拆卸的目的。

2 產品多級主動拆卸原則與方法的確定

2．1 產品多級主動拆卸的劃分原則

產品進行多級主動拆卸是為了節省拆卸時間，且把具有相同材料的零部件或材料相容性比較好的零部件放在同一級進行拆卸，有利于材料的回收。

2．1．1 可拆卸性原則

本文所研究的可拆卸性原則與傳統的可拆卸性原則不同，傳統的可拆卸性原則只要考慮零件之間的約束關系，而本文所說的可拆卸性原則既要考慮零件之間的相互約束關系，又要考慮其可拆卸的方向性。圖1所示為拆卸模型及其框架圖。首先選擇圖1中零件1為基礎件（基礎件為最后拆卸的零件），引用干涉－自由矩陣的方法來判斷各個零件沿（X，Y，Z，－X，－Y，－Z）方向進行拆卸時，是否具有可拆卸性［20-22］。

圖1 模型及其框架圖

零件2、3、4的可拆卸性可分別表示為

其中，DAW 表示可拆卸性，如DAW（1）表示零件1的可拆卸性。從計算中可以看出，零件2可在Y，Z，－X，－Y四個方向上進行拆卸，零件3不能進行拆卸，零件4可在X方向上進行拆卸。也就是說，零件2與零件4具有可拆卸性，而零件3不具有可拆卸性，因此，傳統的拆卸方法只有先拆卸掉零件2和零件4，然后才能拆卸零件3。然而，當進行多級主動拆卸劃分時，零件是否具有可拆卸性需要考慮可能放在同級的其他零件。例如，當檢驗零件3是否具有可拆卸性時，首先要考慮哪幾個零件和零件3可能放在同一級進行拆卸。當零件3單獨放在一級時，可以通過干涉－自由矩陣的方法算出零件3不具有可拆卸性，因為零件2和零件4對零件3具有干涉。但是，如果將零件2、3、4放在同一級進行拆卸，那么使用干涉－自由矩陣的方法計算零件3是否具有可拆卸性時，需要去掉零件2、4對零件3的干涉，這樣，通過干涉－自由矩陣，可以算出零件3具有可拆卸性，所以，零件2、3、4可以放在同一級進行拆卸。同樣，如果將零件2、3放在同一級拆卸，使用干涉－自由矩陣的方法計算零件3是否具有可拆卸性時，需要去掉零件2對零件3的干涉，這樣，通過干涉－自由矩陣，可以算出零件3不具有可拆卸性，因為零件4對零件3有干涉，所以，零件2、3不可以放在同一級進行拆卸。因此，在對產品進行級數劃分時，需要確定放在同一級的零件是否具有可拆卸性，只有具有可拆卸性的零件才能放在同一級。

2．1．2 拆卸時間最短原則

當采用ADSM方法進行多級主動拆卸時，為了提高拆卸效率，節約拆卸成本，應盡可能地使總的拆卸時間最短。因此，當進行級數劃分的時候，要考慮兩個零件放在同級進行拆卸時，其拆卸時間是否比單獨進行拆卸兩個零件的拆卸時間之和短。兩個零件放在同級進行拆卸時，當一個零件達到激發溫度被拆卸后，由于熱量傳到另一個零件的主動拆卸結構可能需要消耗額外的時間，使得兩個零件放在同級進行拆卸的時間會比單獨拆卸兩個零件的時間之和要長。例如，如果將手機電池與電池倉蓋放在同級進行拆卸，當對它們進行加熱時，電池倉蓋的主動拆卸結構首先達到激發溫度，由于電池倉蓋與電池的主動拆卸結構之間有一段距離，因此，熱量從電池倉蓋傳到電池的主動拆卸結構需要一段時間，使得它們放在同級進行拆卸的時間比單獨進行拆卸的時間之和要長。為此應盡量使更多的零件放在同級進行拆卸，這樣可以減少拆卸工作區的數量，降低成本。因此規定：幾個零件放在同一級進行拆卸的拆卸時間t2比幾個零件單獨進行拆卸的拆卸時間之和t1小時，這幾個零件就適合放在同一級進行拆卸。例如，對一個產品進行多級主動拆卸，采用空氣加熱方法，當兩個零件單獨進行拆卸時所需時間之和t1＝25s，而當兩個零件放在同一級進行拆卸時所需時間僅為t2＝20s，則t2＜t1，那么，這兩個零件就適合放在同一級進行拆卸。

2．1．3 材料相容原則

由于產品結構或性能的要求，可能會采用不同的材料，其中價值高的零部件可以重復利用或經過再制造后再用，而有些零部件的材料是對環境有害的，因此，這些零部件不應該放在一起進行拆卸［23］。對于放在同級拆卸的零部件其使用的材料應盡量具有相容性，這樣有利于材料的分類回收。表1所示為常用的工程塑料的相容性比較［24］，表中√表示相容性好，O表示相容性一般，×表示相容性差。

表1 常用的工程塑料的相容性比較［24］

2．1．4 易于分揀原則

對每一級拆卸下來的零件需要進行分揀，拆下的零件數目越少，分揀零件就越方便，因此，在此規定每一級的零部件數量不多于10個。

在產品設計階段，可能沒有或很少考慮級數劃分的原則，因此，拆卸時對這些原則就存在一個優先級的問題。當確定多級主動拆卸的級數時，首先應滿足可拆卸性原則和拆卸時間最短原則，然后盡可能地滿足材料相容性原則和分揀原則，如果幾個零件不滿足可拆卸性原則和拆卸時間最短原則，則可不考慮材料相容性原則和分揀原則，這幾個零件不適合放在同級進行拆卸。此外，高溫易損件應放在優先拆卸的級別，且激發介質不同的零部件應放在不同的級數進行拆卸，這也要求設計者在級數劃分時，同一級零件的主動拆卸結構盡量采用相同的介質進行激發。由此可見，多級主動拆卸方法也對產品設計人員提出了更高的要求，要求他們在產品設計階段就要考慮到產品廢棄后的拆卸和回收問題，這也是基于產品生命周期的綠色設計理念的基本要求。

2．2 產品多級主動拆卸的實現

本文根據產品多級主動拆卸的劃分原則，制定了產品多級主動拆卸的級數劃分流程圖，首先需要對零件由外到內進行編號，越是內部的零件其編號就越大，如圖2所示，圖中，n為產品零部件的數量。

當使用流程圖完成產品級數的劃分時，應盡量使每一級零部件的數量滿足分揀原則，這將有利于以后材料的分選。當確定產品各級所包含的零部件后，就可對各級進行拆卸。為了實現產品多級主動拆卸，需要在產品設計時選用激發強度不同的材料，使其激發強度（如溫度、磁場強度等）形成梯度。另外，在產品設計時，把各級主動拆卸零部件按照該梯度安裝。拆卸時將產品送至每一級拆卸的工作區進行拆卸。

3 實例分析

本例根據直板手機的結構，通過Pro／E軟件繪制了能夠實現多級主動拆卸的手機模型，通過空氣加熱的方法實現多級主動拆卸。

（1）用于拆卸的手機模型由五部分組成，如圖3所示。其編號按照由外到內的原則進行。

圖2 多級主動拆卸產品的級數劃分流程圖

圖3 手機結構圖

（2）前蓋與電池倉蓋采用PVC材料注模成形后再接受輻照改性，其輻照劑量為100k Gy（激發溫度為65℃），后蓋輻照劑量為4k Gy（激發溫度為80℃）。在后蓋上安裝電池的區域開有四個L形的槽，以放置Ni－Ti記憶合金片，電池拆卸的驅動力大小可以通過記憶合金片上波浪形的數量來改變，如圖4所示，記憶合金片可以粘在槽內，記憶合金片的激發溫度選擇為75℃。

（3）選擇零件5為基礎件，進行產品級數的劃分。①可拆卸性原則：根據干涉自由矩陣的方法，可以確定可行性拆卸的組合為｛（1，2，3，4，5）｝，｛（1，2，3），（4，5）｝，｛（1，2，4），（3，5）｝，｛（1，2），（3，4，5）｝，｛（1），（2，3，4，5）｝，｛（2），（1，3，4，5）｝，

｛（1），（2），（3，4，5）｝，｛（1），（3），（2，4，5）｝，｛（1），（2，3），（4，5）｝，｛（2），（1，4），（3，5）｝，｛（2），（4），（1，3，5）｝，｛（1，2），（3），（4，5）｝，｛（1，2），（4），（3，5）｝，｛（1），（2），（3），（4，5）｝，｛（1），（2），（4），（3，5）｝。其中｛（1），（2），（3，4，5）｝表示零件1放在一級，零件2放在一級，零件3、4、5放在同一級，這種組合將產品分成三級；②拆卸時間最短原則：使用ANSYS分析軟件來確定各個零件及其組合的拆卸時間，根據時間最短原則，可以確定以上組合｛（1，2），（3，4，5）｝，｛（1），（2），（3，4，5）｝，｛（1），（2，3），（4，5）｝，｛（2），（1，4），（3，5）｝，｛（1，2），（3），（4，5）｝，｛（1，2），（4），（3，5）｝，｛（1），（2），（3），（4，5）｝，｛（1），（2），（4），（3，5）｝，｛（1），（2），（3，4，5）｝滿足時間最短原則；③材料相容性原則：前蓋與電池倉蓋為同種塑料，因此，這兩個零件可以放在同級進行拆卸，電池中含有對環境有害的物質，線路板中含有貴重金屬，有很高的回收價值，因此，這兩個零件不適合放在一起進行同級拆卸，因此，以上所有組合中只有｛（1，2），（3），（4，5）｝和｛（1，2），（4），（3，5）｝符合材料回收原則，由于電池的主動拆卸激發溫度為75℃，而液晶屏及線路板的主動拆卸激發溫度為80℃，因此應把液晶屏放在最后與后蓋一起拆卸，所以應選擇｛（1，2），（4），（3，5）｝這種組合。

圖4 變形前后的Ni－Ti記憶合金片

（4）進行多級主動拆卸。將圖3所示手機分成三級進行拆卸，前蓋與電池倉蓋作為一級，電池作為一級，液晶屏及線路板和后蓋作為一級。根據強度遞增的原則，前蓋與電池倉蓋的拆卸溫度為65℃，電池的拆卸溫度為75℃，液晶屏及線路板的拆卸溫度為80℃。

（5）拆卸完成。對不同級數按激發強度由低到高的順序送至各個拆卸區域，完成拆卸。

對于圖3所示手機，在沒有使用多級主動拆卸方法前的拆卸時間為31s。當使用多級主動拆卸時，第一級拆卸時間為10s，第二級拆卸時間為8s，第三級拆卸時間為6s，總拆卸時間為24s。由此可以看出手機的拆卸效率提高了22．5%。

4 結束語

應用本文設計方法與設計原則，可以解決結構復雜或體積較大的主動拆卸產品的結構設計問題。應用多級主動拆卸方法極大地縮短了手機的拆卸時間，提高了拆卸效率，并且拆卸后有利于零部件的分類回收。

在今后的研究中，需要對多級主動拆卸產品的可靠性進行分析，如環境溫度、振動和跌落對手機可靠性的影響等。還需要研究多級主動拆卸對產品的經濟性與環境性的影響。

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