面向再制造的產品綠色模塊化設計研究

摘要：各大再制造企業在實踐中認識到，如果早在新產品的設計階段就考慮產品使用期滿后的回收和再制造的要求，就可以顯著地提高再制造的效益和效率。對面向再制造的產品綠色模塊化設計及其實施進行了研究，探討了面向再制造的綠色模塊化設計的優點，提出了面向再制造的產品綠色模塊化設計的具體實現步驟。

關鍵詞：再制造 產品的再制造性 綠色模塊化設計

中圖分類號：F27 文獻標志碼：Ａ文章編號：１６７３－２９１Ｘ（２０11）26－０270－03

一、面向再制造的產品設計

20世紀80年代以來，一種更加順應可持續發展要求的廢舊產品處理方式——綠色再制造（Green Remanufacturing）引起了全社會的廣泛重視。綠色再制造是以產品全壽命周期理論為指導，以廢舊產品性能提升為目標，以優質、高效、節能、節材、環保為準則，以先進技術和產業化生產為手段，來修復、改造廢舊產品的一系列技術措施或工程活動的總稱。再制造產品的優勢十分明顯，其性能可達到或超過原型機新品，而成本僅為新品的50%左右，節能60%，節材70%以上，經濟效益和社會效益突出。

各大率先進行廢舊產品回收和再制造加工的企業在實踐中認識到，如果早在新產品的設計階段就考慮產品使用壽命到期后的回收和再制造階段的相關要求，融入新產品的可再制造性的設計理念，就可以顯著地提高再制造的效益，更好地實現資源的可持續發展戰略。

面向再制造的產品設計（Design for Remanufacturing），是指按照再制造的目的設計產品，在產品設計階段對產品的再制造性進行充分考慮，并提出再制造性指標和要求，使得產品到達壽命末端時具有良好的再制造能力。

（一）LCA在面向再制造的產品設計中的使用

LCA，Life Cycle Assessment，簡稱生命周期評價。國際標準組織（ISO）給出的LCA是：匯總和評價一個產品或服務體系在整個壽命周期所有投入與產出對環境造成的和潛在的影響的方法。可見，生命周期評價主要用于評估產品在它的生產、使用到回收整個過程中，對環境造成的影響。包括所耗費的原材料、能源以及所產生的排放。

面向再制造的產品設計應該在新產品設計階段就考慮產品服役周期結束后需要進行拆解和回收利用，運用LCA的方法對產品從原材料的選擇、設計加工、銷售運輸、回收清潔、拆解檢測、再制造加工、再制造成品組裝等各個環節充分考慮對資源的消耗和對環境的影響，盡量提高產品的再制造性。

面向再制造的產品設計完成了由傳統的“被動解決問題”向“主動預防問題產生”的方向的轉變，是產品設計思想的一次創新和變革，大大節約了資源和能源，并將帶來巨大的經濟和社會效益。

（二）設計重點是提高產品的再制造性

面向再制造的產品設計的重點是提高產品的再制造性。再制造性（Remanufacturability）也稱為可再制造性，是產品本身的一種屬性，是決定廢舊產品進行再制造的前提，是面向再制造的產品設計中的重要內容。其定義可描述為：再制造性是產品設計過程賦予產品的一種固有屬性，是指由于各種原因產品退役后，綜合考慮各種因素，該產品經過再制造加工后達到規定性能時，獲取原產品價值的能力。

再制造性評價具有明顯的階段性，主要包括新產品設計開發階段和廢舊產品再制造前的決策階段。其中，新產品設計開發階段十分關鍵，產品在新產品設計階段就已經將材料性能、各零部件的連接方式、產品結構等因素確定了下來。廢舊產品的再制造性的影響因素，既包括該產品在新品設計階段就確定下來的那些因素，又包括產品服役期滿后的產品狀況、當時的再制造技術的發展狀況、環境和經濟狀況等因素。所以，產品的再制造性具有動態性、個體性、地域性和時間性等特點，即使同一產品在不同情況下的再制造性也是不同的。可見，在新產品設計階段就考慮其后期回收和再制造的需要，盡量提高產品的再制造性是十分必要的。

二、實施綠色模塊化設計是提高產品再制造性的有效途徑

面向再制造的產品設計需要同時解決這樣一些難題：使產品在設計之初就全面考慮該產品在其多生命周期內的環境屬性及零部件的重復使用性，無論是所選用材料還是產品的結構，連接方法設計都能方便其日后的維修、升級，以及產品廢棄后的拆解、回收和處理，同時保證與環境得有更好的協調性。顯然，原有的傳統設計方法不能滿足這些要求。面向再制造的綠色模塊化設計方法正是在這種情況下提出來的，綠色模塊化設計是提高產品再制造性的有效途徑。

（一）面向再制造的綠色模塊化設計的含義

綠色設計（Green Design）是指在產品整個生命周期內優先考慮產品環境屬性，如可拆卸性、可回收性、可維護性和可充分利用性等，并將其作為設計目標，在滿足環境目標要求的同時，保證產品應有的基本性能、使用壽命和質量等。在產品的設計階段就考慮其回收、拆解等需要，才能最終實現產品的回收和再制造效率。

模塊是產品的子結構，它與產品的功能元素子集有一一對應的關系。產品的模塊化設計，就是在產品設計時，根據原材料屬性、產品的結構，以及日后的使用功能、升級、維修，廢棄后的回收、拆卸等因素，將產品劃分為不同的模塊單位，把離散的零件聚合成模塊。產品的模塊化設計，既可以在產品生產時大批量生產模塊化的半成品，降低生產成本，獲得規模效應；又可以根據顧客的個性化需要，將不同功能的模塊進行組合，提高了產品對市場差異化需求的響應能力。

綠色設計和模塊化設計密切相關。綠色設計要求產品易維修與升級，不易輕易淘汰；綠色設計要求產品具有可拆解性和易回收性，經簡單再制造加工后就能恢復或超過原品性能并能被再次利用。這些正需要模塊化設計思想來實現。模塊化設計方便失效模塊的簡易替換和產品的快速升級，延長產品的使用壽命，減少產品的丟棄和環境的破壞，與綠色設計的某些理念不謀而合。通過綠色模塊的構建，產品比傳統產品具有更好的多方面效益，產品的功能屬性和環境屬性能同時滿足，效果十分顯著。

面向再制造的綠色模塊化設計方法是將綠色設計和模塊化設計進行有機結合后，運用于產品的再制造性設計階段中，使產品同時滿足易于拆解和裝配、易于修復和升級、環境友好性等再制造性的指標和要求。在模塊化的設計時，考慮產品的再制造性，讓產品在壽命末端回收之后，能容易地拆卸為不同的模塊，且盡可能減小各模塊內的可再制造性的差異，則可提高產廢舊產品回收利用率。這種設計方法是一種順應時代發展的嶄新的設計方法，有助于實現制造業的可持續發展。

（二）面向再制造的綠色模塊化設計的優點

1．能有效提高產品的易拆解和裝配性

再制造加工過程包括前期對回收產品的拆解環節，和后期將再制造后的零部件裝配為再制造成品的環節。所以，面向再制造的產品設計一定要考慮零部件的易拆解和裝配性，這既影響再制造過程的效率，又影響再制造產品的質量。

再制造的拆解不同于再循環，需要確保拆解過程中盡可能少地損壞零部件。因此，產品結構設計，連接件的數量和類型，以及拆解深度的選擇成為面向再制造的產品設計的重點內容。不同的產品結構將導致不同的拆解方法和拆解難度。常見的拆解方法有兩種：有損拆解和無損拆解。常見的有損拆解是機械裂解或粉碎。機械產品中常見的連接方式有四種：可拆解連接、活動連接、半永久性連接和永久性連接。前三種連接一般都可以拆解，第四種則只能采用有損拆解的方法。

產品結構設計時應改變傳統的連接方式，零部件之間盡量不采用焊接或粘接的連接方式，代之以易于拆解的連接方式。扣壓和螺釘的方式便于拆解，前者較后者又更容易拆解、更省時。連接件方面，卡式接頭和插入式接頭更容易拆解和裝配，已經有越來越多的企業在產品設計時就采取了這些類型的連接方式。尤其是一些易損零件，由于更換次數較多，在設計其安裝結構時就考慮其易拆性，較多采用插入式結構設計、標準化插口設計等。如計算機主板上的插槽與上面插裝線路板的連接方式。

采用綠色模塊化設計既能明顯簡化產品結構，又能大量減少連接件的數量和類型，大大提高產品的易拆解和裝配性，并減少產品的破損率，提高產品的拆卸和裝配效率。

2．有助于提升產品的易分類性

同一部機器上往往有鋼、鐵、鋁、銅、塑料、木材等不同的材料，它們的表面常常有油漆覆蓋，不易區分，應加強標識，便于拆卸和分類存放。同一材質、不同形狀和尺寸的零部件，由于加工方式或使用機床的不同，也要進行標識和分類，提高總的再制造效率。

采用綠色模塊化設計有助于大量減少零部件的數量和種類，使拆解后的零部件更易于分類和識別，將使再制造生產加工時間大為縮短。

3．能顯著提升產品的易修復性和升級性

再制造工程包括再制造加工和過時產品的性能升級。前者主要針對報廢的產品，把有剩余壽命的廢舊零部件作為再制造毛坯，采用表面工程等先進技術使其性能恢復，甚至超過新品。后者對過時的產品通過技術改造改善產品的技術性能，使原產品能跟上時代的要求。所以，對原制造品進行修復和技術升級是再制造過程中的一個重要部分。

實施綠色模塊化設計，可以采用易于替換的標準化零部件和可以改造的產品結構并預留模塊接口，以備升級之需，在必要時即可通過模塊替換或增加模塊實現產品修復或升級，減少拆解中的破損，增強再制造加工和產品升級改造的效率。

三、面向再制造的綠色模塊化設計的具體實現步驟

在進行產品的再制造性設計時要兼顧產品材料的合理性、易運輸裝卸性、易拆解和裝配性、易于分類性、易清洗性、易修復和升級性。面向再制造的綠色模塊化設計方法將綠色設計和模塊化設計進行了有機結合，其具體實現步驟歸納如下：

1．進行用戶需求分析

面向再制造的綠色模塊化設計活動首先從分析用戶對產品的需求開始。在調查、了解用戶對產品的功能、使用壽命、價格、需求量、升級性能等具體要求后，考慮該產品采用綠色模塊化設計的可行性。如果經過分析，在滿足環境屬性的前提下用戶對該產品的要求均可滿足，則該產品的綠色模塊化設計的可行性獲得通過，面向再制造的綠色模塊化設計活動可以進入下一環節。

2．選取合理的產品參數定義范圍

面向再制造的綠色模塊化設計活動的第二步，是選取合理的產品參數定義范圍。通常，產品參數分為三類，即動力參數、運動參數和尺寸參數。合理地選取產品的參數定義范圍十分重要。如果參數定義范圍過高，將造成能源和資源等的浪費，有悖于綠色模塊化設計的思想；如果參數定義范圍過低，又滿足不了客戶的要求。通常的做法是先定義主參數，然后在參數滿足用戶需求的基礎上實現盡可能高的綠色化和模塊化。

3．確定合理的產品系列型譜

面向再制造的綠色模塊化設計活動的第三步，是系列型譜的制定，即合理確定綠色模塊化設計的產品種類和規格型號。型譜過大過小都不好。如果型譜過大，則產品規格眾多，市場適應能力強，環境屬性好，模塊通用程度高，但工作量也相應增大，人力資源能耗大，成本上升，總體來說效果并不好；反之，則又會走向另一個極端，效果也不好。因此，產品系列型譜的制定至關重要。

4．產品的模塊劃分與選擇

面向再制造的綠色模塊化設計活動的第四步，是產品模塊的劃分與選擇，這是模塊化方法最重要的內容。通常根據產品的功能，將其分為基本功能、次要功能、特殊功能和適應功能等，然后劃分相應的模塊。模塊的劃分使得產品的設計過程思路清晰，并有利于產品報廢退役后的零部件回收、重新利用或升級換代。

5．綠色模塊的組合

面向再制造的綠色模塊化設計活動的第五步，是模塊的組合。劃分完模塊后，將這些模塊按照直接組合、集裝式組合或改裝后組合等方法組合成系統。組合時要考慮今后的易拆解性、不易損壞性及產品的節能省時等環境友好性特征。

6．對設計好的產品進行分析校驗

面向再制造的綠色模塊化設計活動的第六步，是用機械零件設計軟件包、優化設計軟件包、有限元軟件包等現代設計工具對設計好的產品進行分析、計算和校驗。如果分析校驗不合要求，就要回到模塊選擇上進行修改、完善，重新整合模塊，直至產品符合要求。

7．產品設計的綠色度與模塊度指標評價

面向再制造的綠色模塊化設計活動的最后步驟，是采用層次分析法（AHP）及模糊綜合評價法等數學工具對產品再制造設計的綠色度和模塊度指標進行計算及評價，再根據計算結果對產品的有關參數加以調整或進行重新設計。

收稿日期：2011-07-22

作者簡介：吳小艷（1972-），女，湖北云夢人，副教授，碩士，從事企業管理與市場營銷研究。

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Research on the remanufacturing products green modularization design

WU Xiao-yan

(Management college，Wuhan science and technology university，Wuhan 430070，China)

Abstract: Each remake to build the business enterprise greatly to know in the fulfillment， if the design stage of the as early as new product consider after product uses the period expires of recovery and remake the request for build， can show the performance and the efficiency that an exaltation of remakes to build.The opposite turns the design toward the product the green mold piece that remake to build and in fact carried on the research， the green mold piece advantage that turns the design that inquiry in to face to remake to build， put forward to face to remake to build of product the green mold piece turn to design concrete to carry out the step.

Key words:remanufacturing;product remanufacturing ;green modularization design

[責任編輯李 可]