逆向制造在循環(huán)型制造業(yè)中的應用

馬 梅，林 宋，胡建新

（北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144）

逆向制造在循環(huán)型制造業(yè)中的應用

馬 梅，林 宋，胡建新

（北方工業(yè)大學 機械與材料工程學院，北京 100144）

隨著制造業(yè)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益突出，人們普遍認為制造業(yè)應當從當前的粗放型生產轉向可持續(xù)生產。實現可持續(xù)生產的關鍵是建立閉環(huán)產品生命周期全過程：原材料-生產制造-產品使用、維護-產品報廢-多層次、多方式的多次再利用，即逆向制造。逆向制造是實現社會經濟可持續(xù)發(fā)展、解決環(huán)境問題的重要途徑。

逆向制造；產品生命周期；循環(huán)型制造業(yè)

0　引言

可持續(xù)發(fā)展概念是20世紀80年代從環(huán)境與自然資源角度提出的關于人類長期發(fā)展的戰(zhàn)略。在社會經濟的可持續(xù)發(fā)展中，資源利用和環(huán)境保護占有十分重要地位。可持續(xù)發(fā)展是實現經濟快速發(fā)展的必經之路，國家“十一五”規(guī)劃把發(fā)展循環(huán)經濟、實現經濟和社會的可持續(xù)發(fā)展列為重點發(fā)展項目。鑒于此，開發(fā)基于“逆向制造”概念的新方法應運而生。

圖1　逆向制造流程圖

逆向制造是一種新的生產模式，如圖1所示。失效了的產品即人工物作為一種資源通過逆向制造變?yōu)榉现圃祀A段要求的自然物。經過逆向制造的人工物，對制造階段來說是一種資源即自然物，而對于自然物來說就是產品了。逆向制造的閉環(huán)系統(tǒng)遵循“4R”原則即“減量化，再利用，再循環(huán)，再制造”，可實現資源的充分高效利用。在該系統(tǒng)中一方面可把無法直接再利用的部件轉變?yōu)樯a制造過程中可再利用的資源，另一方面使用通過逆向物流回收來的可再利用部件。

逆向制造通過構建更小閉環(huán)產品生命周期來鼓勵工業(yè)從“制造”產業(yè)向“生命周期”行業(yè)即循環(huán)型行業(yè)轉變。當前的制造業(yè)主要是生產和銷售產品，然而生命周期行業(yè)則是對產品的整個生命周期承擔責任，不僅為顧客提供產品，還包括其他服務如運營支持、維護升級、廢棄品的回收及再循環(huán)。逆向制造從產品的設計、制造、使用到報廢回收的整個生命周期出發(fā)，綜合考慮資源利用率和環(huán)境的影響，使企業(yè)成本和用戶成本達到最優(yōu)。逆向制造將廢棄部件（或零件）作為生產原材料，直接利用或轉變?yōu)樯a過程中可再利用的資源，通過合理配置回收的廢舊產品，充分利用資源，實現生產最大化。

1　逆向制造的系統(tǒng)框架

如果制造業(yè)以創(chuàng)建循環(huán)型企業(yè)作為目標，那么其必須開展實施逆向制造。逆向制造把回收系統(tǒng)集成到制造系統(tǒng)中，所以要對回收系統(tǒng)的質量和成本進行嚴格管控，包括回收材料和重復使用組件的質量和成本。在保持公司利潤和產品質量的前提下，循環(huán)型制造業(yè)旨在從整體上優(yōu)化產品整個生命周期的資源消耗以及廢物排放[1]，通過產品的拆卸、分類、翻新等處理使其達到一定的質量要求，保留部件（或者零件），以便再裝配和重新銷售[2]。基于逆向制造的產品生命周期成本包括企業(yè)成本、用戶成本和社會成本。企業(yè)成本主要考慮生產成本（材料、人工）、相關輔助制造費用、管理成本、產品銷售費用。用戶成本考慮的是產品使用、維護、拆卸回收、廢棄物處置（掩埋和焚燒）成本。社會成本主要包括各種環(huán)境污染和資源使用問題的經濟成本等。

循環(huán)型制造業(yè)實現逆向制造本質上包括兩方面內容：最小化生產（即以消耗最少的資源和能源以及產生最少的廢物為目標，來獲取具有最大功能性的產品的制造系統(tǒng)）及最大化服務（即以最小的資源、能源消耗及廢物排放，為人們提供最大產品服務的服務體系）。實現逆向制造的有效方式包括再制造和再利用、維護與升級和生命周期服務；主要瓶頸包括消費者的意識、社會基礎設施的準備以及公司額外的費用[1]。實際上，在這一領域我們可以找到大量相關的研究工作。比如，環(huán)境意識設計[4]、產品生命周期設計[5]和面向回收的設計[6]等。

逆向制造的特點是提倡設計跨產品平臺的通用零部件，并且將通用零部件設計得盡可能高質量和耐用，使這些零部件可以在整機報廢后，不經過循環(huán)再制造直接回流到新產品的裝配流水線中[3]，從而使設計的產品從源頭上減少對環(huán)境的負面影響，實現從“末端治理”向“源頭控制”轉變。循環(huán)型制造業(yè)在產品的設計階段既要綜合考慮產品的功能、成本等傳統(tǒng)設計要素，也要把產品生命周期的環(huán)境屬性（減少材料、降低能耗、可回收重用等）同樣考慮在內，從資源、環(huán)境的角度對產品進行設計，以滿足生態(tài)性和經濟性要求。

各國政府頒布的多項有關環(huán)保的法令在推動企業(yè)生產循環(huán)型產品過程中起到了非常好的導向作用。2007年8月歐盟在實施的《耗能產品設計指令》中明確指出要將環(huán)保融入到產品的設計、制造和使用的各階段中；1992年，美國頒布了《資源保護恢復法》、《資源保護回收法》和《有毒物質控制法》等相關法規(guī)。以報廢汽車回收為例，頒布的主要法規(guī)如表1所示。

表1　報廢汽車回收利用的主要法規(guī)

美國2020年的報廢汽車目標回收利用率如圖2所示。

圖2　美國2020年的報廢汽車目標回收利用率

日本在《廢物處理法》和《資源有效利用促進法》中定義了 “循環(huán)型社會”，即通過抑制產品成為廢物，當產品成為可循環(huán)資源時則促進產品的適當循環(huán)，并確保不可循環(huán)的回收資源得到適當處置，從而使自然資源的消耗受到抑制，環(huán)境負荷得到消減的社會形態(tài)[2]。我國的《固體廢棄物污染環(huán)境防治法》自2005年4月1日起開始實施，且在2012年2月修改了《中華人民共和國清潔生產促進法》。我國2015～2020年報廢汽車總量預測如表2所示[7]，2006年我國發(fā)布的報廢汽車回收利用技術指標如表3所示。

表2　我國2015～2020年報廢汽車總量預測

表3　報廢汽車回收利用技術指標

2　逆向制造的研究現狀

日本富士施樂是實施逆向制造的設備制造企業(yè)，富士施樂制造的一些產品70%使用了從報廢設備拆下來的部件，60%的部件曾被3次再利用，這些部件既有來自相同型號的產品，也有來自其他種類的產品。2003年7月，富士施樂成為辦公設備行業(yè)首家開展打印機回收服務的企業(yè)。在2003年中，該公司使用再利用部件制造出230000臺設備，使得全年的新資源消耗量降低到2200噸之內。據富士施樂公布的環(huán)境數字，在2003～2007年間逆向制造所節(jié)約的生產成本，不但完全彌補了企業(yè)花在產品回收上的費用，還附帶凈利潤：2007年的利潤高達4.7億日元。2008年富士施樂在蘇州建立產品回收拆解中心，集中處理來自全國各地的舊產品回收和轉運泰國的工作[3]。

日本東京大學工程中心的A. Nonomura和T. Tomimaya以及逆向制造實驗室的Y. Umeda共同提出了在產品的設計階段通過模擬它們的生命周期模型配置模塊化產品以及規(guī)劃其生命周期[8]。根據模擬結果，從環(huán)境意識、企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展以及用四種類型的逆向制造（回收設計類型、再利用+回收設計類型、維護+回收設計類型以及維護+再利用+回收設計類型）與傳統(tǒng)生命周期相比較的成本的綜合角度考慮，討論了逆向制造的可行性。得出模塊化是減少產品維護和再利用成本的有效方法。并且為了協助模塊化設計，還開發(fā)了優(yōu)化的產品模塊化配置。

大連理工大學于隨然副教授提出基于逆向制造的考慮方法，對產品的計劃、設計、制造、使用及維護、回收再利用等全壽命周期進行建模，通過合理的設計與評價，研究如何實現循環(huán)型產品全壽命周期的方法。倡導設計者在設計時不僅考慮產品的設計與制造問題，也要統(tǒng)籌考慮產品的全壽命周期問題。提出了如下方法：明確產品全壽命周期的設計目標，特別是環(huán)境目標；合理確定描述產品全壽命周期的變量，尤其要包括環(huán)境變量；建立目標與變量之間的數學模型，對變量進行優(yōu)化從而得到優(yōu)化的全壽命周期戰(zhàn)略[9]。

日本東京都立大學Fujimoto J，Umeda Y，Tamura T等人指出現在的制造業(yè)僅僅致力于產品的生產和銷售，為了解決環(huán)境問題及可持續(xù)發(fā)展問題，必須鼓勵工業(yè)由單純的制造產業(yè)向生命周期產業(yè)轉變。文章首先從企業(yè)的角度闡述了各種環(huán)境載荷和回收費用以及從回收質量、成本和運輸角度討論了再利用系統(tǒng)。然后從制造業(yè)的角度介紹了設計回收系統(tǒng)的必要性，并以“服務化產品”－傳真機為例討論了產品的開發(fā)，并進行了生命周期的仿真來確認對減少環(huán)境影響的可能性。最后探討了產品開發(fā)的結果以及生命周期仿真。不足的是，為了簡化仿真模型，仿真模型中沒有包含環(huán)境負載以及操作和運輸成本[10]。

3　逆向制造的發(fā)展前景

我國經濟以外向型為主，要繼續(xù)開拓發(fā)達國家市場就要在設計階段采用源頭減量化的措施，開發(fā)節(jié)能低碳環(huán)保產品，創(chuàng)建逆向制造循環(huán)型企業(yè)。只有從資源可持續(xù)利用的角度出發(fā)，從源頭上減少廢棄物的產生，同時將可用的資源循環(huán)回收再利用，大力實行產品逆向制造，才能實現節(jié)能減排、保護環(huán)境、企業(yè)可持發(fā)展。

逆向制造通過循環(huán)利用產品廢棄物，可獲得高附加值的產品且能夠對區(qū)域環(huán)境的整治做出貢獻。對于產生嚴重環(huán)境污染的大型集團公司，可將其下屬企業(yè)通過廢物交換的方式構建閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，那么從整體來看，該集團公司產生的總的廢物量將會大大減少，從而使集團廢棄物排放量最低。各下屬企業(yè)經過廢棄物和副產品的交換既會節(jié)約生產成本，又可充分利用已有資源，也會提高企業(yè)的經濟效益。整個集團公司將會實現生產成本最小化和經濟利潤最大化的最優(yōu)目標。

如今，機床制造企業(yè)面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。據統(tǒng)計，我國現在的機床保有量可達到800萬臺左右，如此規(guī)模的機床保有量將會帶來一系列的資源、環(huán)境問題。從機床制造角度來說，在制造過程中會使用大量鋼材，消耗大量能源。從機床使用角度來說，機床是高耗能設備，會持續(xù)產生大量廢棄物。要解決降低能耗、減少排放的問題，機床制造企業(yè)必須采用新工藝、新方法。針對這一問題，可對機床產品實行逆向制造，即通過采用先進的技術工藝，最大限度地利用廢舊機床產品零部件所蘊含的殘留價值，同時保障機床質量、性能及使用壽命達到或接近新品。逆向制造可使機床制造業(yè)節(jié)約大量的資源、能源，顯著降低環(huán)境污染。實施逆向制造是振興我國機床行業(yè)的必然發(fā)展方式。

4　結束語

逆向制造符合生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的要求，同時順應制造技術發(fā)展進步的趨勢。實施逆向制造是發(fā)展循環(huán)型企業(yè)的必然要求。制造業(yè)要實現經濟、高效的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的制造，實行逆向制造勢在必行。

[1] Umeda Y. Key Design Elements for the Inverse Manufacturing[A]. Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing, International Symposium on IEEE Computer Society[C].1999:338-343.

[2] 謝芳,李慧明.日本逆向制造與循環(huán)型企業(yè)的構建[J].現代日本經濟,2006,(5): 21-23.

[2] Xie Fang, Li Huiming. Japan’s Manufacturing and Circular Reverse Construction[J].Contemporary Economy of Japan, 2006,(5):21-23.

[3] http://ichwwai.wordpress.com.cn/archives/date/2009/9/13[OL/EB].

[4] Bullinger H, Warschat J,Bopp R. Methods and Tools to Support Design for Recycling[J].K. Feldmann, REC(Second International Seminar on Life Cycle Engineering),Nuremberg, Germany, FAPS, University of Erlangen, Germany and CIRP.1994:106-127.

[5] Ishii K. Life-cycle Engineering Design[J].Asme Journal of Mechanical Design, 1995,117(B): 42-47.

[6] T. E. Graedel and B. R.Allenby. Industrial Ecology[J].Prentice Hall, Englewood Cliffs,NJ,1995.

[7] 陳銘,王俊軍.報廢汽車的回收利用——法規(guī)、管理與展望[J].上海交通大學學報,2014,(1):125-131.

[7] Chen Ming, Wang Junjun. Altfahrzeug-Recycling- Laws and Regulations, Management and Prospect[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2014,(1):125-131.

[8] Nonomura A, Tomimaya T, Umeda Y. Life Cycle Simulation for the Inverse Manufacturing[A].Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing, International Symposium on IEEE Computer Society[C],1999:712-712.

[9] 于隨然.基于逆向制造的產品全壽命周期設計與管理[J].加入WTO和中國科技與可持續(xù)發(fā)展——挑戰(zhàn)與機遇, 責任和對策(下冊), 2002.

[9] Yu Suiran.Based on the Inverse Manufacturing the Product Whole Life Cycle of Design and Management[J].Accession to the WTO and China Science and Technology and the Sustainable Development- Challenge and Opportunity,Responsibility and Countermeasures(the Second Volume), 2002.

[10] Jun, Fujimoto, Yasushi, Umeda, Tetsuya, Tamura, et al. Development of service-oriented products based on the inverse manufacturing concept[J].Environ. Sci:technol, 2003, 37(23):págs. 5398-5405.

The application of inverse manufacturing in the circular manufacturing

MA Mei, LIN Song, HU Jian-xin

TH165+.4

A

1009-0134(2016)02-0117-03

2015-10-09

機床零部件再制造關鍵工藝研究及質量分析

馬梅（1989 -），女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向為機電產品再制造。