再制造設計著眼當今和未來

【美】 A.Patki

再制造設計著眼當今和未來

【美】 A.Patki

產品的總體成本取決于產品壽命和生產成本。為了降低產品成本，需要在降低成本的同時提高產品壽命。在力求降低碳排放量并改善能量需求的同時，以期可持續綠色發展。“再制造”針對這個復雜矛盾給出了簡單答案。通過再制造可使零件或產品得以多次使用，這比生產新零件更經濟，對最終用戶的價格制定更合理。再制造對能量的需求比初始制造低。再制造可以修復并利用初始制造系統的大部分部件。再制造的設計過程是為滿足再制造需求所作出的根本性改變。旨在討論能夠降低成本和可持續生產成本的再制造設計。

再制造碳排放質量控制

0 前言

再制造在滿足降低總體成本和實現可持續發展方面比重新制造新部件更有優勢。大部分再制造商對再制造部件提供的質量保證等同于新部件的質量保證。為此，在再制造過程中開發了許多加工工藝、質量保證，以及質量控制機制。人們期待再制造市場在降低成本的同時能培育和創造出更強的可持續發展能力[1]。如果在初始制造階段沒有考慮再制造的可能性就會制約這種可持續發展能力。

1 再制造

再制造通過滿足部件初始規格和性能標準來恢復已用部件的使用壽命。再制造部件通常采用與新建部件相同或類似的質量保證機制[2-3]。

圖1示出了典型的機械部件再制造加工流程，可根據部件本身情況和公司內部加工流程做出修改。再制造部件比新建部件在生產成本方面有更高的經濟效益，更加便宜的價格更具優勢。例如，如果用戶要更換空氣壓縮機(TF-550系列，可配裝于不同的發動機和車型)，那么有3種選擇：(1)使用新部件(全新件)1 500～2 000美元；(2)使用再制造部件500～700美元(核心部分再制造)；(3)使用二手部件約500美元。

再制造部件相對便宜的原因，是因為價格與零件獲得難易程度的相對性成正比。再制造部件是先前用過的總成部件，通過更換磨損部件并按工廠規格重新裝配后為其帶來新生。僅需要更換某些部件，這樣不會與制造/裝配新部件的成本相同，所耗能量也低于制造全新的零件、組件和總成。

通過在使用壽命結束時更換必要的部件，整體部件使用壽命可成倍延長。可以把每段壽命期的長度、每段壽命期內的再制造成本及每次再制造過程的能量消耗相加，與新購置部件一樣為達到同樣的整體壽命所消耗的成本相比較，就能更好地理解該舉措的益處。

使用上述TF-550系列壓縮機進行3次再制造，成本費用比較如表1所示。

表1 使用TF-550系列壓縮機再制造部件與使用新部件成本費用

通過表1比較了成本費用后可得出，再制造部件和再制造過程比維修保養新部件更具優勢。根據研究機構如MacKay和Frost & Sullivan的咨詢結果，市場上對再制造部件的需求一直在增加。面向制造的設計(DFM)和面向裝配的設計(DFA)都優于傳統設計過程，使產品研發過程更加高效。為了使制造業的可持續發展能力更強，考慮面向再制造的設計也是勢在必行。

2 面向再制造的設計

圖2 面向再制造的設計

面向再制造的設計就是在設計過程中理解再制造的意義，并考量必要的元素以改善部件的可再制造性(圖2)。

可以將面向再制造的設計定義為“部件初始設計過程中遵從的設計慣例和規范，從而可使再制造更靈活、更高效、利用率更高”。

3 利用率

利用率是再制造過程中可重復利用配件所占的百分比，考慮了零件數量(總成中可修復零件數量所占的百分比)和零件的修復成本(總成成本中可修復零件成本所占的百分比)，可修復件的成本百分比比數量百分比更重要。例如：如果50%的零件可重復使用，總成的利用率就是50%。同時如果價值200美元的總成中有160美元的可修復件，利用率就能提高到80%。

提高利用率就等于提高了盈利性和可持續發展性。這是決定部件再制造可行性最重要的標準。

利用率很大程度上取決于使用中的磨損、銹蝕和損壞幾率，同樣還取決于初始部件設計的可維護性。設計的可維護性僅僅是設計方法的1個范疇。

1個部件可按照易于維護和修理的理念來設計。例如：輕型工裝總成多采用可維護性設計，比如，必要時可對保險絲已熔斷的燈泡進行修理或更換。

1個部件也可按照將來不能維護或修理的理念來設計。有時這種設計背后有著管理方面的原因。再者就是設計者和公司的決策。例如：同樣是輕型工裝的例子，其中的輕型燈泡采用了不可維護性設計。

接下來將重點闡述如何改善面向再制造/可維護性的設計。

4 連接/組件

可以把1個連接或包含2個零件的組件設計成焊接(或類似工藝)、鎖緊、鉚接、密封等型式。鎖緊比其他工藝更適合于再制造。如果設計師相對于焊接或密封工藝更多地采用鎖緊工藝，肯定有助于初始部件壽命周期結束后的再制造。螺紋與接頭也能達到性能要求，更利于再制造。

密封類總成件常常難以實施再制造，往往迫使維修人員更換整個組件，隨后大部分都被丟棄，造成了很大的浪費。設計者需要重新考慮密封類總成部件的問題。

5 公差/材料要求

公差和材料應該仔細選擇。部件的壽命終止期和預期的終止期狀態需要事先設計。對摩擦表面的公差控制，需要在達到壽命周期之后可以繼續使用該表面或進行1次額外的精加工后再使用的要求。有時因為疲勞周期的緣故，選用的材料僅能經歷1次壽命周期。因此可以選用能夠被再制造工藝重復利用的材料。

部件可以多次使用，因而需要考量前一次部件壽命期終止時的尺寸以進行尺寸累積分析。通常，摩擦表面在壽命周期結束時已磨損至不能再用或需要通過額外加工或通過改變另一個配合件尺寸來恢復到原始尺寸。例如，發動機機身缸體部分，在初次壽命周期末尾可以對該部分機體做額外加工，從而恢復到初始尺寸。采用較大尺寸的活塞或活塞環也是1種選擇。有時采用兩者的結合也是適宜的方案。所有設計考量都需要通過設計驗證。

6 再制造壽命和整體壽命

理解和定義部件的新件服務壽命、再制造壽命(包括多少個再制造周期)，以及整體壽命是十分重要的。零件設計策略需要適應部件整體壽命周期，也需要表達出設計驗證計劃和報告的意圖。

7 設計驗證

需要考慮部件的再制造并將其加入DFMEA。對設計驗證計劃和報告輸入理想情況也是有必要的。部件總成需要在DFMEA及設計驗證計劃和報告過程中驗證拆解、接頭、公差等情況。

圖3 再制造設計提高利用率并延長部件再制造壽命

8 再制造設計的優勢

再制造設計的目標是提高部件的利用率使其具備被再制造的價值(圖3)。如果部件的壽命周期包括再制造壽命，將降低總體成本。再制造將提高可持續發展性。

再制造部件在質量方面可以以較低的成本替代新部件。如果再制造部件難以獲得，為節約成本可以選擇購買二手部件，但二手部件不能提供質量保證。縱觀部件的整體壽命，與傳統型設計部件相比，在再制造設計中需要投入的成本較低。再制造部件可重復利用，從而創造更久的整體壽命(表2)。

表2 傳統設計過程與再制造設計之間的主要區別

9 總結

面向再制造的設計在部件利用率方面具有巨大的優勢。通過采用再制造設計理念，具有以下特點：

(1) 對越來越多的部件實施再制造；

(2) 因為部件可使用多次，成本將大大降低，整個壽命周期內需要的成本投入也將降低；

(3) 高利用率將獲得更大的可持續發展能力；

(4) 組件可持續發展能力的改善將更容易維護。

[1]Nabil N, Michael T. Remanufacturing: a key enabler to sustainable product systems[C]. 13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering, Leuven, Belgium, 2006.

[2]Steve B, Andrew K. Organising reuse: managing the process of design for remanufacture (DFR)[C]. POMS 18th Annual Conference, Dallas, Texas, U.S.A., 2007：007-0769.

[3]Bras B, Hammond R. Towards design for remanufacturing-metrics for assessing remanufacturability[D]. Systems realization laboratory, the George W. Woodruff School of Mechanical Engineering, Georgia Institute of Technology, Atlanta, Georgia, 30332-0405.

左彤梅 侯曉濰 張月華 譯自 SAE Paper 2016-01-8137

汪格格 編輯

2017-02-24)