第二讲5-现代设计技术-绿色设计

1先进制造技术第二讲现代设计技术绿色设计青岛科技大学机电学院2现代设计方法有限元分析反求工程2134计算机辅助设计技术概述5绿色产品设计6可靠性设计3有限元分析CAE：基本步骤？基于SW的练习逆向工程RE：主要工具？回顾本节课重点掌握绿色产品的概念；掌握绿色设计过程模型；掌握产品的可拆卸性与可回收性设计41.绿色设计的概念1.1产品生命周期传统产品设计过程图A.直接再循环/重复利用；B.可重复利用的再制造C.循环材料再加工；D.单体/原材料再生考虑绿色设计的产品生命周期图51.绿色设计的概念传统产品一般只是为了满足人们的某些功能需要来为企业赢得大的利润。绿色产品（Greenproduct,GP），又称环境协调产品（EnvironmentConsciousProduct，ECP）。可这样定义：GP就是在其生命周期全过程中，符合特定的环保要求，对生态环境无害或危害很小，资源利用率很高，能源消耗低的产品。绿色产品不仅要对环境友好，具有宜人的使用方式，为人们的健康生活方式服务，倡导绿色消费文化。绿色产品在传统产品的基础上，使产品与环境(自然环境和社会环境)、产品与消费者的关系更加密切。1.2传统产品和绿色产品61.绿色设计的概念1.3绿色设计绿色设计（GreenDesign，GD）又称生态设计（EcologicalDesign，ED），环境设计（DesignforEnvironment，DFE）等。“绿色设计”是20世纪80年代末出现的一股国际设计潮流。早在20世纪60年代末著名的工业设计师及教育家维可多•佩帕尼克就出版了在设计界引起强烈反响的著作《为现实生活而设计》，在书中提出了在当时与众不同的观点，他认为我们周遭的事物都是由设计师创造的，设计师在市场销售和用户满意度方面不单单只是起到“美化”的作用，同时应强调设计师的社会及道德的伦理价值。进入21世纪，因世界各国政府对环境问题的重视，有关环境保护法规的建立，企业间的竞争，使得带有理想主义色彩的“绿色设计”潮流逐步有了现实意义。71.绿色设计的概念可这样定义：绿色设计是在产品的整个生命周期内（设计、制造、运输、销售、使用或消费、废弃处理），着重考虑产品的环境属性（自然资源的利用、对环境和人的影响、可拆卸性、可回收性、可重复利用性等），并将其作为设计目标，在满足环境目标要求的同时，并行地考虑并保证产品应有的基本功能、使用寿命、经济性和质量等。1.3绿色设计82.绿色设计的特征设计目标。设计目标中除考虑功能、性能、质量、成果等方面外，还必须考虑产品在整个生命周期过程中与环境和人的友好性；设计技术。除常规设计方法外，还必须采用可拆卸、可回收、模块化设计；设计评价。考虑从原料提炼、加工、制造、装配、包装、运输、废弃回收、重用处理等整个产品生命周期内，对环境造成的影响为最小；设计流程。并行闭环型设计，从废弃后的回收、重用、修复、再加工，进入新一轮的产品生命周期。设计目的。兼顾产品性能需求和环保影响。93.绿色设计的关键技术1)绿色产品评价体系、方法的研究。包括面向材料的评价、清洁生产评价、面向产品流通的评价、面向产品使用维护的评价、面向拆卸和回收的评价等各个阶段的评价，以及面向环境负担的评价、面向环境的价值评价和面向环境影响的评价等多个层次的评价。2)绿色设计模型的建立。在绿色设计中，面向装配的设计DFA(DesignforAssembly)和面向拆卸的设计DFD(DesignforDisassembly)等是其重要的组成部分。而支持DFA和DFD等的产品信息模型PIM(ProductInformationModel)应包括装配体、子装配体和单个零件等有关的数据，它与三维体造型的数据结构集成在一起，包含在一个统一的产品模型中。3)绿色设计数据资料的收集、整理与数据库、知识库的建立。建立绿色数据库、知识库是绿色产品开发、评价和决策的基础，其中包括材料影响数据库、制造工艺环境影响数据库、产品使用环境影响数据库、生命周期评价LCA(LifeCycleAssessment)数据库，价值分析数据库及各种知识库等。4)绿色设计方法的研究。包括生命周期设计方法、并行工程设计方法、模块化设计方法、长寿命设计方法、基于面向对象DFX(DesignForX)的设计方法、基于网络的设计方法以及产品维护过程分析的仿真方法等等。103.绿色设计的关键技术114.绿色设计过程模型绿色产品过程模型将绿色设计分为4个部分：产品结构设计、材料选择、产品环境性能设计与产品资源性能设计，每一部分都从全生命周期的角度进行设计选择，并通过评价等环节相互联系。绿色设计过程模型图124.绿色设计过程模型4.1绿色产品的描述与建模即弄清楚什么是绿色产品，不同产品的绿色属性如何表现，并通过生命周期分析方法（LCA）与并行工程思想建立绿色产品设计模型。4.2绿色产品结构设计绿色产品的结构除满足普通产品的基本要求外，还要考虑结构的易于拆卸与回收处理。不可拆卸会造成大量可重复利用的零部件的浪费，因而现代产品不仅要有优良的装配性能，还应有良好的拆卸性能。可回收性设计指在产品设计初期就充分考虑其回收的可能性、回收价值的大小、回收处理的方式等。产品结构设计包括：产品的可拆卸性设计和可回收性设计。134.绿色设计过程模型144.绿色设计过程模型4.3绿色设计的材料选择传统产品设计主要从材料的功能、性能、经济性和是否满足要求等角度选材。绿色设计选材不仅要考虑产品的性能和条件，还要考虑环境的约束准则、选用无毒、无或少污染、易降解和易回收利用的材料。154.绿色设计过程模型绿色设计的材料选择原则：1、减少所用材料种类。Whirlpool公司把包装材料从20种减少到4种，处理废物的成本下降了50％以上，材料成本降低，性能提高。2、减少在加工过程中对环境产生负面影响的材料。（能源）3、选用易回收材料或能再生材料。美国设计师利用再生材料制成的双层波纹板代替木板制成包装用托架，与同强度木材比重量减轻3/4，节约了木材资源和运输成本，且能循环处理利用。（塑料/铝）4、选用废弃后能自然分解并能为自然界吸收的材料。如废弃后能在光合作用或生化作用下自然分解的塑料制品包装材料。5、尽可能选择无毒、无害的材料。新型可降解一次性餐具马粪纸包装164.绿色设计过程模型4.4产品资源性能设计绿色设计通过并行考虑产品生命周期的各个阶段，使产品的资源得到合理利用合配置。其主要内容包括：1、机电产品生命周期的资源消耗模型的建立；2、机电产品生产过程的资源消耗特性分析。174.绿色设计过程模型4.5产品环境性能设计在产品设计初期，将其环境性能作为设计目标是绿色设计区别于传统设计的主要特点之一。由于不同的产品有不同的环境性能，设计时应根据产品特点、使用环境与要求分别予以满足。如对电冰箱而言，其环境性能主要表现在不用氯氟氢类的制冷剂和发泡剂，减少或消除酸洗、磷化过程中产生的环境污染物，降低能耗、减少噪声、减少所用材料种类等。184.绿色设计过程模型4.6产品设计评价绿色设计评价主要解决绿色设计结果是否满足预期需求和目标，是否有改善潜力的问题。其主要内容包括：建立系统、完整的绿色设计评价指标体系；对现行评价方法研究的基础上，利用层次分析法、模糊数学、神经网络等方法，建立绿色设计的综合评价模型。195.产品的可拆卸性设计产品的可拆卸性是产品可回收性的重要条件，直接影响产品的可回收再生性。面向拆卸的设计：DesignforDisassembly，DFD5.1影响产品可拆卸性的因素待拆卸零件的数目待拆卸零部件在产品中所处的拆卸深度拆卸过程的并行与串行待拆的连接数目连接的拆卸时间连接的种类与拆卸所需工具数连接的可达性连接在使用后的可能状态205.产品的可拆卸性设计5.2拆卸设计准则拆卸工作量最少原则：在满足使用要求的前提下尽量去掉一些不必要的功能，如零件相似功能的合并，减少材料的种类并考虑材料之间的相容性。结构的可拆卸性准则。在选择零件间的连接方法时应考虑拆卸分离的方便性，并且紧固件的数量应尽量少。拆卸易于操作的准则。在拆卸过程中，不仅要使拆卸动作快，而且要采用合理的结构，使拆卸易于进行，如采用快开机构；在拆卸零件上留有可供抓取的表面。如以下各图：215.产品的可拆卸性设计对于需对零件进行拆卸、切断、切割等位置，必须做到：看得见、够得着、留有足够得操作空间。如以下各图所示。225.产品的可拆卸性设计拆卸评价主要包括对产品的结构性评价、环境性评价及拆卸的经济性评价。通常以经济性指标（拆卸成本、回收利润或拆卸时间）为单位，定量地评价零部件拆卸的难易程度，并根据拆卸后果将设计缺陷信息反馈给设计者，使其在设计初始阶段修改方案，设计出易于拆卸的产品。5.3拆卸评价体系236.产品的可回收性设计传统设计中存在着的回收通常只停留在如材料回收的低层次回收上。为更大限度地利用废弃产品，提高废弃产品的利用率和再生率，提出了回收设计（DesignforRecovering，DFR）的概念。可回收性设计是在进行产品设计的时候，充分考虑产品零部件及材料的回收可能性、回收价值大小、回收处理方法、回收处理结构工艺性等与可回收性有关的问题。使零部件及材料资源和能源的充分和有效利用，并在回收过程中对环境污染最小的一种设计思想和方法。246.产品的可回收性设计研究表明：零部件的重复利用可使产品的最终成本平均下降30%。256.产品的可回收性设计6.1可回收材料及其标志产品报废后，其零部件材料能否回收，取决于其材料本身的性能变化情况。如根据宝马公司研究，由加强聚氨玻璃纤维制造的汽车进气管零件，在汽车报废后，其弹性模量和阻尼特性几乎没有改变，可以100％回收重用。但一般来说，材料性能在使用过程中均会有所退化。识别产品中零部件、材料能否回收或重用的标志有：产品生产时用不同的颜色表明材料的可回收性或标注专门的分类编码代号等。如宝马3系列汽车，所使用的材料80％是可以回收的，并采用了一种特殊的编码系统，识别产品中不同零件的数量。对大多数塑料零件采用颜色编码标志，绿色表示纯塑料，蓝色表示可回收的塑料。采用这种标志减少了不同塑料数量，完全避免了有毒、有害物质，要求对数量超过100g的所有聚合物做出标志。在塑料零件上做出条形码标志。具有条形码的塑料零件可以用激光扫描仪及机器人进行分类。条形码包括了拆卸产品的许多信息如：成分、年代、环境危害及添加剂分等。266.产品的可回收性设计6.2回收设计准则固定方法的标准化，提高拆解效率。车体采取扣件插接或螺纹连接代替其它传统接合方法，降低组件的拆解难度。采用系列化、模块化的产品设计。在不同系列的产品中尽可能采用相同的零部件和标准件，以便于分类。尽可能选取可重复使用的零部件，或经过工艺处理后具有与同类零件相同功能和寿命的零部件，如汽车驱动桥、变速箱的壳体等零件都可以经回收再使用。276.产品的可回收性设计6.2回收设计准则考虑零件的异化使用方法，在全社会范围内寻找其再使用的途径，充分利用回收的零部件。如发动机回收后可用于汽车修理，也可作为教学实物用于教学。物质使用最小化。在保证总功能前提下，遵循“最少就是好”原则。材料种类最少化。提高分类效率和回收效率并降低材料购买价格。选择理想材料。在不影响功能的前提下，尽可能使用可再循环利用材料、生物材料及回收再生材料，促使整个社会形成一个有效使用资源的良性循环。充分考虑材料的兼容性。即使这些材料构成的零部件无法拆卸，也可一起被再生利用。286.产品的可回收性设计6.3回收的经济性分析回收的经济性是零件材料能否有效回收的决定性因素。回收的经济性可根据产品类型、生产方式、所有材料种类等，根据设计制造实践，整理各有关的数据、资料并参考现行的成本预算方式，建立可回收性经济评估数学模型。296.产品的可回收性设计6.4拆卸成本和回收效益拆卸回收的经济性是由拆卸成本和回收效益决定的，它决定产品的拆卸深度。拆卸成本由拆卸操作引起，随着拆卸操作的不断进行而增加，