绿色设计产品评价流程

第三节　保护生态环境——绿色设计与制造

在人类跨入21世纪的今天，资源、环境、人口是人类社会面临的三大主要问题。当微电子技术、大规模集成电子技术和制造业相结合，使制造业蓬勃发展的同时，却产生了对能源和原材料的巨大需求及对生态环境的严重影响，使得全世界的技术人员和环保人士都在全力解决此类问题——最优化地利用资源和最低限度地产生废弃物。

20世纪90年代初期，在发展经济的同时，以如何节约资源、有效利用能源和保护环境为主题而提出了一种新的设计概念和方法——绿色设计与制造。制造业是制造人类财富的支柱产业，同时又是环境污染的主要源头之一，绿色设计与绿色制造就是为消除和避免制造业经济恶性发展的后果，寻求新的发展战略而提出的新概念。当今，绿色制造与绿色设计被认为是实现可持续发展的有效途径之一，已成为现代设计技术的研究热点和主要内容。

一、绿色设计与制造的概念

在传统的机械制造工业产品设计过程中，设计人员主要根据产品性能、质量和成本要求等指标进行设计，其设计指导原则是能经济、方便地制造满足使用要求的、市场需求的产品，设计过程对产品的维护性、拆卸性、回收性、淘汰废弃产品的处理处置以及对生态环境的影响考虑较少，或是将这些内容分别在产品整个寿命周期的不同阶段进行独立设计和考虑。这样生产出来的产品，在其使用寿命结束后，由于缺乏必要的拆卸和回收性能，回收利用率低，其中的有毒有害物质会对生态环境造成严重污染，影响人类的生活质量和生态环境，并造成资源和能源的大量浪费，影响经济发展的持续性。

由于环境问题的日益严重，迫使人们对环境问题的研究愈来愈重视。1972年在斯德哥尔摩召开的联合国人类环境会议和1992年在里约热内卢召开的联合国环境发展大会是人类环境保护史上的两座里程碑。目前，环境问题已由少数专家关心的技术问题转变为全人类共同关注的经济社会问题，当今社会面临的重大挑战是如何使经济发展与环境保护有机结合起来，从而能促进建立一个可持续发展的社会。

绿色设计(greendesign)是“可持续生产”设计，是实现清洁化生产和生产出绿色产品的设计手段。近年来，围绕生态环境问题，人们提出了“既满足当代人的需求，又不对子孙后代构成危害”的“可持续发展战略”。可持续发展战略将生态环境与经济发展联结为一个互为因果的有机整体，认为经济发展要考虑到自然生态环境的长期承载能力，使环境和资源既能满足经济发展的需要，又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要，从而形成了一种综合性的发展观。

绿色制造(green manufacturing)是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源使用效率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。从产品的寿命循环周期整体角度出发，在产品概念设计中运用并行工程的原理，在保证产品功能、质量和成本等基本性能情况下，充分考虑产品寿命循环周期各个环节中的资源、能源的合理利用、环境保护和劳动保护等问题。

总之，绿色设计与制造是一个综合了面向对象技术、并行工程、寿命周期设计的一种发展中的系统设计方法，是集产品的质量、功能、寿命和环境于一体的设计系统。

二、绿色设计与制造的结构体系

1.绿色设计

在实施绿色制造过程中，绿色设计是关键，它决定了产品生命周期的80%～90%的消耗。在产品全生命周期内，绿色设计着重考虑产品的环境属性——可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等，从而达到缩短新产品上市时间、提高产品质量、降低成本、改进服务、加强环境保护意识，并将其作为设计目标。因此绿色设计又称为面向环境的设计(design for environment，DF)。

人们提出了绿色设计与绿色制造发展体系，其中的关键是绿色产品设计评价体系(图4-5)的完善，对产品从设计、制造、包装、运输、使用、报废整个生命周期中每一个环节对环境影响作出评价，并且要在整个生命周期中、集成环境下建立绿色产品的评价体系。同时，要研究开发先进制造技术，以及与之相匹配的先进制造模式，大力开发低污染、低能耗、无公害的生产工艺与最终产品。

图4-5　绿色设计的结构体系

绿色产品设计包括以下主要内容:

(1)绿色材料及其选择绿色设计要求产品设计人员改变现有设计中只注重技术性能和经济性能的材料选择思路，而要将环境因素融入到设计开发之中，必须了解材料对环境的影响。绿色材料是指在满足一般功能要求的前提下，具有良好的环境兼容性的材料。绿色材料在制备、使用以及用后处置等生命周期的各阶段，具有最大的资源利用率和最小的环境影响。

绿色材料选择的三个原则:①优先选用可再生材料，尽量选用回收材料;②尽量选用低能耗、少污染的材料;③尽量选择环境兼容性好的材料及零部件，避免选用有毒、有害和有辐射特性的材料;④所用材料应易于再利用、回收、再制造或易于降解。

(2)产品可回收性设计(design for recycling，DFR)减少环境污染和节省自然资源是绿色设计的根本目标，而合理回收和再生利用无疑有利于这一目标的实现。绿色设计要求产品在初期设计时考虑其零件回收及再生的可能性，即在其他新产品中，可以利用使用过的或废弃产品中的零部件及材料。针对零部件的再使用和材料的再使用提出了几种设计策略:①可回收材料及其标志;②可回收工艺与方法;③可回收经济评估;④可回收性结构设计。面向回收的设计思想，使产品设计师能考虑产品生命周期的全过程，既减少对环境的影响，又使资源得到充分利用，同时还明显降低产品成本。

(3)产品的可拆卸性设计(design for disassembly，DFD)它研究如何设计产品才能高效率、低成本地进行组件、零件的拆卸以及材料的分类拆卸，以便重新使用及回收，是绿色产品设计的主要内容之一，也是绿色产品设计中研究比较早而且比较系统的一种方法。它要求在产品设计的初级阶段就将可拆卸性作为结构设计的一个评价准则，使所设计的结构易于拆卸，因而维护方便，并可在产品报废后可重用部分，充分有效地回收和重用，以达到节约资源和能源、保护环境的目的。可拆卸性设计的主要策略有:①减少拆卸的工作量;②可预测的产品构造;③易于拆卸;④易于分离;⑤减少零件的多样性。良好的可拆卸性是产品维护性好、零件材料可回收、可再生的重要保证，只有良好的拆卸才能实现完全的材料回收和可能的零部件再利用，从而达到节省成本，减少污染，保护环境的目的。

(4)绿色包装为了减少产品在运输、销售过程中对环境造成的污染，应尽量采用“绿色包装”，绿色包装已成为产品整体绿色特性的一个重要内容，绿色包装是指从原材料到产品的加工生产对环境无污染，从环境保护的角度，优化产品包装方案，使得资源消耗和废弃物产生最少，可以回收循环使用或者再生利用，包装可在大自然中自行降解。目前这方面的研究很广泛，大致可以分为包装材料、包装结构和包装废弃物回收处理三个方面。当今世界主要工业国要求包装应做到“3R1D”(reduce减量化、reuse回收重用、recycle循环再生和degradable可降解)原则。

产品的包装应摒弃求新、求异的消费理念，简化包装，这样既可减少资源的浪费，又可减少环境的污染和废弃物的处置费用。另外，产品包装应尽量选择无毒、无公害、可回收或易于降解的材料;如纸、可复用产品及可回收材料(如聚苯乙烯产品)等。

(5)绿色产品设计数据库绿色产品设计数据库对绿色产品的设计过程起着举足轻重的作用。该数据库应包括产品寿命周期中与环境、经济等有关的一切数据，如材料成分、各种材料对环境的影响值、材料自然降解周期、人工降解时间、费用，制造装配、销售、使用过程中所产生的附加物数量及对环境的影响值，环境评估准则所需的各种判断标准等。

2.绿色制造

传统制造和绿色制造的最大区别就是传统制造只是根据市场信息设计生产和销售产品，而其余就考虑较少。产品在制造过程中会产生各种固体的、液体的或气体的排放物以及电磁辐射等污染，如何合理地处理这些环境影响因素，以减轻其环境污染性，则在设计阶段就要从工艺实现方法上予以考虑。对此，绿色制造则通过绿色生产过程(绿色设计、绿色材料、绿色设备、绿色工艺、绿色包装、绿色管理)生产出绿色产品，产品使用完以后再通过绿色处理加以回收利用。采用绿色制造能最大限度地减少对环境的负面影响，同时原材料和能源的利用效率达到最高。目前已经颁布的ISO9000系列国际质量标准和ISO14000国际环保标准更为绿色制造提供了广阔的应用空间，一场“绿色革命”已经来到，如何去迎接21世纪的制造业——绿色制造是每个机械行业技术人员所亟待解决的课题。应根据产品绿色设计目标重新设计生产系统，采用环保技术改造工艺设备，积极推进清洁生产技术，不断设计、开发新的绿色工艺方法。

产品的绿色制造主要包括:①提供宜人的工作环境，有利员工的身心健康，减少安全事故的发生。②建设绿色供应链。重点搞好绿色采购、绿色供应分承包方的选择、运输损耗控制、库存和包装材料循环再利用等。③以ERP为基础的现代物流管理。重点是物流业务重组，合理调配并优化资金流、物质流和信息流。④按设计确定的绿色工艺和设备进行加工，重点控制加工过程中的废水、废气、废渣、尘埃和固体废弃物的产生，治理噪声和防止辐射。在加工过程中的零件绿色工艺主要包括加工顺序工艺优化、加工参数、切削刀具、切削液、润滑剂的使用、加工质量、热处理、金属成型(铸造、熔炼)中的清洁工艺以及环境评估。

保护环境的义务、满足绿色消费者的需求和遵守法规的责任促使制造业加快了应用绿色设计及绿色制造技术的速度，绿色设计及制造已成为制造企业的唯一选择。

三、绿色设计与绿色制造的发展趋势

未来的绿色设计和制造将趋于向全球化、社会化、集成化、并行化、智能化、产业化方向发展。

1.社会支撑系统将逐步形成

绿色设计与绿色制造需要全社会的共同努力和参与。绿色设计与绿色制造的社会支撑系统首先是立法和行政规定问题。利用相关法律和行政规定对绿色制造形成有力的支持，对相反行为做出适度惩罚。其次，政府可制定经济政策，用市场机制引导绿色制造的实施。如制定有效的资源价格政策，利用经济手段对不可再生资源的消耗严加控制等。

2.全球化特征和趋势日益明显

制造业对环境的影响往往是超越空间的，保护地球是人类的共同责任。随着世界经济的一体化，绿色产品的市场竞争将在全球范围展开。近年来，许多国家对进口产品要进行绿色认证，绿色制造将为企业提高产品的绿色水平提供技术手段，为企业进入国际市场提供有力的支撑。

3.集成系统技术将有较大发展

要真正有效地实施绿色制造，必须从系统和集成的角度来考虑和研究绿色制造中的有关问题。当前，产品和工艺设计与材料选择系统的集成、用户需求与产品使用的集成、绿色制造系统中的信息集成、绿色制造的过程集成等集成技术的研究已成为重要研究内容。

4.绿色并行工程将成为绿色产品开发的有效模式

绿色并行工程是现代绿色产品设计和开发的新模式。它以集成的、并行的方式设计产品并贯穿其生命周期全过程，力求使产品开发人员在设计开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素，如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。

5.人工智能支撑技术的应用

绿色制造的决定目标体系的优化是难以用一般数学方法处理的十分复杂的多目标优化问题，需要用人工智能方法来支撑处理。另外，绿色产品评估指标体系及评估专家系统，均需要人工智能和智能制造技术。因此，基于知识系统、模糊系统和神经网络等人工智能技术将在绿色制造中起到重要作用。