低碳制造的典型——再制造工程
發布時間:2011/8/27 15:39:26 訪問次數:1896
現代人類的生存環境面臨嚴重的環境危機,其中最引人注目的危機一方面是海量的廢舊機電產品造成了嚴重的“汽車垃圾”、“電子垃圾”等社會公害,另一方面是制造這些機電產品的資源能源日益短缺。我們只有一個地球,向外星球移民或從地球外獲取資源目前還是可望而不可即的科幻,現代人實實在在可以做的事情是節能減排,提倡綠色制造、發展低碳循環經濟,保持環境生態平衡。再制造工程就是近年來為保護地球環境、構建循環經濟、保持社會可持續發展的低碳制造典型。
(一)再制造工程的背景與內涵 KA3361BD
再制造(remanufacture)其實不是一個新概念,面是在早就存在廢舊產品的修復、改造和翻新基礎上發展起來的。在過去,“修舊利廢”和“翻新”作為一種過“窮日子”的生產活動,面臨被社會化大生產摒棄的地步。當然,過去的修舊利廢大部分是落后的手工操作,技術水平難以保證修復的產品質量也是傳統的“修舊利廢”和“翻新”衰落的原因之一。但是,如同過去人們認為是“窮人食品”的黑豆白薯等雜糧現在成了時尚的“健康食品”一樣,當我們轉換觀念,從綠色環保角度考慮,“修舊利廢”和“翻新”就成了解決廢舊機電產品環境污染、發展循環經濟的“法寶”。
需要強調的是再制造工程不是簡單的“修舊利廢”和“翻新”,而是以裝備和產品全壽命周期理論為指導,以實現廢舊裝備性能提升為目標,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,進行修復、改造廢舊裝備和產品的一系列技術措施或工程活動的總稱,是一種符合資源節約、環境友好現代理念的先進制造模式。
這種有先進指導理論,有現代高科技支撐手段,有技術目標和準則的制造技術,已經成為國際化的現代制造新概念,“Remanufacture”已逐漸成為一個國際標準的再制造學術名詞,并且在一部分先行的行業中有了專門行業協會,如圖8.5.1所示是國外一個汽車零件再制造協會的標識。再制造在歐美等發達國家已有幾十年的發展歷史,在廢品回收責任制、再制造產品質量保證、再制造產品銷售和售后服務等方面都已形成了較完善的制度。近年多次舉辦的國際性學術會議,如“可持續制造國際研討會”(International Workshop on SustainableManufacturing),“世界維修大會”(the World Congress on Maintenance)等,再制造工程都是會議的重要專題。
簡單地說,再制造是指將舊機電產品運用高新技術和傳統加工手段進行專業化修復或升級改造,使其質量性能達到原有新產品水平的產業化制造過程。通俗地說,再制造是將廢舊產品制造成“如新品一樣好”的產品的制造技術。
再制造不等同于維修和翻新。適應循環經濟發展需要,再制造產業將成為推動經濟與社會全面、協調、可持續發展的一種重要途徑。
(二)再制造對低碳的貢獻 KA3525A
產品從論證、設計、制造、使用、維修,直至報廢的全過程所花費的費用稱為全壽命周期費用。傳統觀念往往注重對占全壽命周期費用20%~30%的產品前半生(論證、設計、制造)的研究,而卻忽視了對占全壽命周期費用70%~80%的產品后半生(使用、維修、報廢)的研究。再制造以產品后半生為研究對象,提升、改造廢舊產品的性能,使廢舊產品重獲生命力。再制造是對產品全壽命周期的延伸,再次賦予了廢舊產品新的壽命周期,大大延長了產品的使用時間。再制造既具有節能節材的“節約型”特色,又具有保護環境的“發好型”特色。
據大量再制造工程實踐統計,采用現代再制造技術制造的產品:
①成本只是新品的50%;
②節能60%;
③節材70%。
在這資源、能源緊缺的世界,這是多么令人振奮的可觀數據!
(三)再制造的指導理論
與新產品相比,再制造產品可以達到相同甚至更高的產品質量,這是一個得到科學理論證實而且也是最重要的事實。我們可以先觀察一下產品的失效率和產品壽命特征曲線(見圖8.5.2).
不同的是“再制造開始的典型時間點”出現在產品壽命的第二個階段相當靠前的位置,這是因為有相當一部分產品在實際使用中,由于各種原因沒有達到產品使用壽命就被淘汰或廢棄。一個非常益于再制造的事實是:許多準備進行再制造的廢舊產品中有許多零
件仍然只是處于其壽命的第二個階段,失效率非常低,可靠性期望值高。如果將準備再制造的廢舊產品中的失效零部件替換后,例如替換產品早期壽命階段中失效的電子零件,或者由于磨損而失效的小零件如碳刷或老開關等類零件,產品的大部分其他零部件將完全
可以經受下一輪使用周期的考驗。由于大部分零部件已經經過早期失效階段的考驗,從這一方面看,只要保證了“再制造”零部件質量,這種“再制造”的產品可靠性完全可以與“新產品”相比,甚至還要高。
上述分析揭示了再制造產品質量可靠的主要原因,為再制造提供了理論依據。在再制造前,我們必須要知道零件目前在失效率與壽命關系圖(即“浴盆曲線”圖)中的明確位置,這樣我們才能正確地預測它在下一個產品使用壽命周期中的可靠性。
(四)再制造關鍵技術 KA393ADTF
1.產品再制造的壽命預測技術
再制造的壽命預測包含兩方面內容:
(1)廢舊零件的剩余壽命評估。通過它回答廢舊零件能否再制造、能再制造幾次(剩余疲勞壽命是否足夠)的問題。
(2)再制造零件(即再制造之后的零件)的服役壽命預測。通過它判定再制造零件是否具有足以維持下一個服役周期的使用壽命。
借助無損檢測技術(如渦流檢測、超聲檢測等),結合力學和材料學等多學科理論和技術,探索再制造無損壽命評估理論與方法,進行零部件的損傷檢測和壽命評估。例如零件表面缺陷檢測(機器視覺、渦流、磁記憶、表面波超聲等),零件內部缺陷檢測(X-ray、超聲等),零件殘余應力測定分析(X-ray、金屬磁記憶、超聲等)方法等。
2.高效無損拆解與分類回收技術
拆解作為再制造的頭道工序,直接影響再制造的加工效率和舊件再利用率。應用高效無損拆解技術和分類回收技術,可有效提高廢舊零部件的回收利用率,提高再制造企業的規模化和自動化水平。
3.環保高效綠色清洗技術
廢舊零件的清洗工作是再制造過程的重要環節。國外先進再制造企業已能做到清洗物理化(完全取消化學清洗),拆洗水平已完全達到零排放。應用無污染、高效率、適用范圍廣、對零件無損害的自動化超聲清洗技術、熱膨脹不變形高溫除垢技術、無損噴丸清洗技術與設備,可以顯著提高再制造生產過程的綠色化水平。
4.先進表面工程技術
產品再制造技術的關鍵是讓廢舊零部件“返老還童”,對于大部分廢舊零部件而言,主要是表面磨損、腐蝕等機械損傷。對于這類損傷,運用現代表面工程技術,可縱獲得滿意效果,不僅可以做到“修舊如新”,甚至可以做到“修舊勝于新”。
現代表面工程技術是一門多學科綜合性工程技術,包括電鍍、化學鍍、表面涂敷、表面改性、氣相沉積、復合表面處理和高分子表面金屬化、表面微細加工等多種復雜高新技術,這些技術在再制造都大有可為,以下幾種是近年在再制造工程中應用較多的技術。
1)納米顆粒復合電刷鍍技術
刷鍍與“槽鍍”一樣,是電鍍的一種,由于甩掉電鍍槽,使用更方便靈活。通過在特制的電刷鍍液中添加納米顆粒,可以獲得硬度高、結合強度好的復合鍍層,該鍍層具有良好的耐磨性、抗接觸疲勞性能以及較高的服役溫度。例如采用納米顆粒復合電刷鍍,可以使零件抗接觸疲勞性能提高1個數量級。
2)納米減摩自修復添加劑技術
納米減摩自修復添加劑技術是一種通過摩擦化學作用來實現磨損表面自修復的技術。將含有納米顆粒的復合添加劑加入到潤滑油中,納米顆粒隨潤滑油分散于各個摩擦副接觸面,在一定溫度、壓力、摩擦力作用下,摩擦副表面產生劇烈摩擦和塑性變形,發生
摩擦化學作用,添加劑中的納米顆粒就會在摩擦表面沉積,并與表面作用,填補表面微觀溝谷,從而形成一層具有抗磨減摩作用的液態或固態自修復膜。
3)熱噴涂、納米熱噴涂按術及其自動化加工技術
熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態,并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法。按熱源的不同,有火焰噴涂、超聲速火焰噴涂、氣體爆燃式噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、真空等離子噴涂、激光熱噴涂等技術門類。通過熱噴涂在普通材料的表面上,制造一個特殊的工作表面,使其達到防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導電、防微波輻射等一系多種功能,使其達到節約材料、節約能源的目的。熱噴涂技術是表面過程技術的重要組成部分之一,也是再制造工程的關鍵技術之一。
納米熱噴涂技術是在熱噴涂材料中加入納米顆粒或含納米顆粒的絲材,從而得到具有納米結構涂層的新技術。這種涂層可制備各種高熔點的納米陶瓷或金屬陶瓷涂層,具有結合強度高、致密性和其他綜合性能好的優點。
由于再制造過程是產業化、批量化的生產加工過程,熱噴涂技術從手工操作發展到半自動和自動化操作是水到渠成的選擇。特別是現代自動化、智能化技術可以保證再制造技術的高效率和高質量。
4)熔覆及其自動化加工技術
熔覆本質上是一種熔焊技術在表面工程技術中的應用,可以看作焊接技術的一種特例:它不是把材料連接起來,而是在材料表面上“堆焊”一層我們需要的工作層。按照焊接熱源的不同,有鎢極氬弧熔覆、激光表面熔覆、等離子熔覆等方法。熔覆技術可以根據
需要,在材料表面附加一層組織細密、力學及其他性能好的另一種材料層,形成高性能低成本復合材料。顯然這種技術適合再制造技術,可以實現廢舊零部件的高質量修復。
毋庸置疑,為了保證再制造效率和質量,選擇專業的半自動或全自動熔覆設備和工藝是必要的。目前業界已經研制出高頻逆變微束等離子熔覆、自動化激光熔覆等再制造工程專業設備,為再制造產業化提供了基礎裝備。
5.逆向楊流及供應鏈技術
逆向物流及供應鏈是再制造工程最重要的運行和管理問題,需要主要研究逆向物流渠道及回收網絡設計技術、逆向物流運作效率及庫存控制技術、基于逆向物流的生產作業計劃與資源配置技術、廢舊產品的儲運與污染控制技術、逆向物流及供應鏈建模及仿真技
術等。
在逆向物流模式中,采取社會或國家投資建設的廢舊電子產品回收處理系統,還是通過行業聯合建設專門回收處理系統,或者由生產商自行建立回收處理系統,取決于廢舊產品的可利用和可再制造部分的比率,比率越大,越能激發回收處理的積極性,獲得較高的回收努力系數。因此在產品設計中充分考慮可再利用和可再制造,是綠色制造重要課題之一。
6.再制造的行業標準
科學的、先進的高質量標準對于一種技術的推廣和發揮效益,對于一個行業的健康可持續發展是至關重要的。再制造作為一種綠色環保技術前景廣闊,作為一個新型制造行業正在起步階段,盡早建立系統、完善的再制造工藝技術標準、質量檢測標準等體現再制造走向規范化的標準體系是大勢所趨。從基本的“再制造概念、術語”、“再制造率的概念及評估方法”,到“再制造技術工藝標準”、“再制造質量檢測標準”、“再制造產品認證標準”等多類標準,各行各業的弄制造分標準都需要逐步制定出臺,在實踐中不斷完善,這樣才能保證這一綠色環保技術健康發展。
現代人類的生存環境面臨嚴重的環境危機,其中最引人注目的危機一方面是海量的廢舊機電產品造成了嚴重的“汽車垃圾”、“電子垃圾”等社會公害,另一方面是制造這些機電產品的資源能源日益短缺。我們只有一個地球,向外星球移民或從地球外獲取資源目前還是可望而不可即的科幻,現代人實實在在可以做的事情是節能減排,提倡綠色制造、發展低碳循環經濟,保持環境生態平衡。再制造工程就是近年來為保護地球環境、構建循環經濟、保持社會可持續發展的低碳制造典型。
(一)再制造工程的背景與內涵 KA3361BD
再制造(remanufacture)其實不是一個新概念,面是在早就存在廢舊產品的修復、改造和翻新基礎上發展起來的。在過去,“修舊利廢”和“翻新”作為一種過“窮日子”的生產活動,面臨被社會化大生產摒棄的地步。當然,過去的修舊利廢大部分是落后的手工操作,技術水平難以保證修復的產品質量也是傳統的“修舊利廢”和“翻新”衰落的原因之一。但是,如同過去人們認為是“窮人食品”的黑豆白薯等雜糧現在成了時尚的“健康食品”一樣,當我們轉換觀念,從綠色環保角度考慮,“修舊利廢”和“翻新”就成了解決廢舊機電產品環境污染、發展循環經濟的“法寶”。
需要強調的是再制造工程不是簡單的“修舊利廢”和“翻新”,而是以裝備和產品全壽命周期理論為指導,以實現廢舊裝備性能提升為目標,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,進行修復、改造廢舊裝備和產品的一系列技術措施或工程活動的總稱,是一種符合資源節約、環境友好現代理念的先進制造模式。
這種有先進指導理論,有現代高科技支撐手段,有技術目標和準則的制造技術,已經成為國際化的現代制造新概念,“Remanufacture”已逐漸成為一個國際標準的再制造學術名詞,并且在一部分先行的行業中有了專門行業協會,如圖8.5.1所示是國外一個汽車零件再制造協會的標識。再制造在歐美等發達國家已有幾十年的發展歷史,在廢品回收責任制、再制造產品質量保證、再制造產品銷售和售后服務等方面都已形成了較完善的制度。近年多次舉辦的國際性學術會議,如“可持續制造國際研討會”(International Workshop on SustainableManufacturing),“世界維修大會”(the World Congress on Maintenance)等,再制造工程都是會議的重要專題。
簡單地說,再制造是指將舊機電產品運用高新技術和傳統加工手段進行專業化修復或升級改造,使其質量性能達到原有新產品水平的產業化制造過程。通俗地說,再制造是將廢舊產品制造成“如新品一樣好”的產品的制造技術。
再制造不等同于維修和翻新。適應循環經濟發展需要,再制造產業將成為推動經濟與社會全面、協調、可持續發展的一種重要途徑。
(二)再制造對低碳的貢獻 KA3525A
產品從論證、設計、制造、使用、維修,直至報廢的全過程所花費的費用稱為全壽命周期費用。傳統觀念往往注重對占全壽命周期費用20%~30%的產品前半生(論證、設計、制造)的研究,而卻忽視了對占全壽命周期費用70%~80%的產品后半生(使用、維修、報廢)的研究。再制造以產品后半生為研究對象,提升、改造廢舊產品的性能,使廢舊產品重獲生命力。再制造是對產品全壽命周期的延伸,再次賦予了廢舊產品新的壽命周期,大大延長了產品的使用時間。再制造既具有節能節材的“節約型”特色,又具有保護環境的“發好型”特色。
據大量再制造工程實踐統計,采用現代再制造技術制造的產品:
①成本只是新品的50%;
②節能60%;
③節材70%。
在這資源、能源緊缺的世界,這是多么令人振奮的可觀數據!
(三)再制造的指導理論
與新產品相比,再制造產品可以達到相同甚至更高的產品質量,這是一個得到科學理論證實而且也是最重要的事實。我們可以先觀察一下產品的失效率和產品壽命特征曲線(見圖8.5.2).
不同的是“再制造開始的典型時間點”出現在產品壽命的第二個階段相當靠前的位置,這是因為有相當一部分產品在實際使用中,由于各種原因沒有達到產品使用壽命就被淘汰或廢棄。一個非常益于再制造的事實是:許多準備進行再制造的廢舊產品中有許多零
件仍然只是處于其壽命的第二個階段,失效率非常低,可靠性期望值高。如果將準備再制造的廢舊產品中的失效零部件替換后,例如替換產品早期壽命階段中失效的電子零件,或者由于磨損而失效的小零件如碳刷或老開關等類零件,產品的大部分其他零部件將完全
可以經受下一輪使用周期的考驗。由于大部分零部件已經經過早期失效階段的考驗,從這一方面看,只要保證了“再制造”零部件質量,這種“再制造”的產品可靠性完全可以與“新產品”相比,甚至還要高。
上述分析揭示了再制造產品質量可靠的主要原因,為再制造提供了理論依據。在再制造前,我們必須要知道零件目前在失效率與壽命關系圖(即“浴盆曲線”圖)中的明確位置,這樣我們才能正確地預測它在下一個產品使用壽命周期中的可靠性。
(四)再制造關鍵技術 KA393ADTF
1.產品再制造的壽命預測技術
再制造的壽命預測包含兩方面內容:
(1)廢舊零件的剩余壽命評估。通過它回答廢舊零件能否再制造、能再制造幾次(剩余疲勞壽命是否足夠)的問題。
(2)再制造零件(即再制造之后的零件)的服役壽命預測。通過它判定再制造零件是否具有足以維持下一個服役周期的使用壽命。
借助無損檢測技術(如渦流檢測、超聲檢測等),結合力學和材料學等多學科理論和技術,探索再制造無損壽命評估理論與方法,進行零部件的損傷檢測和壽命評估。例如零件表面缺陷檢測(機器視覺、渦流、磁記憶、表面波超聲等),零件內部缺陷檢測(X-ray、超聲等),零件殘余應力測定分析(X-ray、金屬磁記憶、超聲等)方法等。
2.高效無損拆解與分類回收技術
拆解作為再制造的頭道工序,直接影響再制造的加工效率和舊件再利用率。應用高效無損拆解技術和分類回收技術,可有效提高廢舊零部件的回收利用率,提高再制造企業的規模化和自動化水平。
3.環保高效綠色清洗技術
廢舊零件的清洗工作是再制造過程的重要環節。國外先進再制造企業已能做到清洗物理化(完全取消化學清洗),拆洗水平已完全達到零排放。應用無污染、高效率、適用范圍廣、對零件無損害的自動化超聲清洗技術、熱膨脹不變形高溫除垢技術、無損噴丸清洗技術與設備,可以顯著提高再制造生產過程的綠色化水平。
4.先進表面工程技術
產品再制造技術的關鍵是讓廢舊零部件“返老還童”,對于大部分廢舊零部件而言,主要是表面磨損、腐蝕等機械損傷。對于這類損傷,運用現代表面工程技術,可縱獲得滿意效果,不僅可以做到“修舊如新”,甚至可以做到“修舊勝于新”。
現代表面工程技術是一門多學科綜合性工程技術,包括電鍍、化學鍍、表面涂敷、表面改性、氣相沉積、復合表面處理和高分子表面金屬化、表面微細加工等多種復雜高新技術,這些技術在再制造都大有可為,以下幾種是近年在再制造工程中應用較多的技術。
1)納米顆粒復合電刷鍍技術
刷鍍與“槽鍍”一樣,是電鍍的一種,由于甩掉電鍍槽,使用更方便靈活。通過在特制的電刷鍍液中添加納米顆粒,可以獲得硬度高、結合強度好的復合鍍層,該鍍層具有良好的耐磨性、抗接觸疲勞性能以及較高的服役溫度。例如采用納米顆粒復合電刷鍍,可以使零件抗接觸疲勞性能提高1個數量級。
2)納米減摩自修復添加劑技術
納米減摩自修復添加劑技術是一種通過摩擦化學作用來實現磨損表面自修復的技術。將含有納米顆粒的復合添加劑加入到潤滑油中,納米顆粒隨潤滑油分散于各個摩擦副接觸面,在一定溫度、壓力、摩擦力作用下,摩擦副表面產生劇烈摩擦和塑性變形,發生
摩擦化學作用,添加劑中的納米顆粒就會在摩擦表面沉積,并與表面作用,填補表面微觀溝谷,從而形成一層具有抗磨減摩作用的液態或固態自修復膜。
3)熱噴涂、納米熱噴涂按術及其自動化加工技術
熱噴涂技術是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態,并以一定的速度噴射沉積到經過預處理的基體表面形成涂層的方法。按熱源的不同,有火焰噴涂、超聲速火焰噴涂、氣體爆燃式噴涂、電弧噴涂、等離子噴涂、真空等離子噴涂、激光熱噴涂等技術門類。通過熱噴涂在普通材料的表面上,制造一個特殊的工作表面,使其達到防腐、耐磨、減摩、抗高溫、抗氧化、隔熱、絕緣、導電、防微波輻射等一系多種功能,使其達到節約材料、節約能源的目的。熱噴涂技術是表面過程技術的重要組成部分之一,也是再制造工程的關鍵技術之一。
納米熱噴涂技術是在熱噴涂材料中加入納米顆粒或含納米顆粒的絲材,從而得到具有納米結構涂層的新技術。這種涂層可制備各種高熔點的納米陶瓷或金屬陶瓷涂層,具有結合強度高、致密性和其他綜合性能好的優點。
由于再制造過程是產業化、批量化的生產加工過程,熱噴涂技術從手工操作發展到半自動和自動化操作是水到渠成的選擇。特別是現代自動化、智能化技術可以保證再制造技術的高效率和高質量。
4)熔覆及其自動化加工技術
熔覆本質上是一種熔焊技術在表面工程技術中的應用,可以看作焊接技術的一種特例:它不是把材料連接起來,而是在材料表面上“堆焊”一層我們需要的工作層。按照焊接熱源的不同,有鎢極氬弧熔覆、激光表面熔覆、等離子熔覆等方法。熔覆技術可以根據
需要,在材料表面附加一層組織細密、力學及其他性能好的另一種材料層,形成高性能低成本復合材料。顯然這種技術適合再制造技術,可以實現廢舊零部件的高質量修復。
毋庸置疑,為了保證再制造效率和質量,選擇專業的半自動或全自動熔覆設備和工藝是必要的。目前業界已經研制出高頻逆變微束等離子熔覆、自動化激光熔覆等再制造工程專業設備,為再制造產業化提供了基礎裝備。
5.逆向楊流及供應鏈技術
逆向物流及供應鏈是再制造工程最重要的運行和管理問題,需要主要研究逆向物流渠道及回收網絡設計技術、逆向物流運作效率及庫存控制技術、基于逆向物流的生產作業計劃與資源配置技術、廢舊產品的儲運與污染控制技術、逆向物流及供應鏈建模及仿真技
術等。
在逆向物流模式中,采取社會或國家投資建設的廢舊電子產品回收處理系統,還是通過行業聯合建設專門回收處理系統,或者由生產商自行建立回收處理系統,取決于廢舊產品的可利用和可再制造部分的比率,比率越大,越能激發回收處理的積極性,獲得較高的回收努力系數。因此在產品設計中充分考慮可再利用和可再制造,是綠色制造重要課題之一。
6.再制造的行業標準
科學的、先進的高質量標準對于一種技術的推廣和發揮效益,對于一個行業的健康可持續發展是至關重要的。再制造作為一種綠色環保技術前景廣闊,作為一個新型制造行業正在起步階段,盡早建立系統、完善的再制造工藝技術標準、質量檢測標準等體現再制造走向規范化的標準體系是大勢所趨。從基本的“再制造概念、術語”、“再制造率的概念及評估方法”,到“再制造技術工藝標準”、“再制造質量檢測標準”、“再制造產品認證標準”等多類標準,各行各業的弄制造分標準都需要逐步制定出臺,在實踐中不斷完善,這樣才能保證這一綠色環保技術健康發展。
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