第 2 章 绿色制造相关理论及汽车企业的需求分析
2.1 绿色制造相关理论
2.1.1 绿色制造技术领域的基本理论
绿色制造以包含产品的报废、回收、处理以及再利用在内的生命全周期作为指导思想,在“大制造”循环闭合系统中贯彻“可持续发展战略”。绿色制造的主要支撑理论有:循环经济、可持续发展、系统科学等相关理论。
(1)循环经济:循环经济模式是一种按照自然生态系统模式,将人类社会经济模式进行改革:在产品生产过程中融合产品清洁生产理念和废物综合利用理念,要求以“友好的模式”对自然资源以及生态环境容量进行利用的现代化经济模式,实现“从资源到产品再到再生资源”的闭环经济模式,促使人类社会的经济活动逐渐向生态型经济活动转化。
(2)可持续发展:绿色制造技术要求在产品制造过程中提出了从生态环境的角度去衡量制造战略模式的可持续性,并进一步就不符合可持续发展战略的生产模式提出了一系列改进方案和措施。因此,可持续发展及其相关理论是研究绿色制造的重要理论基础和进一步在制造业实施绿色制造的指导思想。
(3)系统科学理论:系统科学理论是一门以系统及其机理为研究对象,研究系统的类型、性质以及运动规律的科学理论。系统科学理论要求将研究对象的要素按照一定的结构规律组织成为一个有机整体,从而在各个要素之间、要素和系统之间、系统和系统之间、系统和环境之间的相互关系上去探寻研究对象的性质以及规律。绿色制造是一个以战略、经济、环境及其复合系统作为研究对象的“大制造”系统,其涉及到多个学科及其交叉学科的相关理论知识,内容十分复杂。由此可见,对绿色制造及其相关技术理论进行研究、分析以及评价是一个庞大而复杂的系统工作。系统科学理论要求将研究对象的要素按照一定的结构规律组织成为一个有机整体进而对其进行全方面、多方位的研究。因此,运用系统科学理论及其分析方法对于绿色制造的理论研究和实践具有重要的指导意义。
2.1.2 绿色制造系统的基本原理
绿色制造系统是一个包含绿色制造的理论、过程、评价等多方面内容在内的集合。绿色制造系统可以为人们进一步对绿色制造进行研究工作和实施工作提供多方位的指导。一般来说,在一个绿色制造系统中包括了“两个层次”以及“三项内容”。
(1)绿色制造系统的“两个层次”:一个是指尽量减少在生产制造过程中的资源浪费情况,尽量在生产制造过程中对自然生态系统的危害;另一个是指充分考虑产品全生命周期中对自然生态系统的影响。
(2)绿色制造系统的“三项内容”:基于“大制造”系统,对产品全生命周期进行分析,它包括的三个主要内容为:绿色资源、绿色产品、绿色生产。
2.1.3 绿色制造的主要关键技术
在一个产品的“大制造”过程都可以考虑与之有关的“绿色”因素,从而也就产生了相应领域的绿色制造技术。目前为止,在绿色制造这个“大制造”的范畴领域内出现的关键技术主要有:产品的绿色设计技术、产品的绿色生产工艺规划技术、产品的材料选择技术、产品的清洁生产技术、产品的绿色包装以及运输技术、产品的绿色处理和回收处理技术等。
(1)产品的绿色设计技术:产品的绿色设计技术的基本思想是将生态环境指标融入到产品的具体设计过程中。要求设计人员在产品的初步设计阶段就考虑到产品对于生态环境的影响因素并融合一定合理的预防环境污染措施到产品的设计当中,力求从设计层面上就使得产品在其全生命周期内对生态环境的负面影响降到最低。目前,主要的绿色设计技术有:产品全生命周期设计技术、产品模块化设计技术以及并行设计技术等几种绿色设计技术。
(2)产品的绿色材料选择技术:绿色产品首先要求的就是产品的材料自身必须具有相应的绿色特性,也就是说,就产品的材料而言,产品的材料自身在产品的整个生命周期内应该具有有利于降低能耗、减小污染等特性。具体而言,在对产品进行材料选择的时候要从这几个方面来考虑:减少使用材料的种类;选用可回收或可再生的材料;选用可自然降解的材料;选用无毒的材料。
(3)产品的绿色生产工艺规划技术:产品的绿色生产工艺规划技术就是指产品工艺1物量及其毒性以及生产过程中对环境的污染特性等多个方面来制定合理的绿色工艺方案以及工艺路线。
(4)产品的清洁生产技术:产品的清洁生产技术是指从企业实际的制造能力、制造装备出发,在产品的实际加工过程中尽量做到“清洁生产”。目前制造企业在对产品进行绿色清洁生产时主要采用以下几种方法:采用合理的工艺、简化加工流程、减少工序、避免不安全因素、加工废料最小化、减少污染排放。
(5)产品绿色包装以及运输技术:绿色包装以及运输技术是指从环境保护角度出发,尽可能的选择和使用对环境无污染、可再生的、对人无毒害的包装材料并且合理的包装产品,优化产品的包装方案,进而使得包装过程中使用的资源以及能耗达到最小。
(6)产品的绿色处理和回收处理技术:产品的绿色处理和回收处理技术一方面是指针对在产品的实际制造时对生产过程中流失的物料以及废料而进行的回收、再利用或再生产技术;另一方面是指对废旧产品通过合理处理技术进行的回收和处理技术。目前,企业一般主要通过考察以下三个方面因素来评价产品的绿色处理和回收处理技术:
经济效益最大化、废旧零部件数量以及回收再利用零部件数量。
2.2 汽车企业实施绿色制造模式的需求分析
2.2.1 汽车制造企业实施绿色制造的系统模式需求分析
根据前文的阐述,对于汽车制造企业而言,实施绿色制造是一个相当大的系统工程,处理好整体与局部、系统与细节的关系是必不可少的一个步骤,同时也是汽车制造企业能否实现绿色制造战略的关键因素[31]。
实施绿色制造战略的重要环节就是各个环节的绿色化,这就要求对系统模式有一个很好的规划,概括来讲,绿色制造需要各个环节实现绿色化,但是每个环节的绿色化并不是单独进行的,也需要连接起来,即绿色化必须是以系统模式规划作为大前提。
比如生产和装配环节就是绿色设计首先考虑的,能达到产品设计要求的制造能力才能输出有效地设计;能够支持设计方案的绿色调度才能得到有效地方案,因此,制造资源的优化环节也是绿色设计不可忽视的一个环节;此外,汽车的回收和拆卸也是绿色设计在生产装配的环节中应该考虑的问题,等等。
有了完善的系统模式,才会实现环节的绿色化。信息数据大多是通过系统的数据库、数据采集渠道获取与挖掘的,而信息数据正是制造环节绿色化需要的支持,从中可以看出环节的绿色化是离不开系统模式的支持,同样,系统数据库与分析结论同样是环节的持续优化的支持。
而另一方面,系统模式也是总体优化的前提,毫无疑问,在汽车制造企业实施绿色制造中,各个环节的绿色优化固然重要,但是相比于环节优化,整体的优化会显得更加重要,而系统模式能否高效运行,将会是整体优化的一个关键。系统模式运行的前提:能够被系统管理并且能够针对绿色制造的所有环节以及由这些环节组成的功能模块,是总体优化所需建立的。系统模式运行的基础是很多对应的支持系统的建立,包括战略、管理、组织、评价、网络等支持系统是整体的优化所需要建立的;系统模式运行的标志是建立了能够反映环节优化的数据系统,而在这个系统中,各个环节之间可以相互共享数据;系统模式运行的归宿和起点:什么样程度的绿色制造战略,绿色制造模式受哪些制造方式的影响,什么样水平的制造目标,这些都是企业应该了解的,而这种分析就需要整体的优化建立目标系统以及评价系统之上。
2.2.2 汽车企业相关环节实施绿色制造的需求分析
(1)产品设计的需求分析
现目前汽车制造企业面临的一个重大问题就是如何在“绿色制造”背景下,为实现降低制造成本,减少环境污染以及资源的消耗,怎么样在将汽车制造全生命周期过程归集到汽车设计阶段。
一般来说,在汽车设计阶段需要考虑制造、人机、运营、交通、管理等一系列系统工程,根据相关的参数和性能指标来进行零件、总成及整车的设计。
首先,在对汽车进行生产的时候,资源消耗的减少是一个不可忽视的问题[32]。如涂装工序的工艺设计(其中包括电泳、喷涂、密封胶烘炉、中涂、面漆等)对于电能、天然气、清洁水的消耗、减少涂装液的使用意义重大;如为保证汽车的轻量化设计,燃料消耗的减少,就需要选择强度高、重量轻的原材料;另一方面,怎样设计一种最大化提高回收利用率的流程方案,包括汽车的拆卸、回收、原材料再生、零部件重用等,以及怎么实施这些方案以提高汽车原材料及零部件的便捷性等,都是目前生产加工汽车零件以及整车的工厂需要克服的问题。
其次,在加工生产的过程之中,尽可能多的降低成本的投入。据调查,最初阶段的设计将决定大概 60%的产品开发制造成本。因此,汽车设计时就应该从多个方面考虑。这些方面都在汽车制造成本中起着重要的作用,如在考虑选择什么样的原材料时,怎样用一种更低价格的原材料和零部件去替代成本更高的材料,而同时又可以符合原本方案的需求,这都是为了达到成本的投入,也是汽车制造企业在设计阶段需要重要考虑的因素。
然后,尽可能减少环境影响是汽车设计中的又一个重要要求。同样,环境与汽车设计的整个过程有着很密切的关系,通过废物回收、零部件重用、再制造等途径可以减少废弃物的产生;通过一系列方式方法,比如说从材料、常用零件、标准件的选择集使用上面着手,就可以达到节约资源的效果;再比如对环境比较有利的具体措施会出现在生产工艺的优化中,比如对涂装水进行净化、循环使用,回收利用产生的热量等。
(2)生产过程的需求分析
汽车的生产过程包含了原材料的选择、零部件的设计制造,以及汽车整车设计与测试各个阶段,概括而言,是由冲压、焊装、涂装、总装这四大工序组成。而在每一个阶段,具体的环节将会体现汽车制造的环境与资源特性,因此,要解决汽车制造的环境与资源问题就需要从这些工序中寻找答案。冲压工序将需要极小化消耗钣金件,回收钣金件余料,减小噪音,这些就是该工序所涉及的环境与资源问题;焊装工序所涉及的环境与资源问题,主要是水、电、天然气消耗的极小化、焊接噪音的极小化以及处理、废气,废液,固体废弃物极小化及处理等问题;涂装工序与总装工序需要尽可能少地消耗水、电、天然气,减少排放废气,废液,固体废弃物,这些就是涂装工艺与总装工艺工程所涉及的环境与资源问题。目前,汽车制造企业生产过程绿色制造的需求很大,国内外均有研究者对于该问题进行了说明与研究。
本章重点阐述了绿色制造的相关理论基础:循环经济理论、可持续发展理论、系统科学理论以及绿色制造系统的基本原理和绿色制造的主要关键技术:绿色设计技术、绿色材料选择技术、绿色生产工艺规划技术、清洁生产技术、绿色包装以及运输技术、绿色处理和回收处理技术。其次对汽车企业实施绿色制造模式的进行了需求分析,无论是汽车企业的制造系统还是制造环节都需要实施绿色设计制造系统的支撑。
