绿色制造技术及其应用进展综述

王亚杰

（机电工程学院 132080203015）

摘要：随着人类社会的可持续发展，绿色制造技术成为我国制造业中一项新的重要课题。绿色制造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、使用、报废处理、回收再生与复用的整个产品全生命周期中，对环境的负影响最小，资源利用率尽可能高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。本文阐述了国内外绿色制造技术研究的现状以及技术体系框架，并介绍了绿色制造技术在一些领域的应用情况。 关键字：绿色制造技术、环境负影响、全生命周期、“4R”、应用

0、引言：60年代以来，全球经济以前所未有的高速度持续发展。但由于忽略了环境污染，结果带来了全球变暖、臭氧层破坏、酸雨、空气污染、水源污染、土地沙化等等恶果。与此同时，大量消费品因生命周期的缩短，造成废旧产品数量猛增。并且据统计，造成环境污染的排放物有70%以上来自制造业。要想从根本上彻底解决该环境污染问题，必须从源头上进行治理。具体到制造业，就是要求考虑产品整个生命周期对环境的影响，最大限度地利用原材料、能源，减少有害废物和固体、液体、气体的排放物，改进操作安全，减轻对环境的污染。专家学者普遍认为绿色制造( Green Manufacturing )是解决该问题的根本方法和途径，是21世纪制造业和可持续发展的必由之路。

1、绿色制造技术的相关概念及技术体系

绿色制造技术(Green Manufacturing Technology简称GMT)，是指在产品的整个生命周期过程中持续地运用一体化、预防性的环境保护战略，以达到优化资源和能源的合理利用，并对环境产生的污染最小化，保护劳动者的安全和健康，并且 向市场提供极具竞争力的绿色产品，从而最终实现经济、环境和人类社会的可持续发展。

制造业对环境的影响贯穿于产品生命周期的各个阶段。L. Alting提出将产品的生命周期划分为六个阶段: 需求识别、设计开发、制造、运输、使用以及处置或回收。R. Zust等人进一步将产品的生命周期划分为四个阶段: 产品开发（从概念设计到详细设计，设计过程中考虑产品整个生命周期的其它各个阶段）、产品制造(加工和装配)、产品使用及最后的产品处置(包括解体或拆卸、再使用、回收、开发、焚烧及掩埋)。

绿色制造技术的核心就是在节能环保的要求下完成对机械产品的研发以及生产，所体现出来的是一种可持续性，即在产品的生命周期过程中实现“4R”——减量化（reduce）、重用（reuse）、再生循环（recycle）、再制造（remanufacturing）。 简单来讲，绿色制造技术由绿色设计、绿色制造、绿色处理三部分组成，全面考虑产品的整个生命周期对环境的影响。

1.1绿色设计

绿色设计是在产品及其寿命的全过程的设计中，充分考虑对资源和环境的影响和产品的环境属性(如:可拆卸性、可回收性、可维护性、可重复利用性等），并将其作为一个重要的指导原则，充分考虑产品的性能、质量、开发周期和成本的同时，优化各有关设计因素，使得产品及其制造过程对环境的总体负影响降到最低水平。在设计过程中使材料选择、结构设计、工艺设计、包装运输设计、使用维护设计、拆卸回收设计、报废处置设计等多个设计阶段同时进行、相互协调，各阶段和整体设计方案、分析评价结果及时进行信息交流和反馈，从而在其设计研发过程中及时改进，使产品设计达到最优化。

绿色设计又称为面向环境的设计DFE(Design for the Environment)。它是绿色消费运动和绿色市场兴起在产品设计领域中所涌现出来的新潮流。对工业设计而言，绿色设计的核心是“3R”即Reduce、Reuse、Recycle，不仅要减少物质和能源的消耗，减少有物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便的分类回收并再生循环或重新利用。

设计阶段是产品生命周期的源头，从源头控制环境要素无疑是最有效的方法。搞好绿色设计，意味着从源头实现废弃物的最小化或污染预防，特别是几乎决定了产品设计之后的其他过程的走向，因此绿色设计是绿色制造技术的核心。

1.2绿色制造

绿色制造（green manufacturing）是一种综合考虑环境影响和资源消耗的现在制作模式。以过去传统的制造技术为基础，使用当代的先进制造技术和新的材料，使得制造的产品质量高、成本低，对环境的污染小，其基本思想是实现制造业产品全生命周期资源消耗、环境污染以及人体安全健康危害的减量化和源头控制，并有利于资源循环利用。因此又被人称为环境意识制造。

基于生命周期，绿色制造可定义为: 在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下，系统考虑产品开发制造及其活动对环境的影响，使产品在整个生命周期中对环境的负影响最小，资源利用率最高。

1.2.1 绿色材料

绿色材料 ( Green Materials) 是指在制备、生产过程中能耗低、噪声小、无毒性并对环境无害的材料和材料制品，也包括那些对人类、环境有危害，但采取适当 的措施后就可以减少或消除的材料及制成品。绿色制造中所强调的绿色材

料是 指在满足一定功能要求的前提下，具有良好的环境兼容性的材料，因此绿色材料又被称为生态材料。

1.2.2 绿色工艺

采用绿色工艺是实现绿色制造的重要一环，绿色工艺与清洁生产密不可分。所谓绿色工艺，简而言之就是既能保障产品质量又能减少环境影响的工艺技术。绿色工艺的实现途径具体包括:加强对自然资源使用以及空气、土壤、水体和废物排放的环境评价，根据环境负荷的相对尺度，确定其对生物多样性、人体健康、自然 资源的影响评价；改变原材料投人，有用副产品的利用，回收产品的再利用以及对材料的就地再利用，特别是在工艺过程中的循环利用；改变生产工艺或制造技术，改善工艺控制，改造原有设备，将原材料消耗量、废物生量、能源消耗、健康与安全风险以及生态的损坏减少到最低程度。

1.2.3 绿色包装

绿色包装指的是在产品处于包装环节时，包装材料以及包装工艺应该符合节能的要求。在机械产品进行包装过程中，不仅要保证产品包装精美、质量优良。也要考虑到包装材料的成本，以及是否具有可降解性、可回收性。在产品的包装阶段，要考虑到包装材料环保性，并结装材料的耐用性，选择循环利用率高、节能环保的高科技绿色材料，如多次循环利用并自行降解的绿色包装材料的选择。当今世界主要工业国要求包装应做到“3R1D”(Reduce、Reuse、Recycle、Degradable)原则。

1.3绿色处理

绿色处理是指上一个生命周期报废的产品通过有效的回收又进入下一个生命周期的循环中。为了便于产品的绿色处理，一是设计之初就要考虑产品的材料和结构设计，如采用面向拆卸的设计方法、模块化的设计方法；二是发展绿色再制造技术，如再制造加工、过时产品的性能升级等。

产品的绿色处理在其生命周期中占有重要的位置，通过各种回收策略，产品的生命周期形成了一个闭合的回路。寿命终了的产品最终通过回收又进人下一个生命周期的循环之中，使产品具有多生命周期的属性。对于产品的可回收性设计，应综合考虑材料的回收可能性，回收价值的大小，回收的处理方法等。

2、国内外绿色制造技术的研究现状和所取得的成果

2.1国外研究现状和所取得的成果

美国、日本、德国等发达国家在这方面都取得了不少成果。美国国际贸易及工业部对工业产品环境问题进行了研究，着手开展了“生态工厂技术”等协作项目，该项目的主要研究范围是产品技术、生产技术、拆卸技术回收技术，并且确定了每一范围的研究对象。19xx年，美国制造工程师学会(SME)发表了关于绿色

制造的蓝皮书《Green Manufacturing)，提出了绿色设计和绿色制造的概念，并对其内涵和作用等问题进行了系统的介绍，最近，SME又在国际互联网上发表“绿色制造的发展趋势”的网上主题报告。日本通产省从19xx年开始实施“生态工厂”的10年计划，投入100-150亿日元对生产系统工厂和恢复系统工厂进行研究，对生产系统工厂，致力于产品设计、材料处理、加工和装配等阶段的研究；对恢复系统工厂，则致力于产品生命周期结束时材料处理和回收的研究。19xx年德国政府开始实施环境保护“绿色计划”，目前已有60种类3500个产品授予环境标志。加拿大、英国、法国等也推出类似计划。目前，在一些发达国家，除政府采取一系列环境保护措施外，广大消费者已出现热衷于购买环境无害产品的绿色消费的新动向，促进了绿色制造的发展。国际经济专家分析认为，目前“绿色产品”比例大约为5％-10％，再过10年，所有产品都将进入绿色设计家族，可回收、易拆卸，部件或整机可翻新和循环利用。也就是说，在未来10年内绿色产品有可能成为世界商品市场的主导产品。

2.2国内研究现状和所取得的成果

我国对该领域的研究和应用相对滞后，还处在起步阶段。国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门的支持下对绿色制造技术进行了一些研究探索。机械科学研究院已完成了国家科委“九五”攻关项目——清洁生产技术选择与数据库的建立、机械工业基金项目——绿色设计技术发展趋势及对策研究。围绕机械工业中九个行业对绿色技术需求和绿色设计技术自身发展趋势进行了调研，在国内首次提出适合机械工业的绿色设计技术发展体系，同时还进行了车辆的拆卸和回收技术的研究。目前正在开展国家自然科学基金项目“环境绿色技术评价体系的研究”。以环境保护绿色技术评价体系为研究载体，将 ETV评价技术导入机械制造业的绿色设计、绿色制造，建立制造业的绿色概念、描述方法和ETV评价体系。清华大学为创建绿色大学，已将绿色工程技术列为优先发展和支持项目，对产品全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究，取得一定进展。上海交通大学针对汽车开展可回收性绿色设计技术的研究，在废弃工业品回收方面展开了研究工作。合肥工业大学开展了机械产品可回收设计理论和关键技术及回收指标评价体系的研究。重庆大学承担了国家自然科学基金和国家 863/CIMS 主题资助的关于绿色制造技术的研究项目，主要研究可持续发展 CIMS(S-CIMS)的体系结构研究、清洁化生产系统和体系结构及实施策略、清洁化生产管理信息系统等。华中科技大学、浙江大学、北京航空航天大学等高校也开展了绿色制造技术研究。国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国绿色制造技术产业的发展取得了一定的人才和技术支持。

3、绿色制造技术在一些领域的具体应用

3.1绿色制造技术在机床中的应用

在机床的设计中，绿色生态机床提出一种全新理念：减少机床的量，节省材料；同时降低机床使用时的能源消耗。现有机床质繁的80％用于“保证”机床的刚度，而只有20％用于满足机床运动学的需要。因此可以通过采用新结构和新材料两个途径对机床结构进行优化。并联机床和箱中箱结构机床为机床的结构提出了新的思路；树脂混凝土(或称矿物铸造、人造花岗石)、碳素纤维、陶瓷和复合材料等新材料的使用也使机床的质量大大降低，并且具有阻尼系数大、抗振性强、热稳定性好等一系列的优点。

在加工过程的改进方面，在切削加工过程中通常需要使用切削液。切削液的采购、存贮、使用需要专门的技术和物流系统，费用很高，大约占加工成本10％到15％。切削液使用与处置不当会对环境造成污染，甚至对人的健康造成危害。随着对环保的重视。针对这种状况，采用干切削和微量润滑(MQL)技术可以节省成本并替代高成本、高污染和有害健康的湿切削过程，促进机床的绿色化。

废旧机床的再制造工程是以产品的全寿命周期设计和管理为指导，以优质、高效、节能、环保为目标，以先进技术和产业化为手段，恢复或改造废旧机床的一系列技术措施或工程活动的总称。废旧机床的绿色再制造是废旧机床高科技维修的产业化，它的成本仅是新品的50％左右，节能60％，节材70％以上，而再制造后的机床性能至少能持平甚至提高。

3.2绿色制造技术在深孔钻削中的应用

亚干式加工是控制环境污染源头的一项绿色制造工艺，它可获得洁净、无污染的切屑，省去切削液及其处理等大量费用，可降低生产成本。相对传统(湿式)深孔钻削中大量使用切削液进行冷却、润滑、排屑，造成环境污染和成本增加的问题，在整个制造过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。

亚干式深孔钻削中的切削力较湿式深孔钻削略大，刀具磨损和加工表面粗糙度值与湿式深孔钻削相近，可获得较好的刀具耐用度和内孔表面质量。在传统深孔钻削中，由于切削区温度较高．切削液对后刀面的润滑不够，容易引起后刀面与己加工面的粘接、撕裂，增大后刀面与工件表面的摩擦，降低已加工面的表面质量：而在亚干式深孔钻削中切削液颗粒容易进入刀具与已加工面的接触区，润滑及冷却效果良好，切削区温度较低，后刀面与已加工表面不易枯接，使两者之间的摩擦减小从而使已加工表面的粗糙度减小。

亚干式深孔钻削条件下也能获得较好的刀具耐用度，可减小加工表面的粗糙度值，保证内孔表面加工质量。在切削加工中，影响刀具寿命的最主要因素是切削点的切削热，切削温度升高，会使刀具切削刃软化，从而加速刀具磨损。亚干式加工切削区温度较低，防止了刀具的软化，减轻了刀具磨损。

亚干式深孔钻削中采用风冷雾化装置可获得理想的冷却、润滑效果，由于亚

干式深孔钻削的排屑空间增大(无切削油)、空气压力高，因此排屑效果较好。综上可见，亚干式深孔钻削是一种较优的绿色加工方式。

3.3海洋平台工程的绿色制造

海洋平台是一种特殊的产品，其使用过程将在海上完成，远离陆地，维护维修费用极其昂贵且极不方便，营运寿命终止后，报废回收处理将在海上进行，整个拆解过程相当复杂。因此，在建造海洋平台过程中，重点应放在设计、制造、维修和拆卸环节上，以保证海洋工程及其产品的绿色度。

海洋平台的绿色设计是在设计阶段就将设计、制造、运输、安装、使用、维修到拆解回收全生命周期内产品的环境因素和性能作为设计的目标和出发点，力求使产品对环境的影响最小，产品的绿色度最大。

绿色工艺的研发与应用是实现绿色制造的重要手段。传统的组块建造工艺结构片预制完成后，直接上滑道，然后各个专业附件依次吊装、组对，占用滑道时间长，吊装作业和高空作业较多，需搭设大量的脚手架，各个工种之间交叉施工，安全风险大，成本高，己满足不了海洋石油工程高速发展的需要。为此，海油工程对传统组块建造工艺进行了革新，研究组块绿色建造工艺，结合场地实际情况，针对不同规模及参数的平台，开发了分层建造法、框架式建造法、立体分段法 切蛋糕建造法和正造法等绿色组块建造工艺。

海洋工程焊接结构是一种大型、复杂、特殊的工程结构。它的工作环境和结构形式都与一般普通船舶和陆上结构有很大区别。在海洋工程结构的建造过程 中，涉及到大量的钢材加工，焊接贯穿在各中国造船学术论文个环节中，焊接工作量占有相当大的比例。良好的焊接工艺是满足产品质量和可靠性的有力保证。焊接作业过程中产生噪声、光、化学烟尘，而且高空作业较多，污染环境，影响作业者的健康。绿色焊接在海油工程的应用前景非常广阔。主要体现在开发节能高效的工艺，采用高效、无弧光、无粉尘污染的焊接材料和方法等方面，减少焊后打磨，提高劳动效率，改善作业环境。

管线加工在海油工程作业过程中占有很大的比重，传统的管线切割多采用火焰加工，产生大量的烟尘和颗粒、热辐射，生产效率低，对环境造成负面影响。高压水射流技术是一种符合当今可持续发展潮流的绿色制造技术，具有点切割、切缝窄、切口质量好，工件不产生热变形等特点，很容易通过计算机实现自动控制，理论上可切割任何曲线形状的破口。

3.4 军船绿色制造技术

军船绿色制造技术是指在保证军船作战性能和技战术指标的基础上，综合考虑环境影响和资源利用效率，从军船全生命周期的概念出发，始终贯彻绿色制造的理念，使军船从设计、建造、服役、维修、改装和退役整个过程中，对空气、土壤和水体等自然环境的负面影响最少，资源耗费最少，且对人体具有良好保护，

同时不断采用各种先进技术，合理选择和使用高技术、无污染材料设备，从而降低军船制造成本，提高资源利用率，实现军船的绿色制造。

军船绿色设计包括船型优化设计(船体结构、主尺度和型线)：开展轻量化设计，消除冗余功能：开展动力节能设计(在满足军船动力要求的前提下选用环保主机，采用高效的推进方式，采用电子网络技术实时监控动力装置参数)：选用绿色环保材料(采用高强度轻质环保钢材，舱室绝缘材料采用新型环保节能保温材料，环保焊接材料，高效防腐绿色涂料)；计算机虚拟仿真舰船建造。

采用先进的建造技术是指以成组技术和统筹优化原理为指导，应用先进的作业主流程，切割加工技术，总段建造技术，船体分道建造技术，精度控制技术，区域舾装技术，区域涂装技术等达到提高资源利用率的目的，采用先进的工艺装备是指在军船建造中选用环保高效的切割加工设备、涂装设施和废弃回收装置来实现军船的绿色制造。

军船服役期间，包括现代化改装和维修，是军船对自然环境影响最大的关键期，为保护海洋和大气生态环境，实现军船的绿色服役，防污染技术是核心问题。军船绿色退役主要是指军船退役后，对可以重复利用的零部件设备材料进行重复利用，而对不能重复利用的要按照有关规定和公约进行回收处理，以最大利用资源和保护自然环境。

德国海军始终保持大力度采用最新技术应用于军船，特别是护卫舰上的制造上，MEKO型舰是采用模块化技术造舰的经典，标准模块的采用，使得维修改装等十分快捷和方便，提高了资源利用率降劳动成本，在最新型的F125级护卫舰的设计上，采用了造船领域许多创新型概念和技术，如模块化、隐身技术、密闭技术、箱型梁等，设计人员将声、热、磁等信号特征降低到了可能达到的最低程度。同时动力系统采用“柴电燃气联合动力装置”(CODLAG)，与“柴燃联合动力装置”(CODAG)相比，提高了动力性能和经济性，减少了维修费用。

3.5绿色制造技术在模具制造中的应用

延长寿命的模具设计:延长产品寿命是绿色制造的主要手段之一。对于锻造模具，在提高模具寿命方面已有很多的措施，如正确选择分模面位置、选择适当的飞边槽、选择合适吨位的锻造设备、在一副锻模上开设两个终锻模膛分别单独使用等。对于冲压模具，如冲压间隙值的合理选取、尽量压缩凸模工作部分长度、采用弹性卸料板、改进凸( 凹)模的结构如采用一模多形、一形两用和拼装式模具来提高模具的利用率。对于注塑模具，如采用随形冷却水道可提高注塑精度和模具使用寿命；将模具型芯由整体结构改为镶拼式结构，可解决模具的变形问题，提高模具寿命。

模具的绿色并行工程:绿色并行工程是现代绿色产品设计和开发的新模式，它的核心是并行一体化设计，强调产品设计及其相关过程同时交叉进行，即在设

计阶段就要考虑整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有环节和因素，如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。因此，涉及产品整个生命周期的各个部分的小组成员必须协同工作。对于模具设计，不但需要模具设计小组成员之间进行讨论，协调产品的设计任务，而且其他部门如工艺、制造、质量等小组也要参与产品的设计工作，对产品设计方案提出修改意见等，从而使得整个模具设计工作一次成功。

模具的绿色制造工艺:在模具绿色制造过程中，采用绿色制造工艺也是实现模具绿色制造的一个重要环节，它是一种既能提高经济效益，又能同时减少环境影响的工艺技术。近来年，随着先进制造技术在模具行业的推广，模具行业也向着绿色制造工艺方向努力。目前，在模具行业中应用的较为典型的先进制造技术有: 快速原型制造、虚拟制造技术、高速切削等。

3.6绿色制造技术在机械制造过程中的应用

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源效益的现代制造模式，气目标是产品从设计、毛坯制造、切削加工、热处理、装配、包装使用和维修到报废回收等全过程中对资源材料和能源消耗量最少，对环境的污染最小。

在毛坯制造阶段，若毛坯粗糙、机加工余量较大，不尽消耗较多的原材料，而且生产效率低下、因此在条件允许的情况下课组织专业化的毛坯制造，提高其精度；另一方面尽可能的采用先进的制造技术，如高速切削等。

在热处理阶及表面镀层处理阶段，热处理时对工件的加热和天然气煤气加热污染少，以燃煤燃油加热污染大；淬火、表面淬火等热处理在淬火时材料不同所使用的冷却剂也不同。所以不仅要考虑通过热处理容易获得优良的机械物理性能，还要老驴热处理过程中产生的有毒有害物质对工人的危害和对环境的污染。

4、结论

作为新兴的先进制造技术领域的绿色制造，目前在我国来说尚处于起步阶段，有关绿色制造研究还处于比较分散的状况，基础较差，绿色制造技术体系还未形成，关键技术和装备比较缺乏，大多数企业还未认识到位。已有绿色制造技术在企业推广应用也有一定难度。

绿色制造技术要求我们在保证产品使用性能的同时做到产品的整个生命周期对环境的干扰和负影响最小化，可持续发展和绿色制造模式已被各国政府和社会各界广泛接受，其研究与实践已成为不可扭转的社会趋势，并逐步向传统工业制造业发起挑战，并在国民经济的各个领域都有着深刻而广泛的应用，正在改变着市场的方向。传统机械制造技术的很多弊端在绿色制造中得以避免，因此实施机械产品的绿色制造，是我国制造业发展的必由之路。

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