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基于绿色设计理念的增材制造技术研究(一)

2018/2/13    来源:互联网    作者:姜康  郭磊  张腾  凌飞阳      
关键字:增材制造  定制生产  绿色设计  发展策略  
根据近年来人类社会面临的生态环境问题。结合产品绿色设计的特点,阐述了现代产品开发模式,对增材制造技术的内涵、发展现状和研究内容进行概括与总结,并提出了发展策略,为中国企业广泛应用绿色化的增材制造技术提供了有力的参考。

    长期以来,世界各国采用“资源一产品一消费一排放”的单向发展模式,以一种高投入、高消耗、高污染、低效率为特征的短期粗放型经济方式换取经济的繁荣,却付出了生态环境严重恶化和资源、能源过度浪费的代价。面对日益恶化的生态危机,人们已经意识到只考虑发展不顾环境的传统发展模式是不符合人类社会发展长远利益的。

    自20世纪70年代以来,世界各国经济发展模式呈现出新的绿色战略模式,使绿色产品的生产成为了竞争焦点,而绿色设计是实现产品绿色化(节能、降耗、环保和劳保)的基础。绿色设计就是在生态哲学指导下,运用生态思维,将物的设计纳入“人一机一环境”系统进行最优化的一种设计方法。它满足了人们的绿色消费需求,是冲破绿色贸易壁垒,实施可持续发展战略的必然选择。

    随着世界经济一体化的深入发展,企业正面临新的挑战和机遇。产品环保化和个性化需求不断增长,设备和产品的功能与结构逐步复杂,市场竞争日益激烈。如何提高产品绿色设计与市场投放速度,已成为决定企业竞争是否占优的关键。增材制造(additive manufacturing,AM)技术作为绿色设计与制造的重要组成部分,适应新形势下以绿色消费为主的发展方向。增材制造采用材料逐渐累加的方法制造实体零件,与传统加工工艺相比,大大减少了机加工,提高了材料利用率。根据美国能源部预计,增材制造将比机加工削减制造节省超过50% 的能源。国外学者、研究机构及企业对增材制造的设备和材料选择等方面进行了系统化的研究,实现了产品的绿色设计、轻量化制造,但受设计理念、核心技术及加工工艺水平等的限制,中国制造业应用增材制造技术没有实现大批量定制化生产,同时相关标准的滞后也阻碍了中国制造产业结构的转型。

    本文基于绿色设计的特点,分析了现代产品的开发模式,并对增材制造技术的内涵、发展现状和研究内容进行归纳与概括,同时提出了发展策略,为中国企业广泛应用绿色化的增材制造技术提供了有力的参考。

1 现代产品开发模式

    目前,先进制造技术与信息科学、材料科学等学科交叉融合,使制造技术面貌焕然一新。特别是2008年以来,受全球金融危机的影响,企业间的竞争不断加烈,这就要求企业必须缩短产品研发周期、增强创新能力、提高绿色化程度;同时又要降低生产成本、提高资源利用率,以快速响应市场。因此,传统产品设计方法(如图1)已无法满足这些要求,个性化、绿色化的产品已成为现代制造业的发展趋势。

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    图1 传统产品设计过程框图

    现代产品开发模式是面向产品的整个生命周期过程(需求分析、设计构思、产品设计、制造、使用以及废弃和回收)的设计。它依据环境效益和生态环境指标与产品性能、质量及成本要求,利用三维软件完成产品的虚拟创建、修改、装配、仿真等一系列操作,最后通过先进的数字化技术进行量产,实现了产品研制过程各部门数据信息的“零误差”传递和并行、协同¨。现代产品设计过程(如图2)遵循了“资源一产品一消费一回收再制造”的循环经济发展方式,根据绿色设计的4R(reduce,reuse,recycle,regenerate)原则,使资源在经济循环中得到了合理、高效、持久的利用,达到生态建设与经济发展“双赢”的局面。同时,建立丰富的资源知识数据库,通过基于相似案例和发明问题解决理论的产品绿色创新设计方法,提高新产品的研制与开发效率,实现产品的绿色设计和制造。

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    图2 现代产品设计过程框图

    现阶段,我国的制造业仍处于中低端水平,产品低廉的价格优势已失去了市场竞争。到2025年,我国将实现从“中国制造”向“中国智造”的转变,提高产品绿色创新设计能力,优化产品结构性能,成为了我国制造业发展的迫切需要,而增材制造技术的发展必将开启产品开发新模式,推进制造业的转型升级,实现我国经济的可持续发展。

责任编辑:张纯子
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