基于电热激发的主动拆卸产品设计方法及其设计准则研究

刘志峰 成焕波 李新宇 赵流现 张洪潮，2

1.合肥工业大学，合肥，230009 2.德克萨斯理工大学，德克萨斯，79409

基于电热激发的主动拆卸产品设计方法及其设计准则研究

刘志峰1成焕波1李新宇1赵流现1张洪潮1，2

1.合肥工业大学，合肥，230009 2.德克萨斯理工大学，德克萨斯，79409

首先提出了基于电热激发的主动拆卸方法、多级主动拆卸方法及其设计准则，结合实际案例分析，说明了基于电热激发的主动拆卸产品的一般设计方法；将有限元分析结果与实验结果、电热激发实验与传统的热激发实验进行对比，验证了电热激发方法的可行性，并将这些方法及其设计准则用于产品的主动拆卸设计，明显提高了产品的拆卸效率。

主动拆卸；电热激发；多级主动拆卸；设计准则

0 引言

随着对形状记忆材料研究的深入及其应用的日渐广泛，以记忆材料为基础的ADSM（active disassembly using smart materials）方法引起了人们的广泛关注，该方法是利用热致型形状记忆材料制成主动拆卸结构，当达到主动拆卸结构的激发温度时可实现产品的主动拆卸［1－4］。ADSM的应用对象主要包括手机、汽车、液晶显示器、遥控器、随身听等［6］。使用主动拆卸结构可大幅度提高产品的拆卸效率，最大限度地降低回收成本。设计体积较大或结构复杂的主动拆卸产品时，必须考虑多级主动拆卸的问题。传统的多级主动拆卸需要在设计时选用激发条件不同的材料，使其激发条件（例如温度）能有一个上升的梯度，按这个梯度安装各级主动拆卸结构，拆卸时将产品通过传送带送至每一级拆卸的工作区拆去相应的部件，直至拆卸完成。目前针对主动拆卸结构，主要有五种加热激发的方法：空气对流加热即空气浴、沉浸法加热即水浴加热、微波加热、远红外线加热及感应加热。这五种加热方式各有利弊，如水浴或空气浴均为对整件产品进行加热，对耐热性较差的其他零部件可能造成损害，而且加热时能量分散，能耗较高，热量传递到产品内部的主动拆卸结构耗时较长，激发时间不可控，产品的拆卸效率下降，回收成本变高［4－10］。因此，迫切需要一种拆卸效率高、拆卸性能好的主动拆卸方法。

采用电热激发法实现产品的主动拆卸，能耗较低，能量集中，结构设计简单，而且不需要使激发强度以梯度方式递增，通过调节电热元件的功率来控制主动拆卸时间，可实现产品的多级主动拆卸。

1 基于电热激发的主动拆卸设计准则及其方法

1.1 基于电热激发的主动拆卸产品设计准则

（1）形状 记 忆 合 金 （shape memory alloy，SMA）驱动部件应满足主动拆卸结构的输出力要求，形状记忆高分子材料（shape memory polymer，SMP）制成的卡扣应满足主动拆卸结构的变形量要求，主动拆卸结构的有效拆卸力必须超过零部件的连接力，激发后要保证被连接件的有效分离。

（2）主动拆卸结构应尽量简单，以降低结构复杂性，满足产品的可靠性及其结构强度要求。

（3）主动拆卸结构的激发温度必须高于产品的正常使用温度，从而保证产品在正常使用时不会发生拆解。

（4）对于手机、遥控器、随身听等电子产品，SMA驱动件或主动拆卸卡扣根部的电热元件的通电线路与产品的工作通电线路应相互分开，避免产品正常工作时进行自动拆解。

（5）主动拆卸卡扣变形量较大，对于产品内部的主动拆卸卡扣，电热激发变形后的形状不能与产品的其他零部件产生干涉，以免其他零部件难以拆卸或无法拆卸。

（6）主动拆卸卡扣的材料种类尽量与其他塑料件相同，便于材料的分类回收。

对于可电热激发或可通过传统的热激发方法激发的主动拆卸结构（如形状记忆合金驱动件、形状记忆塑料卡扣），其设计方法相同而激发方式不同，故可电热激发的主动拆卸产品设计准则与传统的主动拆卸产品设计准则基本相同，设计准则（4）和（5）是可电热激发的主动拆卸产品所特有的设计准则。

1.2 主动拆卸结构的电热激发方法

主动拆卸结构的电热激发方法有如下三类：

（1）SMA箔片、弹簧等主动拆卸结构制成产品零部件分离的驱动件，使其通电后被激发变形，实现产品零部件的分离。

镍－钛系合金是SMA材料中性能最优越且用途最广的一种，其延展性、形状记忆强度、应变、耐蚀性、导电性及稳定性均相当好，熔点较高［2］。Ni－Ti材料制成的形状记忆合金驱动件（如SMA箔片、SMA弹簧等）激发后变形恢复力大，如图1、图2所示，通过对镍钛SMA箔片、SMA弹簧等驱动件通电，使其激发变形，产生一定的输出力与变形量，破坏产品零部件的连接关系，从而实现产品零部件的分离。SMA箔片、SMA弹簧通电后被激发变形的时间与其电功率有关，功率越高，激发变形时间越短。工业用的镍钛合金电阻率通常在5×10－7～11×10－7Ω·m 范围之内［2］，由于其电阻率很小，通电后的激发变形过程几乎为瞬态发生，不利于产品拆卸，通过将电阻与SMA驱动件串接起来，可降低其工作电压，从而满足合理的拆卸时间的要求，控制与其串联电阻的大小，可调节激发变形时所需的时间。

图1 SMA箔片变形前后效果

图2 SMA弹簧的电热激发效果

（2）贴在形状记忆塑料卡扣根部的电热片通电后激发卡扣变形，实现产品零部件的分离。

SMP制成的主动拆卸结构（可主动分离扣件，以下简称SMP卡扣）用于产品零部件的连接，SMP卡扣的激发温度一般应超过70℃，采用电热片贴在SMP卡扣根部，电热片通电后产生的热量会对卡扣根部进行热传导，在极短的时间内达到SMP卡扣的激发温度，SMP卡扣被激发变形，卡扣与卡槽的连接关系失效，实现零部件的主动分离，如图3所示。或将电热丝埋入SMP卡扣根部，电热丝通电后激发SMP卡扣变形，同样可实现零部件的主动分离，但这种方法要求电热丝功率较小，避免SMP卡扣被电热丝熔断或损伤产品的其他零部件。SMP卡扣被激发变形的时间与电热片的功率有关，通过控制电热片的功率可调节主动拆卸时间，电热片的功率不能太高，其通电后的卡扣根部最高温度必须低于与其相连接的零部件熔点，以免产品的其他零部件受损，电热片的绝缘层应具有更好的柔软性，能够随着卡扣的变形而变形，并能够与卡扣根部紧密地接触。

电热片对SMP塑料的激发效果如图4所示。

图3 SMP卡扣的电热激发示意图

图4 电热片对SMP塑料的激发效果

电热丝对SMP塑料的激发效果如图5所示。

（3）埋入普通热塑性塑料卡扣根部的电热丝通电后熔断卡扣根部，实现零部件的分离。

对于普通热塑性塑料制成的可分离扣件，电热丝埋入普通热塑性塑料卡扣根部，在极短的时间内电热丝通电后熔化塑料卡扣根部，卡扣与卡槽的连接关系失效，从而达到主动拆卸的目的，如图6所示。或采用电热片贴在卡扣根部，此电热片外部没有绝缘层，由电热丝直接构成，通电可熔化卡扣根部，但电热丝通电后产生的高温可能会损害与卡扣相连接的其他零部件。电热丝熔断卡扣根部的时间通常与卡扣的熔点以及电热丝的功率有关，可通过调节电热丝的功率改变卡扣被熔断的时间，实现主动拆卸时间的可控性。

图5 电热丝对SMP塑料的激发效果

图6 普通热塑性塑料卡扣的电热激发示意图

电热丝对普通热塑性塑料的激发前后效果如图7所示。

图7 电热丝对普通热塑性塑料的激发前后对比图

2 基于电热激发方法的产品多级主动拆卸

传统的多级主动拆卸可分为两类：一类是利用激发介质的不同实现多级主动拆卸；另一类是激发介质相同、激发强度以递增方式实现产品的多级主动拆卸。这两种多级主动拆卸方法只能进行由外向内的产品零部件拆卸，对于大体积的电子产品，拆卸效率较低，不利于材料的分拣。电热激发法属于局部加热激发，故其产品零部件的拆卸方式由外向内或由内向外均可应用。当应用由内向外的拆卸方式时，主动拆卸结构所属连接部位间连接关系的失效顺序可由内向外逐级失效；当应用由外向内的拆卸方式时，越是处在产品的内部的连接部位，其拆卸等级越高，产品的各等级主动拆卸结构均可采用相同激发温度的SMP卡扣或相同熔点的普通热塑性塑料卡扣。在主动拆卸结构连接处布置不同功率的电热元件，对于由外向内的产品零部件拆卸方式，其拆卸等级越高，所需电热元件的功率越低，可通过调节电热元件的功率来控制SMP卡扣被激发变形的时间或普通热塑性塑料卡扣被熔断的时间。电热激发的三类主动拆卸结构，其拆卸时间均可控，对于大体积且具有复杂结构的电子产品，将三类主动拆卸结构有效结合，利用拆卸时间的可控性，可实现产品的多级主动拆卸。如果在产品设计阶段充分考虑各级主动拆卸零部件的拆卸顺序，按照拆卸时间选择不同功率的电热元件，即可实现产品的一次性完全自动拆解。

实现产品的多级主动拆卸应考虑以下几方面原则：

（1）确定放在同一级拆卸的零件是否具有可拆卸性，具有可拆卸性的零件才可放在同一级进行拆卸。

（2）同一等级零部件拆卸中SMA驱动件或电热元件的功率相同，不在同一级拆卸的主动拆卸结构所需电热元件的功率应产生一个下降的梯度。

（3）尽量使放在同级拆卸的零件具有材料相容性，以便材料的分类回收。对环境有害的零部件材料应单独放在同一级拆卸，避免有害材料对环境的污染。

（4）为使零部件材料分拣方便，放在同一级拆卸的零件个数不应超过15个。

（5）为提高拆卸效率，相邻等级的拆卸时间差应能满足上一级所拆卸零部件的分拣时间要求，而且拆卸时间差应尽可能短。

3 主动拆卸产品的电热激发实例分析

基于电热激发的主动拆卸产品设计可分为四个步骤：①选择合适的主动拆卸结构代替原有的产品连接方式，根据主动拆卸结构的设计方法设计产品零部件的主动拆卸结构；②根据产品多级主动拆卸的划分原则，将产品的主动拆卸零部件进行分级；③根据各等级的主动拆卸结构选择合适的电热元件，SMA驱动部件可直接作为电热元件；④由各等级主动拆卸零部件的拆卸顺序以及相邻零部件的拆卸时间差确定合理的电热元件功率，同级零部件拆卸中电热元件的功率相同。

3.1 实例分析

假设一个主动拆卸产品，根据多级主动拆卸的划分原则可分为三级拆卸：第一级与第三级主动拆卸结构均采用SMP卡扣，第二级主动拆卸采用SMA箔片驱动。将不同功率的电热片贴在第一级与第三级主动拆卸卡扣的根部，产品各等级主动拆卸卡扣的激发温度相同，同一等级主动拆卸卡扣被激发变形时所需电热片的功率相同。将电阻与箔片串联起来满足第二级的主动拆卸时间要求，通电后使得整个产品的主动拆卸结构被激发变形的时间产生一个上升的梯度，从而实现产品的一次性完全自动拆解。设三级主动拆卸时间分别为7s、10s、17s。

第二级主动拆卸中，将镍钛SMA箔片布置于产品内部，SMA箔片被激发变形而产生一定的输出力使得零部件脱开。假设主动拆卸结构需要的输出力不小于50N，变形量为3mm，波浪数为3，镍钛合金的最大形状记忆形变为6%，通过SMA箔片的设计方法可计算出镍钛SMA箔片的长度L＝75mm，宽度为2mm，厚度为0.26mm［4］。由截面积S＝0.52mm2，箔片的体积为 3.9×10－8m3，镍钛箔片的电阻率ρ＝0.87×10－6Ω·m，密度为8800kg／m3，可计算出镍钛SMA箔片质量m＝0.000 34kg，电阻为

由镍钛SMA箔片的质量热容c＝380 J／（kg·K）、质量和第二级拆卸的时间t＝10s，从常温20℃升至激发温度80℃时，温度差ΔT＝60K，可计算出镍钛SMA箔片功率为

根据箔片的电阻和功率计算出箔片工作电压U＝0.23V，当总工作电压为5V时，由串联电路的分压原理可知，与箔片串联的电阻R＝1.45Ω。

在第一等级拆卸与第三等级主动拆卸结构中，采用SMP卡扣的热传导率λ＝0.28 W／（m·K），质量热容c＝1900J／（kg·K），密度ρ＝1150kg／m3，电热片贴在卡扣的根部（图8），通过有限元分析软件ABAQUS采用DC3D8单元模拟电热片通电后对卡扣产生的温度场分布，由模拟结果可知，SMP卡扣的激发温度为84℃左右。将电热片的功率作为热流量加载到SMP卡扣根部，根据第一级与第三级的拆卸时间，最终确定电热片的电功率。

图8 卡扣模型

以第一等级拆卸为例，要达到卡扣的激发变形温度84℃，则卡扣根部最低温度应为84℃。如图8所示，在电热片所处位置处加载热流量，卡扣被激发变形的时间为7s，在ABAQUS中经过热流量的多次加载实验，最终确定需加功率为0.05W的电热片，才能使得SMP卡扣在规定时间被激发变形，零部件连接失效。

SMP卡扣的有限元模型及温度场分布分别如图8、图9所示。

图9 卡扣的温度场分布

同理，要满足第三级卡扣被激发变形的时间要求，经过有限元模拟可知，所需电热片功率为0.02W。

3.2 有限元分析结果与实验验证结果比较

对SMP卡扣根部进行实验分析可知，达到第一级的主动拆卸时间为7s，需要电热片的功率为0.06W；达到第三级主动拆卸的时间为17s，需要电热片的功率为0.025W，SMP卡扣根部的电热激发变形前后效果如图10所示。

图10 SMP卡扣电热激发变形前后对比图

通过实验分析可知，在相同的激发时间下，实际需要的电热片功率比在有限元软件分析中的电热片功率高，主要原因有两点：①在有限元分析软件中对卡扣进行的是绝热分析，没有考虑空气对卡扣的对流作用；②在有限元软件分析中热流量是直接加载到卡扣的根部的，而实际应用中电热片的内部为电热丝，外部为绝缘层，热量由电热丝传递到绝缘层有一定的时间过程。实验中采用的是硅胶电热片，外部绝缘层为硅胶，电热丝通电后产生的热量需经过硅胶才能够传递到卡扣根部。通过实验数据与有限元模拟中的数据对比可知，实际应用中可采取将电热丝埋入SMP卡扣根部，但要求电热丝的功率较低，以保证电热丝通电后SMP卡扣的根部不被电热丝熔化，记忆效果不被破坏，只起到激发SMP卡扣变形的作用。而且能量集中在卡扣根部，对外热量消耗较小。在相同激发温度与激发时间下，采用电热丝的功率要比采用电热片的功率要小，而且电热丝更易激发SMP卡扣变形。

由卡扣的电热激发实验和有限元热分析可知：热流量即电热片功率的不同，会造成卡扣的温度场发生变化，通过给定的主动拆卸时间和SMP卡扣的激发变形温度，采用有限元分析软件模拟的方法确定合理的电热片功率，对每级主动拆卸中电热片的功率选择具有指导意义。

3.3 电热激发实验与传统的热激发实验比较

采用传统的热激发方法（如热空气浴）加热激发具有相同激发温度的SMP卡扣，在卡扣被激发后的变形量相同的情形下，以第一等级拆卸中SMP卡扣为例，采用热风枪加热激发其变形所需的时间为22s，如图11所示，而由上述电热激发实验可知，采用电热片通电激发SMP卡扣变形所需的时间为7s。

图11 SMP卡扣空气浴激发变形前后对比图

由实验可知：激发具有相同变形量和相同激发温度的形状记忆塑料卡扣，采用电热激发比采用传统的热激发方法激发时间要短。当采用空气浴加热激发时，卡扣周围耐热性能较差的零部件会产生热损伤，加热时能量分散，其热量不能完全集中在卡扣根部；当加热激发产品内部的主动拆卸结构时，热量由产品外部向内部传导，能量消耗较大，且加热激发时间不可控；而采用电热激发主动拆卸卡扣，能量集中，激发时间可通过控制电热片功率进行调节。

4 结论

（1）本文提出了基于电热激发的主动拆卸结构设计准则以及产品的多级主动拆卸设计方法与原则。

（2）通过实验验证了电热激发方法的可行性，通过实例分析说明了基于电热激发的主动拆卸产品设计的一般方法。

（3）对于体积较大或结构复杂的电子产品，应用基于电热激发的产品多级主动拆卸设计方法，大幅度提高了产品的拆卸效率，证明了这是一种可行的产品主动拆卸设计方法。

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［11］庄茁，由小川，廖剑晖.基于ABAQUS的有限元分析和应用［M］.北京：清华大学出版社，2009.

Research on Design Method of Active Disassembly Products and Design Criterion Based on Electro and Heat Stimulation

Liu Zhifeng1Cheng Huanbo1Li Xinyu1Zhao Liuxian1Zhang Hongchao1，2
1.Hefei University of Technology，Hefei，230009 2.Texas Technology University，Texas，79409

The paper put forward to active disassembly，multi－step active disassembly methods and design criteria based on electro and heat stimulation.General design method of active disassembly product based on electro and heat stimulation was explained through the case analysis.Finite element analysis results are compared with experimental ones，electro and heat stimulation experiments were compared with the traditional heat stimulation experiments，and then the feasibility of method was proved.Active disassembly method and the design criterion were used in active disassembly design of products，disassembly efficiency for products are improved obviously.

active disassembly；electro and heat stimulation；multi－step active disassembly；design criterion

TH122

1004—132X（2011）19—2359—06

2010—11—19

国家自然科学基金资助项目（50775064）；国家自然科学基金资助重点项目（50735006）；“十一五”国家科技支撑计划项目（2008BAC46B01）

（编辑 陈 勇）

刘志峰，男，1963年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为产品的绿色设计理论与方法、拆卸理论与方法、回收理论、回收工艺方法与回收装备制造。获国家科技进步二等奖1项、省级科技进步一等奖1项。出版专著8部，发表论文100余篇。成焕波，男，1987年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生。李新宇，男，1985年生。合肥工业大学机械与汽车工程学院博士研究生。赵流现，男，1986生。合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生。张洪潮，男，1953年生。美国德克萨斯理工大学先进制造中心教授。