逆向制造在循环型制造业中的应用

马 梅，林 宋，胡建新

（北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144）

逆向制造在循环型制造业中的应用

马 梅，林 宋，胡建新

（北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144）

随着制造业的发展，环境污染问题日益突出，人们普遍认为制造业应当从当前的粗放型生产转向可持续生产。实现可持续生产的关键是建立闭环产品生命周期全过程：原材料-生产制造-产品使用、维护-产品报废-多层次、多方式的多次再利用，即逆向制造。逆向制造是实现社会经济可持续发展、解决环境问题的重要途径。

逆向制造；产品生命周期；循环型制造业

0　引言

可持续发展概念是20世纪80年代从环境与自然资源角度提出的关于人类长期发展的战略。在社会经济的可持续发展中，资源利用和环境保护占有十分重要地位。可持续发展是实现经济快速发展的必经之路，国家“十一五”规划把发展循环经济、实现经济和社会的可持续发展列为重点发展项目。鉴于此，开发基于“逆向制造”概念的新方法应运而生。

图1　逆向制造流程图

逆向制造是一种新的生产模式，如图1所示。失效了的产品即人工物作为一种资源通过逆向制造变为符合制造阶段要求的自然物。经过逆向制造的人工物，对制造阶段来说是一种资源即自然物，而对于自然物来说就是产品了。逆向制造的闭环系统遵循“4R”原则即“减量化，再利用，再循环，再制造”，可实现资源的充分高效利用。在该系统中一方面可把无法直接再利用的部件转变为生产制造过程中可再利用的资源，另一方面使用通过逆向物流回收来的可再利用部件。

逆向制造通过构建更小闭环产品生命周期来鼓励工业从“制造”产业向“生命周期”行业即循环型行业转变。当前的制造业主要是生产和销售产品，然而生命周期行业则是对产品的整个生命周期承担责任，不仅为顾客提供产品，还包括其他服务如运营支持、维护升级、废弃品的回收及再循环。逆向制造从产品的设计、制造、使用到报废回收的整个生命周期出发，综合考虑资源利用率和环境的影响，使企业成本和用户成本达到最优。逆向制造将废弃部件（或零件）作为生产原材料，直接利用或转变为生产过程中可再利用的资源，通过合理配置回收的废旧产品，充分利用资源，实现生产最大化。

1　逆向制造的系统框架

如果制造业以创建循环型企业作为目标，那么其必须开展实施逆向制造。逆向制造把回收系统集成到制造系统中，所以要对回收系统的质量和成本进行严格管控，包括回收材料和重复使用组件的质量和成本。在保持公司利润和产品质量的前提下，循环型制造业旨在从整体上优化产品整个生命周期的资源消耗以及废物排放[1]，通过产品的拆卸、分类、翻新等处理使其达到一定的质量要求，保留部件（或者零件），以便再装配和重新销售[2]。基于逆向制造的产品生命周期成本包括企业成本、用户成本和社会成本。企业成本主要考虑生产成本（材料、人工）、相关辅助制造费用、管理成本、产品销售费用。用户成本考虑的是产品使用、维护、拆卸回收、废弃物处置（掩埋和焚烧）成本。社会成本主要包括各种环境污染和资源使用问题的经济成本等。

循环型制造业实现逆向制造本质上包括两方面内容：最小化生产（即以消耗最少的资源和能源以及产生最少的废物为目标，来获取具有最大功能性的产品的制造系统）及最大化服务（即以最小的资源、能源消耗及废物排放，为人们提供最大产品服务的服务体系）。实现逆向制造的有效方式包括再制造和再利用、维护与升级和生命周期服务；主要瓶颈包括消费者的意识、社会基础设施的准备以及公司额外的费用[1]。实际上，在这一领域我们可以找到大量相关的研究工作。比如，环境意识设计[4]、产品生命周期设计[5]和面向回收的设计[6]等。

逆向制造的特点是提倡设计跨产品平台的通用零部件，并且将通用零部件设计得尽可能高质量和耐用，使这些零部件可以在整机报废后，不经过循环再制造直接回流到新产品的装配流水线中[3]，从而使设计的产品从源头上减少对环境的负面影响，实现从“末端治理”向“源头控制”转变。循环型制造业在产品的设计阶段既要综合考虑产品的功能、成本等传统设计要素，也要把产品生命周期的环境属性（减少材料、降低能耗、可回收重用等）同样考虑在内，从资源、环境的角度对产品进行设计，以满足生态性和经济性要求。

各国政府颁布的多项有关环保的法令在推动企业生产循环型产品过程中起到了非常好的导向作用。2007年8月欧盟在实施的《耗能产品设计指令》中明确指出要将环保融入到产品的设计、制造和使用的各阶段中；1992年，美国颁布了《资源保护恢复法》、《资源保护回收法》和《有毒物质控制法》等相关法规。以报废汽车回收为例，颁布的主要法规如表1所示。

表1　报废汽车回收利用的主要法规

美国2020年的报废汽车目标回收利用率如图2所示。

图2　美国2020年的报废汽车目标回收利用率

日本在《废物处理法》和《资源有效利用促进法》中定义了 “循环型社会”，即通过抑制产品成为废物，当产品成为可循环资源时则促进产品的适当循环，并确保不可循环的回收资源得到适当处置，从而使自然资源的消耗受到抑制，环境负荷得到消减的社会形态[2]。我国的《固体废弃物污染环境防治法》自2005年4月1日起开始实施，且在2012年2月修改了《中华人民共和国清洁生产促进法》。我国2015～2020年报废汽车总量预测如表2所示[7]，2006年我国发布的报废汽车回收利用技术指标如表3所示。

表2　我国2015～2020年报废汽车总量预测

表3　报废汽车回收利用技术指标

2　逆向制造的研究现状

日本富士施乐是实施逆向制造的设备制造企业，富士施乐制造的一些产品70%使用了从报废设备拆下来的部件，60%的部件曾被3次再利用，这些部件既有来自相同型号的产品，也有来自其他种类的产品。2003年7月，富士施乐成为办公设备行业首家开展打印机回收服务的企业。在2003年中，该公司使用再利用部件制造出230000台设备，使得全年的新资源消耗量降低到2200吨之内。据富士施乐公布的环境数字，在2003～2007年间逆向制造所节约的生产成本，不但完全弥补了企业花在产品回收上的费用，还附带净利润：2007年的利润高达4.7亿日元。2008年富士施乐在苏州建立产品回收拆解中心，集中处理来自全国各地的旧产品回收和转运泰国的工作[3]。

日本东京大学工程中心的A. Nonomura和T. Tomimaya以及逆向制造实验室的Y. Umeda共同提出了在产品的设计阶段通过模拟它们的生命周期模型配置模块化产品以及规划其生命周期[8]。根据模拟结果，从环境意识、企业的可持续发展以及用四种类型的逆向制造（回收设计类型、再利用+回收设计类型、维护+回收设计类型以及维护+再利用+回收设计类型）与传统生命周期相比较的成本的综合角度考虑，讨论了逆向制造的可行性。得出模块化是减少产品维护和再利用成本的有效方法。并且为了协助模块化设计，还开发了优化的产品模块化配置。

大连理工大学于随然副教授提出基于逆向制造的考虑方法，对产品的计划、设计、制造、使用及维护、回收再利用等全寿命周期进行建模，通过合理的设计与评价，研究如何实现循环型产品全寿命周期的方法。倡导设计者在设计时不仅考虑产品的设计与制造问题，也要统筹考虑产品的全寿命周期问题。提出了如下方法：明确产品全寿命周期的设计目标，特别是环境目标；合理确定描述产品全寿命周期的变量，尤其要包括环境变量；建立目标与变量之间的数学模型，对变量进行优化从而得到优化的全寿命周期战略[9]。

日本东京都立大学Fujimoto J，Umeda Y，Tamura T等人指出现在的制造业仅仅致力于产品的生产和销售，为了解决环境问题及可持续发展问题，必须鼓励工业由单纯的制造产业向生命周期产业转变。文章首先从企业的角度阐述了各种环境载荷和回收费用以及从回收质量、成本和运输角度讨论了再利用系统。然后从制造业的角度介绍了设计回收系统的必要性，并以“服务化产品”－传真机为例讨论了产品的开发，并进行了生命周期的仿真来确认对减少环境影响的可能性。最后探讨了产品开发的结果以及生命周期仿真。不足的是，为了简化仿真模型，仿真模型中没有包含环境负载以及操作和运输成本[10]。

3　逆向制造的发展前景

我国经济以外向型为主，要继续开拓发达国家市场就要在设计阶段采用源头减量化的措施，开发节能低碳环保产品，创建逆向制造循环型企业。只有从资源可持续利用的角度出发，从源头上减少废弃物的产生，同时将可用的资源循环回收再利用，大力实行产品逆向制造，才能实现节能减排、保护环境、企业可持发展。

逆向制造通过循环利用产品废弃物，可获得高附加值的产品且能够对区域环境的整治做出贡献。对于产生严重环境污染的大型集团公司，可将其下属企业通过废物交换的方式构建闭环循环系统，那么从整体来看，该集团公司产生的总的废物量将会大大减少，从而使集团废弃物排放量最低。各下属企业经过废弃物和副产品的交换既会节约生产成本，又可充分利用已有资源，也会提高企业的经济效益。整个集团公司将会实现生产成本最小化和经济利润最大化的最优目标。

如今，机床制造企业面临着巨大的节能减排压力。据统计，我国现在的机床保有量可达到800万台左右，如此规模的机床保有量将会带来一系列的资源、环境问题。从机床制造角度来说，在制造过程中会使用大量钢材，消耗大量能源。从机床使用角度来说，机床是高耗能设备，会持续产生大量废弃物。要解决降低能耗、减少排放的问题，机床制造企业必须采用新工艺、新方法。针对这一问题，可对机床产品实行逆向制造，即通过采用先进的技术工艺，最大限度地利用废旧机床产品零部件所蕴含的残留价值，同时保障机床质量、性能及使用寿命达到或接近新品。逆向制造可使机床制造业节约大量的资源、能源，显著降低环境污染。实施逆向制造是振兴我国机床行业的必然发展方式。

4　结束语

逆向制造符合生态环境可持续发展的要求，同时顺应制造技术发展进步的趋势。实施逆向制造是发展循环型企业的必然要求。制造业要实现经济、高效的资源节约型、环境友好型的制造，实行逆向制造势在必行。

[1] Umeda Y. Key Design Elements for the Inverse Manufacturing[A]. Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing, International Symposium on IEEE Computer Society[C].1999:338-343.

[2] 谢芳,李慧明.日本逆向制造与循环型企业的构建[J].现代日本经济,2006,(5): 21-23.

[2] Xie Fang, Li Huiming. Japan’s Manufacturing and Circular Reverse Construction[J].Contemporary Economy of Japan, 2006,(5):21-23.

[3] http://ichwwai.wordpress.com.cn/archives/date/2009/9/13[OL/EB].

[4] Bullinger H, Warschat J,Bopp R. Methods and Tools to Support Design for Recycling[J].K. Feldmann, REC(Second International Seminar on Life Cycle Engineering),Nuremberg, Germany, FAPS, University of Erlangen, Germany and CIRP.1994:106-127.

[5] Ishii K. Life-cycle Engineering Design[J].Asme Journal of Mechanical Design, 1995,117(B): 42-47.

[6] T. E. Graedel and B. R.Allenby. Industrial Ecology[J].Prentice Hall, Englewood Cliffs,NJ,1995.

[7] 陈铭,王俊军.报废汽车的回收利用——法规、管理与展望[J].上海交通大学学报,2014,(1):125-131.

[7] Chen Ming, Wang Junjun. Altfahrzeug-Recycling- Laws and Regulations, Management and Prospect[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2014,(1):125-131.

[8] Nonomura A, Tomimaya T, Umeda Y. Life Cycle Simulation for the Inverse Manufacturing[A].Environmentally Conscious Design and Inverse Manufacturing, International Symposium on IEEE Computer Society[C],1999:712-712.

[9] 于随然.基于逆向制造的产品全寿命周期设计与管理[J].加入WTO和中国科技与可持续发展——挑战与机遇, 责任和对策(下册), 2002.

[9] Yu Suiran.Based on the Inverse Manufacturing the Product Whole Life Cycle of Design and Management[J].Accession to the WTO and China Science and Technology and the Sustainable Development- Challenge and Opportunity,Responsibility and Countermeasures(the Second Volume), 2002.

[10] Jun, Fujimoto, Yasushi, Umeda, Tetsuya, Tamura, et al. Development of service-oriented products based on the inverse manufacturing concept[J].Environ. Sci:technol, 2003, 37(23):págs. 5398-5405.

The application of inverse manufacturing in the circular manufacturing

MA Mei, LIN Song, HU Jian-xin

TH165+.4

A

1009-0134(2016)02-0117-03

2015-10-09

机床零部件再制造关键工艺研究及质量分析

马梅（1989 -），女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为机电产品再制造。