浅谈绿色设计理念应用于机械设计制造

2023-03-11叶青

科学与信息化 2023年2期

叶青

柳州职业技术学院广西柳州 545000

引言

近二十余年来，工业发展对环境造成的消极影响越发显著，“碳达峰”及“碳中和”等理念逐渐开始受到整个社会的高度关注。为实现环保，促进社会可持续发展，包括机械工业在内的工业领域开始探索绿色设计理念的有效应用，其目的是延缓资源枯竭的速度，降低工业生产对环境的影响，在获取经济效益的同时对环境保护也予以应有的重视及关注，进而实现人类社会的可持续发展。而为实现这一点，维系人与自然的和谐共处，在机械设计制造行业应用绿色设计理念就显得尤为重要。

1 绿色设计理念的内涵

工业经济发展初期，人类将发展工业的重点放在如何提升生产效率获取更多经济效益上，对环境保护缺乏应有的关注与重视，机械设计制造行业也是如此，其设计制造过程给环境造成了严重的负担，因此最初各个国家在推动工业化发展时均面临着严重污染生态环境的情况，且多采用先污染、后治理的策略。然而早期给环境造成了污染再后续治理，面临着数倍乃至十数倍于工业发展的成本投入，从整体上来看明显得不偿失，且并非所有的污染都能够得到有效治理，同时一些难以挽回的污染也给人类带来堪称惨烈的灾难[1]。为降低以机械设计制造为首的各类工业生产对环境产生的影响，改变高能耗、高污染的现状，绿色设计理念开始被应用到工业生产中的各个领域，以产品回收利用、资源与产品循环利用和降低产品设计制造及使用过程中对环境的污染为原则，实现工业生产及发展对环境影响的有效控制。从这一角度来看，绿色设计理念能够推动工业生产方式及机械设计制造理念的变革，使之更符合低碳发展与循环发展的要求，进而在工业发展过程中做好环境保护工作，推动人与自然和谐局面的实现。

2 绿色设计理念在机械设计制造中的重要性

绿色设计理念在机械设计制造中的应用，有其独特的重要性与价值。在经过一段时间的发展之后，我国机械设计制造行业关于绿色设计理念已经拥有了非常丰富的研究经验，且表现出一定的深度与广度。由于市场处于动态发展过程中，因此传统理念下开展的设计制造工作会面临频繁的试做和多种功能的大量修改，很容易出现设计、制造周期增加的情况，进而给环境带来显著且沉重的负担。在这种情况下，将绿色设计理念应用在机械设计制造中就有其独特的重要性。

首先，基于绿色设计理念开展的机械设计制造工作，能够提升行业获取的经济效益。绿色设计理念更注重对原材料应用及损耗的控制，且在产品设计时也充分考虑到产品回收及循环利用功能的实现，因此在贯彻绿色设计理念下机械设计制造产业不仅能够进一步获得产能的提升，同时也能收获良好的环境效益。

其次，当今社会已经将低碳与环保作为全球发展的主题，任何领域、任何行业在发展过程中都需要将环境效益作为重要考量因素，在无法保证实现应有环保效益的情况下，具体产业的正常生产活动也会受到遏制甚至叫停。在这样的社会背景下，机械设计制造产业要获得长足发展，就需要高度重视绿色设计理念的应用，来确保行业能够同时兼顾经济效益与生态效益，降低机械设计制造过程中挥发物、悬浮物及其他有害物质产生的数量，最终使机械设计制造产业完全符合相应的环保低碳要求及标准[2]。

最后，将绿色设计理念应用在机械设计制造中，意味着生产技术和科研力量将被以倒逼的形式实现向更高层次的演化与发展。为使机械设计制造能够充分体现出绿色设计理念，并完全顺应相关要求及内容，就需大幅增强技术装备及生产工艺的研发力度，通过完善设计理念、优化生产工艺、引入先进技术等策略，来实现机械设计制造产业能源利用低碳化、生产过程清洁化、产品应用循环化的特征。从当前的发展状态来看，要实现这一步还需要长时间的投入与尝试，也需要各方的共同努力，但就其前景所蕴藏的价值而言，机械设计制造产业在应用绿色设计理念上的投入无疑是值得的。

3 绿色设计理念在机械设计制造中的具体应用

3.1 机械制造材料的应用

绿色设计理念在机械设计制造中的运用首先体现在材料层面。在运用绿色设计理念之前，机械设计制造产业在材料的应用上仅关注材料的强度、可塑性、韧性等物理化学特性，其主要目的是确保应用材料加工出的设备在性能上满足该设备的运行需求，通常不考虑材料是否具有良好的环保性能。在绿色设计理念被运用之后，整个产业对材料的选择变得更加慎重，除了要考虑材料的各方面性能之外，还要考虑材料是否达到应有的节能环保要求。在运用绿色设计理念的过程中，机械制造材料的选择依然以能否满足设备使用需求为主要参考条件，同时考量制造工艺是否会对材料产生额外的影响，导致材料发生性能改变等[3]。这主要是因为不同的机械设备产品会需要采用不同的加工方式，其中某些设备部件会经历高温高压的生产工序，因此需要进行详细的计算，来确定生产工序不会对设备部件性能造成影响。此外，机械设备运行的环境也具有不确定性，但多数情况下均处于恶劣的工况中，因此需要考虑设备在生产过程或应用过程中可能面临的腐蚀等复杂情况，在材料的选择上也就需要确保耐腐蚀性。在确保这几方面性能的基础上，就需要对机械制造材料的环保性能予以充分考量，这主要集中在材料的稳定性上，要求材料在加工生产过程中或是投入运行之后不会大规模产生、挥发有害物质，即产生的有害物质数量应在相关标准范围内，且越小意味着材料性能越优异，并能够在产品因其他原因淘汰后可被加工再利用，或是回收转化为新的能源，如果达不到相应的标准及要求，很多材料即使是在各项性能过关的情况下也不会被加以利用，一些高强度聚合材料制作的机械部件在这方面就非常具有代表意义。从社会整体发展状况上来看，我国高度重视绿色环保材料的研发工作，对机械设计制造行业中会造成严重环境污染的材料，都在大力研发其替代性材料，以使绿色设计理念充分贯彻到机械制造材料的选用工作中。

3.2 机械产品设计的应用

机械产品设计对整个机械设计制造流程都有根本性的影响，其他内容均是以这一工序的蓝图为基础开展的，因此在产品设计阶段运用绿色设计理念具有非常重要的意义。传统机械产品设计如材料选用一般仅考虑机械设备功能、性能的实现，但在融入绿色设计理念之后，则需要以满足设备功能、质量及使用寿命为基础，在具体设计过程中融入关于各项环保相关因素，并使之体现在产品设计应用的整个寿命周期内。原则上机械产品设计对绿色设计理念的运用需要以资源最佳利用、能耗充分控制、零污染影响、零加工损耗、实现最佳生态经济效益为出发点和最终目标[4]。因此在设计过程中会考虑设备后期应用和回收的有效性，通过调整设备的装配结构，减少设备结构中的强固定内容，来使设备具有相应的可拆卸性及回收利用性能；设计过程中也会重点考量材料的应用，优先选择那些可回收的材料；在设计技术上会尽可能应用虚拟现实设计技术，通过建立设备零件的3D建模并加以组装、试运行，找出设备在设计层面存在的缺陷，以技术优势全面模拟设备的性能、运行策略、生态环保价值、可回收性等众多特性，避免大量试制造成的材料损耗，在设计过程中进一步体现绿色设计理念，为产品的有效应用及使用寿命提供可靠保障。

3.3 机械界面系统的应用

绿色设计理念在机械界面系统中的运用同样十分重要。对于用户而言，机械界面系统是与他们直接进行交互的系统，因此界面的简约程度及功能的完善程度直接影响到用户对机械设备的评价。在机械界面系统中对绿色设计理念的运用，首先需要设计工作者调查、研究用户的设备使用状况及使用需求，充分把握用户的心理特征，以此为基础设计界面系统；其次则需要保证界面布局的合理性与简洁程度，使用户能够以简单快速的方式应用机械设备；再次则是做好机械界面系统的优化工作，提升整个系统的运行效率，能够对用户的各种操作快速做出反应，提升用户的使用体验；最后则是在界面系统中明确整个机械设备的功能说明及指引，使用户能够充分了解不同操作的功能与作用，这就需要对屏显及操作流程进行优化，进而在机械界面系统设计中体现绿色设计理念。

3.4 机械液压系统的应用

液压系统是一种能够提供强大输出能力、有效实现能量转换的可靠系统，因此在机械设备及产品中的应用具有普遍性。但就传统机械设备的设计、应用状况来看，设计液压系统时普遍具有粗放性的特征，因此在设备应用过程中会因各种因素导致液压系统受损，而液压系统受损之后，液压油的外漏会对环境造成显著影响，且液压油造成的污染难以有效治理、甚至难以实现充分控制。在此基础上将绿色设计理念应用在机械液压系统中就具有其必要性，主要是以绿色设计理念为先导，重新设计机械设备的液压系统，使之具备相应的可靠性与稳定性。在实际设计过程中，首先需做好对液压油型号选用的控制，选择满足环境保护要求的合格液压油，降低环境因液压油面临的风险；其次是合理设计整个液压系统，确保液压系统支持回收再利用，通过循环利用的方式实现资源的有效节约；再次是合理控制液压系统的污染程度及污染范围，对液压系统受损可能造成的污染予以充分考量，在设计液压系统时为之配套设计防范液压油污染的配套措施，确保液压系统受损后造成的污染能够在第一时间得到有效控制；最后则是对液压系统运行中可能产生的噪声予以充分考量，通过安装稳定可靠的噪声控制系统，降低液压系统产生的噪声污染。

3.5 机械视觉系统的应用

在整个社会高速发展的当下，人们在应用机械设备的同时，也会对设备的外观、形态提出一定的要求，这使得机械设计制造在实际设计过程中还需将产品的形态作为重点考量因素。当前机械设计制造行业诞生的新产品，大多开始向着轻量化、智能化与生态化发展，而这种发展趋势就很好地体现出绿色设计理念在机械视觉系统中的应用。过去的机械产品设计通常不会考量产品的外形，因此大多显得方正粗犷，有一种独特的机械感与力量感，但这种形态也增加了机械产品及设备的维护成本。在绿色设计理念被运用到机械视觉系统中之后，机械设备及产品的设计还需要使其体现出应有的人工形态，充分考量产品与周围环境的融合性，因而应最大限度地避免高消耗及高污染机械材料，以保证材料本身的绿色性与环保性[5]。在此基础上还需要重视产品的结构，这主要是由于不同材料的受力强度、结构形状及受力点均有所不同，同时机械设备大多面临着高负载的要求，因此需要从结构上保证设备具有强大的支撑能力，并且要使设备在使用寿命结束后能够进行优化重组和回收利用，降低对环境造成的影响。