0 前言

    资源、能源和环境问题已成为制约全球经济发展的三大主要问题。环境的日益恶化以及能源、材料的急剧消耗对人类的生存和发展造成了严重的威胁。特别是在机械制造工业中，与材料、能源、环境密切相关的原材料的开采方式、产品的制造工艺、使用方法以及产品的回收处理等各方面问题，是造成环境污染、资源迅速减少的主要因素，目前尚未完全解决。绿色制造就是在这种情况下提出的能够满足可持续发展战略的先进制造模式。

1 绿色制造的概念与内涵

    绿色制造（Green Manufacturing）又称环境意识制造（Environmental Conscious Manufacturing）、面向环境的制造（Manufacturing for Environment）等。由于绿色制造的提出和研究历史较短，其概念和内容尚处于探索阶段，至今还没有一个统一的定义。

    基于产品生命周期的概念，综合现有文献，绿色制造的基本内涵可定义如下：绿色制造是指在保证产品的功能、质量、成本的前提下，综合考虑环境影响和资源利用效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负影响最小，资源利用率最高，能源消耗最少，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

    从上述定义可以看出，绿色制造中的“制造”涉及产品整个生命周期，是一个“大制造”的概念，并且涉及到多学科的交叉和集成，体现了现代制造科学的“大制造、大过程、学科交叉”的特点。绿色制造涉及的领域包括3部分：（1）制造问题，包括产品生命周期的全过程；（2）环境保护问题；（3）资源优化利用问题。

2 绿色制造的体系结构

    作为20世纪末才兴起的先进制造模式，绿色制造还没有形成完整的体系结构，这方面的研究也较少，本文对此进行了初步探讨。从材料、能源、环境的角度出发，提出一种面向环境、能源、材料的绿色制造体系结构，如图1所示。

图1 面向环境、能源和材料的绿色制造体系结构

    从图1可以看出，面向环境、能源和材料的绿色制造体系结构包括2个层次的全过程控制、3项具体内容和2个实现目标。

    2个层次的全过程控制：（1）指具体的制造过程，即物料转化过程中，充分利用资源，减少环境污染，实现具体绿色制造的过程；（2）指在整个产品生命周期中的每个环节均充分考虑资源和环境因素，以实现资源的优化利用和减少环境污染的广义绿色制造过程。

    绿色制造的内容包括绿色资源（包括绿色材料、能源）、绿色生产过程和绿色产品三方面，即用绿色材料、绿色能源经过绿色生产过程生产绿色产品。三项内容是用制造系统工程的观点，综合分析产品生命周期从产品材料的生产到产品报废回收处理的全过程的各个环节的环境及资源问题。

3 面向环境、能源和材料的绿色制造实施方法

3.1 绿色设计

    研究表明，产品性能的70%~80%是由设计阶段决定的，设计阶段是产品生命周期的源头。传统的设计是以人为中心，终端是人的需求和解决问题为出发点，无视产品生产和使用过程中的资源和能源消耗以及对生态环境的影响。绿色设计又称为面向环境的设计（Design for Environment’DFE），它是一种全新的设计理念，指在产品的整个生命周期的各个阶段，包括设计、选材、生产、包装、运输、使用及报废处理，都必须综合考虑其对资源和环境的影响。即在考虑产品功能、质量、开发周期和成本的同时，优化设计因素，使产品在制造及使用过程中对环境和资源消耗的总体影响减到最小。与传统设计方法相比，绿色设计是将绿色产品的要求作为设计约束的一部分，从可持续发展的高度审视产品的整个生命周期，提倡无废物、可回收设计技术，将3R（Reduce，Reuse，Recycle）直接引入产品研发阶段。绿色设计的核心思想在于彻底抛弃传统的“先污染，后治理”的环境治理方式，代之以“预防为主，治理为辅”的环境保护策略。因此，绿色设计是实施绿色制造的核心技术和前提。

3.2 绿色材料的选择

    绿色材料是指在满足一般功能要求的前提下具有良好的环境协调性的材料。长期以来，人们在材料选择上过多地考虑了材料的性能和作用而忽视了其对环境的影响，同时对材料的回收再利用等问题也考虑较少，因而在产品的制造中造成资源的严重浪费以及使用过程中对环境造成了极大的污染。在绿色制造系统中，绿色材料的选择应遵循以下原则：（1）优先选用储量丰富、可再生材料和回收材料，以提高资源利用率，实现制造业可持续发展；（2）尽量选用低能耗、少污染的材料；（3）尽量选用无毒、无害和低辐射特性的材料。

3.3 绿色工艺设计

    工艺设计是产品生产过程中的一个关键因素。良好的工艺设计不仅可以实现资源优化利用，减少能源消耗，还能最大限度地避免或减少对人体的危害，以及噪音、有毒气体、液体等对环境的污染。绿色工艺设计是以传统的工艺技术为基础，并结合材料科学、表面技术、控制技术等新技术的先进制造工艺技术，是制造工业实施绿色制造的可靠保障。大量的研究和试验表明，产品制造过程中的工艺方案，对材料、能源以及环境都有直接的影响。工艺方案不同，材料、能源的消耗也不一样，对环境的影响程度也就不一样。因此，在产品制造过程中，应根据实际需要，尽可能采用材料和能源消耗少、废弃物少、对环境污染最小的工艺方案和工艺路线。例如采用少无切削工艺、干式切削工艺和新型特种加工等代替传统的切削加工，既可以节省大量的原材料，又可消除切削液带来的污染问题，进而缩短产品的生产周期，提高生产效率，降低产品成本。图2所示为绿色制造中常见的工艺技术。

图2 绿色制造的工艺技术

3.4 绿色包装设计

    绿色包装设计又称生态包装设计，是指绿色产品与绿色包装寿命周期相复合的设计。从环境保护的角度出发，通过优化产品包装方案，降低材料、能源消耗，并使包装在产品生命周期中发挥作用后无环境污染。实施绿色包装设计应考虑以下几点：（1）包装材料要选择无毒、无害、无污染、可再生和降解的材料，发展纸包装，开发各种替代塑料薄膜的防潮、保鲜纸包装制品；（2）优化包装结构，减少材料消耗；（3）包装的废弃物应可回收重用、循环再生或可降解。图3 所示为包装与产品使用周期的复合作用。

图3 包装与产品的复合作用

3.5 绿色回收与处理

    产品的生命周期终结后，应及时回收利用与处理，否则将造成资源浪费和环境污染。产品的绿色回收与处理是一项贯穿于产品整个生命周期的多层次、多方位的系统工程，从产品设计的设计阶段就应充分考虑这个问题。

    （1）面向回收的设计

    产品的回收设计是实施绿色制造的关键因素，同时也是目前最活跃的研究领域。产品的回收在其全生命周期中占有重要的地位。回收可以有多种不同的处理方案，如再使用、再利用、废弃等，各种方案的处理成本和回收价值都不一样，因此，需要对各种方案进行分析与评估，确定出最佳的回收处理方案，从而以最少的成本代价，获得最高的回收价值。正是通过各种各样的回收策略，产品的生命周期形成了一个闭合的回路，寿命终结的产品最终通过回收又进入下一个生命周期的循环之中。因此，回收是实现制造业可持续发展的先决条件。

    （2）面向拆卸的设计

    拆卸是从装配体上实现零部件分离的过程，并保证不对目标零部件造成损害。产品的可拆卸性设计充分利用产品的模块化，这样既可以简化拆卸工作，节约处理时间，又易于回收材料和残余废弃物的分类和后处理。拆卸分为破坏性拆卸和非破坏性拆卸" 种。目前，面向拆卸的设计研究主要集中于非破坏性拆卸。拆卸是实现绿色回收的重要手段，只有拆卸才能实现材料回收和零部件再利用。因此，只有在产品设计的初始阶段就考虑报废后的拆卸问题，才能实现产品最终的高效回收。产品的模块化设计也是提高可拆卸性的重要手段。

4 结语

    面向环境、能源、材料的绿色制造是现代制造的一种发展趋势。我国的资源并不丰富，环境污染问题日益突出，推行绿色制造技术是一个非常迫切的需要。绿色制造是彻底解决环境问题的根本途径和方法，是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现，是现代制造业的必经之路。