20世紀以來,資源、環境問題正對人類社會生存與發展造成嚴重威脅。世界各國政府紛紛制定了各類可持續發展戰略來引導社會行為,同時全球性的產業結構調整呈現出新的綠色戰略趨勢?!吨袊圃?025》中確立了“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、人才為本”的基本方針。2015年,中央政治局會議上提出“綠色化”,將“四化”戰略變成“五化”戰略??梢钥闯觯圃鞓I整體已向資源利用合理化,廢棄物產生少量化,對環境無污染或少污染的方向發展。面向生態和環境的綠色制造技術就在這樣的環境下產生,并已經成為現代制造的一個重要領域。綠色制造就是最大限度的節約資源和能源,減少環境污染,有利于人類生存而使用的各種現代設計方法、制造工藝、回收利用等基于全生命周期思維的系統技術的總稱。
合肥工業大學綠色設計與制造工程研究所自1994年起在國內率先開展機電產品綠色設計與綠色制造研究,以電子電器產品、汽車、工程機械及其關鍵零部件等為研究對象,致力于產品綠色設計與制造理論、方法、技術及其應用研究。目前已經形成了一支由5名教授(其中博士生導師4名,黃山青年學者1名)、2名副教授、8名博士研究生,60多名碩士研究生組成的富有創新精神、銳意進取、團結合作的學術研究與開發隊伍。團隊在國內外學術會議以及學術期刊上發表學術論文近500篇,其中被SCI、EI收錄共100多篇,共出版或翻譯學術著作9部;共申請專利40余項,獲得軟件著作產品8項;榮獲國家科技進步二等獎,安徽省科技進步一等獎,中國機械工業科學技術一等獎等多個獎項。
經過20多年的發展,綠色設計與制造工程研究所逐步形成了以下主要研究方向
1)綠色設計方法、技術及工具;
2)產品再資源化理論、方法與裝備;
3)再制造工程理論、關鍵技術與裝備;
4)機電產品生命周期評估理論與方法。
研究方向一:綠色設計方法、技術及工具
綠色設計(Green Design, GD),是指在產品整個生命周期內,著重考慮產品環境屬性(可拆卸性、可回收性、可維護性、可重復利用性等),并將其作為設計目標,在滿足環境目標的同時,保證產品應有的功能、使用壽命、質量等。綠色設計是實現產品綠色化的有效途徑,因為設計階段決定了產品制造成本的70%~80%,從設計階段將產品“綠色程度”作為設計目標,能夠從根本上解決部分產品尖銳的環境問題。
不同于傳統設計,綠色設計涉及產品整個壽命周期,在設計依據、設計人員、設計工藝和技術、設計目的等方面都存在著很大的不同。而研究產品綠色設計理論、方法與技術,可以從綠色設計理論體系、產品綠色性能評價、綠色產品創新設計方法、綠色設計數據庫與知識庫以及綠色設計支持工具開發等方面入手。
合肥工業大學綠色設計與制造工程研究所一直以家電、汽車等典型機電產品為對象,開展了綠色產品需求分析、綠色材料選擇、結構輕量化設計、拆卸與回收設計以及相應綠色設計工具的開發等方面的研究。
1)面向拆卸的機電產品設計:可拆卸性是綠色產品設計的主要內容之一,在產品結構設計時選用易于拆卸的連接方式,并對拆卸工藝進行設計,制定相應的拆解策略、最佳拆卸序列或路徑以及拆卸裝備。其中針對遙控器、手機、液晶顯示器、平板電腦、電話機、汽車等產品,對其連接結構、驅動機構進行分析設計,形成系統的智能拆卸設計理論與方法,使其具有特定環境中主動拆卸功能,便于拆卸分類,同時具備安全性和可靠性。
2)典型機電產品的低碳節能設計:結合產品工作過程分析,建立能量因素信息模型和能量因子之間的耦合關系,提出相應節能設計與措施。針對空調器、洗碗機、數控機床等產品,完成了部分樣機設計,取得了階段性應用成果。
3)機電產品綠色性能評估軟件工具:開發了綠色性能評估軟件工具,可以確定典型家電產品生命周期中的環境影響因素,并對其進行定量或定性分析,為產品綠色性能的改進提出建議,支持產品的改進設計過程。
4)典型機電產品的數據庫設計:通過實地調研、數據共享、網絡資源等方式統計了綠色冰箱產品的數據資料,基于綠色產品BOM信息以及國內外冰箱相關技術標準信息,構建了冰箱產品設計及標準數據庫。
研究方向二:產品再資源化理論、方法與裝備
廢舊產品再資源化是指將在社會生產和消費過程中產生的,仍有一定價值,可回收并直接或間接利用的各類廢棄產品進行回收加工重新創造價值從而再利用的過程。產品再資源化是綠色制造的重要內容,其主要包括將廢舊產品直接作為原料進行利用,或者對廢舊產品進行再生利用,或者對其進行處理、修復、翻新等工藝措施后繼續作為相關產品的部件予以再次使用。
廢舊產品再資源化內涵包括產品回收和重新創造價值兩個方面。研究產品再資源化理論、方法與裝備,可以從產品回收利用率和再生利用率分析、廢舊裝備及機電產品及材料工作末端的回收工藝研發、產品再資源化工藝流程規劃及決策、關鍵再資源化工藝裝備和拆卸工具研發等方面入手。
合肥工業大學綠色設計與制造工程研究所一直以廢舊電子電器、汽車、工程機械等產品及其關鍵零部件為研究對象,分析其回收利用率和再生利用率,研究相關拆卸方法、回收工藝設計、規劃及決策,開發回收工藝裝備和拆卸工具,實現回收過程的高效化和清潔化。
1)廢舊家電回收處理技術:對廢舊家電產品整機及其關鍵零部件的回收處理方法與技術進行系統研究,針對冰箱、空調器等制冷設備的壓縮機,開發相應的回收處理裝備,實現廢舊家電出品的高效、高值利用。
2)LCD顯示器回收工藝:基于液晶顯示器玻璃面板的結構與材料特點,開展了液晶及ITO的回收機理及方法、面板高效無損分離方法等方面研究,研發了基于超聲波/超臨界/溶劑法的LCD分解與液晶高效回收工藝。
3)熱固性塑料回收工藝及裝備:針對熱固性塑料廢棄物目前在回收利用中較難再資源化的問題,研發了熱固性塑料的機械物理微細粉碎再生技術,開發了熱固性塑料再生工藝與裝備。
4)碳纖維復合材料回收與再資源化技術與裝備:針對高性能碳纖維復合材料(CFRP等),研發了超臨界混合流體回收高性能碳纖維關鍵技術與工藝平臺。建立了超臨界正丁醇降解回收碳纖維環氧樹脂基復合材料實驗模型,優化回收工藝參數;回收的碳纖維單絲拉伸強保持率在93%以上,進一步研發了碳纖維絲回收再利用關鍵技術,并構建了超臨界流體降解CFRP的回收設備系統模型。
5)汽車再資源化技術分析:對整車及關鍵零部件進行拆卸分析,建立最優的拆卸流程,測算整車的回收利用率及再生利用率,為整車的拆卸回收性能分析與設計提供依據,為車輛出口、滿足ELV等指令的要求提供保障。
6)超高壓水射流回收子午線輪胎技術:針對子午線輪胎使用、報廢量快速增長的現狀,應用超高壓水射流技術,開展子午線輪胎回收技術研究。搭建了實驗平臺,優化了工藝參數,實現了部分脫硫,提高了膠粉的再利用性能。
7)壓縮機智能化拆解專用設備:研發了適應圓形、橢圓形或帶圓角的矩形等橫截面形狀的壓縮機智能化拆解專用設備。開蓋過程對壓縮機內部零件表面無損傷,開蓋速度可達40-49個/小時,自動化程度可達85%。
8)廢舊線路板自動脫焊專用設備:研發了由加熱部件、送料機構、振動分選部件、沖擊部件等部件組成的廢舊線路板自動脫焊專用設備。設備實現自動溫度和時間控制,其中元器件分離率大于80%,2-3塊/分鐘,滿足國家環保要求。