mes
背景:
阅读新闻

绿色制造与可持续发展

[日期:2012-06-06] 来源:e-works  作者:e-works涂彬 王阳 黄菊锋 [字体: ]

前言

    绿色制造与可持续发展强调社会、经济、资源和环境协调发展,是一个密不可分的系统,既要达到发展经济的目的,又要保护好人类赖以生存的环境。

    在实现绿色制造与可持续发展的道路上,中国面临着严峻的挑战。中国有2亿亩土地因为矿产开发等因素而废弃,占总耕地面积10%;中国90%的地下水被污染,60%的地下水污染严重;在中国盲目发展水电过程中,还造成了对生态环境的永久性破坏。2008年中国消耗的煤炭这一高污染能源,占能源消费总量的68.7%,高于世界平均水平一倍以上,中国资源利用效率居世界59个主要国家的倒数第6位,中国1吨煤所产生的效率仅相当于美国的28.6%,欧盟的16.8%,日本的10.3%。

    面对这些令人震撼的数据,实现绿色制造与可持续发展迫在眉睫,e-works在2010中国制造业产品创新数字化国际峰会,重点就中国制造企业如何实现“绿色制造与可持续发展”这一主题展开了深入的讨论,通过业内专家产品创新理论实践的分析、行业提供商绿色解决方案的分享,绿色设计典型应用企业案例的剖析,为当前中国制造业企业实现绿色制造与可持续发展提供了丰富的实践经验。

一、绿色化的产品创新

    1、产品创新过程管理的发展与应用趋势

    在本次峰会上,清华大学莫欣农教授从产品全生命周期的“价值创新”,灵活、快速、高效的“管理创新”,智能化、服务化、绿色化的“产品创新”三个方面深入剖析了中国企业如何实现走向世界的重大转型,并对产品全生命周期进行了全新的诠释。

    莫教授指出:产品全生命周期可以分解成为八个阶段,从开始预研策划、立项、开发设计、验证测试到工艺与量产,接着进入产品的生产销售和使用维修阶段,最后进入产品的报废阶段。在这几个阶段中,分别解决的是设计、制造、使用和回收问题。

    如果企业纯粹以制造为中心,那么形成的曲线就是苦笑曲线;如果企业是以设计、开发新产品与后期服务为中心,那么形成的就是微笑曲线。这就是创新、服务的转变,也正是企业转型的核心。制造业未来的发展方向正是不仅要考虑新产品的开发,还要将生产型制造转变为服务型制造,通过最少的资源消耗,获得利润的最大化。

制造业未来发展方向   

    信息化在这个过程中发挥了巨大的作用,通过更加灵活、快速的信息获取方式,推动了产品全生命周期(PLM)技术不断发展,也给制造业带来了很多革命性的变化。从手工设计到CAD设计,从静态数据管理到动态数据管理;通过变形设计直接面向产品对象,完成从电子文件管理到面向对象管理的转变,再到协同制造,形成了完整的设计生命周期的管理。

PLM技术   

    在生命周期的各个阶段中,如果要进行数据传递就需要将所有数据都放入PLM系统中,建立统一的平台,这样各个阶段的数据都可以从这个平台中提取,不但解决了数据传递问题也解决了数据的唯一性,通过单一数据源和统一的系统构架,将企业的数据进行统一管理。

 

产品创新趋势

    在产品的全生命周期中,很多环节都会产生垃圾以及资源的浪费。 随着信息化不断发展,制造业需要把报废这个阶段变成回收再利用,这就需要利用PLM平台管理这些数据,快速准确的查看产品的设计、制造、使用、维修的相关信息。通过这些数据的有效管理,就能够为绿色制造与可持续发展打下坚实基础。

    2、PLM与机械产品模块化技术

    在绿色设计与可持续发展中,模块化设计具有非常重要的意义和作用,不但能够缩短上市周期、降低产品成本、提高产品质量,还可以在资源最优利用率下充分满足客户的个性化需求。

    浙江大学纪杨健教授在主题为《PLM与机械产品模块化技术》的演讲中谈到:从应用深度上,模块化技术经历了从几何模型/单学科到多学科/集成的发展,在产品基础上做模块化;接着发展到组织/过程的模块化,到与IT技术融合的模块化技术;

    从空间角度来说,模块化一开始是针对特定的零件来做模块化,后来发展到需要对一个部件做模块化,最后需要对整个产品和整个产品平台做模块化;

    从时间角度来说,过去在做模块化的时候,更多关注的是产品的研发阶段,后来发展到如何把制造过程考虑进去,最后发展到建立服务/维修和设计模块化之间的关系。


模块化技术的发展   

    模块化技术要想良好的应用必须要与IT技术进行相应的融合,通过建立优质的数据模型,使模块化技术与IT技术最终走向融合之路。

模块化技术

    PLM技术和模块化技术融合会有很多的问题需要处理,比如技术对象树 产品树、零件树、文档树如何建立,模块如何划分等等。针对企业常见的问题,对已由零件进行模块化设计主要有以下几方面的工作:
 
    第一、建立编码体系,这里有两类码:1、分类码,2、识别码,这两类码可以平行使用,也可以联合起来使用。

    第二、做好零部件名称规范化。企业零部件名称杂乱会对模块化带来很多不利因素。必须要仔细分析零部件命名情况,比如按照功能、位置、形状命名等情况。

    第三、层次式分类框架。零部件分类有很多操作方法和步骤,推荐使用的架构是层次式分类方法。比如根据企业实际选择标准,企标或国标等,确定第一层。例如环、套、销、轴、管、圈等。第二是根据功能划分、功能—-主特征映射与组合,确定第二层,例如衬套零件,主要功能语义为润滑、导向等,因此可映射为润滑孔、台阶等功能特征。第三就是细分功能结构—特征,例如同样是润滑孔但可能是椭圆型的油孔、或者腰型油孔、重复第二步。

    第四、做ABC的分析。A类件是专用零部件。B类件是企业标准零部件,C类件是标准件和外购件。

    最后即将模块化系列扩展,零部件模块扩展需要按照一定的级别进行扩展。总结来说,模块化和PLM技术的相互融合,关键就是要解决数据模型的问题。

    3、产品研发设计体系建设

    在当前制造业发展趋势下,经济增长方式已经逐渐从资源资本要素投入型向知识技术投入型、增强产业核心竞争力方向转变,以规模扩展为中心的科技产业结构调整成为发展中国家的核心要素。

    而如何建立有效的产品研发设计体系建设,成为信息化增效的关键。在本次峰会上,上海市信息化专家委员会委员、博士生导师明新国教授在《产品研发设计及其信息化体系建设》主题演讲中指出:“先进制造业竞争已由资源和劳动力竞争转向技术和人才竞争,竞争的界面前移到技术和产品的研究开发、产业化乃至基础性研究和应用研究开发阶段,使科技竞争成为先进制造业竞争的关键因素。”

产品研发设计

    本着以提升企业创新产品研发设计的核心能力为目标,明教授提出了“以创造价值为目标、消除浪费”的精益思想
   
    当然,精益产品研发设计给企业提出了很高的要求:首先,要求企业在产品的平台设计,结构设计,和详细设计中充分考虑各个相关利益方的价值目标,提升相关利益方的价值;同时,要求企业要有高效的产品开发流程,应用精益的思想消除流程中的浪费,改进流程的时间和质量。

    另外,建立合适的产品研发设计体系,需要集成产品开发团队来完成。集成产品开发团队是企业为了完成特定的产品开发任务而组成的多功能型团队,它包括来自市场、设计、工艺、生产技术准备、制造、采购、销售、维修、服务等各部门的人员,有时还包括顾客、供应商或协作厂的代表。

    通过团队的建设,团队的成员技能互补,为了共同的绩效目标,共同承担责任;同时能够大大提高产品生命周期各阶段人员之间的信息交流,促进协同工作;而且,建立在履行多种任务、行使内部控制的工作团体基础上的企业,经常能够超越以个人、单一任务和受外部控制为基础的组织形式;其次,人们有能力决定自己的行为方法,而且团体内部控制比主管的外部控制更加有效,这就是IPT能产生高质量、高效率的根本原因。

产品创新平台

二、产品创新数字化技术

    在产品研发领域,利用CAD/CAM/CAE/PDM等软件辅助产品研制,可实现减少图纸或无图纸设计、加工,提升产品研发效率,达到节省成本、节约资源的目的。在本届峰会上,来自软件厂商的演讲嘉宾也分享了各自致力于“绿色制造与可持续发展”解决方案。

    1、CAD/CAM技术

    对于比较成熟的3D CAD技术,为了契合节能环保和低碳的诸多产品发展趋势,增加相应的功能尤为必要。在本届峰会上,来自于3D CAD领域提供商诸如PTC、Siemens PLM分享了它们致力于产品级环保法规、机电一体化概念设计等解决方案。

    PTC在2008年底收购了Synapsis Technology公司,这是一家为制造业提供物质、材料、零部件和产品级环保法规合规性管理解决方案EMARS的公司,从此完善了自己对于环保合规和绿色设计的领域的解决方案;Siemens PLM的3D CAD产品——NX融合了机电一体化概念设计解决方案(MCD),以功能设计方法为基础,以机电一体化产品的概念设计阶段为目标,这不仅包括定义多体物理学,而且还包括集成机电一体化产品中常见的与自动化相关的行为。

MCD

     另外,在CAM领域,来自英国的CAM软件公司DELCAM也在本次产品创新数字化峰会上展示了其专业的软件解决方案:PowerMILL、FeatureCAM、PartMaker、ArtCAM。作为优秀的高级加工软件,PowerMILL面向复杂型面加工中最小机床加工时间和最佳表面加工质量的需求;作为基于特征的自动化编程工具,FeatureCAM面向铣削、车削、车铣复合、线切割加工中最少编程时间的需求;作为专业的瑞士型纵切加工及多轴多刀塔车铣复合加工编程系统,PartMaker满足精密零件加工中最少机床工艺准备时间和加工时间的需求;同时,ArtCAM提供设计与加工一体的三位浮雕加工编程系统。

    在CAD/CAM领域,通过采用先进的工具软件,利用高速铣削进行粗加工和半精加工,利用高速切削加工模具的复杂曲面,而电加工只作为精加工。既可减少相关材料的损耗、同时极大缩短了加工周期,提高加工效率,继而降低成本。

    2、CAE技术

    众所周知,CAE诞生之初是为了减少物理试验,降低成本。而随着CAE技术的发展,虚拟仿真技术的作用不仅仅在于减少试验上,而融合到了产品创新、品质提升、节能环保等各个阶段。

    结合本次产品创新数字化峰会的“绿色制造与可持续发展”主题,来自MSC、Abaqus、NUMECA等CAE软件提供商也分享了自己的解决方案。以MSC为例,通过提供“碰撞、多体动力学、CFD、结构和耐久性、NVH”等学科的虚拟仿真分析,为产品研发提供有效的支撑手段。

    同时,MSC还建立了CAE知识平台,结合MSC技术中心的研发特点和现状出发,充分体现和纳入技术中心在长期的CAE实践中取得的成果、经验、规范,形成一个基于成熟架构的CAE知识平台,这一平台将仿真知识(数据)管理、仿真流程管理、权限和分析任务管理等功能融于一体,建立并不断积累技术中心仿真分析的知识库,协助项目质量保障,从而支持企业的产品研发和创新工作。

    在电子散热仿真分析领域,明导公司的Mechanical Analysis部门介绍了其提供EDA领域的电子设计自动化工具、并对电子产品结构领域进行仿真分析的解决方案。通过同步CFD技术,实现了CAD工具与CFD工具之间的无缝集成,FloEFD工程师可以直接在Solidworks、 Pro/E、CATIA等CAD里面做专业的热仿真、流体仿真。不仅方便了工程师,更重要的是简化研发、生产与制造流程。

CFD设计流程对比   

    如今,CAE在我国经过二十多年的发展,已经在产品开发中得到广泛应用并发挥着重要作用:通过CAE分析的积累,企业在长期的CAE分析实践中,积累了大量的CAE分析模型、数据、结果和报告及与CAE有关的试验数据;当这些数据积累到一定阶段时,可以为更广泛产品研发提供参考,并形成了一套较为完整并经实践验证可行的分析流程和规范。

    3、虚拟现实技术

    虚拟制造是对制造过程中的各个环节,包括产品的设计、加工、装配,甚至产品后期的销售、维护维修进行统一模拟,形成一个可运行的虚拟环境,以专门的虚拟软件手艺为支撑,借助高性能的硬件,在虚拟制造过程中实现可视化、可检测和可反馈,从而缩短实际产品的设计与制造周期,降低开模的开发成本,提高快速响应市场和应变的能力。

    在本次产品创新数字化峰会上,来自达索系统的合作伙伴爱迪斯通就着重介绍了虚拟现实技术。譬如在汽车行业,通过虚拟模拟机具操作合理性、人力作业可行性、工厂风险评估、制定生产线流程等因素,达到分析多任务及更换生产线可行性的目的,并虚拟实现确保工程人员在工作区的操作质量,继而有效减少生产线各区工作流程与时间。

AXIS3D   

     在产品的展示阶段,通过集群式大型投影系统,可以多通道立体的呈现产品视景,让用户逼真地体验产品所要传递的效果。

    4、快速成型技术

    在产品研制过程中,对绿色制造和节能环保产生关键作用的另一项技术——快速成型技术,也在本次产品创新峰会上进行了展示。

    快速原型制造是一项集计较机、激光、数控及慎密传动等手艺于一体的制造手段,其在原理上打破了传统加工工艺采用材料“开模”的原则,而采用材料“逐层聚积”的原理,能按照产品的CAD模型数据,快速地制造出具有必然结构和功能的产品原型,由此可有用地加速新产品的开发速度,降低新产品开发研制的成本和投资风险,缩短了新产品研制和投放市场的周期,特别是在小批量、多品种、改型快的产品领域具有广泛的应用前景。

    对“绿色制造”产生重要影响的因素是,快速成型技术减少了产品研制过程中的开模,减少了原材料的浪费,节省了成本。

    作为三维打印和快速成型和三维扫描的增长型及创新领导者,Z Corporation在本次产品创新峰会上展示了其技术特色。对于如今的三维打印技术,无需特别培训,随时随地可进行操作。ZPrint软件可实现粉末、粘合剂以及油墨水平的桌面监控以及远程读取机器的LCD 显示,同时可以通过打印机显示界面,可在机器上执行大部分操作,整个打印过程无需值守,就可以构建与实际产品外形完全一致的模型。

ZPrint   

    如此一来,通过三维打印技术,可以在大规模生产前评估产品设计,并且验证设计的形状、匹配和功能,进而基于此进行交流和设计更改。

    5、材料信息化管理

    除了上述可以支撑产品绿色制造和可持续发展的技术外,本届产品创新数字化峰会上还有材料信息化管理的供应商分享相关解决方案。

    美国西格玛软件就是这样一家公司,试图从材料信息化管理去解决绿色环保、节能低碳问题。通过SigmaNEST优秀的板材和余料管理,西格玛实现了在产品设计过程中可以生成各式各样的板材余料报表,并且自动判断余料的可用性并自动生成多种不同的剪裁方式, 将板材余料裁减为方便应用和储存的形状,存放进数据库。这样的好处是:可以很大程度上消除主观因素的影响,为套料人员提供更宽阔的思路,提高版材的利用率,避免余料的产生,为企业带来效益。

SigmaNEST   

    同时,西格玛提供了优化算法的切割技术,伴随着计算机技术,数控设备,先进的切割工艺的产生,这样的技术更加节省板材;另外西格玛提供了废料的连接或并排功能、板材条码管理系统和余料优先使用管理,这些都一定程度的为节省了原材料和降低了成本。

 

三、信息化技术支撑绿色制造

    随着可持续发展理念的推广,绿色环保的思想已经深入人心。绿色制造是综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式,是制造企业可持续发展的必由之路。而模块化设计、PLM等信息化技术,毋庸置疑对于企业提升效益、提升竞争力,实现绿色制造、绿色设计具有很重要的作用。那么这些作用究竟体现在哪些方面呢?

    1、信息化对中联重科绿色制造的支撑作用

    来自中联重科的CIO王玉坤分享了中联重科信息化应用情况及其在绿色制造方面的应用。

    中联重工科技发展股份有限公司创立于1992年,经过18年的发展,已跃升为总资产400多亿元、员工近20000人的高科技上市公司,在中国工程机械行业排名第2,全球工程机械行业排名第10位,全国首批创新型企业之一。主要从事建筑工程、能源工程、交通工程等国家重点基础设施建设工程所需重大高新技术装备的研发制造。

    作为全球第一的混凝土设备的制造商,中联重科的创新能力在世界舞台上占有一席之地,而这背后也离不开公司所搭建的统一的产品创新平台。中联重科已建立了整体应用系统架构,如下图:
 
中联重科

中联重科整体应用系统架构
(蓝颜色的已经建设完成,灰颜色正在建设中)

    整个集团PLM系统的实施采取集团内统一平台、战略合作集团采购、先试点后推广的整体策略,并取得了很好成效。

    王玉坤总结说尽管企业无法把取得的经济收益都归结信息技术,也不能估算出由多少是由信息技术带来的,但PLM系统的实施促使新产品上市时间缩短了30%;单台设备装配时间减少了40%左右;务配件的准确率大幅提高;单台设备的零件种类减少10%;实现了技术人员集团内共享使用;并且先进的信息技术也有效的改善了中联重科的产品设计并在一定程度上实现了绿色设计。

    中联在绿色制造这方面主要是通过一些新技术的应用:

    1 出图的管理。通过集中管理、增加现场电子设备的方式,控制出图量,尽量让操作工人在现场看到,减少出图量。

    2 减少样机生产量。以前每出产一款新机之前会先制造出样机,而现在可直接通地通过仿真软件在电脑上做模拟实验,便可以发现很多的问题,从而减少了样机的制做。

    其实除了采用一些信息技术来改善产品设计达到环保的效果外,中联的产品本身也具有环保的作用。比如说中联的电控技术,大家日常看到的某些工程机械设备又大又粗又笨,但实际上却可以精细到开酒瓶子。为什么能做到这一点,因为采用了电控技术。另外还包括新材料的应用,如碳纤维材料。中联的环保产品在电动混合动力的应用,也取得了很好的成果。 

    中联重科在绿色制造方面还体现在再制造上。一是通过把产权保护回收的设备通过重新再制造作为二手设备卖给客户,继续服务社会。二是将客户更换下来的设备回收重新再制造。通过这种方式延长了工程机械的寿命,大大节省了社会资源。

    2、自研集成平台助力“智慧城市信息系统”

    面对越来越多的通用和专用的软件,应用到一定程度,往往会遇到一定的问题和瓶颈,譬如:自研的程序,需要集成,发现数据格式混乱,模块不清晰,困难重重;因安全保密要求,自研的软件无法外包给其人员来集成,只能企业自己勉强来做,造成应用效果不好。

    在这些问题面前,中国船舶科学研究中心702所冷文浩教授给出了他们企业的解决办法:通过“高内聚,低耦合”的原则,将软件模块先最小化拆分,然后再按“业务分类、功能流程、使用习惯”等方式进行组合,实现了自研软件集成。另外,针对异构的多种软件,定制统一的软件操作界面、实现商业软件和自研软件的后台调用和批处理、并将多软件平台之间数据转换接口进行开发、完成CAD到CAE的数据传递过程中模型的处理技术,以此实现多种软件之间的集成。

    同时,冷教授提到通过702所完成的自研集成平台,已成功实施了船舶领域很多典型的案例。

自研集成平台   

    在此平台上,702所帮助欧洲客户ACADIS公司开发了市政多行业空间一体化管理系统。该系统可以对道路,绿地,地下排污管线以及任何与市政管理有关的业务进行一体化的管理,展示了数字市政一体化空间管理的功能和技术概念。

    同时提供了地下管网管理系统,该系统具备对地下管网的施工,日常维护,项目预算,规划做出体系化的管理的功能。地下管网包括电缆,排污,供水,通讯光缆,煤气管道,石油天然气管道等,实现了“智慧城市信息系统”。

 

四、绿色设计典型产品

    在工作生活中,我们经常会遇见很多采用了绿色设计手法的产品,比如我们常用的图形工作站如下图,这是惠普公司出品的Z600图形工作站,使用者可以通过个人需求进行自行定制,在保持外观不变的情况下,我们就可以个性化的选择多种功能类型的图形工作站产品。

Z600   

    Z600在节省空间的同时也提供不俗的性能,同时为保证用户的工作效率在内部散热、降低噪音等细节做足了功夫,都得益于Z600内部其优秀的模块化设计。不同性能组件都以精致的模块化方式,包括集成的把手、直连式无线缆设计的硬盘托架等不仅拆卸免工具,还易于扩展和维护。主板下线缆隐藏设计走线方式使得其虽然内部元件众多,但并不像普通工作站那样凌乱。此外,6个高性能显卡和I/O插槽保证了更快的组件链接带来的更高性能和更灵活的扩展性。

    在散热、节能和降噪方面,Z600堪称双路至强工作站的典范。Z600采用支持HP WattSaver技术的直连式低噪音效率电源和温控静音风扇,更有利于内部散热,最大限度加快空气流动,将电源和散热成本降至最低。Z600的运行温度在5°到 35°C 之间;非运行在-40°到 60°C之间。惠普工作站Z600主动式强散热功能,在较小的空间将散热功能做到极致;创新的工业化机箱设计,在保证产品的稳定性同时,占用空间最小,实现了安静的工作环境。对于如今动辄需要十几台以上工作站一起工作的行业用户而言,Z600可以为他们打造更加舒适的绿色工作空间。

五、总结

    e-works认为,绿色应该是整个生态链上的绿色,并且是所有企业和全社会的责任。而信息化技术无论是对于制造企业还是致力于提供解决方案的软件厂商而言,都是一种有力的支撑,未来在绿色设计和绿色制造的过程中还会发挥更大的作用。

    本次产品创新数字化峰会的成功举办为企业代表与信息化厂商提供了一个交流的平台,为制造企业带来了产品创新数字化领域的前沿动态及相关信息,并在全球提倡“绿色制造与可持续发展”的大背景下,与企业一线的实践专家共同探讨了如何通过数字化技术帮助企业提升产品创新能力,对于推动“中国制造”向“中国创造”转型、推广普及绿色制造、绿色设计理念具有非常积极的意义。

收藏 推荐 打印 | 录入:manager | 阅读:
mes