资源节约型产品生命周期设计的主要原则

资源节约型产品生命周期设计的主要原则，如图7-21所示。

1.材料节约型设计原则

材料节约型设计主要原则如下。

（1）材料易回收再利用原则

不同材料的回收再生性能不尽相同。为了充分有效地使用材料，在设计阶段就要考虑材料的回收和处理性能，以便最大程度地节约资源；尽可能地将相同材料制成的零部件集成在一起，并能以一种简单的方法拆卸。

支持：各种材料的回收和处理性能数据库；拆卸方法知识库。

（2）选择非稀缺材料原则

图7-21 资源节约型产品生命周期设计的主要原则

稀缺材料是重点节约的资源对象。尽可能地选择易循环、存储量大的材料，尽可能地少用稀缺的材料，尽可能地寻找其代用材料，多用废料、余料或回收材料作为原材料。

支持：稀缺材料数据库；代用材料知识库；企业已有的废料、余料或回收材料数据库。

（3）减少材料种类原则

材料是根据产品功能、结构和成本需要选择的。满足功能和结构要求的材料可以有多种类型，过去是按照材料的最低成本原则选择材料，这样容易导致材料种类过多。减少材料种类原则的出发点是：①通过增加同类材料的使用量，可以形成较大采购批量，降低材料的购买价格；可以减少库存和浪费。②减少材料种类，可以提高制造过程的效率，因为不同材料的零件加工，经常需要不同的刀具和设备；便于在回收处理中分检出更多的纯材料。这里需要进行产品族生命周期成本的分析计算。

支持：材料采购数量与采购价格的关系数据库；不同材料的零件和同一材料零件的制造费用和回收费用的比较数据库；产品生命周期成本分析系统。根据所减少的成本，给予员工一定比例的奖励。

（4）选择相容性材料原则

选择彼此相容的材料的优点是：不同材料构成的零部件即使被连接在一起无法拆解，也可以一起被回收利用，减少拆卸成本和处理成本。缺点是：有些零部件的材料成本要增加。这里需要对连接在一起的零部件的生命周期成本进行分析计算。

支持：相容材料数据库；不同材料的零件和相容材料零件的回收费用数据库；产品生命周期成本分析系统。

（5）材料可加工性原则

在设计阶段考虑材料的可加工性可以提高产品经济性、减少能耗和制造过程的不利副产品。例如，使用粉末冶金成形技术制造齿轮等外形复杂、加工精度要求高的部件，在强度和寿命要求可以满足的情况下能够显著提高工效、降低成本。

支持：材料可加工性数据库。

2.能源节约型设计原则

产品节能低碳设计主要原则如下。

（1）原材料能耗尽可能少原则

原材料的采掘和生产的工艺过程越复杂，消耗的能源就越多。生命周期设计时应考虑减少高耗能材料的使用。一般能源越高的材料，价格也就越贵。

支持：原材料能耗数据库。

（2）加工能耗尽可能少原则

不同材料在加工过程中所需的能量相差很大，应认真考虑各种材料在加工过程中的能量消耗，这一点对于规模生产尤为重要。因此在设计中应该优先选择制造加工过程中能量消耗少的材料，例如，切削45钢的能耗就明显小于切削不锈钢。另外，批量越大，越可以采用高效的加工方法，加工能耗也会显著降低，例如，螺栓自动生产线的单位能耗显著低于螺栓的单件生产模式。因此可以通过模块化和通用化设计，形成较大的生产批量，以降低能耗。

支持：加工工艺能耗数据库。

（3）使用能耗尽可能少原则

一些产品存在使用能耗问题，如汽车、机床和家电等，这些被称为耗能产品。耗能产品在使用中，随着一些零部件的老化、摩擦系数的提高等，其效率会逐步降低，能耗会逐步增加。

对策是：

1）通过及时的维修服务，保障其效率不变。

2）适时淘汰高耗能产品。在设计时需要考虑在保证产品耐用的基础上，赋予其合理的使用寿命。这里需要进行产品生命周期成本的分析计算。

支持：产品使用能耗数据库；产品维修成本数据库；产品生命周期成本分析系统。

（4）生命周期能耗最少原则

必须用系统的、全生命周期的观点，从全局看待原料采掘、加工和使用过程。例如，碳纤维属于高耗能原料，但是其在后续的使用过程中因为具有良好的强度、硬度和抗老化等特性而节省能源；铝加工是高能耗过程，但是由于铝比较轻，又易于回收，因此使用阶段的能耗较少。

支持：产品生命周期能耗数据库；产品生命周期成本分析系统。

3.零部件级资源节约型设计准则

（1）产品易拆解原则

1）非破坏性拆解方法。保证毫无损伤地拆下目标零件（要回收的材料及重用的零部件），这可以通过选用易于连接和分离的连接结构实现，如改焊接结构为嵌接结构。

2）易拆解方法。结构设计时采用易于拆解的连接方式，如采用易于分离的钩、卡销和螺钉等连接方式。

3）简化拆解方法。减少紧固件数量；采用统一标准的连接点，易于用统一的工具拆解及机械化拆解；将易损件布局在能调整、能再制造或能更换的零件上或区域内。

支持：产品拆解知识库。

（2）产品模块化原则

模块化产品是由各种功能模块组成，既有利于产品的装配、拆解，也便于废弃后的回收处理。但是产品模块化本身需要成本，这需要进行产品生命周期成本分析。

支持：产品模块化方法知识库；产品主结构和主模型库；产品生命周期成本分析系统。

（3）产品结构简化原则

提倡“简而美”的设计原则

1）减少产品零部件数量。既便于装配、拆解、重新组装，又便于维修及报废后的分类处理。

2）减少产品结构层次。将几种功能组合到一个部件或产品中，以便节约原材料和空间。例如，德国Viessmann公司开发了多功能集成的太阳能收集阳台栏杆，使用厚硼硅酸盐玻璃和耐用的真空管玻璃/金属收集器保证了安全性和长寿命，阳台栏杆和太阳能收集器不再需要独立建造，节省了能源和材料，而且这种收集器比平板收集器效率高30%。

3）简化产品包装。采用适度包装，避免过度包装，使包装可以多次重复使用或者便于回收，并且不会产生二次污染。

支持：产品结构简化知识库；产品包装简化知识库。

（4）零件再制造性原则

对于易损的贵重零件，尽可能考虑通过再制造方式得到重用。例如，经工艺处理，使其功能和使用寿命与同类新零件相同。

支持：产品再制造知识库；产品再制造企业数据库。

（5）零部件回收性原则

1）直接回收利用。在回收零部件的性能、使用寿命满足使用要求时，应尽可能将其应用于新产品设计中。

2）异化回收利用。对于不能直接用于同类产品的、性能和质量尚可的零部件，可考虑将零部件降格用于其他产品和场合。

3）资源回收利用。对于不能再用的零部件，将其原材料回收。(www.xing528.com)

4）无害化处理：对于连原材料都不能回收的零部件，进行无害化处理。

5）可回收零件的状态（如磨损、腐蚀等）要容易并且明确地识别，要根据其结构、连接尺寸及材料提出识别标志。

支持：零部件回收知识库；零部件回收渠道数据库。

4.制造资源节约型设计原则

制造工艺是否合理对加工过程中的能量消耗、材料消耗和废弃物产生的多少等有着直接地影响。制造资源节约型设计主要原则如下。

（1）制造过程仿真原则

应用计算机仿真技术和少量的实际样品试验验证结合，替代以往大量重复试验的方法，不仅可以节省大量的人力、物力，而且还可以缩短设计与制造周期。例如，在机床的机械设计中，可以用三维CAD/CAE软件来模拟从零部件设计到整机装配和工作的过程。

支持：制造过程仿真知识库；制造过程仿真系统。

（2）制造质量可控性原则

提高加工质量，减少加工过程中废品率，有助于减少资源的浪费。这需要多管齐下。

1）质量是设计出来的。设计是龙头，设计中要充分考虑如何保证产品制造质量。

2）改进工艺，保证产品的加工质量，提高产品的合格率。

3）培养员工的质量意识，使重视质量成为员工的自觉行动。

4）透明的、可追溯的质量控制过程：通过物联网和大数据，对产品质量进行全过程跟踪，一旦出现质量问题，就可以快速定位到质量问题的源头。

支持：产品质量设计知识库；产品质量数据库；产品质量分析和控制系统。

（3）工艺合理化原则

选择低能耗工艺，进行工艺合理化，简化产品加工流程，减少加工工序，促进生产过程的废料最少化，避免不安全因素。

支持：产品工艺合理化知识库；产品工艺数据库。

（4）回收处理绿色工艺原则

在产品设计中，要考虑到产品废弃后的回收处理工艺方法，使产品报废后易于处理处置，并且不会产生二次污染。例如，对材料可以加上标示或内置信息芯片，以便于识别及分拣。

支持：产品回收处理绿色工艺知识库；产品回收处理数据库。

5.产品级资源节约型设计原则

（1）产品使用寿命合理化原则

通过优化产品结构，优化产品功能及延长产品使用寿命。在保证产品耐用的基础上，赋予产品合理的使用寿命。

支持：产品结构优化案例库；产品结构设计知识库。

（2）产品适用性原则

在设计过程中，注重产品的多品种及系列化，以满足不同层次的消费需求，避免大材小用、优品劣用。

支持：产品适用性知识库。

（3）产品维修性原则

在设计中需要考虑如何方便维修，降低维修成本，快速进行维修。因为维修时间长，会给用户的生产和产品使用带来较大的影响。

支持：产品维修知识库；产品维修数据库。

（4）产品可扩展性原则

产品设计不仅需要考虑产品本身的寿命，还要考虑通过更换功能或结构模块实现产品升级，延长产品使用周期，提高资源的利用率。

支持：产品可扩展性知识库；产品升级数据库。

（5）生命周期成本最低原则

降低产品生命周期的资源消耗，同时也意味着降低产品生命周期成本，这会为企业带来利润的增加。

支持：产品生命周期成本数据库；产品生命周期成本分析系统。

6.协同优化原则

资源节约型产品生命周期设计，只有产品生命周期相关的企业和用户协同进行，才能取得较好的效果。

（1）企业与供应商协同优化

一方面，企业为供应商提供必要的信息与帮助，让供应商了解产品未来的需求，协同企业进行产品优化，如产品模块化等，共同开发资源节约型产品；另一方面，企业了解供应商的能力、技术和产品等，支持供应商开发资源节约型的材料或零部件。

支持：供应商数据库；供应商产品模块库；产品协同优化系统。

（2）企业与客户协同优化

这里的客户是下游企业。一方面，企业需要为客户提供产品节约资源的信息和方法；另一方面，企业需要了解客户对节约资源的需求，协同进行资源节约型产品的优化。

支持：企业客户需求数据库；企业客户协同优化数据库；产品协同优化系统。

（3）企业与经销商协同优化

一方面，企业主动为经销商提供资源节约型产品信息和节约资源的方法，协同推广资源节约型产品；另一方面，企业通过经销商了解客户需求，开发出满足客户需求的资源节约型产品。

支持：经销商和客户需求数据库；经销商和客户协同优化数据库；产品协同优化系统。

（4）企业与消费者协同优化

消费者是产品的终端用户。一方面，企业开展产品的“碳标签”认证，通过节能服务等，赢得消费者的认可和配合；另一方面，企业通过获取消费者的产品需求和使用习惯等大数据，帮助企业在满足用户需求的同时节约资源。

支持：终端用户需求数据库；企业与消费者协同优化数据库；产品协同优化系统。

（5）产品生命周期协同优化

通过产品生命周期各个环节的企业与人员的协作，在产品设计前期就充分考虑产品生命周期中的资源节约问题，并反馈产品生命周期中对资源节约的需求。

企业的资源节约活动可以依靠广大员工共同开展。因此需要有较好的度量和评价方法，并要从员工的资源节约效益中提取部分奖励给员工，激励员工持续参与资源节约活动。

企业的资源节约活动也可以依靠外部企业和人员，由于他们具有丰富的资源节约经验，使企业可以找到最合适的合作伙伴，实现资源节约的目的。

支持：产品生命周期数据库；产品生命周期协同优化数据库；产品生命周期协同优化系统。