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1低碳制造理論概述

1.1低碳制造理論的含義及其技術(shù)內(nèi)涵

本質(zhì)上，低碳制造是以對各種資源最大化的利用與能源最小化消耗綜合考慮為前提的一種現(xiàn)代制造模式；它是將實現(xiàn)低碳生產(chǎn)，并確保機械生產(chǎn)與保護生態(tài)環(huán)境相統(tǒng)一作為目的的。為了達到這個目的，在整個生產(chǎn)的過程中，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，特別是資源利用、物流運輸、生產(chǎn)制造以及機械生產(chǎn)的各個階段，都必須采取行之有效的策略盡可能地提高資源利用率及強化節(jié)能減排。低碳機械制造技術(shù)是在傳統(tǒng)的機械制造技術(shù)上發(fā)展而來的。同時，它又將節(jié)能、降耗以及環(huán)保觀念有機結(jié)合起來。低碳機械制造技術(shù)的出現(xiàn)，對于整個機械制造行業(yè)而言，有著重要的意義，起到了改進和優(yōu)化機械制造的作用。經(jīng)過近幾年的發(fā)展，低碳制造技術(shù)已取得了一定的成就，其本身的內(nèi)涵也越來越豐富。目前，低碳制造技術(shù)的內(nèi)涵主要包括以下幾個方面：

1.1.1清潔能源技術(shù)的應(yīng)用

目前，清潔能源的利用技術(shù)主要包括太陽能技術(shù)、沼氣能技術(shù)、風能技術(shù)、水能技術(shù)、生物質(zhì)技術(shù)以及潮汐發(fā)電技術(shù)等。這些技術(shù)的利用，不僅減少了以石油、煤炭為主的傳統(tǒng)能源的消耗，而且也大大降低了污染的排放量，保護了生態(tài)環(huán)境。

1.1.2低碳制造設(shè)計技術(shù)

低碳制造設(shè)計技術(shù)是以具體生產(chǎn)流程、模型的設(shè)計以及方法作為著眼點的，它包含了多個領(lǐng)域。目前，低碳制造設(shè)計技術(shù)主要包括以下幾個方面：低碳制造的設(shè)計原則與方法，低碳制造設(shè)計的評價基礎(chǔ)與流程、低碳制造設(shè)計的標準、低碳制造設(shè)計的優(yōu)化模型以及低碳制造設(shè)計的數(shù)據(jù)庫等。

1.1.3低碳制造技術(shù)

對于發(fā)展低碳生產(chǎn)戰(zhàn)略而言，低碳制造技術(shù)是其關(guān)鍵所在。究其原因，主要是低碳制造技術(shù)是針對實際機械生產(chǎn)過程的。目前，低碳制造主要包括的工藝主要有制造工藝低碳化、制造過程中的低碳技術(shù)以及車間低碳技術(shù)優(yōu)化等。具體而言，低碳制造技術(shù)主要表現(xiàn)為對廢棄物的處理和循環(huán)利用，其大致由污水、廢氣以及報廢產(chǎn)品等處理技術(shù)組成。

1.1.4碳匯技術(shù)

所謂“碳匯技術(shù)”是指通過碳捕捉技術(shù)將大氣層中的有關(guān)產(chǎn)業(yè)所生產(chǎn)的二氧化碳分離出來，并借助相關(guān)碳儲存手段將其封存到與大氣相隔絕的地方的一種技術(shù)。目前，我國的碳捕捉技術(shù)相對而言較為成熟，但碳儲存技術(shù)還需要對其進行進一步的研究。碳匯技術(shù)主要由兩部分組成，即煤炭的捕獲技術(shù)和煤炭的掩埋技術(shù)。

1.2低碳機械制造體系

低碳機械加工制造可以被看成是從系統(tǒng)資源和生產(chǎn)過程中釋放濃度較低的二氧化碳的過程。目前，在生產(chǎn)制造、資源利用、物流運輸以及產(chǎn)品使用或報廢等領(lǐng)域，低碳制造均有涉及。在實際生產(chǎn)過程中，通過采取有效方法提高資源的利用率，并在物流運輸、生產(chǎn)制造等環(huán)節(jié)中強化節(jié)能減排，以此來達到最終目標———低碳。低碳制造的綜合評估標準指標有三個，即資源的利用率、能源的消耗和碳排放量。低碳制造技術(shù)的內(nèi)容較為豐富，其評價模型主要由低碳設(shè)計技術(shù)、低碳設(shè)計的方法與原則、低碳評價數(shù)據(jù)庫以及低碳技術(shù)的評價方案共同構(gòu)成。低碳制造的體系結(jié)構(gòu)主要由三個方面的內(nèi)容構(gòu)成，即產(chǎn)品低碳設(shè)計、生產(chǎn)過程低碳化和低碳能源與原材料的開發(fā)。其中，低碳產(chǎn)品設(shè)計由輕量化設(shè)計、模塊化設(shè)計和生態(tài)化設(shè)計這三個方面構(gòu)成，低碳生產(chǎn)過程由加工設(shè)備、加工工藝和生產(chǎn)管理這三個方面構(gòu)成，而低碳資源與原材料開發(fā)則由原材料和能源這兩個方面構(gòu)成。

2低碳制造理論

在機械造行業(yè)中的技術(shù)應(yīng)用一般情況下，機械產(chǎn)品設(shè)計是以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化并使產(chǎn)品的功能、性能及質(zhì)量得以保證來作為設(shè)計目標的。但是，隨著人們的環(huán)境保護意識和資源節(jié)約意識的不斷提高，對機械產(chǎn)品提出了更高層次的要求。因此，對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，還必須盡可能地符合“低碳”的標準。加之，對于降低能源消耗而言，機械產(chǎn)品設(shè)計起到了關(guān)鍵性的作用。故而，分析和探討低碳制造理論中的產(chǎn)品低碳設(shè)計，對于降低能源消耗與提高能源利用率和找出環(huán)境影響因素與保護生態(tài)環(huán)境方面而言，有著非常重大的意義。而要想充分發(fā)揮低碳機械制造技術(shù)應(yīng)用的作用，就必須將其不斷應(yīng)用到實踐中去。同時，只有在實踐中，低碳制造技術(shù)才能夠得到進一步的發(fā)展和完善，以此來提高資源的利用率和加強節(jié)能減排，從而減少對能源的消耗和環(huán)境的污染，進而實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。下面，本文主要對產(chǎn)品低碳設(shè)計中的三個方面在實踐中的應(yīng)用進行具體的分析：

2.1輕量化設(shè)計

輕量化設(shè)計是一種將產(chǎn)品的重量、成本、性能以及配套設(shè)備等要素綜合考慮的優(yōu)化設(shè)計方法。目前，輕量化設(shè)計已被廣泛應(yīng)用到機械、船舶、火車、軍事及汽車等領(lǐng)域，尤其是在機械產(chǎn)品的設(shè)計中應(yīng)用最為廣泛。究其原因，主要是輕量化設(shè)計具有無可比擬的優(yōu)勢。其優(yōu)勢具體表現(xiàn)為以下幾點：一是，能夠減少原材料和產(chǎn)品加工、安裝、運輸、調(diào)試以及產(chǎn)品運行使用過程中的能源消耗，從而有利于提高資源的利用率；二是，能夠降低能源資源與原材料在生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的碳排放量和產(chǎn)品在運行使用過程中所產(chǎn)生的污染物排放量，從而有利于生態(tài)環(huán)境的保護；三是，能夠降低噪聲，從而極大地減少了噪聲污染。同時，在對產(chǎn)品進行輕量化設(shè)計時，應(yīng)注意保證機械產(chǎn)品使用的可靠性和性能。例如，德國汽車廠商奧迪公司于2007年推出的新一代奧迪TT跑車就很好地體現(xiàn)了輕量化設(shè)計的優(yōu)點。在生產(chǎn)這款跑車時，該公司充分應(yīng)用了新工藝與技術(shù)，將鋼材的強度與輕質(zhì)鋁合金材料的優(yōu)點很好地結(jié)合起來，從而使得這兩種材料的優(yōu)勢均得以充分發(fā)揮出來。這不僅大大減輕了車體的重量，而且也提高了公司的經(jīng)濟效益。同時，這還大大減少了跑車在使用過程中所產(chǎn)生的尾氣排放量，并有助于能源的節(jié)省，帶來了較好的環(huán)境效益。

2.2模塊化設(shè)計

機械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計是一種較為先進的機械產(chǎn)品設(shè)計方法。先根據(jù)功能的不同，我們可以將整個模塊化設(shè)計系統(tǒng)分為若干個不同的模塊。然后再根據(jù)具體的實際情況和機械產(chǎn)品設(shè)計的需要，通過對不同模塊進行優(yōu)化組合或整合而獲得不同品種或規(guī)格的機械產(chǎn)品。目前，隨著“低碳時代”的到來，機械產(chǎn)品的模塊化設(shè)計已被廣泛應(yīng)用到機械、軍事、電子、航空及航天等領(lǐng)域。之所以要對機械產(chǎn)品各功能單元進行模塊劃分，其主要原因是因機械產(chǎn)品存在大量的非功能性單元而造成機械資源、能源的大量浪費和產(chǎn)品在實際使用過程中的不便。這不僅對機械的運行和維護造成嚴重的影響，而且也阻礙了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。加之，當前很難用一個固定的標準來對機械制造產(chǎn)品中的非功能單位進行衡量。因此，必須對機械產(chǎn)品中的每個功能性單元進行模塊化劃分，并以評估劃分后模塊的方式來實現(xiàn)降低能源消耗與資源消耗的目的，從而最終達到在保證設(shè)備功能性能和可靠性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)能源、資源節(jié)約的最大化。此外，要想使低碳生產(chǎn)技術(shù)得以更新和發(fā)展，還必須對企業(yè)應(yīng)用低碳制造技術(shù)后的成效進行檢查和驗收。例如：德國Index公司所開發(fā)的復合型生產(chǎn)加工機械設(shè)備，通過將不同的模塊進行優(yōu)化組合，完成了鉆削、車削、磨削、滾齒、激光熱處理以及銑削等多種工序，從而使得復雜零件的全部加工得以實現(xiàn)。由此可知，采用模塊化系列產(chǎn)品設(shè)計方案，能夠?qū)崿F(xiàn)一機代替多機，大大減少了生產(chǎn)過程中機床的數(shù)量，從而大大減少了生產(chǎn)的成本和能源、資源的消耗，取得了較好的經(jīng)濟效益。同時，這也完成了完整的低碳生產(chǎn)流程，實現(xiàn)了低碳化，取得了較好的環(huán)境效益。

2.3生態(tài)化的設(shè)計

生態(tài)化設(shè)計是指在保證機械產(chǎn)品使用功能性能和可靠性的基礎(chǔ)上，最大化地減少能源、資源消耗或浪費以及對生態(tài)環(huán)境的破壞的一種優(yōu)化設(shè)計方式。目前，生態(tài)化設(shè)計所涉及的領(lǐng)域相當廣泛，基本上涉及了所有的行業(yè)和產(chǎn)業(yè)，如機械、交通、能源、化工、資源、電子以及建筑等行業(yè)。在機械產(chǎn)品設(shè)計過程中，在對材料進行選擇時應(yīng)對以下兩點內(nèi)容進行考慮：一是，優(yōu)先選擇可再生、可循環(huán)利用以及可生物降解且以節(jié)約能源、資源和綠色環(huán)保為前提的材料，以此來提高能源、資源的利用效率；二是，盡可能地避免選用污染多、有毒、有害、有輻射特性以及能耗高的材料，以此來保護生態(tài)環(huán)境。一般情況下，機械制造在生產(chǎn)的過程中必然會產(chǎn)生大量的廢氣、廢水以及廢渣等污染物。這不僅對生態(tài)環(huán)境造成較大的破壞，而且還嚴重危害到操作者的身體健康。因此，機械制造企業(yè)應(yīng)盡可能地將生態(tài)設(shè)計應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中去，并選用環(huán)境污染少、經(jīng)濟效益好、能源利用率與生產(chǎn)效率高以及科技含量高的新工藝和新技術(shù)。加之，廢品回收對于節(jié)約資源和環(huán)境保護而言，具有重要的意義。故而，在對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，還必須充分考慮產(chǎn)品報廢后的回收與再利用問題，以此來實現(xiàn)能源、資源的可重復利用，從而最終實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

3結(jié)束語

綜上所述，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源供需矛盾日益突出的同時，生態(tài)環(huán)境也遭受到了前所未有的破壞。因此，在機械制造行業(yè)提倡和推行低碳制造技術(shù)，有著非常重要的意義。為了真正地落實低碳制造的目標，機械制造行業(yè)必須以低碳制造理論取代傳統(tǒng)的機械制造理論，并采取行之有效的策略進行低碳改進。同時，這還需要進一步對機械制造中的低碳制造理論及其技術(shù)的應(yīng)用進行探討。

作者：陳剛單位：嘉興職業(yè)技術(shù)學院