朱伟， 张质良，董湘怀。舒世湘
(上海交通大学国家模具CAD 工程研究中心，上海200030)

模具工业是制造工业化生产的基础工艺部门，它的生产技术水平高低， 已经成为衡量制造业水平的重要标志。以前，传统的模具设计过程一般仅仅需要考虑模具产品的基本属性，如模具的功能、质量、成本和寿命等等， 而很少、甚至不考虑它的环境属性。通常按常规思维来说，一个小型模具产品在完成使用后就成了一堆废弃的“垃圾”，回收利用率低，这也是在模具工业中开模难的最根本原因。因为一旦开了模，模具材料就很难再利用了，导致造价费用高。同时最重要的是这样也就造成了资源、能源严重浪费，而且模具材料中含有的毒、害物质，会严重污染生态环境，妨害人体健康。

1模具的绿色制造

模具的绿色制造设计要求设计者在构思阶段就要优先考虑模具产品的环境属性(模具的可拆卸性、可两次回收性等等)，然后再考虑原有应该考虑的模具产品应用的基本属性。总的来说，模具绿色制造的整个生命周期(图2)包括以下几个阶段。

1．1 模具设计阶段

模具绿色设计对模具绿色制造有着非常重要的地位，这一步解决的好坏直接影响到最终模具产品的绿色成分影响作用。

1．1．1 原材料的选择

模具材料的选择是模具产品设计的第一步。绿色制造所用的模具材料选择对最终模具产品的“绿色程度”具有非常重要的意义。主要表现为：绿色模具材料是模具绿色设计的前提基础，所用材料是否是绿色材料(即对环境污染小)，在很大程度上左右模具绿色设计的最终效果。因此，绿色模具设计必须建立在绿色模具材料基础上。
绿色模具材料具有几个主要特征：

① 是低能耗、低成本的材料，尤其是少污染的材料；

② 是易加工和加工过程中无污染或少污染材料；

⑧ 易回收处理的材料， 可重复多次使用或可降解，如玻璃制品等。

1．1．2 原材料的回收处理

模具绿色制造设计阶段过程中另一个需要重点考虑的问题就是模具原材料的同收问题。回收性设计是指在模具产品绿色的设计初期充分考虑产品中所用各种材料的回收、再利用的可能性以及回收处理的方法、回收费用等等有关一系列问题。这样就可在后续生产中尽可能节约材料，减少浪费。这当中回收性主要内容包括可同收材料及标志、回收处理方法、回收性的技术经济评估及回收性的结构框架设计。

回收性的主要原则是：

① 避免使用有害或对环境有重污染的材料，如不要过多使用铜、铅等有害金属材料：

② 尽可能减少所用材料的种类；

③ 避免使用与现有标准循环再回收过程中不相兼容的材料；

④ 多使用无需特殊工具的连接件；

⑤ 设计尽可能允许使用已有的一些可重复利用的现有零部件。

1．1．3 可拆卸性

对于模具绿色制造来说， 模具可拆卸性是很重要的。有时可通过简单更换凸、凹模即可实现一种新产品的生产。如果模具不具备可拆卸性，那不仅会造成大量可重复使用零部件材料的浪费， 而且可能会因废弃物处理不好而带来严重的环境污染。可拆卸性设计要求所设计的模具结构易于拆卸，维护方便，这样就便于在后续回收处理中再利用。

可拆卸性设计的基本原则是：

① 尽可能减少拆卸的工作量， 明确应拆卸的零部件和可拆卸的部件，把传统设计中由多个零件完成的功能尽可能集中到一个整体零件上，减少总零件数；

② 可预测产品的构造，避免使用一 可能相互影响的零件组合；

③易于分离，避免必须借助一些特殊的装备才能拆卸的可能性；

④ 减少非标零件，尽可能使用现有标准化零件。这一步设计很重要，对后续可回收性影响较大，所以设计时要多参考别人的有益经验和防止现有模具的种种弊端。

1．2 模具绿色32艺规划阶段

在模具绿色制造过程中， 采用绿色工艺也是实现模具绿色制造的一个重要环节， 它是一种既能提高经济效益，又能同时减少环境影响的 I=艺技术。它要求在提高生产效率的同时必须兼顾削减或消除危险废物及其他有害有毒物质的用量，改善劳动条件，减少对操作者的健康威胁，并能生产出安全的与环境兼容的产品。
近来年，已经有以下的几种绿色智造技术被提出：

① 高速切削（High-speed Machining,HSM），在模具领域里，它主要应用于加工一些复杂曲面。

② 快速原型制造（Rapid Prototying Manufacturing,RPM），是一项集激光、材料、信息及控制等技术于一体的高新制造技术。它是基于一种“添加、累积”原理，能够根据产品的CAD数据模型快捷地制造出具有一定结构和功能的原型，甚至最终成品，借此可有效地加快新产品的开发速度， 并可大大降低设计和制造模具的成本。

③ 虚拟现实技术(Virtual Reality Technology，VR)。虚拟制造技术是在产品真正制造出之前，首先应用专门虚拟软件在虚拟制造环境中生成软产品原型代替传统的硬样品进行试验，并对其性能和制造可行性进行前期预测和评价，从而缩短模具产品的设计与制造周期，降低开模的开发成本，提高快速响应市场变化的能力。

模具绿色制造工艺的实现途径：

① 优化原有设计中有害材料的投入量， 在不严重影响产品性能的前提下有选择性加入一些相对影响环境较小的替代品，另一方面，充分利用一些再生材料的再生能力， 就地有效地循环利用这些再生材料；

② 改造原有设备，从而改进模具生产工艺流程或制造技术参数，并尽可能提高工艺控制精度，将原材料的消耗量、废物产生量、能源消耗、健康与安全风险以及生态的损坏减少到最低程度；

③ 加强对自然资源有效使用，以及做好周围空气、土壤、水和废物排放的环境影响评价，并根据周围环境负荷的相对尺度。确定其对人体健康、自然资源的影响评价。

1．3 模具销售及使用阶段

销售过程中涉及到的绿色问题就是如何对产品进行绿色包装，对模具产品也不例外。绿色包装就是着重从保护环境的角度出发， 尽可能使模具产品进入销售、使用、废弃的物流过程中，其对环境资源消耗和废弃物产生量最小。它主要包括三个方面的内容：模具包装材料的选择、模具包装结构和模具包装材料的回收。
绿色包装具体包括以下几个内容：

① 尽可能使用现有旧材料包装模具成品 ，因为产品不同于其他一些精制产品(如食品)，它不重产品的外包装精美问题， 它只关心产品的内护质量，所以，可在模具远程配送过程中，在不影响包装强度的前提下尽可能使用一些常见的木制（如合成板），而不是选择一些比较结实、昂贵的木制品（如松树板）或金属箱子

② 合理设计包装箱内部结构，从而简化包装复。即多个零件能在一个包装箱中放置。就不分开放置。同时，为了避免零件之间在运梳过程中互相摩摩擦磨损而影响模具产品表面质量， 可在其中多放置一些软性材料来隔离，如放置一些麦秸。

③ 在包装箱上注明包姨材料的可回收性标志及回收处理方式。如是一些客户不能处理或难处理的，可注明可寄回原处处理，并给予一定的经济补偿。这样虽说初期阶段，成本可能会有所增长，但从长远来考虑，也不失为节省成本的好方法。

总而言之，绿色包装尽量做到“3R1D”(Reduce减量化、Reuse 回收重用、Recycle 循环再生和Degradable可降解)原则。

在销售过程中， 另一个需要注意的问题即是宣传绿色模具的使用方法， 为后续的绿色使用提供一个良好的基础。

1．4 模具维护服务

在模具的使用过程中，由于其特殊性，最多的工序就是模具的修模问题。这同模具绿色制造过程一样，也需要进行绿色处理。这一阶段需要采取以下措施：

① 在进行尺寸修模时，尽可能进行人工修护，少用或不用机加工；

② 少用或不用有害溶液对模具进行表面处理，如盐酸或甲醇等；

③ 在维护模具表面硬度方面，尽可能减少热处理工序。

1．5 模具的绿色回收、再处理阶段

由于新产品的不断开发， 旧产品模具必将被逐一淘汰。如何对废弃模具进行同收处理?如彻底废弃则严重浪费资源，但不废弃也无他用且还要占据一定的存模空间，这是目前一直困扰模具行业无法得到解决的问题。提出模具绿色制造问题，很大一部分原因就是基于要有效地解决这个问题。如果模具在设计和制造阶段就采用了绿色概念 则后续的回收处理就比较简单。即只需根据模具的具体磨损情况，有针对性地进行拆卸，取其可用部分，进行适当修护加，即可应用到新模具产品上。剩余部分则可作废料处理。

绿色回收处理有以下几条准则：

① 对各类模具可拆卸零件进行分门分类放置，如含有辐射性物质的， 则采取一定措施进行专人管理专门放置；

② 对可用零件进行编号，并存储其尺寸和拓扑结构数据于计算机数据库中，建立模具零件数据管理信息系统，以备随时查询调用；

⑧ 尽可能不使用有害物质或液体对模具进行表面处理。
2 绿色制造的展望

尽管绿色制造概念是近几年来提出来的，但其显示出了前所未有的生命力，其前景是非常美好的。因此，笔者认为，在推广绿色制造概念过程中，尚需从以下几方面人手：

(1)需要整个社会建立一个支撑系统绿色制造并不是一个行业做到就可以了， 它需要的是全社会的共同努力和参与。绿色制造的社会支撑系统涉及到的首要问题就是如何对绿色制造进行立法和行政规定问题。其次，政府可以通过灵活地制定一定的经济政策， 在市场机制作用下来引导全社会对绿色制造的自觉实施。例如，制定有效的资源价格政策， 利用经济手段严格控制不可再生资源的消耗等。

(2)大力宣传绿色制造概念，向国际行业标准看齐。随着世界经济的一体化，绿色产品的市场竞争将在全球范围展开。近年来，许多国家对进口产品要进行所谓“绿色认证”，特别是一些发达国家以保护本国环境为由，制定了苛刻的产品环境指标来限制国外产品进入本国市场，也即所谓设置“绿色贸易壁垒”。绿色制造将为企业提高产品的绿色水平提供技术保障手段，为企业走向世界，消除国际贸易壁垒提供有力的支撑。

(3)大力发展集成制造系统技术当前，产品和工艺设计与材料选择系统的集成、用户需求与产品使用的集成、绿色制造系统的信息集成、绿色制造的过程集成等集成技术的研究已成为重要研究内容。

(4)发展绿色并行工程绿色并行工程是现代绿色产品设计和开发的新模式。它以集成的、并行的方式设计产品及其生命周期全过程，力求使产品开发人员在设计开始就考虑到产品整个生命周期中从概念形成到产品报废处理的所有因素。如质量、成本、用户要求、环境影响、资源消耗状况等。

(5)应用人工神经智能技术绿色产品评估指标体系及评估专家系统， 均需要人工智能和智能制造技术。因此，基于知识系统、模糊系统和神经网络等人工智能技术将在绿色制造中起到重要作用。