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  一、概述

  自20世纪以来,全球经济飞速发展,对自然资源及能源的过度开发利用带来了全球的生态的破坏、资源短缺、环境污染等重大问题。其中,机电产品制造业是最大的资源使用者,也是最大的环境污染源之一。据统计,造成全球环境污染的70%以上排放物来自制造业,由此,它们每年约产生55亿吨无害废物及7亿吨有害废物。为尽可能减少大量废旧产品对环境的危害,最大限度地利用废旧产品中的零部件,再制造产业(工程)应运而生。再制造是专业化、批量化、规模化修复的生产过程,以废旧汽车零部件、工程机械、机车、机床等废旧工业产品为对象,以复合表面工程、再制造毛坯快速成形、纳米表面工程、修复热处理、应急快速修复等先进再制造材料成形加工关键技术和产业化生产为手段,使再制造产品达到或超过同类产品新品质量标准的产业。再制造工程可以延长产品的使用寿命,提升产品性能,节约能源,实现废品资源话,保护环境,是符合国家可持续发展战略绿色系统工程。据介绍,全球再制造产业年平均增速为10%,2015年产业规模将达到2500亿元。与新品相比可省成本50%,节能60%,节材70%.

  通过研究再制造工程理论和技术,可以为废旧产品的科学利用提供依据,指导规范当前的再制造市场,这是符合走新型工业化的道路的重要举措。

  再制造工程是:以产品全寿命周期设计和管理为指导,以优质、高效、节能、节材、环保为目标,以先进技术和产业化生产为手段,来恢复或改造废旧产品的一系列技术措施或工程活动的总称。再制造是产品维修、报废阶段的一种再生处理,是对现有制造概念的延伸和革新。

  再制造不同于维修。再制造也不同于再循环。图1示出再制造在产品全寿命周期中的位置。产品全寿命周期包括:设计、制造、使用、维修、报废五个环节。

  图1 再制造工程在产品全寿命使用周期中的位置

  二、再制造工程研究现状

  1.国外研究现状

  1984年美国罗伯特教授首次提出了"再制造"概念,开始提倡旧品翻新或再生。20世纪80年代日本也已经提出了"再生工厂技术"的概念。再制造约在十几年前形成了思想雏形。

  国外首先在影响再制造经济因素、市场因素、环境因素等方面作了一些调查研究,并建立了一些基础模型,这些模型多比较注重经济因素和市场因素,往往从产品设计的角度对再制造进行考虑。1996年美国Robert T.Lund教授主持了对美国的再制造业的深入调研,撰写了研究报告"再制造业:潜在的巨人",建立了一个庞大的再制造公司的数据库:美国专业化再制造公司数量超过7.3万个,每年的销售额超过530亿美元,直接从事人员48万人。

  2000年11月15日,美国前总统克林顿宣布将当日定为"美国再循环日".日本于2000年也提出了"循环型社会"即"3R(Reuse,Remanufacture,Recycle)行动"的构想,制定了多部相关法律,如"家用电器再生法""建设再生法"等。资料表明,世界上发达工业国家政府部门已经对再制造的研究给予了高度重视。

  1984年开始设计,1962年投产使用,经过1980年、1996年两次技术升级改造及再制造的美军B-52H型轰炸机,预计寿命可延长到2030年。美国军队目前是世界上最大的再制造受益者。美国已于2010年明确将再制造列入为国防制造工业的优先发展的新重点。

  国外再制造已形成相当规模的产业,分散于各个行业,并着重于工程应用研究。但国际学术界对再制造相关理论及基础的研究尚未形成明晰的概念。

  到目前为止,美国拥有专业化再制造公司近10万家,占全球的70%,德国汽车汽车维修零部90%都是再制造产品,发达国家都把再制造看做发展绿色工业的有力抓手。循环经济产业是各工业国未来发展制造业的一大方向。

  2.国内研究现状

  由12位中国工程院院士和12位专家组成的咨询项目课题组结合国情提出再制造工程的概念并引进了系统的论证,完成了中国工程院2000年咨询项目"绿色再制造工程及其在我国的应用前景"报告。目前,再制造设计和成形技术的研究应用已经列入"十五"先进制造技术发展前瞻、关键技术项目。

  国内在再制造关键技术研究应用方面已初有成效。中科院兰州化学物理研究所等单位使用表面工程技术引进设备零部件的再制造研究和应用,对重载车辆的延寿做了大量的试验和研究工作。在舰船上推广新型电弧喷涂防腐技术,使钢构件的防腐寿命大大提高由5年提高到15年;应用等离子喷涂技术对重载车辆零件进行再制造修复,经考核证明,经再制造的零部件比新品的寿命提高了2~3倍。

  与再制造工程有关项目的研究也取得了一定进度。上海交通大学开展的国家自然科学基金项目,"基于回收性的汽车绿色设计若干基本问题研究",着重于以设计的角度考虑汽车的回收和环保处理。清华大学开展的"机电产品绿色设计理论及方法"国家重点项目,项目着重以产品设计阶段,即产品的前半生来考虑对环境的影响,而通过在产品后半生中废旧产品的再制造,可实现废品的资源化,获得产品的最优化利用和循环,提高产品性能,减少环境污染,增强可持续发展能力。

  国内的再制造工业也首先在汽车领域得到了发展。1994年经国家有关部门批转,中国重型汽车集团公司与英国Sandwell公司于1996年合资创办了济南复强动力优先公司,专门从事重载汽车柴油发动机再制造。上海大众联合发展有限公司引进了德国大众发动机再制造技术和标准。再制造发动机再保证与新机一样的性能、质量、售后服务和索赔条件,并打上再制造产品的标记,作为上海大众纯正配件,已纳入上海大众汽车销售公司的销售及维修服务网络。

  我国在2002年2月出版的全国干部学习读本"21世纪干部科技修养必备"一书中,明确要求工程师在设计产品时,把"再制造"作为一个目标,使产品的某些部件达到"再制造"的标准。

  再制造工程在我国的基础理论研究处于起步阶段,尚未深入到再制造的生产实践中。"再制造基础理论与关键技术"已经通过立项,并与2002年被批准为国家自然科学基金重点项目。

  三、再制造工程的设计基础

  针对失效的产品进行再制造,首先要对其引进再制造设计,再制造的设计基础包括:产品的失效机理及寿命预测以及产品再制造性的评价。

  四、再制造材料成形加工技术

  废旧产品经过再制造论证后,要实施再制造必须依赖于先进的材料成形加工技术。

  1.复合表面工程技术

  零件的失效大多起源于表面,因此表面工程技术是再制造过程中的核心技术。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本身材料性能的表面功能 层,赋予零件具有耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能,这层表面材料与被制作零部件的整体材料相比,厚度薄,面积小,但却承担着工作部件的主要功能。表面工程具有复合、交叉、综合、优化等基本特征。复合表面工程师先进表面工程的重要基础内容。国家称之为第二代表面工程新技术。

  1)多种表面技术的复合

  多种表面技术的复合可以形成新的涂层体系,并建立表面工程新领域。单一的表面技术由于其固有的局限性,往往不能满足较为苛刻的工况条件的要求。运用多种表面技术的复合可以通过最佳协同效应获得多种效果,解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。

  例如,对于飞机发动机涡轮鸦片阻化面微动磨损问题,采用热喷涂技术及电子束重熔技术相复合可以制备具有优异的耐微动磨损性能涂层。实验表明,新涂抵抗疲劳裂纹萌生和扩展的能力大为增强,为此,抗微动磨损性能显著提高,其重熔层的抗微动磨损性能是原等离子喷涂层的13倍。可以用于飞机发动机涡轮叶片的再制造。

  2)多种表面材料的复合

  多种表面材料的形成的复合涂层不仅具有单一结构涂层所具具备的性能,还因复合材料的不同而获得特殊性能或具有多功能的性能涂层,复合涂层的研究及应用日益增多。复合涂层种类主要有:金属基陶瓷复合涂层、陶瓷复合涂层、梯度功能复合涂层等。

  2.纳米表面工程技术

  纳米表面工程是以纳米材料和其他低维非平衡材料为基础,通过特定的加工技术或方法,对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。纳米涂层及纳米表面自修复材料和技术是以纳米材料为基础,通过特定的工艺手段,对固体的表面进行强化、改性,或者赋予表面新功能,或者对损伤的表面进行自修复。主要有:

  纳米颗粒复合电刷镀技术;

  纳米颗粒复合原位动态自修复技术;

  纳米材料热喷涂技术;

  金属表面纳米晶化技术;

  五、前景展望

  绿色再制造工程师一个具有广泛发展前景的新兴研究领域和新兴产业,是正在形成中的一个综合性的新学科。

  我国再制造产业起步晚,发展势头快,全国年产值约25亿。据测算,全国役龄10年以上的传统旧机床超过200万台,80%的在役机械超过保证期,废汽车约500万辆,若将其中10%进行再制造,产值规模将超过千亿元。

  2013年11月,国际再制造产业(上海)高峰论坛暨第三届中美再制造对话在沪举行,国家工信部与美国商务部围绕再制造贸易、市场准入、法规环境、再制造生产、技术与标准等方面进行了沟通交流。同时,全球最大再制造企业卡特彼勒公司亚太区再制造中心高层领导来沪参加高峰论坛时表示,落户上海临港,选择上海作为亚洲营运中心,是卡特彼勒最明智的选择。

  据介绍,2013年初,临港已成立再制造产业发展有限公司,建立全国入境再利用产业检验检疫示范区,进口非汽车压件集中拆卸利用示范园区等,吸收全国优秀的再制造企业入验。据透露,作为国内先进制造业发展高地的优势和自由贸易试验区的机遇,上海将加快再制造产业发展,到2015年产业规模将达到50亿元。

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