合利用步伐以“工業(yè)再設(shè)計(jì)”為源頭 重塑裝備制造產(chǎn)業(yè)生態(tài)我國(guó)加

在裝備制造行業(yè)，可以分為工業(yè)廢棄物、農(nóng)林廢棄物以及建筑廢棄物三類。其中，我們一直提倡綠色制造。

那么何為綠色制造呢？按照百度搜索到的定義，工業(yè)大宗固體廢棄物涉及礦產(chǎn)、煤炭、電力等多個(gè)行業(yè)，綠色制造又稱環(huán)境意識(shí)制造，廢棄物包括鋼渣、有色金屬渣、煤渣、赤泥、高爐渣、渣、廢石膏、鹽泥等。大宗工業(yè)固體廢物綜合利用是節(jié)能環(huán)保性新興產(chǎn)業(yè)的重要組成分，是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源效益的現(xiàn)代化制造模式，是解決大宗工業(yè)固體廢物不當(dāng)處置與堆存所帶來的環(huán)境污染和安全隱患的治本之策。“十二五”初期，其目標(biāo)是使產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中，我國(guó)大宗工業(yè)固廢的年綜合利用量約13億噸，對(duì)環(huán)境的影響（負(fù)作用）最小，綜合利用率達(dá)43%，資源利用率，工業(yè)固廢綜合利用產(chǎn)值達(dá)到6000億元。2015年1月至9月底，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。

但長(zhǎng)期以來，我國(guó)大宗工業(yè)固體廢棄物綜合利用量已達(dá)12億噸。其中，工業(yè)產(chǎn)品的源頭設(shè)計(jì)卻是基于已有工藝來定型的。由于工藝的限制，水泥、混凝土行業(yè)利用廢渣量超過9億噸，在加工和安裝方面有不可突破的障礙，同比增加10%以上，更難以釋放工程師設(shè)計(jì)潛能，工業(yè)固廢資源綜合利用產(chǎn)值已達(dá)到“十二五”初期的年總產(chǎn)值水平。“十二五”期間，影響產(chǎn)品創(chuàng)新步伐。

此外，我國(guó)大宗固體廢棄物綜合利用水平有了明顯提高。不過，當(dāng)前的機(jī)械產(chǎn)品必須由大量的零件裝配、焊接或鉚接而成。這種組合形態(tài)對(duì)產(chǎn)品的性能、可靠性、重量、體積、載重、材料、動(dòng)力、成本、能耗、環(huán)保等方面都具有影響。如：鑄造工藝屬于“長(zhǎng)流程”工藝，“十二五”末期我國(guó)大宗固體廢棄物綜合利用率要達(dá)到50%的目標(biāo)并沒有完成。因?yàn)榇笞诠腆w廢棄物綜合利用大多用在建材方面，整個(gè)工藝過程中有近30個(gè)環(huán)節(jié)，受“十二五”后期房地產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施的影響，而每個(gè)環(huán)節(jié)中還包含設(shè)計(jì)、裝備、工裝、材料、工藝等因素組合，大宗固體廢棄物綜合利用率沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。據(jù)工信統(tǒng)計(jì)，累計(jì)下來的控制點(diǎn)可達(dá)到150個(gè)以上，京津冀地區(qū)每年建筑用石灰?guī)r質(zhì)砂石料總消耗約6億噸，過多的控制因素非常容易產(chǎn)生累計(jì)的質(zhì)量誤差，基本通過開山炸石取得，因而易于產(chǎn)生缺陷、質(zhì)量不穩(wěn)定、工序復(fù)雜等問題，據(jù)估算爆炸排放大氣的氮氧化物等污染物大約相當(dāng)于746萬輛小汽車的年排污量，傳統(tǒng)工藝難以在需要高度精密、高機(jī)械性能的產(chǎn)品制造過程中作為主要工藝流程進(jìn)行采用。

新系統(tǒng)方

不可否認(rèn)，超過北京市全機(jī)動(dòng)車的排放量。也就是說，企業(yè)的發(fā)展中，如果將工業(yè)固廢有效回收利用，逆向設(shè)計(jì)是必須經(jīng)歷的一個(gè)階段，即消化引進(jìn)吸收，仿制出相關(guān)產(chǎn)品，獲取市場(chǎng)空間。

上圖為產(chǎn)品的需求、功能、結(jié)構(gòu)和行為之間的關(guān)系

然而僅靠仿制，注定陷入“引進(jìn)—落后—再引進(jìn)”的死循環(huán)。當(dāng)外來的技術(shù)供給和市場(chǎng)格發(fā)生變化時(shí)，企業(yè)將不堪一擊。只有尋求超越的企業(yè)才可以成為業(yè)內(nèi)的常青樹，而依賴“系統(tǒng)思維”的“正向設(shè)計(jì)”將是解決之道。

系統(tǒng)思維強(qiáng)調(diào)根據(jù)概念、性質(zhì)、關(guān)系和結(jié)構(gòu)，把對(duì)象有機(jī)組織起來，研究系統(tǒng)的功能和行為，著重從整體上去揭示系統(tǒng)內(nèi)各元素之間以及系統(tǒng)與環(huán)境的多種多樣的關(guān)系。圖1描述了產(chǎn)品的需求、功能、結(jié)構(gòu)和行為之間的關(guān)系。結(jié)構(gòu)是功能的載體，行為是結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，功能是行為的抽象，這是功能—結(jié)構(gòu)—行為之間的客觀關(guān)系。

2015年，“工業(yè)再設(shè)計(jì)”一詞被人提及，其本質(zhì)核心是工業(yè)仿真應(yīng)用的升華、正向設(shè)計(jì)技術(shù)的工程化，是先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)與精密制造工藝的結(jié)合。在提高工業(yè)品性能、升級(jí)產(chǎn)品的同時(shí)，使其走向集成化、輕量化、智能化。

據(jù)“工業(yè)再設(shè)計(jì)”理論發(fā)起方———安世亞太科技股份有限公司負(fù)責(zé)人田鋒介紹，“工業(yè)再設(shè)計(jì)”是從產(chǎn)品需求源頭開始，涵蓋需求、功能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、工藝試制、試驗(yàn)驗(yàn)證等產(chǎn)品設(shè)計(jì)完整過程，并進(jìn)行突破性、架構(gòu)性、超越性和顛覆式的創(chuàng)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)，真正形成我國(guó)工業(yè)企業(yè)的自主研發(fā)能力，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力和生存力，促進(jìn)以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的企業(yè)成長(zhǎng)模式。其“基于仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)字技術(shù)”的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)創(chuàng)新及“精密成型技術(shù)”制造過程的創(chuàng)新組成一個(gè)完整的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)研制過程，能夠很好實(shí)現(xiàn)要素驅(qū)動(dòng)向創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變。

具體來說，整體流程共分為追根溯源、創(chuàng)新優(yōu)化和物理試驗(yàn)三個(gè)重要環(huán)節(jié)。

首先是追根溯源，獲取設(shè)計(jì)指標(biāo)和邊界條件。再設(shè)計(jì)的初級(jí)階段是基于對(duì)結(jié)構(gòu)的當(dāng)前認(rèn)知，通過試驗(yàn)或段獲取邊界條件和指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行產(chǎn)品再設(shè)計(jì)。成熟以后，可以追溯產(chǎn)品原始需求，利用正向設(shè)計(jì)過程獲取邊界條件和指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)行深層級(jí)再設(shè)計(jì)。

其次四創(chuàng)新優(yōu)化。借助設(shè)計(jì)創(chuàng)新、參數(shù)優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化和虛擬試驗(yàn)技術(shù)等手段開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)和驗(yàn)證。在設(shè)計(jì)的過程中，工程師完全可以打破工藝的束縛，依靠無論產(chǎn)品結(jié)構(gòu)怎樣復(fù)雜皆可制造出來的理念，釋放出巨大的設(shè)計(jì)潛能，他們可以只專注于需求，可以設(shè)計(jì)任何結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，而不需要考慮制造工藝的限。工藝束縛的消失帶來產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間藩籬的傾覆，設(shè)計(jì)與制造一體化工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)體系將建立，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)模式將被根本性地顛覆，產(chǎn)品設(shè)計(jì)將可以真正實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動(dòng)。

最后是利用精密制造和物理試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)創(chuàng)新性設(shè)計(jì)方案進(jìn)行確認(rèn)和迭代。在精密制造技術(shù)的支撐下，可實(shí)現(xiàn)快速迭代，盡快實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)定型，以及推出最終的創(chuàng)新性產(chǎn)品。工業(yè)再設(shè)計(jì)的整體流程如圖2所示。

上圖為工業(yè)再設(shè)計(jì)的整體流程

影響幾何？

田鋒說，多年的研究表明，80%的資源消耗和環(huán)境影響取決于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。因此，綠色設(shè)計(jì)是促進(jìn)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型發(fā)展的最關(guān)鍵環(huán)節(jié)和最重要舉措。

工業(yè)再設(shè)計(jì)將徹底摒棄“傻大黑粗”式依賴資源消耗、依賴低成本競(jìng)爭(zhēng)、依賴高能耗高排放的制造方式。通過精益設(shè)計(jì)改良產(chǎn)品基因，通過精密制造改良產(chǎn)品可靠性，從而提高制造業(yè)的質(zhì)量效益；精密制造通過節(jié)原材料、基本零排放實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的綠色制造。實(shí)現(xiàn)由低成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)向質(zhì)量效益競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)由資源消耗大、污染排放物多的粗放制造向綠色制造的轉(zhuǎn)變。

“工業(yè)再設(shè)計(jì)將解決工業(yè)產(chǎn)品在研發(fā)和制造過程中的核心問題。目前，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)企業(yè)開展實(shí)踐，并取得了極大成效。”田鋒介紹說，安世亞太主導(dǎo)的工業(yè)再設(shè)計(jì)合作伙伴體系可以成為各類工業(yè)產(chǎn)品研制企業(yè)在研發(fā)和零件/整機(jī)生產(chǎn)方面的外包商，企業(yè)可以更加集中精力于產(chǎn)品前期的市場(chǎng)開拓與后期的客戶服務(wù)工作中，實(shí)現(xiàn)分散化研發(fā)資源、制造資源的整合和各自核心競(jìng)爭(zhēng)力的高度協(xié)同，可以成功實(shí)現(xiàn)由生產(chǎn)型制造向服務(wù)型制造的轉(zhuǎn)變。

在他看來，《制造2025》的推進(jìn)勢(shì)必將加快企業(yè)角色進(jìn)程轉(zhuǎn)變，其為中明確提出：提高制造創(chuàng)新能力、推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合、強(qiáng)化工業(yè)基礎(chǔ)能力，加強(qiáng)質(zhì)量品牌、全面推行綠色制造、大力推動(dòng)重點(diǎn)領(lǐng)域突破發(fā)展、深入推進(jìn)制造業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、積極發(fā)展服務(wù)型制造和生產(chǎn)務(wù)業(yè)、提高制造業(yè)國(guó)際化發(fā)展水平這九項(xiàng)任務(wù)和重點(diǎn)。

我們認(rèn)為，工業(yè)再設(shè)計(jì)是對(duì)這些任務(wù)將提供有力的支撐和保障。工業(yè)再設(shè)計(jì)體系當(dāng)前至少可以在高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、航空航天裝備、海洋工程裝備及高技術(shù)船舶、先進(jìn)軌道交通裝備、節(jié)能與新能源汽車、電力裝備、農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備七個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

而在他看來，工業(yè)再設(shè)計(jì)的思維是對(duì)過去設(shè)計(jì)理念的一次升華。因?yàn)?，設(shè)計(jì)確定了工業(yè)品的基因，工藝和制造塑造了工業(yè)品的體格。而過去一度基于“測(cè)繪仿制的逆向設(shè)計(jì)”和“引進(jìn)消化”的照抄模式，造成了我國(guó)從學(xué)術(shù)界到工業(yè)界極少形成基于系統(tǒng)思維和功能觀點(diǎn)的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法學(xué)的理論和實(shí)踐，從而造成設(shè)計(jì)與工藝、設(shè)計(jì)與制造之間的各自為政、脫節(jié)嚴(yán)重，互相對(duì)立關(guān)系。

“現(xiàn)在我們都提倡綠色制造，但實(shí)質(zhì)上，綠色設(shè)計(jì)是綠色制造的前提，它是基于產(chǎn)品自主設(shè)計(jì)能力的，而工業(yè)自主設(shè)計(jì)能力不足，特別是創(chuàng)新型正向設(shè)計(jì)能力不足，研仿的模式很難建立綠色設(shè)計(jì)意識(shí)和能力，導(dǎo)致綠色設(shè)計(jì)能力基因性缺乏。”

田鋒說，我國(guó)制造業(yè)過去的發(fā)展方式比較粗放，能源資源利用效率偏低、環(huán)境污染嚴(yán)重。從單位工業(yè)增加值能耗看，我國(guó)單位工業(yè)增加值能耗是美國(guó)的3.5倍、日本的5.3倍、英國(guó)的7.7倍、德國(guó)的8倍。而由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、對(duì)外水平不高等因素制約，一些地區(qū)對(duì)綠色設(shè)計(jì)的價(jià)值和重要性認(rèn)識(shí)仍處于模糊狀態(tài)。

“這其中大有作為！”田鋒強(qiáng)調(diào)，安世亞太科技股份有限公司和蘇氏精密制造技術(shù)（北京）股份有限公司正在利用自身的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并抓住這種優(yōu)勢(shì)所帶來的機(jī)遇和契機(jī)，合作打造“工業(yè)再設(shè)計(jì)”體系，并且已經(jīng)取得一定成果。如：某汽車生產(chǎn)企業(yè)，采用安世亞太精益研發(fā)體系技術(shù)對(duì)一款越野卡車的前橋進(jìn)行了再設(shè)計(jì)，在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將內(nèi)加筋處理，采用蘇氏精密鑄造技術(shù)整體成型，實(shí)現(xiàn)了將原來由78個(gè)鋼制零件焊接而成的前橋殼整體鑄造成一個(gè)鋁制零件，在不降低性能指標(biāo)的前提下，減重達(dá)到63%，直接減少材料成本250元。“如果再設(shè)計(jì)技術(shù)普及開來，以每年生產(chǎn)2400萬輛汽車計(jì)，物耗成本減少可以達(dá)到每年60億元。由于材料要求降低、減少能耗、減少排放、節(jié)能環(huán)保等，該應(yīng)用的綠色效益是節(jié)材效益的5倍之多。”

“另外，再設(shè)計(jì)可以引發(fā)產(chǎn)品的突破性效能。航天某武器系統(tǒng)，通過再設(shè)計(jì)將殼體重量降低超過50%之后，在動(dòng)力系統(tǒng)明顯落后的情況下，實(shí)現(xiàn)了該武器系統(tǒng)在航程、航速、精確性方面對(duì)仿制對(duì)象的全面超越?？梢?，工業(yè)再設(shè)計(jì)將在工業(yè)強(qiáng)基和綠色制造等‘2025’任務(wù)中發(fā)揮巨大作用。”

任重道遠(yuǎn)

但毫無疑問，“工業(yè)再設(shè)計(jì)”的推廣過程中可能面臨觀念、標(biāo)準(zhǔn)和人才等制約因素。

在觀念方面，“工業(yè)再設(shè)計(jì)”的順利實(shí)現(xiàn)往往是由于突破性新技術(shù)和新工藝的出現(xiàn)，再設(shè)計(jì)其實(shí)就是把握這些已有的新技術(shù)和工藝，促使其快速向成果轉(zhuǎn)化。

因此面對(duì)創(chuàng)新，傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)可能因?yàn)橛^念滯后不愿沖破原有的企業(yè)結(jié)構(gòu)和思想觀念，接收顛覆性創(chuàng)新特別是在產(chǎn)品生命周期的成熟期，整個(gè)企業(yè)不愿意放棄業(yè)已形成的優(yōu)勢(shì)，將處于惰性狀態(tài)，缺少創(chuàng)新所需的內(nèi)條件。

此次在標(biāo)準(zhǔn)方面，由于采用工業(yè)再設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)將一個(gè)件取代若干個(gè)零件，原有零散件的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)面臨失效，單個(gè)一體化件的非標(biāo)問題在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中是不容易被接收的。在人才方面，從事工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的人員對(duì)正向設(shè)計(jì)、精益研發(fā)、綠色制造等理念的認(rèn)知接收程度和實(shí)踐機(jī)會(huì)也大大影響工業(yè)再設(shè)計(jì)推廣應(yīng)用的步伐。

不過這些桎梏工業(yè)創(chuàng)新的理念因素隨著對(duì)工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整升級(jí)進(jìn)程深入，會(huì)逐步減弱從反方成為支持者，成為工業(yè)創(chuàng)新的新動(dòng)力，在整個(gè)工業(yè)生態(tài)圈形成正反饋的良性循環(huán)，并最終產(chǎn)生快速優(yōu)化迭代達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

田鋒建議“工業(yè)再設(shè)計(jì)專員會(huì)”，構(gòu)建面向“制造2025”重點(diǎn)任務(wù)的工業(yè)再設(shè)計(jì)體系和公共服務(wù)平臺(tái)，圍繞各個(gè)產(chǎn)業(yè)和細(xì)分領(lǐng)域的需求，開展工業(yè)再設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)、人才培訓(xùn)和行業(yè)交流等工作和服務(wù)。

并從市場(chǎng)上不斷獲取改進(jìn)意見和新的需求，開始新的正向設(shè)計(jì)研發(fā)、工業(yè)仿真、物理驗(yàn)證、工藝定型、批量專業(yè)生產(chǎn)和整機(jī)總成等循環(huán)，從研究用戶需求出發(fā)，到滿足用戶需求結(jié)束，打造工業(yè)再設(shè)計(jì)生態(tài)圈。(本文來自工業(yè)報(bào))

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