1、可持续产品设计第一节 可持续产品设计的基本概念及其必要性一.基本概念近年来，电器产品对环境的影响渐渐受到重视，各国纷纷制定产品环境绩效改善目标和标准。在欧盟RoHS指令颁布一段时间后，欧盟进而又推出“耗能产品生态设计指令”（EUP指令），专门对产品设计阶段提出要求，要求在设计阶段必须考虑产品整个生命周期中可能对环境造成的影响。可见，以后电子电气产品的设计人员不仅要能够设计出符合所需功能和性能的产品，而且要保证能够设计出符合要求的绿色环保产品。可持续产品设计（或叫绿色产品设计，清洁设计）是指在设计产品时考虑降低其整个生命周期内的成本和环境影响，并满足顾客要求而进行的设计。可持续设计也可以提高产品
2、质量并提高市场份额。提高资源生产力-用更少的材料和设备投入、更少的污染和废弃物，生产出更多的货物和服务-这将降低商业成本，有利于环境。为什么保护环境要关注产品？产品的制造和使用会造成一系列的环境影响。特别是会消耗和浪费大量的材料。有研究表明：如果产品制造和使用过程中消耗的物质资源和能量能越少，不排放出环境污染物，如果产品中不含危害物质，如果产品报废后组成产品的材料能够回收利用，那么产品基本上就不会对环境造成大的影响。所有与产品相关的环境污染预防和保护法规也都是针对这几个方面制定的。1)93%的生产材料不会出现在最终销售的产品中。2)80%的产品在使用一次后就会被丢掉。3)99%的在生产中使用，
3、或包含在产品中的材料会在头6周中丢弃。制造生命终结使用原材料分销分销分销分销再循环处置 可持续的产品设计是在其整个生命周期内考虑产品的成本和环境影响。可持续设计可以应用于设计过程的所有阶段。然而，最好是在设计过程的开始阶段实施。因为在后期增加对环境的考虑可能导致更高的设计成本和更少的环境选择。成功的可持续设计要求在产品的整个生命周期内都要考虑其环境影响。二.实施可持续设计的必要性可以从以下方面分析开展产品的可持续设计：1.法规1)包装和包装废弃物指令。限制包装和包装废物中的铅、镉、汞和六价铬的含量。2)综合污染预防和控制（IPPC）指令。要求公司进一步改善环境绩效。3)气候变化税。要求降低产品
4、的能量消耗，减少温室气体排放。4)报废汽车指令：要求建立收集、处理、再利用的机制，鼓励将报废汽车的部件重复利用。要求于2003年7月1日后推出市场销售的小汽车、小型货车要限制铅、镉、汞及六价铬等重金属含量。5)WEEE：指令鼓励便于维修，产品升级，生命终结时再使用、拆解和再循环的电子电气设备的设计和生产。2.市场：现在的公司都面临顾客端供应链。大公司或知名公司的环境压力，通过供应链给小公司施加压力，途径可能是以下两点：1)只与获得通过ISO14001认证或EMAS认证的公司做生意。2)要求他们的供应商以对环境更负责的方式制造他们的产品或材料。3.经济：进行可持续产品设计和清洁生产可以获得巨大的
5、经济利益，这种效益可能是直接的或间接的。可持续产品设计可以提高效率，实现以下几点：1)利润提高。2)降低材料和资源的消耗并因此获得更低的材料成本。3)在生产过程中产生的废物减少，因此废物处理成本降低。4)降低生产和劳动力成本。可持续设计还可以通过以下途径实现非直接的经济效益：正是潜在的重大成本节约以及环境效益促使许多公司开始积极推行可持续设计。1)改进顾客/供应商关系。2)提供有力的营销工具。3)鼓励革新和产品开发。可持續設計的產品除了省錢，還可以產生額外的，無形的商業利益，包括：可持續設計的目標就是通過以下方面來提高資源生產力：1)環境銷售2)提高聲譽3)增進員工士氣4)改進資源生產力1)降
6、低材料和設備的使用。2)消除危害材料的使用，促進再使用和再循環。3)功能和服務生命最大化。4)元件和亞組件再使用的最大化，生命終結時材料的再循環，以滿足初始產品標準。4.做出设计决定的时机为了符合指令要求，降低成本，需要公司最及时地做出进行产品设计变更的决定。在产品设计过程的关键阶段即做出设计决定，将在整个设计过程中将具有正面的连锁效应。因此，实施这些设计变更的成本可能通过规划在前及尽早做出关键的设计决定而降低。这样做也有机会与顾客和供应商商量可实施的设计变更，并采纳他们的要求和建议。第二节产品可持续设计的商业机会一、降低产品的生命终结成本降低产品的生命终结成本的出发点，是要了解消费者为什么要
7、扔掉产品及其它的处理方式，这将有助于选择最好的生命终结方式并做出设计变更，最好采用简单的方式以适应将来市场条件的变化。1.最好的产品生命终结方式：首先，避免产品变成废物的方式将产生最大的经济和环境效益。这将需要各部门不同的信息，特别是以下几点：1)营销人员，了解现在消费者如何使用和丢弃产品。2)销售人员，计算售出的年度产品重量。3)技术人员，评估产品，组件和组件在产品生命终结时如何可以再使用，再循环和再回收。一些制造商能过将新产品样品送到再循环商处，并从他们那里获得很有价值的产品生命终结设计建议。这些再循环商评估了产品拆解的难易程度，以及产品材料再循环的成本效益。这些信息的反馈可以帮助设计人员
8、选择材料和产品组装方式。以下有几点很重要：1)产品是否本来就适合于某种生命终结方式。如：如果产品的商业价值在于其采用的封装技术，那么产品再使用，升级或翻新将是很好的生命终结方式。2)生命终结方式是否具有商业意义，是否可以融合进产品的总体营销策略。3)是否存在适宜的收集，运输和贮存安排，或者可以建立这样的安排，以便为生命终结方式的收回足够量的、状况适宜的产品。2.为产品生命终结优化产品设计已经确定了最好的产品终结方式后，可以考虑进行产品设计变更以最大程度地节约成本。终结方式设计考虑的例子耐用产品延长产品寿命考虑使用更高的规范整个产品再使用，例如再卖到二手市场产品标示容易改变-外表容易刷新升级产品
9、，如用最新的技术升级产品功能模块设计通过更换失效的元组件来更新在控制器中嵌入传感器或备用存储器，用于存储产品的生命信息以便于错误诊断提取元组件再用模块或亚组件设计得可以分别测试提取材料用于再循环亚组件可以很容易地按材料类别循环提取材料用于发电厂的能量回收含有高氯值的亚组件要容易拆分填埋危害材料要易于拆分以当成危害废物处理3.供应商消费者和再循环者之间的合作供应商、生产商、消费者和再循环者之间的沟通和合作对于确保成功的实施所希望的生命终结方式很重要。与再循环商合作可以为生产商节约成本。二、降低制造成本设计理事会认为最少80%的用于制造电气电子产品的材料和设施及其成本在设计阶段就确定了。可持续的产
10、品设计技术可以帮助公司重新设计他们的产品，这样可以在制造过程中使用更少的原材料，更大地节约成本。三、环境销售可持续的产品设计也可能帮助公司通过增加“绿色”顾客的数量来提高他们的市埸份额。在投标活动中，公共行业的顾客越来越多地要求供应商考虑可持续产品设计问题。许多的OEM生产商，特别是在顾客供应链中，已经发布了环境方针承诺。为符合这些承诺，他们通过以下方式给供应链施压：1)只与获得环境管理体系认证（如ISO14000，EMAS）的企业开展业务。2)要求供应商展示他们是以对环境负责的方式制造产品。一些供应商将这样的压力变成优势，主要是通过为顾客提供亚组件制造的可持续的产品设计建议来实现。在消费电子
11、领域，一些公司能通过宣传其产品的低运行成本来提升市场份额。产品的生态标示可以通过强高相比于其它类似产品，此产品是专门设计用于降低环境影响来获得销售利润。通过设计来延伸产品的生命周期，具有很大的销售价值。设计一个产品，使得它便于售后服务和升级，以延长产品的生命期，这也可以提高销售利润和增强品牌价值。同时可以降低没有通过质量控制检查的产品的维修成本，或保修范围的返修成本核算。这包括：1)考虑更高规格的组件，亚组件以及PCB，以保证更好的产品可靠性。2)将部件的生命周期设计成一样长，因为单个部件的失效常常意味着整个产品就得被扔掉。3)设计得便于拆解，以确保产品可以高效拆开。4)模块化设计，以便于产品
12、升级和维修。5)确保可替换和可升级的组件容易购得到。6)考虑如何更好的供应零件。提供成套的零件常常导致不需要的零件的浪费。然而，分别供应单个零件可能提高封装要求。四、功能和服务革新可持续的产品设计可以刺激革新并引发产品本身的激进变化。关注顾客从产品中获得的服务以及顾客如何使用产品的功能，可以对提供这些服务和产品提供一个新鲜视角。第三节 可持续产品设计的管理一、在产品开发过程中结合可持续的产品设计通过解决以下问题，可以将可持续的产品设计融入产品开发过程：可持续的产品设计应该在设计过程中尽可能早考虑。在概念和可行性阶段投入的时间将在后面的设计过程中获益，并可避免更昂贵的设计变更。可行性阶段将产生设
13、计规范，为详细设计提供了框架要求。这应该在早期清楚地定义，并应包括与所有相关方和外部的利益相关方商谈。1)人员。在概念阶段提高人员的可持续产品设计意识，并在整个过程中持续提醒。2)过程。使用可持续产品设计改进机会的检进表以确保在整个过程中关注它们。3)技术。分享好的设计技巧和主意。二、商业和产品生命周期中的有关事宜一旦发生设计变更，可持续的产品设计可能对上游下游产生影响，影响到供应商，顾客和循环商，还可能影响一系列商业事宜，包括：采购，制造，分销，营销，质量，健康和安全。确保在设计过程中尽早识别和解决这些影响很重要。这依赖于设计改进关注产品生命周期的哪个阶段。例如：设计决定关注重点是使用更少的
14、材料将影响质量，制造和采购。而设计决定要在制造过程中使用更环境友好的材料将要求与供应商协商。对产品包装的改变将要求与顾客协商。而材料再循环的设计则要求在产品终结时与再循环商协商。考虑设计变更将如何影响产品生命周期的其它阶段也很重要。例如：选择在制造过程降低成本的材料可能降低生命终结时再使用或再循环的机会，因此会降低整体成本，这些可以在这个产品生命周期中实现。一个有利于在产品生命终结时拆解再用或再循环的紧固件可能在安装时需要耗费更多的劳动。三、制造设计关注制造设计是很有价值的。设计产品以降低制造和组装成本。包括：设计优雅简单的产品需要更多的经验，更且有挑战性，但可以获得比所付出的努力多倍的，更长
15、期的利益和可靠性。例如，使用更少数量的更高功能的组件将降低相互连结的组件的数量以及固定的复杂性。复杂是昂贵的，简化产品的设计将大大降低制造和组装成本。1)优雅的简单的设计是好的设计。2)与组件供应商，组装商和PCB制造商协商。四、供应链参与让所有的供应商参与产品的开发阶段对降低生产成本是有益的。在设计阶段早期考虑高水平的规范可以使得供应商提供有价值的制造设计建议，同时确保竞争性报价。让供应商尽早参与将消除昂贵的临终变更的风险。第四节产品的可持续再设计企业在应对各种环保法规时，很多产品是已经定产的成熟产品。对于这些产品应该如何进行环保改造，以适应法规和顾客要求？答案是需要对这些产品进行持续再设计
16、。原材料使用，废物产生（包含废气排放），能量消耗在产品生命周期的每一个阶段都应该考虑。通过再使用，维修和再循环整个产品或其组件来延长产品的生命周期带来的潜在利益也应该考虑。一、关键的环境措施产品的一并境绩效可以通过考虑10个关键的覆盖产品生命周期的环境措施而得到提高：生命周期阶段关键的环璋措施原材料使用更少的材料使用对环境影响更少的材料制造使用更少的资源产生更少的污染和废物分销/运输降低其对环境的影响使用使用更少的资源产生更少的污染优化功能和服务周期生命终结使得产品再使用和再循环更容易降低报废处置的环境影响二、可持续再设计循环（周期）可持续再设计可以输入传统的设计过程，也可以应用于现有产品的设
17、计或新产品的开发。清洁生产的决策过程在持续改进类型过程中有4个因素。1.研究产品2.确定清洁设计优先项目3.4.设计评审收集产品，制造和产品终结方式查找相关法规比较环境影响，驱动利益和技术可行性对照前10个关键的环境措施列出优先项目从生产和营销部门获取反馈信息评是废物和污染减少的成本节约针对清洁设计有限项目针对产品考虑形式（材料和物理组织）和功能这个决策过程的目标是：1)提高产品的环境绩效。2)降低生命周期影响。3)提高市场份额。4)降低成本。第五节 材料和机械设计一、设计减少资源消耗首先考虑在产品生命周期内使用更少的材料和设备，产生更少的废物。一个使用更少组件的简单设计可能降低材料和组装成本
18、，同时提高可靠性，因为能失效的对象更少了，在某些情况下，多部件可以设计成一个。设计者可以使用工程原理来降低资源的使用，包括：降低产品中使用的不同材料的数量通常是有益的，而且可以带来成本和环境效益。还可以通过规模经济降低制造成本，提高产品终结时材料在循环的可能性。通常用一种材料制造亚组件是可能的，有时可以用循环材料。1)确定硬度和强度的实际要求。2)优化部件尺寸。3)当有硬度要求时，考虑厚壁部分的替代品。4)为产品的生命周期选择最合适的材料。二、组装和拆解设计连结方式的选择依赖于组装成本和产品整个生命周期内的所要求的性能参数。例如，连结方式的选择将影响循环材料的纯度，进而影响其价值。可逆的连结要
19、便于够及，易拆除和耐用，在拆解后将产生更纯净的材料。当使用紧固件时，以下方面很重要：尽量避免用黏结剂或焊接将不同的材料连结起来。连结热塑部件到其它材料的压合技术是低成本的方法，但降低了产品终结时材料和组件循环的机会。1)紧固点要可达，可见和明显标识。考虑使用颜色编码来帮助拆解和组装，例如帮助升级和维修。2)使用简单的组件指引。3)使用螺丝代替铆钉，利于产品终结时的拆解。4)将螺丝头标准化，以便于使用尽可能少的组装和拆解工具。5)避免需要耗能工具进行拆解的组装。6)考虑使用与部件材料一样的紧固件，以提高产品终结时材料再循环的机会。三、包装设计对于许多制造公司而言，产品包装是重要的商业成本，许多公
20、司重新设计了他们的包装，节约了成本，包装必须保护货品，利于搬运和分销，提供信息并作为一个产品营销的工具，包装不充分可能导致产品损坏，顾客退货或浪费，不好的包装设计甚至导致伤害。好的设计在制造包装中有重要作用，既可以满足功能要求又可以满足环境要求，评审产品的包装设计和材料将有助于识别以下方面的机会：这些方法将通过减少资源消耗和降低需要处理的废物量而降低成本。1)设计出于保护产品的需要。2)消除或降低你的包装要求。3)优化你的包装使用，即让包装与保护需求相匹配。4)引进再使用的转换包装。5)使用循环材料。四、材料循环设计1.金属许多的电气电子设备越来越多地使用塑料来制造，以降低制造成本。但是，在许
21、多情况下，现在的再循环技术要么不能将塑料回复到其原来的性能，要么是再循环的成本比买新的塑料还贵。金属组件比塑料替代品要贵，但它们是高度可循环的。在某些情况下，当塑料组件不能有效地再循环以满足WEEE指令目标时，使用更多的金属将具有更大的商业意义。为了降低成本，回复到使用金属需要公司改进它们的产品设计，将组件和亚组件设计得更薄、更小、更轻、数量更少，使组件再利用的机会最大化。2.塑料要为产品选择最合适的塑料，就要考虑与上游供应商共同考虑原料流，与下游的循环商考虑产品生命终结时的一些事情。给聚合物供应商的问题需要使用特殊的聚合物还是可以使用商用聚合物？能否选用更耐循环处理的聚合物？能否选用更容易分
22、离进行单独循环的聚合物？能否选用适合混合循环更兼容的聚合物？塑料规范上游考虑下游考虑给再循环商的问题对于再循环的聚合物而言，市场需求是什么？再循环商能否分离聚合物进行单独循环？再循环商能否将聚合物一起再循环，以制造混合的聚合物？五.危害物质的可用替代物总体而言，应尽量避免使用危害物质，如果无法做到，应该清楚地标识材料，并使其易于分离。1.铅铅在焊料中大量使用，将组件焊接到PCB板上，在阴极度射线管和灯泡的玻璃中也有应用。在许多主流的焊接应用中，以锡银铜为基础的合金可能是用于替代铅焊料的第一选择。然而，锡银铋类型的合金可能用于表面贴装消费产品。而在成本因素很重要时，锡铜可能开发用于波峰焊。2.溴
23、化阻燃剂阻燃剂被加入电子电气产品的聚合物中，以确保满足国际标准如UL94。电子行业使用的聚合物应用使用的聚合物多层PCB板环氧树脂，酚类，聚酰胺电子组件的密封件环氧树脂电子电气设备的机架ABS，HIPS，PC，尼龙开关，插座，连接器PET，PBT，聚酰胺电线和电缆绝缘体PVC，EVA，XLPE3.镉镉在业界有多种用途，包括：1)用作抗粘黏剂（镉电镀部件具有很好的光滑度）。2)用作抗腐蚀剂（特别是用于保护盐雾条件下使用的连接器以及定位器，当电磁兼容性是很关键的问题时）。3)在颜料，油漆，涂料和塑料中用作色料的稳定剂。4)作为焊料。在许多情况下，设计变更后可能完全不再需要镉涂层了。当需要涂层时，在
24、大部分情况下都可以使用替代物，包括：当重量不再是问题时，镍/铝/青铜合金可用于作为抗腐蚀连接。如果镉电镀铝连接器相比，这些合金可能提高连接器的重量23倍甚至更大。新材料持续不断地被开发出来，许多还超过现行的镉涂层的性能。1)锡及其合金。2)锌及其合金（如锌/钴）。3)离子蒸汽沉积（铝涂层）。4)镍。5)环氧化物。6)开发用于特殊用途的塑化涂层。4.六价铬A.六价铬用于：B.当需要涂层时，六价铬的替代物可考虑：1)耐磨表面的铬基合金及铬电镀。2)抗腐蚀性表面处理。3)在颜料，油漆，涂料中用作色料-铬酸铅色料用于获得亮黄色，橙色或红色。1)锌基涂层或化合物，如锌酸盐。2)镍基涂层，如无电镀镍，硼镍
25、。3)铜。4)银。5)改进的底漆/油漆技术。5.汞传统上汞一般用于：1)调温开关（如家族加热系统）。2)倾斜开关（如用于方便照明用的车罩，卧式冻结柜，用于煤气炉上的航标灯）。第六节电气电子设计选择简单，强劲的设计将提高产品的利润和可靠性。经常向组件供应商，PCB制造商和组装商咨询对于降低制造和组装成本也很重要。一、组件对于电子电气设计而言，出发点是组件规范，因为这对其他的制造问题有源动效应。组件的封装对PCB的设计和组装的难易有重要影响。一般组件有很多的封装技术可用，当设计限制许可时，将特性几何参数最大化可使PCB的制造和组装更容易，从而降低制造成本。设计者必须验证组件不含有危害物质。二、PC
26、B一旦组件规范获得了同意，可使用由制造商和组装商提供的设计规则来指导PCB设计。除了可以确保设计能够制造，设计规则还包含再制造和组装时优化产量和降低成本的措施。虽然这些都会变化，有赖于具体的制造和组装过程。它们通常包括一些措施如孔径最大化，使轨道和道间距更大一些，降低层数等。使组装过程中测试和返工更容易进行的设计也是良好PCB设计的重要方面。三.连接组件和PCB间的连接方法包括：1)使连接器类型标准化以便于组装。2)设计可以独立测试的模快和亚组件。3)即插即用板，便于组装和拆解。4)表面贴装或插配高价值的组件，以便于在QA检查未通过时拆解，也利于组件在生命终结时的再使用。5)将危害材料和组件集
27、结在PCB上，并嵌上孔线，以便于在生命终结时拆解和分开处理。四.能量要求电子产品可以通过以下方式设计成使用时能耗最低和成本最低：1)使用低电压逻辑。2)设计一个省能的”待机模式”。3)制造可以与其它省能设备兼容的产品。4)提高设计的热耐爱度以避免使用冷却扇或空调。5)提高冷热绝缘性。6)考虑多余的热输出的回收（如果一个产品在一个空调建筑内使用，设备的热输出的1.21.6倍将用于将这些热排放到建筑物外）。五.电池使用电池时应该考虑使用能效更高和环境影响更小的电池。镍氢是一种很好的技术，能提供更便宜的镍镉电池2倍以上的体积能密度。镍氢电池更小，更轻，含有更少的重金属。锂离子电池的能量密度更高，使用更新的技术，应用在更高端的移动电话上，正在取代镍氢电池。电池和蓄电池指令限制了汞，镉和铅的使用量，该指令要求：1)禁止销售含有重量超过0.0005%的汞的电池。纽扣电池和含有纽扣电池的除外，对它们的要求是2%。2)要求将使用电池的设备设计得确保电池容易拆除。3)引入电池的标识系统来识别汞，镉和铅的含量，并标明分类收集，便于在生命终结时可当成危害物质处理。
