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面向自动化再制造的产品设计——瑞典电气和电子设备案例研究

期刊:sustainabilityDOI:10.3390/su13169039

该文档属于类型a,即报告了一项原创性研究,具体内容如下:


研究作者与机构

本文作者为Sasha Shahbazi(瑞典RISE IVF研究所)、Kerstin Johansen(延雪平大学)和Erik Sundin(林雪平大学),发表于期刊Sustainability(2021年13卷,第9039页)。研究标题为《Product Design for Automated Remanufacturing—A Case Study of Electric and Electronic Equipment in Sweden》。


学术背景

科学领域:该研究属于循环经济(Circular Economy)与可持续制造领域,聚焦于再制造(Remanufacturing)、产品设计(Product Design)和自动化(Automation)的交叉研究。

研究动机:现有产品多数未设计为可循环使用,而循环经济的关键在于产品设计阶段。再制造的效率受限于人工操作的灵活性和成本,自动化技术可提升其效率,但此前缺乏对产品设计如何支持自动化再制造的系统研究。

研究目标
1. 探究产品设计如何支持再制造;
2. 分析自动化如何优化再制造流程;
3. 提出面向自动化再制造的未来产品设计指导原则。


研究流程与方法

1. 文献综述与理论框架构建

通过关键词(如“product design”“remanufacturing”“automation”)检索文献,筛选后整合为理论基础,涵盖:
- 再制造流程(包括拆解、清洁、再加工、重装等);
- 产品设计准则(如模块化设计、标准化紧固件、易拆解性);
- 自动化潜力(如人机协作HRC、机器人应用)。

2. 案例研究设计

选择瑞典三家电子电气设备(EEE)再制造企业(见表1),覆盖不同规模、产品类型(IT设备、复印机、汽车电子)和技术流程。研究方法包括:
- 文件审查:了解企业战略与业务流程;
- 参与式观察:实地考察再制造流程;
- 半结构化访谈(每家1小时):聚焦产品设计与自动化的潜在改进;
- 焦点小组研讨:讨论自动化与设计的挑战。

3. 数据分析

通过案例间对比和理论验证,将数据归类为:
- 再制造流程改进(表2);
- 设计准则适用性(表3和表4);
- 自动化潜力评估(表5)。


主要研究结果

1. 产品设计对再制造的支撑作用

  • 拆解与重装:标准化组件、耐用材料和易开闭紧固件(如螺栓优于焊接)显著提升效率。例如,公司B的复印机墨盒采用模块化设计后,拆解时间减少30%。
  • 清洁与检测:避免复杂几何形状(如凹槽)可简化自动化清洁。公司C的汽车电子组件因材料耐腐蚀性不足,导致人工清洁成本高。
  • 再加工:易损件的可及性(如单侧拆卸设计)对自动化换件至关重要。

2. 自动化潜力与HRC应用

  • 潜在自动化环节:拆解(90%企业认可)、清洁(80%)、再加工(70%)。例如,公司A通过机器人数据擦除(协作级别HRC-共存)将效率提升50%。
  • 关键驱动力:工作环境改善(如避免 toner粉尘)、效率(重复性任务)和质量一致性(清洁标准)。

3. 设计准则与自动化的关联

通过矩阵分析(图4),发现:
- 紧迫改进(红色区域):提供维修手册(准则15)、材料标识(准则13)和易检测设计(准则2)是自动化再制造的前提。
- 潜在改进(黄色区域):标准化工具(准则8)、模块化设计(准则10)和数字化(准则20)可显著降低机器人编程复杂度。


结论与价值

科学价值:首次系统化提出产品设计准则与自动化再制造的关联框架,填补了循环经济中“设计-自动化”协同研究的空白。
应用价值:为制造商提供25条设计指南(表3),例如:
- 优先使用可重复开闭的紧固件(准则6);
- 通过模块化设计集中易损件(准则10);
- 集成数字化标签(准则20)以实现机器人精准识别。


研究亮点

  1. 跨学科整合:首次将产品设计、再制造与自动化技术三者联动分析;
  2. 实证支撑:基于三家企业的真实数据,提出可落地的设计指南;
  3. 创新方法论:通过“设计潜力矩阵”(图4)量化准则优先级,为后续研究提供模板。

其他重要内容

  • 局限性与未来方向:未涉及原始设备制造商(OEM)的参与,后续需研究OEM如何反馈再制造需求至设计端。
  • 政策建议:呼吁行业标准化以支持自动化,如统一EEE组件的接口设计。

(全文约1600字)

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