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再制造的趋势和研究挑战
摘要：再制造是推动经济循环的一个关键因素。全世界对再制造日益关注，与此同时，尽管再制造在环境和经济两方面有着潜在影响力，但是再制造还是尚未得到人们的充分利用。这表明同时存在推力和阻力去增加再制造经济。虽然再制造有技术和非技术要求,但为了再制造的发展，研发是不可避免的。本文概述了再制造的趋势、推力，再制造技术的阻力，同时对再制造的选题研究进行综述。本文的研发主题是再制造的产品设计,再制造的涂层制造,再制造运营管理,再制造的商业模式。
关键字：再制造；再制造设计；涂层制造；运营管理；商业模式
1.再制造
再制造是实现制造产业的资源效益和循环经济的关键因素之一。再制造是一个将废旧产品转化为具有相同质量、功能和保障的新产品的工业过程。1再制造工艺包括拆卸、清洗、检查、修理、更换和重新组装产品使其成分恢复到“新”的状态(图1)。再制造意味着对已使用过的产品添加新的和更好的功能,比如增加材料的表面耐磨性等。
使用过的发动机
再制造后的发动机
图1再制造工艺
再制造主要运用于汽车零部件、机械、复印机、数码相机和家具的修复。再制造在保持产品几何形状不变的情况下，添加新的材料到原来的产品中，再制造是材料的循环利用并达到节约能源和资源的目的。现有研究表明，再制造与新产品生产相比节省了90%材料，3新产品与再制造生产所需的能源达到6:1的比例4，除了这些环境效益，再制造还具有巨大的经济影响潜力。在许多情况下，虽然废品保留了产品本身大部分的价值，但是它们通常直接被丢弃。因为再制造可以循环利用废品，并使之尽可能地得到巨大的经济利润，故在一些国家中，再制造在其经济中已经占有重要地位。此外，再制造是劳动密集型产业，对人们的就业有着积极影响。再制造产品的价格通常低于新制造的产品，它能改善社会福利，特别是在发展中国家。由于这些特点，再制造是实现循环经济和社会经济可持续发展的途径之一，多年来一直吸引着全球越来越多的关注。
本文概述了再制造的趋势和研究挑战。虽然再制造有很好的增长潜力，但是这个潜力尚未被利用。本文介绍再制造过程中遇到的障碍，并说明为了克服这些障碍所面临的研究挑战。然后，它展示了有关调查选定的重要研究主题的综述，并使其余的部分随之展开。下一节确定再制造最近发展趋势和企业再制造的情况。再制造行业和政府的活动也总结了再制造发展趋势和企业再制造的情况。第3节讨论再制造的障碍并展示了需要克服这些障碍的研究。第4至7节对再制造所面临的的挑战有关的四个选题进行叙述，分别是：产品设计，再制造的涂层制造，再制造运营管理及商业模式。最后一节结束这篇文章并说明对再制造的展望。
2.商用再制造和趋势
2.1企业和市场
再制造已经在不同的产品领域进行生产。再制造工业时代起源于蒸汽机、铁路、发电/电力设备和机床，3再制造的主要应用行业包括汽车零部件，重型汽车设备、航空航天、机械、医疗设备、复印机、碳粉盒、IT产品、汽车轮胎、办公家具、和数码相机（见表1）。3，5，6
汽车零部件再制造是世界上最大的再制造行业，3，6已经普遍应用于许多国家。在美国，高达90%汽车零部件的主要替换零件是再制造零件，包括发动机、变速器、起动机、发电机、和制动器，7 许多其他的替换零部件也是再制造零件。3许多研究部门已经在汽车零部件再制造这个行业进行了大量的研究。
重型设备零部件的再制造也已经进行了几十年。70年代早期卡特彼勒在美国建立了再制造部门，使经济持续增长至今，10小松和日立建机也在日本进行再制造生产。同样的，初始设备生产商也对航空航天零部件、机械和医疗器械等产品进行了再制造。
另一个著名的再制造例子是复印机的再制造。11，12初始设备生产商如施乐公司和富士施乐公司、日本理光集团和佳能公司分别在美国、日本开展复印机的再制造。在这个行业，因为很多产品都是租赁给客户，需要频繁的维修及耗材供应服务，因此该行业提供了一个使再制造与产品服务系统（PSS）相结合成为可能性的很好的研究例子13。
虽然数码相机的市场已经低迷，但是这些相机的再制造对于消费者产品的再制造来说仍是一个很著名的例子。再制造已经被日本的富士胶片公司和柯尼卡公司、美国的柯达公司等初始设备生产商应用。以富士胶片公司为例，1998年它开发了一个经营时间超过10年的完全自动化的再制造生产线。12,14
虽然还有其他行业在进行再制造，6但是在许多情况下，消费产品的再制造仍处于增长的早期阶段，这给人们提出了新的挑战。最近几年在市场逐步发展的产品，如可再生能源发电系统和电池系统对于再制造来说也是一个极具有挑战性的领域。
注意，并非所有类型的产品都适合再制造，可再制造产品的特点如下所示：
（1）稳定的产品技术；
（2）稳定的制造工艺；
（3）一个产品的关键组成部分的物理寿命大大长于该产品使用的时间；
（4）产品功能失效而不是产品分散或者是消散；
（5）修复后产品的价值相对其原来成本较高；
（6）在现有文献中能找到一份识别候选产品/零部件的有关再制造的详细指导书。2,15-21
2.2市场
目前，还没有人知道再制造产品的市场有多大。美国是世界上最大的再制造产品的生产国和消费国，5,6并详细地调查了美国市场的再制造情况。最近美国国际贸易委员会（ITC）对国内再制造产品的市场作了一个详细的调查报告。6报告显示，2011年美国生产的再制造产品总额最少达到430亿美元，并在这一年至少提供了180000个岗位的全职工作。表1显示的是部分再制造产业的估计值。
2011年美国再制造产品的产量和就业估算表6
|
行业 |
产量（千美元） |
就业（全职工作者) |
|
航天 |
12045513 |
35201 |
|
HDORa设备 |
7770586 |
20870 |
|
汽车零部件 |
6211838 |
30653 |
|
机械 |
5795105 |
26843 |
|
IT产业 |
2681603 |
15442 |
|
医疗器械 |
1463313 |
4117 |
|
翻新轮胎 |
1399088 |
4880 |
|
消费品 |
659175 |
7613 |
|
其他b |
3973923 |
22999 |
|
批发业 |
- |
10891 |
|
总 |
43000144 |
179509 |
表1
aHDOR设备代表的是重型和越野设备；
b包括可再生电气设备、机车、办公室家具、餐厅设备等。
资源回收论坛（RRF）在英国国内调查了再制造产业情况，22它估计再制造产业已经创造了24亿英镑的经济效益，相当于每年减少了超过1000万吨的二氧化碳的产生。
再制造的市场对于大多数国家来说还不明朗。因此，需要额外的调查来明确再制造的市场影响力并制定适当的政策来推广再制造。
2.3全球关注点再制造
近年来，以下两个迹象表明了再制造是构建可持续发展社会的因素之一：
(1)2015年6月在德国举行的G7峰会上，再制造第一次在最高声明上被阐述；
(2)联合国环境项目(UNEP)的国际资源小组（IRP）设立再制造工作组。
此外，近年来政府和政府有关部门已经显示了对再制造行业越来越大的兴趣。欧洲的证监会开始投资了一个有关再制造的研发项目，并于2015年开始欧洲的再制造工程网络（ERN）项目，它旨在通过市场调查和收集情报来设计产品，完善工艺流程和改进商业模式进而促进再制造的发展来开发一个集政府、工业和学术界为一体的再制造网络区域。
新加坡政府也设置了再制造的基金研发项目。2012年它推出了先进的再制造技术中心（ARTC）调查开发再制造技术。其目的是开发行业领先的修补与修复、表面增强、产品验证的能力使研发成果快速转化为客户需要的产品。劳斯莱斯、西门子行业软件、ABB集团、Tru-Marine公司和深圳市杰普特电子技术有限公司等几个领先的跨国公司（MNCs）和中小型企业（SMEs）与先进的再制造技术中心签署了合作协议，解决再制造在航空、石油和天然气、海洋、能源、汽车工业中的技术挑战。这个研究中心还利用了科学、技术和研究机构以及地方大学，如南阳技术大学等世界一流的研究经验去快速创建解决方案并把技术应用到工业生产中为股东带来效益。23
其他国家包括中国、韩国、马来西亚和一些欧洲国家也出资调查和研发再制造。在中国，国家重点实验室再制造技术在国内的研发处于领先地位。近几年韩国工业技术研究院（KITECH）进行再制造的研发与决策工作并联合组织再制造会议。马来西亚政府在国内投资再制造市场和行业的调查。24这些事件表明，世界各地政府和部门越来越关注再制造。
3.再制造的研究挑战
3.1再制造障碍
虽然再制造有很多推动力，但是它也存在着很多障碍。因为再制造的挑战性和不确定性，许多公司在他们企业战略与运营模式中仍不愿意执行再制造研究。25再制造至少有三个要求。再制造系统由三部分组成：回收、再制造工艺和再分配，每一个各有其不同的挑战。再制造的障碍包括：
（1）有效收集废品；
（2）有效的再制造工艺发展（包括有效的拆卸过程和逆向物流）；
（3）再制造产品的客户验收；
（4）再制造产品由原始设备生产商和独立制造商生产，此外，原始设备生产商面临着与独立制造商不同的再制造障碍；
（5）原始设备生产商并不时刻有动力去进行再制造。
一般来说，原始设备生产商在解决再制造的相关问题上比独立制造商有优势，因为他们会反馈产品的可靠性和耐久性，品质信誉和低价市场竞争力。同样的，原始设备生产商也会遇到不同的障碍：再制造会减少新产品的销售业绩，而且再制造产品的销售利润可能低于新产品的销售利润。29这一现象被称为“再制造产品取代新产品”。30当原始设备生产商不打算生产再制造产品时，他们会有时候阻止他们的竞争对手（例如独立制造商）去生产再制造产品，9他们甚至会在设计产品时使再制造复杂化。8，12这些因素会增大再制造过程中遇到的障碍和挑战。
3.2再制造的研究挑战
再制造存在技术和非技术方法去减轻上述障碍，从而促进社会再制造发展。再制造面临的研究挑战包括下列四类：
（1）产品和工艺设计，使再制造生产更容易；
（2）再制造工艺过程；
（3）再制造工艺优化；
（4）商业模式促进再制造发展。
产品设计是实现再制造工艺成本效益的关键因素，2,3对于复印机和数码相机的再制造，产品设计有着提高再制造生产效率的关键作用，当然工艺设计也很重要，选择好工艺设计能快速、有效的拆卸零件。
再制造工艺过程包括：清洗技术、零
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