高端装备系列：智能服务机器人设计外文翻译资料

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资源优化产品设计 –

通过在产品开发中结合LCA和PLM，评估产品的生命周期资源效率

Nathanael Ko a *, Roberta Graf a , Tom Buchert b , Marcus Kim b , Daniel Wehner

摘要：

产品设计阶段的决策对产品在整个生命周期中的资源需求有重大影响。 然而，在设计阶段和生命周期之间做出的决策之间的关系难以评估和表达。 因此，资源效率通常仅在产品设计和投入生产后进行评估。 如果在设计阶段作出的决策的影响被忽略，则忽略相当大的节省资源的潜力。

所提出的工作的目的是利用这一潜力。 因此，在制造，使用和生命周期阶段中确定设计决策与资源需求之间的联系至关重要。 映射这些连接并使用LCA方法可以将整体资源需求的表达作为产品设计的函数。有了这个信息，设计工程师就可以在进入生产之前尽早评估设计。

所提供的方法导致将LCA工具集成到由PLM和CAD系统组成的工程工作场所中。 它旨在通过部分自动创建和评估替代产品设计来显著提高资源效率的产品。 因此，设计工程师能够在整个产品生命周期内开发具有更高资源效率的产品。

1. 介绍

产品的资源效率受到设计阶段决策的重大影响。 市场上有不同的方法和解决方案，例如G.EN.ESI [1]或Dassault Solidworks [2]，它们帮助产品设计人员在设计阶段整合产品的环境绩效和资源效率信息。 在产品开发阶段，集成非常有用，因为关键参数仍然可调。

本文介绍了弗劳恩霍夫I2方法。 I2方法是一种一次性方法，可以一次性评估产品的许多设计替代品的资源效率。 介绍了该方法的五个步骤，然后应用于演示部分，注塑模具。 给出了I2方法中的剩余问题的结论和展望。

本文中使用的命名方式如下

2．弗劳恩霍夫I2方法

弗劳恩霍夫 I2方法是一种支持产品设计人员决定最有效的设计替代产品的方法。 它使用现有的系统，并一次评估许多替代品。 I2方法的结构分为五个部分，如图1所示。它仍在开发中，不断改进。

开始

哪个产品设计更具资源效率

不同材料（M）和生产工艺（PP）

物料清单，流程清单

每个替代品的生活周期清单数据和影响类别

消除低效的解决方案

目标

替代X显示最高的资源效率

图1：I2方法的结构

起始的问题是：“哪个产品设计更有效率？”。 I2方法给出的答案是一个明确的指示，哪个替代方案是最有效的资源。 该方法的五个部分将在以下章节中进行描述。

2.1． PDM中替代品的定义

I2方法的第一步（1）是不同选择的定义。 所有备选方案在其功能上必须相等，才能相互比较。 替代方案通过影响几何形状和材料选择（M）和生产工艺（PP）的不同参数的变化来定义。 这在PDM环境中完成，并且此步骤中包括先前的信息和经验。

2.2． CAD中的权重计算

使用每个部件的体积和所使用的材料的相应密度，在第二步（2）的CAD系统内计算每个替代物的重量。 关于每个产品替代品的所有相关信息（材料，生产过程，质量）然后合并在一个单一的mBOM中用于所有相关替代品。 这个mBOM被导出并准备在步骤（3）中导入集成。

2.3．资源效率评估

步骤（3）是评估每种产品替代品的资源效率。 用于评估的LCA软件是GaBi ts [3]。 （2）中生成的mBOM是进口的，材料和生产过程的各自的环境和资源概况在GaBi ts内匹配。 以前的匹配列表可用于促进此过程。

“资源”一词被定义为“财富或收入的天然来源”[4]。 资源有效的产品是一种仅需要最少资源才能实现其目的的产品。 为了评估I2方法中的资源效率，表1中推荐了几个指标。

表1：推荐的资源指标

通过这一资源指标清单，给出了对自然资源的全面概述。 这些指标是很好理解的，可以由市场上许多LCA软件工具来计算。 该列表允许每个产品设计者使用I2方法为相关产品选择一组特定的指标。

2.4．预先评估的解决方案

在所有替代方案被定义和评估之后，可以在步骤（4）中减少可能的设计解决方案的数量。在此步骤中，确定所有帕累托效率的解决方案。 一个帕累托效率的解决方案在至少一个类别中更为主导，而不是任何其他替代方案[5]。 此选择使用基于Java的工具完成。

2.5．结果的可视化，解决方案的选择

I2方法的最后一步（5）将结果显示在蜘蛛网图中。 该图表是I2方法的最终结果，并作为决策支持给予产品设计师。 产品设计师可以不同地衡量以前选择的指标，以反映他的偏好。

2.5．I2系统景观和方法要求

I2方法嵌入在系统环境中，如图2所示。前面提到的五个步骤适合四个系统元素：PDM，CAD，GaBi ts和决策逻辑。在PDM系统中，定义和管理备选方案（步骤1）。不同部件的质量在CAD系统内生成（步骤2）。所产生的mBOM也是从PDM内生成的，然后将其移交给GaBi ts进行进一步的评估（步骤3）。预选和可视化（步骤4和5）最终在决策逻辑内完成。

图2：I2系统景观

I2方法有助于处理产品设计阶段的资源效率。 该方法必须符合下列规定：

·与PDM / PLM环境连接

·评估产品生命周期

·产品设计师的明确结果

I2方法有两个主要优点。首先利用现有的工具，这有利于引进的方法和第二个快速定义的替代品，它创建了一个有效的评估过程，只有一个运行通过。

3．I2法在注射模上的应用

先前描述的I2方法被应用在注射模上。模具中的核心幻灯片是Esup3;Fraunhofer主项目中的证明者[6]。方法应用的目标是测试I2-Method并找到注射模具最有效的设计。

注塑模具由四部分组成，如图3所示：

· 上模（UM）

· 下模（LM）

· 芯片幻灯片1（CS1）

· 芯片幻灯片2（CS2）

标有黄色的产品是用注射模具生产的冰刮刀。

图3：具有四个元件的注塑模具

以下评估的功能单元是生产冰铲的一个注塑模具。 注塑模具的建模基于Alkhayat提供的数据[7]。

3.1．PDM中替代品的定义

在PDM系统中定义了总共五种不同的替代方案（A1至A5）。 前三种替代品可以改变产品的尺寸。 A1作为以下四种选择的参考。 在A2中，冰刮刀越来越厚。 A3中的冰刮刮器的设计（如图4中的横截面所示）是这样的，不再需要任何芯片滑块。 A4改变了用于模具的钢，A5改变了芯片从常规金属加工到激光金属沉积（LMD）的生产过程。 在所有替代方案中，产品的整体功能保持不变。

图4：没有芯片幻灯片的A3横截面

所有五种替代方案都归结于表2中的材料，质量和生产过程。整个零件由相同的材料制成。

表2：注塑模具设计方案概述

3.2．评估资源效率

所得到的步骤（1）的mBOM被导入GaBi ts，并与现有的材料和生产过程的环境数据集相匹配。 从整个目录中选出几个指标来有效地评估注塑模具。 结果总结在表3中。

表3：注射模具的评价结果