ECODESIGN ÎN INGINERIA INDUSTRIALĂ: ASPECTE PRIVIND ECODESIGNUL ELEMENTELOR ŞI

SISTEMELOR MECANICE

Prof. dr. ing. Gh. L. MOGAN

Universitatea Transilvania din Braşov

1. INTRODUCERE Odată cu dezvoltarea explozivă, mai ales în ultimii 30 de ani, a produselor materiale şi deci şi a

industriilor producătoare, au apărut serioase efecte asupra mediului înconjurător cu implicaţii negative, pe alocuri, catastrofale. Pornind de la această stare, chiar demonstrată, din păcate, de câteva situaţii concrete (ploi acide, moartea vieţuitoarelor apelor, modificări climaterice) a apărut necesitatea introducerii unor măsuri ecologice de protejare şi conservare a mediului. Aceste măsuri se manifestă prin “presiuni” asupra mediului economico-industrial pe mai multe căi: taxele de mediu, bonificaţii pentru iniţiativele de prevenire a poluaţiilor, directive şi legi de responsabilizare a producătorilor, constrângerea forţelor de piaţă în vederea înscrieri şi din punct de vedere ecologice pe o spirală evolutivă. Astfel, pentru implementarea acestor direcţii, s-au înfiinţat multe organizaţii internaţionale (WCED - World Comission on Environment and Develepment de pe lângă ONU, EMAS - European Eco-Audit and Management Scheme) şi naţionale (SETAC –Society of Environmentaly Toxicology and Chemistry, USA; ICME - International Council on Metals and the Environment, Canada, UBA - German Federal Environmental Agency), specializate în probleme ecologice.

Ecologia, definită cu peste 100 de ani în urmă, ca ştiinţa care se ocupă cu studiul interdependenţelor dintre organismele vii şi mai ales ale acestora cu mediul înconjurător, s-a dezvoltat puternic în ultimii 15 ani, cu precădere prin cercetări în mediile academice şi institute specializate, rezultând un număr mare de modele şi metodologii ecologice sofisticate, tehnici de evaluare, reguli şi ghiduri de proiectare etc. Se remarcă, pornind şi de la faptul că problemele ecologice sunt diferite de la o zonă geografică la alta uneori chiar de la o ţară la alta, că încă nici un model, metodologie sau instrument ecologic nu s-a impus la nivel mondial ca fiind aplicabil pentru orice tip de produs sau proces.

Problemele de ecologice (de mediu) sunt dificil de rezolvat datorită următoarelor considerente: degradarea mediului progresează foarte încet, există o perioadă de timp foarte mare între evenimentele cu implicaţii asupra mediului şi efectele produse de acestea, numărul mare de factori care au implicaţii simultan, mulţi factori au implicaţii multiple, mecanismele de afaceri şi de piaţă frânează găsirea soluţiei, modelare matematică riguroasă dificilă.

Pornind de la problematicile de mediu generate de produsele moderne precum şi de tehnologiile aferente, în ultimii zece ani, şi proiectarea produselor s-a adaptat privitor la aspectele de mediu care urmăreşte pe lângă obiectivul clasic de performanţe ridicate la costuri reduse şi ecoeficienţa cuantificabilă prin efecte negative reduse asupra mediului înconjurător.

2. ELEMENTE DE ECOLOGIE INDUSTRIALĂ 2.1. Ingineria ciclului de viaţă Apariţia conceptului de dezvoltare durabilă a condus implicit şi la creşterea interesului pentru

problemele ecologice (de mediu). Dezvoltarea durabilă a produselor şi proceselor presupune atingerea

50 Seminarul Naţional de Organe de Maşin, Braşov, 2005

cerinţelor prezentului fără a compromite abilităţile generaţiilor viitoare de a-şi întâlni propriile lor cerinţe (World Commission on Environment and Development, 1987).

Ecologia industrială se ocupă cu studiul ciclurilor de viaţă ale produselor şi serviciilor în relaţie cu o largă varietate de direcţii, incluzând analiza sistemelor de fabricaţie, analiza fluxurilor materialelor, prevenirea poluării, proiectarea ecologică, administrarea produselor, evaluarea tehnologiilor. Ea oferă perspective pe termen lung, încurajând produsele, tehnologiile şi politicile pentru utilizarea resurselor durabile şi protecţia mediului înconjurător pentru viitor.

Ciclul de viaţă al unui produs (fig. 1), considerând ca având ca etapă de început preprocesarea materialelor în subproduse de tip semifabricate sau materiale primare, continuă prin procesarea acestora în elemente componente şi apoi prin asamblarea şi ambalarea ca produs final. În urma vânzării produsul întră în etapa de folosire (utilizare) în vederea satisfacerii cerinţelor consumatorilor, după care ajunge la ultima etapă a scoaterii din uz, care presupune operaţii de prelucrare a produsului uzat spre reutilizare, reciclare, remanufacturare, procesare a deşeurilor etc. Mult timp etapa finală a ciclului de viaţă a fost rezolvată simplist, cu precădere prin depozitarea în structură completă, ca subansamble sau ca elemente componente, ca deşeuri, în locuri special amenajate în mediul înconjurător. Uneori, în cazul materialelor inflamabile, s-au dezvoltat staţii de procesare a deşeurilor prin incinerare. Aceste moduri de dezafectare a produselor au evidenţiat implicaţii cu nivele ridicate de negativitate asupra mediului înconjurător atât din punct de vedere al apariţiei materialelor incapabile de a intra în circuitul natural fără să-l deterioreze, precum şi prin dezechilibre energetice severe. În ultima perioadă de timp pentru diminuarea sau chiar eliminarea acestor implicaţii negative asupra mediului se urmăreşte diminuarea feedback-ului „negru” cu cele cinci ramuri (fig. 1) de transmitere către mediul înconjurător de reziduuri (deşeuri) şi noxe – de la prelucrarea materialelor, de la prelucrarea părţilor, de la asamblare şi ambalare, de la folosire şi după scoaterea din uz – s-au dezvoltat bucle feedback „albe” de reprocesare a reziduurilor tehnologice, de întreţinere/reparare/service, de refolosire a unor componente sau subansamble, de reprelucrarea unor componente şi de reciclarea materialelor. Aceasta tendinţă se poate evidenţia şi prin exemplul industriei europeane de automobile care asigură reciclabilitatea şi refolosirea a 75% din greutatea vehiculelor uzate, acest procent trebuie să fie până în 2006 cel puţin 80% şi să crească până în 2015 la 95%. De asemenea, în ultima perioadă de timp, s-au evidenţiat expertize avansate din punct de vedere ecologic şi în alte domenii industriale (produsele electronice, produsele de uz casnic).

Fig. 1

Ingineria ciclului de viaţă a unui produs sau proces are rolul de a optimiza etapele ciclului de viaţă, împreună urmărind să echilibreze câştigurile şi pierderile legate de aspecte energetice, de materiale, de ambalare, chimice, biologice şi de prelucrare a deşeurilor [4]. În acest sens se evidenţiază şapte direcţii de eco-eficienţă: reducerea consumurilor de materiale, reducerea consumurilor energetice, reducerea materialelor toxice, creşterea reciclabilităţii materialelor, dezvoltarea resurselor regenerabile, creşterea durabilităţii produselor şi serviciilor.

Modelările matematice ale diverselor etape ale ciclului de viaţă a unui produs şi mai ales a întregului ciclu de viaţă sunt greoaie datorită numărului mare de factori eterogeni cu implicaţii şi efecte multiple dificil de cuantificat. Astfel, pentru aprecierea diverselor dimensiuni ale performanţelor ecologice au fost dezvoltate un număr mare de metode mai puţin sau mai mult cuantificabile şi algoritmizabile. De exemplu, în ultima

Reciclarea

Reprelucrarea

Refolosirea

FABRICAŢIE PRODUS

M E D I U L Î N C O N J U R Ă T O R

SFÂRŞITUL VIEŢII PRODUSULUI

Întreţinere/reparare

FOLOSIRE PRODUSASAMBLAREA

PRELUCRAREA COMPONENTELOR

PREPROCESAREA MATERIALELOR

Reprocesarea

Ecodesign în ingineria mecanică: Aspecte privind ecodesignul elementelor şi sistemelor mecanice 51

perioadă de timp, s-au dezvoltat multe metode de tip eco-indicatori bazate pe punctaje şi pe strategii de măsuri de reducere a impactului ecologic general. Având la bază aceste metode s-au dezvoltat algoritmi şi pachete software, de evaluare a performanţelor ecologice introducând diverşi termeni specifici de la eco-eficienţă la ecologie industrială şi design pentru mediu. Pe de altă parte, s-au generat şi ipoteze specifice folosite pentru calcule şi analize (de ex. masa materialului are relevanţă asupra mediului dacă este de cel puţin 5%).

2.2 Metode şi instrumente pentru studii ecologice În ultima perioadă de timp au fost dezvoltate un număr impresionant de metode, instrumente şi

pachete software de evaluare a impactului ecologic al materialelor, produselor şi proceselor. Aceste instrumente sunt diverse şi sunt asociate cu modele de la înalte nivele de cuantificare până la cele mai formale modele calitative. Pornind de la faptul că eco-instrumentele actuale au un caracter cvasigeneral acoperind grupuri de produse sau procese, problema importantă a utilizatorilor (proiectanţi, designeri, manageri) este de a găsi instrumentul adecvat pentru problema specifică pe care o are de rezolvat. Pe de altă parte, ţinând cont de structura generală şi de problematica, în viitor, este posibil să se elaboreze instrumente specifice pentru principalele subsisteme ale produselor (mecanice, electrice, electronice, informatice etc.), desigur luând în considerare şi interacţiunile dintre acestea.

În fig. 2 se prezintă o sistematizare (Tischner, 2001) a diverselor metodologii şi instrumente folosite în cadrul ecologiei industriale pentru analiza impactului asupra mediului, determinarea priorităţilor şi a direcţiilor principale de îmbunătăţire a performanţelor ecologice, sprijinirea activităţilor şi acţiunilor de proiectare, precum şi pentru corelarea cu alte criterii de proiectare (de performanţe şi de eficienţă economică). Abrevierile folosite în această sistematizare au următoarele semnificaţii: LFA – Life Cycle Assessment (evaluarea ciclului de viaţă), CED -Cumulated Energy Demand (cerinţele energetice cumulate), MIPS – Materials Input per Service Unit (materiale folosite pe unitate), LiDS – Life-cycle Design Strategy (strategia proiectării pentru ciclul de viaţă), MET – Material Energy, Toxic emissions (emisii de materiale, energie, noxe), ABC – classification system: A- probleme severe, necesită intervenţie, B - nu sunt necesare intervenţii dar ar trebui monitorizare, C – nu sunt probleme) , SWOT - Strengths , Weakness, Opportunities, Threats (puncte tari, puncte slabe, oportunităţi, ameninţări), ELADA - End of Life Advisor Design (ghid pentru proiectarea pentru sfârşitul vieţii).

LiDS Wheel

SWOT-analysis

ELADA

Eco-indicator 99

Fig. 2 (Tischner, 2001)

52 Seminarul Naţional de Organe de Maşin, Braşov, 2005

Instrumentele LCA au fost printre primele instrumente ecologice dezvoltate care evaluează global impactul asupra mediului a unui produs pe întreg ciclu de viaţă incluzând procesele de fabricaţie precum şi cele de scoatere din uz. Conform ISO 14040 LCA este o tehnică de evaluare a efectelor ecologice asociate unui produs prin: compilarea unor baze de date cu intrările şi ieşirile; evaluarea potenţialelor impacturi ecologice şi interpretarea acestor impacturi în corelaţie cu obiectivele studiului. Astfel, prin această metodă sunt analizate şi măsurate din punct de vedere ecologic fluxuri de materiale, de energie şi alţi factori (emanaţii de toxine) asociaţi unui produs pe întreaga viaţă [1]. Metodele LCA, în plus, caută să examineze pe lângă toate aspectele legate direct de produs şi alte aspecte indirecte, de ex. generare electricitate, infrastructura etc.

LCA este o tehnică ştiinţifică de cuantificare, care identifică efectele asupra mediului pe tot ciclul de viaţă. După SETAC pentru realizarea unui instrument complet, deci şi pentru LCA, de evaluare ecologică a ciclului de viaţă a unui produs, proces sau activitate se impune parcurgerea a trei etape principale: - Life Cycle Inventory (inventarierea ciclului de viaţă) - este procesul obiectiv de cuantificare a intrărilor şi

ieşirilor. Se generează baze de date obiective care structurează încărcările asupra mediului – fluxurile energetice şi de materiale, emisiile şi deşeurile pe întreg ciclul de viaţă.

- Life Cycle Analysis (analiza ciclului de viaţă) - este procesul tehnico-ştiinţific calitativ şi/sau cantitativ care sistematizează şi analizează impactul asupra ciclului de viaţă pentru caracterizarea şi evaluarea efectelor de mediu identificate în etapa de inventariere.

- Life Cycle Strategy (strategia ciclului de viaţă) - realizează studii de îmbunătăţire a efectelor ecologice care se sintetizează în strategii pentru folosirea oportunităţilor pentru a se reduce influenţele asociate asupra mediului pe întreg ciclul de viaţă. Prin intermediul acestor strategii pe lângă minimizarea impactului ecologic al ciclurilor produselor, al proceselor se evidenţiază şi efecte economice pozitive ca urmare a reducerii fluxurilor de materiale şi energetice.

Pentru aprecierea cantitativă a nivelelor de impact asupra mediului în cadrul etapei a doua (Life Cycle Analysis) se definesc şi se implementează eco-indicatori prin parcurgerea următoarelor faze: - Inventarierea presupune compilarea unei liste cu intrări şi ieşiri relevante pentru identificarea factorilor

care contribuie la o problemă ecologică. - Caracterizarea este procesul de descriere cuantificabilă a contribuţiilor. - Cuantificarea presupune aprecierea cantitativă a caracterizărilor relativ una la alta.

Eco-indicatorii sunt metode care sunt folosite pentru calcularea impactului ecologic, de obicei evaluabil sub forma unui punctaj global asociat, al materialelor şi al proceselor. Există posibilitatea de apariţie a erorilor pe fiecare fază. În prezent se fac studii şi analize asupra eco-indicatorilor bazaţi pe metodele ciclului de viaţă pentru a se identifica sursele de erori precum şi pentru a se evalua validitatea şi obiectivitatea ştiinţifică.

Pornind de la importanţa şi de la generalitatea problemelor analizate prin diverse metode şi instrumente LCA s-au elaborat standarde privitor la principii (ISO14040); definire, obiective, domenii de analiză (ISO14041), evaluarea impactului ecologic (ISO14042, 4043). După standardul EN ISO 14040 instrumentul LCA este cea mai precisă variantă dar, de obicei, implică un efort mărit de implementare în timpul etapelor de dezvoltare a produsului. În practica LCA în diverse ţări s-au dezvoltat metode specifice de evaluarea a impactului ecologic LCIA - Life Cycle Impact Assessment (evaluarea impactului pe întreg ciclul de viaţă), de ex. în Danemarca este folosită metoda numită EDIP.

Instrumentul Eco-indicator 99 asigură estimări mai rugoase a performanţelor ecologice prin intermediul unui punctaj global care include factori legaţi de materiale şi/sau consumul energetic.

Pentru aprecierea calitativă a produselor industriale durabile sunt adecvate şi analizele SWOT care evaluează starea curentă (puncte tari şi puncte slabe) şi starea viitoare (oportunităţi, ameninţări) privitor la aspecte de mediu, social etice, economice (pentru companie şi pentru consumator), tehnologie, legislaţie etc.

Instrumentul ecologic ELADA (End of Life Advisory Design) este implementat şi pe INTERNET şi ajută proiectanţii şi producătorii cu recomandări şi ghiduri privitor la strategiile legate de procesele de scoatere din uz.

MET Matrices - Materials, Energy and Toxic (materiale, energie, toxine) evaluează ecologic din punct de vedere materiale, energie şi toxine emise în etapele de fabricaţie, folosire şi scoatere din uz.

Pentru o implementare mult mai accesibilă utilizatorilor s-au dezvoltat o diversitate de pachete software asociate multor metodologii şi instrumente ecologice cu aplicabilităţi concrete pentru diverse grupuri de produse sau chiar pentru diverse subdomenii [7].

În corelaţie cu aceste metode şi instrumente, utilizate pe durata procesului de dezvoltare, în plus, sunt utilizate, strategii, ghiduri, liste de verificare, chestionare etc.

Ecodesign în ingineria mecanică: Aspecte privind ecodesignul elementelor şi sistemelor mecanice 53

Strategiile ajută utilizatorii (proiectanţi, designeri, manageri) asupra îmbunătăţirii principalelor impacturi ecologice ale unei etape a ciclului de viaţă sau cu implicaţii generate de mai multor etape ale ciclului de viaţă.

Ghidurile, ca instrumente ajutătoare mai ales pentru diminuarea prejudiciilor asupra mediului, pot fi structurate în diverse direcţii: corecţii (reutilizarea, reducerea, reciclarea, eliminarea, substituirea, reproiectarea, regândirea), consumuri (greutatea, masa substanţelor periculoase, energetice, masa ambalajelor), ciclul de viaţă (proiectarea, prelucrarea, ambalarea, distribuţia, folosirea, scoaterea din uz), chimico-biologice (noxe, solar, ciclic, siguranţă, eficienţă).

O listă de verificare pentru proiectarea unui produs sau proces industrial se poate referi la: faza de producţie (consumuri reduse de materiale, reziduuri tehnologice reduse, productivitate înaltă, diversitatea materialelor redusă, minimizarea substanţelor emanate), faza de folosire (materiale consumabile reduse, consum energetic redus, micşorarea dimensiunilor şi volumului, uşor de curăţat, nivel ridicat de multifuncţionalitate, oportunităţi înalte de refolosire, nivel redus de deşeuri agresive, durabilitate ridicată, rezistenţă ridicată la coroziune, înalte posibilităţi de întreţinere, uşor de reparat, uşor de dezmembrat, robusteţe ridicată, puţine materiale predispuse la oboseală şi uzare, construcţii modulare, adaptabilitatea înaltă la progresele tehnice, opţiuni de recombinare în vederea reutilizării), faza de reciclare (uşor de dezasamblat/separt, uşor de curăţat, posibilităţi înalte de prelucrare a deşeurilor, continuarea utilizării, reutilizarea/reciclarea componentelor, utilizarea ulterioară a materialelor), faza deşeurilor (caracteristici pozitive de ardere, consecinţe scăzute asupra mediului). Uneori, propoziţiile din lista de verificare se pot evalua prin aprecieri calitative: foarte bine, parţial bine, rău, ne relevant; excelent, corespunzător, necorespunzător.

În fig. 1 şi 4 se pot identifica şi instrumente (de ex. Life Cycle Costing, Total Costing Accounting) care permit evaluarea şi a aspectelor ecologice în corelaţie cu celelalte performanţe mai ales cele economice. Se evidenţiază prin intermediul fig. 4 proporţia mărită a costurilor ecologice în raport cu celelalte costuri.

Pentru identificarea căilor eficiente de îmbunătăţire a performanţelor ecologice s-au dezvoltat metodologii specifice. Cele mai întâlnite în practica industrială sunt (fig. 3): LiDS - Life Cycle Design Strategy - wheel (Brezet and van Hemel, 1997) – roata strategiei la proiectarea pentru ciclului de viaţă, Spider-web diagrams (Tischner, 2001) – diagrame pânză de păianjen, Strategy lists - liste cu strategii - and the Ecocompass (Fussler and James, 1996) .

Graficele de tip roată (The LiDS wheel) reprezintă o metodologie ilustrativă care permite utilizatorilor (proiectanţi, designeri, producători, manageri) să identifice priorităţile pentru o dezvoltare ecologică (fig. 4). Cele şase direcţii radiale au următoarele semnificaţii: 0 – dezvoltarea unui nou concept: dematerializarea, lărgirea domeniilor de folosire ale produsului, integrarea funcţiilor, optimizarea funcţională a produsului; 1- selectarea materialelor cu impact scăzut: puritatea, regenerabilitatea, energii scăzute la procesare, reciclabilitatea; 2- reducerea materialelor utilizate: reducerea masei, reducerea volumului; 3- optimizarea tehnologiilor de fabricaţie – tehnici de producţie alternative, număr de procese de producţie reduse, consumuri energetice scăzute, deşeuri reduse, materiale tehnologice (consumabile) reduse; 4- optimizarea sistemului de distribuţie: ambalaje mai puţine şi reutilizabile, sistem eficient de distribuţie, transport eficient, logistică eficientă; 5- reducerea impactului asupra mediului la folosire: consum energetic redus, surse de energie regenerabile, cantitatea consumabilelor redusă, consumabile ecologice, fără deşeuri şi consumuri energetice auxiliare; 6- optimizarea timpului de viaţă iniţial fiabilitate, durabilitate, întreţinerea şi reparaţia uşoare, structura modulară, relaţie de

Fig. 3

Fig. 4

54 Seminarul Naţional de Organe de Maşin, Braşov, 2005

ataşament a utilizatorului de produs; 7- optimizarea sfârşitului vieţii: reutilizarea întregului produs, remanufacturarea parţilor, stimularea reciclării materialelor.

Pe de altă parte, pornind de la aceleaşi motive de importanţă majoră asupra vieţii în ansamblu în ultimii 10 ani au fost integrate în curiculele universitare module, cursuri sau chiar mastere pentru instruirea studenţilor în studiul şi managementul ecoindustrial [2].

3. ASPECTE DE ECODESIGN ÎN INGINERIE 3.1 Etapele procesului de proiectare ecologică Proiectanţii de produse şi procese trebuie să asigure că acestea excelează în toate aspectele care

conduc la satisfacerea cererilor clienţilor prin asigurarea performanţelor funcţionale, profitabilităţii economice, fiabilităţii şi, în egală măsură, a impactului asupra mediului (Sarbacker, 1998).

Scopul proiectării ecologice (pentru mediu sau ecodesign) în contextul proiectării durabile (fig. 5) de a minimiza impactul (efectele negative, prejudiciile) produselor şi proceselor asupra mediului pe tot ciclul de viaţă totodată cu maximizarea beneficiului, performanţelor şi a calităţii. Proiectarea durabilă impune considerarea pe lângă aspecte funcţionale economice şi de mediu şi a implicaţiilor sociale şi etice.

Principalele etape ale procesului de proiectare (fig. 6): analiza/planificarea/definirea sarcinilor, proiectarea conceptuală, proiectarea de ansamblu, proiectarea de detaliu, prototiparea/testarea şi lansarea pe piaţă, ca etape bine conturate ale algoritmului clasic în cazul considerării aspectelor ecologice se completează cu metodologii şi instrumente specifice.

În faza de analiză/planificare/definire a sarcinilor se analizează situaţiile existente şi de viitor, se identifică obiectivele principale şi specifice cu considerarea şi a atributelor ecologice şi sociale şi în final formularea listei de cerinţe care defineşte şi justifică proprietăţile viitorului produs. În cadrul acestei etape este necesar a se defini şi dezvoltarea funcţiilor calităţii ecologice. Este important la această etapă de a se identifica contradicţiile dintre necesităţile clienţilor şi cererile de mediu. Instrumente utilizate: analize SWOT, LFA, LCD Eco-estimator etc.

Scopul principal al fazei de proiectare conceptuală este de a genera noi idei, concepte şi soluţii tehnice care presupun activităţi ale inginerilor designeri şi proiectanţi pentru a realiza şi cerinţele necesare de mediu şi sociale stabilite la faza anterioară. În cadrul acestei faze inginerii designeri au un înalt nivel de angajare privitor la aspectele de mediu şi în finalul acestei faze se selectează prin evaluări şi selecţii soluţia cea mai bună din considerente de performanţă, economice şi ecologice. Aprox. 80% din costurile ciclului de viaţă sunt stabilite în această etapă. Instrumentele folosite în această etapă sunt: LCA, CED, Eco-estimator, tehnici de creativitate, ghiduri de proiectare pentru mediu, matrice morfologice etc.

Proiectarea de ansamblu conduce la soluţia principală privind structura constructivă. La această etapă de importanţă deosebită este considerarea de către proiectant a aspectelor ecologice cu instrumentele CAD. Eco-instrumentele cel mai frecvent utilizate sunt: LCA, tehnici de creativitate, ghiduri, liste de verificare.

Faza de proiectare de detaliu presupune identificarea aspectelor de prelucrare ale părţilor componente ale produsului pentru a fi eficient şi profitabil din punct de vedere utilizare (folosire), de siguranţă, şi de mediu considerate. Sfârşitul proiectării de detaliu presupune finalizarea documentaţiei tehnice a produsului. Instrumente ecologice folosite: ghiduri şi reguli de proiectare, liste de verificare.

Pentru validarea studiilor teoretice realizate se realizează un prototip prin intermediul căruia se testează/verifică: proiectarea, se evaluează dacă setul de cerinţe iniţiale au fost îndeplinite inclusiv aspectele ecologice şi sociale. Instrumente folosite: diagrame spiderweb, raota LiDS, Eco-compass etc.

Produsele în dezvoltare proiectate pentru performanţe de utilizare şi pentru un sfârşit de viaţă preferat sunt monitorizate prin intermediul analizei comportării pe durata perioadelor menţionate şi corectate prin bucle feedback cu etapele anterioare.

În fig. 6 se prezintă şi etapele ciclului de viaţă în corelaţie cu precădere cu etapele de dezvoltare a unui produs incluzând şi aspectele moderne legate de întreg ciclul de viaţă.

Proiectarea Durabilă

Proiectarea de Produs funcţional, economic,

estetic, siguranţa

Eco-Proiectarea

plus mediu plus social/etic

Fig. 5

Ecodesign în ingineria mecanică: Aspecte privind ecodesignul elementelor şi sistemelor mecanice 55

Fig. 6

Proiectarea ecologică (fig. 7) are ca scop principal obţinerea de produse ecologice. Aprecierea

calităţii unui produs din punct de vedere ecologic se face prin volumul prejudiciilor asupra mediului înconjurător pe întreg ciclul de viaţă. Evaluarea acestor prejudicii este o operaţie complexă care poate conduce la creşterea timpului şi costului proiectării.

PpM.

PpA PpD

PpÎ

PpCV

PpF PpR

Proiectarea considerând fabricaţia

Proiectarea produselor ecologice

Proiectarea durabilă

Proiectarea considerând mediul

Fig. 7

Planificarea

Proiectarea conceptuală

Proiectarea de ansamblu

Proiectarea de detaliu

Testarea / prototiparea

Vânzarea

Analiza comportării

Preprocesarea materialelor

(Procedee sau semifabricate)

Prelucrarea componentelor

Asamblarea / ambalarea

Folosirea

Sfârşitul vieţii

(scoaterea din uz)

Etapele dezvoltării unui produs Etapele ciclului de viaţă

56 Seminarul Naţional de Organe de Maşin, Braşov, 2005

Eco-proiectarea are la bază mai multe componente care în ultima perioadă sunt sintetizate în complexul denumit Proiectarea pentru X (M - Mediu, P - Prelucrare, A - Asamblare, D - Dezasamblare, P - Prelucrare, R - Reciclare, Î- Întreţinere, CV - Ciclul de Viaţă, etc.).

Proiectarea considerând mediul este o strategie amplă de dezvoltare de produse prietenoase cu mediul prin instrumente specifice combinate cu instrumente CAD care oferă date şi algoritmi despre starea produsului în raport cu mediul cu luarea în considerare şi a costurilor [8].

3.2 Proiectarea pentru X Proiectarea pentru Prelucrare este practica de configurare a produsului luând în considerare aspectele

de execuţie în vederea reducerii costurilor fără sacrificarea calităţii. Proiectarea pentru prelucrare poate fi privită ca având trei componente principale: selectarea procedeului, reducerea numărului de operaţii ale procesului, optimizarea formei şi dimensiunilor elementelor şi subansamblelor considerând şi particularităţile procedeului. Selectarea procedeului are la bază criteriile de performanţă ale elementului, toleranţele impuse, volumul producţiei, complexitatea, costurile cu sculele, dispozitivele şi verificatoarele. Reducerea numărului de operaţii asociat procedeului presupune eliminarea fazelor redundante şi combinarea fazelor. Proiectarea pentru procedeul adoptat se face cu ghiduri specifice care au ca scop optimizarea proiectării de detaliu a componentei respectând restricţiile procesului tehnologic adoptat. Astfel companiile producătore şi-au dezvoltat ghiduri proprii: de prelucrarea prin aşchiere, turnare, deformare plastică la rece, sudare, injectare mase plastice etc. De asemenea, au fost elaborate pentru diversele tipuri de prelucrări baze de date şi module software adecvate.

Proiectarea pentru Asamblare are la bază filozofia şi practica încorporării necesităţilor de funcţionare şi de configurare ale unui produs în fazele primare de proiectare pentru a asigura o asamblare uşoară şi economică asigurând timpi de asamblare şi costuri ale operaţiilor de asamblare reduse, precum şi sugestii de reproiectare.

Fabricaţia produselor privitor la impactul asupra mediului include şi ambalarea, de multe ori, asociată cu asamblarea. Multe companii au înlocuit ambalajele tradiţionale cu cele ecologice care adeseori au condus la tehnologii cu productivităţi mărite.

Tehnicile de proiectare pentru asamblare au rolul de a mări capacităţile pieselor de manipulare, de apucare, de poziţionare, de asamblare.

Pentru analiza sistemică şi cantitativă a proceselor de asamblare se pot utiliza una din cele mai cunoscute metode - Boothroyd & Dewhurst, 1970 şi Lucas Engineering Systems, 1980 care au la bază modele de calcul ce conduc la valori concrete pentru factori de apreciere globali a performanţelor privind asamblarea.

Proiectarea pentru Dezasamblare (dezmembrare) este filozofia şi practica configurării elementelor componente şi a legăturilor dintre acestea care să permită demontarea produsului pentru separarea de componente şi subansamble reutilizabile/remanufacturabile precum şi de materiale reciclabile la costuri reduse. Pe de altă parte, prin intermediul unor metodologii şi instrumente specifice se încearcă şi îmbunătăţirea performanţelor produselor pentru stimularea procesării deşeurilor pentru refolosire/reprelucrare, dacă se poate, completă a produsului la etapa de scoatere din uz. Din mai multe variante posibile se adoptă varianta de dezmembrare care asigură echilibru între investiţii şi rezultatele obţinute.

Proiectarea pentru dezasamblare având obiective diferite se deosebeşte de proiectarea pentru asamblare prin următoarele aspecte: se preferă, de multe ori, dezasamblarea incompletă care este mai eficientă decât cea completă; procesul de asamblare, uneori, este nereverisibil; valoarea adăugată la dezasamblare este mult mai redusă decât la asamblare; există incertitudini la dezasamblare privitor la calitatea componentelor; la asamblare se impune un înalt nivel de precizie şi acţiunile sunt repetabile fără apariţia de incertitudini. Pornind de la aceste considerente în multe situaţii dezmembrarea se realizează manual mai puţin pe linii automate sau robotizate.

Proiectarea pentru Întreţinere este calea folosită în fazele primare de proiectare pentru mărirea abilităţilor unui produs pentru a fi oprite şi refăcute condiţiile specifice, în perioada de folosire, urmărind mentenanţa uşoară şi eficientă, utilizând ghiduri specifice.

Proiectarea pentru Reciclare/Reutilizare este procesul de proiectare în care atributele de mediu – reciclabilitatea/refolosirea – sunt preferate şi tratate ca obiective separate pentru menţinerea sau îmbunătăţirea performanţelor de funcţionare şi de viaţă ale unui produs [5].

Proiectarea pentru Mediu (ecodesign-ul) este procesul de proiectare care spre deosebire de proiectarea tradiţională - cu considerarea funcţionalităţii, costurilor, esteticii, ergonomiei – consideră, în plus, aspecte ecologice pentru conservarea şi refolosirea resurselor mediului înconjurător, optimizarea consumurilor

Ecodesign în ingineria mecanică: Aspecte privind ecodesignul elementelor şi sistemelor mecanice 57

energetice şi de materiale, minimizarea generării de deşeuri şi eliminarea totală a efectelor negative asupra vieţii pe toată durata ciclului de viaţă.

Proiectarea pentru mediu include diferite căi de acţiune: dezvoltarea de metodologii pentru evaluarea impactului ecologic; investigarea, analiza şi sinteza căilor de implementare a aspectelor ecologice în vederea creşterii performanţelor pe parcursul dezvoltării produsului.

Pentru îmbunătăţirea performanţelor ecologice ale produselor prin ecodesign se folosesc cu precădere metodologii, instrumente şi pachetele software dezvoltate având la bază pe cele ale ecologiei industriale. Instrumentele pentru PpM necesită introducerea de către proiectant de date de intrare adecvate şi, pe de altă parte, produc analize şi strategii relevante pentru reducerea riscurilor de mediu şi a costurilor precum şi pentru îmbunătăţirea pe anumite părţi sau pe întreg ciclului de viaţă a performanţelor de mediu [9]. Fiecare instrument este unic dar toate consideră şi aduc date despre ciclul de viaţă al produsului chiar în fazele de început a procesului de proiectare. Aceste instrumente se folosesc cu precădere la toate etapele de proiectare (conceptuală, constructivă) prin metode specifice de sinteză funcţională şi constructivă.

Timpul folosirii instrumentelor LCA în proiectare este la final deoarece acestea ţin greu pasul cu dinamica evoluţiei dezvoltării produselor şi pe de altă parte interpretarea aspectelor şi implicaţiilor ecologice, din ce în ce mai detaliate, presupun profunde cunoştinţe de specialitate, de obicei, nestăpânite de designeri şi proiectanţi. Astfel, a apărut o prăpastie între instrumentele LCA, stăpânite în detaliu de specialiştii în ecologie, şi instrumentele CAD folosite de proiectanţi. Se impune, în viitor, crearea de interfeţe prietenose şi, deci, de pachete software de proiectare prin integrarea de module software de ecologie în pachetele CAD/CAE/CAM.

În acest sens, se definesc următoarele necesităţi de completare a metodologiilor tradiţionale de proiectare: - considerarea întregului ciclu de viaţă în toate etapele de proiectare; - luarea în considerare cu precădere a aspectelor legate de scoaterea din uz a produsului urmărind feedback-

urile albe de reutilizare, de remanufacturare, de reciclare; - crearea de interfeţe cu instrumentele CAD/CAE/CAM de analiză, de evaluare şi de sinteză a implicaţiilor şi

efectelor ecologice; - folosirea de metacunoştinţe despre proiectarea produselor cu luarea în considerare a tuturor contextelor şi

sistemelor care au legătură cu produsul. Bazele de date asociate instrumentelor PpM sunt diferite de cele asociate instrumentelor LCA printr-

un înalt nivel de specializare pentru anumite subdomenii de ex. asamblări, procese de producţie. Pachetele software care folosesc aceste baze de date sunt cu un înalt nivel de interactivitate cu utilizatorul.

Pe de altă parte, proiectanţii au nevoie de instrumente simple pentru proiectarea curentă de zi cu zi. În acest sens, se folosesc cu precădere ghiduri şi liste de verificare care folosite cu abilitate conduc la reduceri ale impactului asupra mediului de până la 30-50%.

4. ASPECTE PRIVIND PROIECTAREA ECOLOGICĂ A ELEMENTELOR ŞI

SUBSISTEMELOR MECANICE (ORGANE DE MAŞINI) Din punct de vedere constructiv, sistemele mecanice ale produselor tehnice se compun din ansamble,

subansamble şi elemente constructive (inclusiv organele de maşină), identificabile cu uşurinţă în schemaele structural-constructive. Ansamblele sunt entităţi constructive independente, care respectă structura funcţională a produsului şi au în componenţă subansamble şi elementele constructive cu forme şi poziţii determinate şi de tehnologiile de montaj, de întreţinere şi de exploatare. Subansamblele sunt structuri independente, care nu totdeauna sunt constituite respectând funcţionalitatea, şi care se evidenţiază printr-un grup compact compus, în configuraţie minimală, din cel puţin două elemente constructive sau din alte subansamble şi elemente constructive, în interacţiune permanentă, format ţinându-se cont cu precădere de tehnologiile de montaj, de întreţinere şi de exploatare.

Elementele constructive componente ale unui sistem mecanic tehnic, ansamblu şi/sau subansamblu, sunt entităţi distincte în interacţiune directă fixă, permanentă (nedemontabilă sau demontabilă), sau în interacţiune mobilă directă (fără ungere) sau indirectă (cu ungere). Tipurile acestor legături, din punct de vedere constructiv şi în funcţie de necesităţile funcţionale, sunt diverse şi sunt tratate în detaliu în cadrul disciplinei de Organe de maşini.

Practica proiectării şi execuţiei de sisteme mecanice s-a dezvoltat continuu, incluzând în orice perioadă de timp toate realizările de performanţă privind mijloacele, metodele, posibilităţile, materialele şi tehnologiile anterioare. Din punct de vedere funcţional, în diferite sisteme mecanice, se găsesc elemente constructive şi/sau subansamble care au funcţii identice sau cvasiidentice. Pentru acestea, de obicei, cu

58 Seminarul Naţional de Organe de Maşin, Braşov, 2005

timpul s-au dezvoltat algoritmi de proiectare consacraţi şi tehnologii avansate de execuţie şi de montaj în întreprinderi specializate, asigurându-se astfel optimul din punct de vedere funcţional, constructiv, tehnologic economic şi acum şi ecologic.

Pentru proiectarea unui produs care să aibă caracteristici funcţionale, constructive, de eficienţă şi ecologice ridicate, este nevoie ca în acesta să se includă elemente constructive şi subansamble din ultima generaţie. În acest sens, proiectantul trebuie să se informeze continuu despre realizările la nivel mondial în domeniul performanţelor şi execuţiei de elemente constructive şi subansamble specializate.

Elementele constructive şi subansamblele din componenţa produselor tehnice mecanice, ansamblelor pot fi: - active, când sunt poziţionate pe fluxurile energetice principale; - de rezemare, pentru susţinerea elemente constructive sau subansamble; - de legătură, pentru realizarea asamblărilor de fixare, de obicei, demontabile.

Pe de altă parte, elementele constructive şi subansamblele dintr-un sistem mecanic pot fi specifice, proiectate şi realizate numai pentru acel produs, sau pot fi specializate (elemente de asamblare, de cuple cinematice, curele, lanţuri, reductoare de turaţie, transmisii şurub-piuliţă, rulmenţi, ghidaje etc.) proiectate şi produse de firme specializate consacrate, pentru funcţii aplicabile la mai multe produse.

Evoluţia realizării de produse la nivel mondial evidenţiază tendinţa de obţinere a unui număr mărit de produse independente specializate care pe lângă avantajele privind performanţele funcţionale şi de eficienţă economică au înalte performanţe ecologice, de exemplu: reductoare armonice, module de ghidaje cu rostogolire, transmisii cu şuruburi cu bile.

În ultima perioadă de timp firmele producătoare au dezvoltat produse care conţin un număr mărit de subansamble şi de elemente constructive specializate.

Odată cu progresele spectaculoase din ultima perioadă în domeniul acţionărilor mai ales a celor de tip electric liniar, transmisiile mecanice se reduc, uneori, chiar sunt eliminate.

Tratarea aspectelor ecologice în cadrul proiectării sistemelor mecanice se pot dezvolta în două direcţii: cercetări teoretico-experimentale şi dezvoltarea de metode şi instrumente utile pentru proiectare. Deşi cercetările fundamentale în ingineria mecanică pură par a fi în diminuare totuşi odată cu dezvoltarea explozivă a mecatronicii şi considerarea implicaţiilor ecologice au apărut noi provocări privind studiile de cercetare cu implicaţii imediate în practica industrială. Pornind de la mutaţiile produse în ingineria produselor industriale şi de larg consum în ultimul timp s-au produs şi modificări în structura algoritmilor de sinteză şi de calcul. Astfel, proiectarea integrată având la bază instrumentele CAD/CAE/CAM s-a dezvoltat cu module PLM (Product Life Management) şi se completează cu instrumente şi pachete de ecologie industrială.

Proiectarea ecologică de ansamblu şi de detaliu se realizează având la bază metodologii, ghiduri, sau liste de verificare care pot avea caracter general sau specific [3]. În tabelul 1 se prezintă un ghid general pentru ecodesignul sistemelor mecanice [6].

Tabelul 1

Ghid pentru ecodesign-ul sistemelor mecanice

Aspecte privind materialele

Minimizarea conţinutului toxic Folosirea de materiale reciclate şi reciclabile Folosirea de materiale durabile Reducerea numărului materialelor Evitarea substanţelor toxice Reducerea deşeurilor Creşterea refolosirii şi reciclabilităţii Reducerea materialelor consumabile Compatibilitate maximă a materialelor utilizate Reducerea materialelor agresive

Aspecte privind performanţele

Durabilităţi mărite Randamente ridicate Zgomote reduse Fiabilitate ridicată Reducerea uzărilor

Ecodesign în ingineria mecanică: Aspecte privind ecodesignul elementelor şi sistemelor mecanice 59

Tabelul 1 (continuare) Aspecte de prelucrare Alegerea proceselor tehnologice cu impacturi ecologice reduse

Alegerea proceselor tehnologice mai puţin energofage Alegerea materialelor tehnologice cu impact scăzut aspra mediului Creşterea eficienţei procesului netehnologic Reducerea deşeurilor (reziduurilor tehnologie) Proiectarea unui produs de a fi multifuncţional

Aspecte privind asamblarea/ambalarea

Minimizarea ambalajelor Proiectarea modulară Folosirea simetriei pentru a se reduce timpul de manipulare Folosire de teşuturi şi racordări pentru a facilita potrivirea la montaj Forme uşor de identificat din punct de vedere al orientării şi poziţionării Realizarea de părţi uşor upgradabile Posibilităţi de autoaliniere/autocentrare Configurarea părţilor pe nivele de sus în jos folosind gravitaţia pentru poziţionare şi pentru a se realiza operaţiile de asamblare în plan orizontal Folosirea de elemente şi subansamble specializate (standardizate) pentru a se reduce varietatea părţilor Folosirea de asamblări rapide (autoasamblărilor) fără elemente intermediare de asamblare Eliminarea ajustărilor Eliminarea reorientărilor Ansamble cu facilităţi de dezvoltare prin adăugire Soluţii de mânuire facilă şi accesibilă Poziţionarea părţilor nereciclabile în subsisteme care pot fi uşor demontate Asamblări uşor de montat Locuri de asamblare uşor de accesat

Aspecte privind utilizarea Reducerea reziduurilor Reducerea materialelor consumabile Eficienţă energetică Ergonomie ridicată

Aspecte privind scoaterea din uz

Uşor de curăţat Uşor de demontat Materiale etichetate lizibil pentru identificare la dezmembrare Reducerea emisiilor de noxe toxice Uşor de dezasamblat şi reasamblat folosind asamblări demontabile uşor Reducerea numărului de mişcări de reasamblare şi dezasamblare Uşor de verificat şi sortat Materiale care nu intră în conflict la reprocesare Minimizarea coroziunii

5. CONCLUZII În ultima perioadă de timp în dezvoltarea de produse noi a devenit foarte importantă luarea în

considerare a performanţelor de mediu pe întrega viaţă a produsului precum şi a implicaţiilor sociale. Odată cu creşterea importanţei problemelor legate de mediu s-au dezvoltat sisteme de informare, modele, metodologii şi instrumente specifice pentru a face produsele şi procesele mai bine pentru reducerea impacturilor asupra mediului (creşterea performanţelor de mediu) care pot fi vaiate nivele de cuantificare.

Tehniciele şi instrumentele LCA s-au dovedit cele mai puternice pentru evaluarea impactului ecologic şi pentru calcularea resurselor materiale şi energetice derivate din întreg ciclul de viaţă al unui produs/proces. Modelele de tip eco-indicator adesea marcate de preţuri mai scăzute şi interactivitate mărită cu utilizatorii suferă prin nivele scăzute de colaborare şi iterfaţare cu instrumentele inginereşti. Instrumentele LCA este necesar să fie integrate în procesul de proiectare pentru a se putea lua decizii juste cu luarea în considerare a implicaţiilor directe de performanţă, eficienţă şi de mediu, precum şi a celor indirecte survenite din sistemele associate.

Deşi, instrumentele ecologice pentru utilizare în practică propun strategii, ghiduri şi liste de verificare care pot fi aplicate chiar şi fără o instruire de specialitate în ecologie practica a demonstrat că există reţineri

60 Seminarul Naţional de Organe de Maşin, Braşov, 2005

în considerarea aspectelor de mediu, mai ales, în cazul activităţilor care nu au implicaţii directe şi imediate asupra mediului. Justificarea acestei stări se poate face prin: lipsa unei instruiri de bază (sau chiar culturi) în domeniul ecologic şi prin neintegrarea instrumentelor ecologice cu instrumentele specifice de lucru în domeniul respectiv. Astfel, în ultima perioadă de timp se fac eforturi intense de introducere în programele de studiu de la toate nivelele noţiuni şi chiar elemente avansate de ecologie industrială, ecodesign, proiectare durabilă etc.

Pe de altă parte, dezvoltarea în viitor de instrumente integrate EcoCAD/CAE/CAM va conduce la performanţe ridicate privind optimizarea pe termen lung a complexului existenţial planetar.

BIBLIOGRAFIE 1. BHANDER G. S., HAUSCHILD, M., MCALOONE, T. Implementing Life Cycle Assessment in

Product Development, Environmentally process, December 2003 (vol 22, nr. 4) Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark

2. DEWULF, W., DUFLOU, J. The Ecodesign Knowledge System – Supporting Ecodesign Education as well as Knowledge Management, The International Design Conference, Dubrovnick, 2004.

3. DUFLOU, J., DEWULF, W. Eco-impact anticipation by parametric screening of machine system components: An Introduction to the EcoPas Methodology, In the Product Engineering. Ecodesign, Technologies and Green Energy (Editors: Talaba, D, Roche, T.), Springer Publisher, 2004.

4. Ernzer, M., Birkhofer, H. How to carry out life cycle design? Methodical support for product developer, Darmstadt University of Technology, Institute for Product Development and Machine Elements, Germany

5. Mazhar1 M. I., Kara S., Kaebernick H. Reusability Assessment of Components in Consumer Products – A Statistical and Condition Monitoring Data Analysis, Peer reviewed paper presented at the 4th Australian LCA Conference, February 2005, Sydney

6. OTTO, K., WOOD, K. Product design. Tehniques in Reverse Engineering and New Product Development, Prentice Hall, 2001.

7. ROCHE, T. The design for the environmental compliance workbanch tool, In the Product Engineering. Ecodesign, Technologies and Green Energy (Editors: Talaba, D, Roche, T.), Springer Publisher, 2004.

8. RITHIE, J. Virtual environments – The eco – friendly approach to product design ?, In the Product Engineering. Ecodesign, Technologies and Green Energy (Editors: Talaba, D, Roche, T.), Springer Publisher, 2004.

9. STEVELS, Ab., BREZET, H., ROBOUTS, J. Application of LCA in eco-design: a critical review, The Journal Of Sustainable Product Design, April 1999

20