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Fazleena Badurdeen|Junwon Ko|I.S. Jawahir美国肯塔基大学机械与航空航天工程系，可持续制造研究所，莱克星顿，KY州摘要设计符合循环经济原则的产品是实现宏观经济从线性生产模式转型并减轻相关环境影响的核心。然而，循环产品设计（CPD）本质上是复杂
Fazleena Badurdeen|Junwon Ko|I.S. Jawahir
美国肯塔基大学机械与航空航天工程系，可持续制造研究所，莱克星顿，KY州
摘要
设计符合循环经济原则的产品是实现宏观经济从线性生产模式转型并减轻相关环境影响的核心。然而，循环产品设计（CPD）本质上是复杂的，需要在功能、成本以及众多循环经济驱动的要求之间进行权衡。虽然全面的产品循环度指标能够系统地评估这些要求，但现有的CPD优化工作往往受到指标整合不全和缺乏对相互依赖性和权衡考虑的限制。此外，仅靠优化并不能保证CPD结果的稳健性或安全性。本文提出了一种基于公理设计的方法，利用产品循环度指标来解决这些局限性。
引言
循环经济（CE）注重闭环资源流动，考虑产品的整个生命周期[[1], [2], [3]]，现在被广泛认为是减轻传统制造方式负面影响的策略。鉴于制造产品在提升社会经济福祉中的核心作用，产品层面的CE整合成为宏观经济CE转型的核心[[4], [5], [6]]。
在产品层面，CE倡导整合闭环实践，从产品报废（EoU）阶段回收价值，以便在多个生命周期内重新利用资源。在设计过程中融入CE原则，以在多个生命周期内保持产品价值的同时最大化经济、环境和社会效益，这一过程被称为循环产品设计（CPD）[7]。在设计产品时，要在不违反各种约束条件（如成本、安全、法规合规性等）的前提下实现所需的功能，是一个复杂的问题。若要同时整合循环经济核心原则中的其他要求（如图1(a)和(b)所示），则由于额外的约束和权衡，问题变得更加复杂。
不同来源提出了CPD的指导原则[8]，包括ISO 59010: 2024《循环经济——商业模式和价值网络指南》[9]。这些指南共同确定了循环产品的多种组成特征和属性（在图1(b)中标记为C1–C13）[10]。通过迭代改变控制性CP元素（C1–C3），可以实现期望的产品特性（C4–C8），从而获得预期的性能结果（C9–C13）。设计产品以整合所有这些特征和属性（以下简称CP要求）本质上是复杂的，因为许多特征之间存在相互关联，改进其中一个特征可能会影响另一个特征的性能。例如，为了实现废品回收和再制造的价值，需要使用可拆卸的连接方式（如螺丝），但这可能会降低结构完整性和抗疲劳能力，相比焊接等永久性连接方式而言。因此，有效的CPD解决方案必须考虑影响C1–C13的所有变量之间的相互关系。虽然某些关系很明确（例如，高强度材料能增强功能但会增加成本），但其他关系则不太明显（例如，模块化对使用寿命延长的影响），这使得量化变得更加困难。因此，CPD需要全面的指标来全面评估这些权衡（图1(C)）。
已经提出了许多评估CP的方法，但许多方法存在局限性，例如对CP要求（C1–C13）的覆盖范围有限，以及利益相关者的参与度不足，从而降低了它们的实际价值[10]。为了解决这些问题，最近开发了一种基于系统的方法，该方法将所有CP要求（图1(b)中所示）组织成簇和子簇，并为每个方面定义了示例指标[11]。这些指标相对于一个基准进行标准化，按层次结构汇总到C1–C13和图1(b)中的三个类别中，并根据相对重要性进行加权，形成一个0–10范围内的产品循环度指数（PCI），10表示最高值。
与CPD指南一样，产品循环度指标高度相互依赖，一个指标的变化往往会影响其他指标。可以使用网络分析和中心性度量来研究指标之间的权衡，从而在CPD过程中优先考虑需要改进的指标和设计方面[12]。CP指标还可以与特定的CPD指南关联起来，从而基于网络识别它们之间的相互关系。
已经使用了多种方法来识别CPD解决方案[13]，优化是最常见的方法[14]。然而，大多数方法只关注一部分CP要求，并依赖于有限的CP指标集合，忽视了它们之间的相互关系。研究重点仍然局限于产品层面，忽略了组件层面的优化，以确保两个层面的循环流动。
即使对于最简单的产品，当考虑到C1–C13之间的相互关系时，CPD优化的复杂性也会呈指数级增加。此外，尽管优化可以找到满足客户和利益相关者需求的CPD解决方案，但它们并不能保证设计的稳健性。一个稳健的CPD设计应该是对外部操作条件变化具有最小敏感性的设计，这需要通过合理设计的要求与设计参数之间的关系来实现，这些关系可以是解耦的或弱相关的。公理设计（AD）理论是一种解决设计复杂性并识别更稳健、解耦的设计的方法[15]，已被应用于包括循环特性整合在内的多个产品设计领域[16,17]。Suh的复杂性理论还强调了时间依赖性复杂性如何由耦合设计产生，进一步强调了需要解耦和稳健的CPD解决方案[18]。然而，尽管AD有助于识别复杂设计问题的稳健解决方案，但它们可能无法最佳地实现预期的目标。利用AD可以在CPD优化之前缩小可行解决方案的范围。本文提出了一种新的基于AD的优化CPD方法，考虑了产品和组件层面，并在优化过程中整合了CP要求及其指标之间的相互关系（图1(d)）。
部分摘录
CPD优化方法论
图2展示了执行图1中描述问题的方法的工作流程。
步骤1：通常，AD中的功能要求（FRs）是根据客户需求（CNs）得出的。鉴于实现CE需要更广泛的利益相关者参与，因此在这一步中会识别客户、制造商和社会整体的需求（即利益相关者需求，SN）。因此，除了与产品功能、质量、成本等方面相关的需求外，还会考虑其他CP要求
循环产品设计优化：一个例子
随着组件数量的增加，CPD优化的复杂性显著增加，因为FRs、DPs和CP指标之间的耦合关系可能性增加。因此，使用了一个简化的棘轮螺丝刀配置设计，其中包含齿轮、弹簧、手柄、轴和垫圈等组件（分别用i = 1–5表示）（图3），因为它体现了关键的CP挑战，同时足够简单，可以用来演示优化CPD的方法。
该
结论与未来工作
本文提出了一种新的CPD优化方法，该方法通过结构化的、基于指标的框架来处理相互关联的CP特征和FRs所带来的复杂性。该方法的一个关键贡献是整合了组件层面和产品层面的循环度指标，以确保在两个层面上都优化了价值回收，这也是现有研究中未考虑的方面。使用假设数据进行的简化示例结果表明，该方法
CRediT作者贡献声明
Fazleena Badurdeen：撰写 – 原初草稿、可视化、监督、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、概念化。Junwon Ko：撰写 – 审阅与编辑、可视化、验证、方法论、正式分析、数据整理、概念化。I.S. Jawahir (1)：撰写 – 审阅与编辑、验证、监督、方法论、资金获取、概念化。
