以大学生创新项目为载体的绿色创新设计研究初探

王黎夫，段金娟，杨爱慧

(天津工业大学 天津300387)

以大学生创新项目为载体的绿色创新设计研究初探

王黎夫，段金娟，杨爱慧

(天津工业大学 天津300387)

以大学生创新创业项目为载体，利用3D打印技术，通过“碎纸新生一体机”产品的创新设计实践，探索绿色创新设计。设计围绕“纸垃圾”展开，通过实验验证设想工艺和设计创新点，并展开产品创新设计。对产品的内部结构设计进行创新，将上部的碎纸部分与下部的造纸部分相结合，并经过烘干、压制等过程，产生新的纸制品。取出后，沿着压制的形态即可折成文件盒等纸制品进行二次使用。不仅可以有效解决“纸垃圾”带来的污染，还可以一定程度上节约资源，实现身边废纸资源的回收再利用。

绿色设计 创新 3D打印 次生价值

1 “时代的选择”——绿色创新设计

1.1 绿色设计

绿色设计(Green Design)又称生态设计。在产品生产及加工的整个周期内，绿色设计将设计点放在产品的环境属性上(能否拆卸、回收、维护、重复利用等)，将这些作为设计目标与方向，因此，其也称“3,R”原则(Reduce、Reuse、Recycle)：减少环境污染、减少能源消耗、增加产品的二次利用。[1]

绿色设计源于20世纪60年代，但在资源日益紧缺、环境遭受严重破坏的21世纪，却日益成为一种极其重要的新趋向。根据联合国粮食和农业组织(FAO)发布的《2015年全球森林资源评估》，自1990年来，全球已有约1.29亿hm2的森林资源消失，面积几乎等同于一个南非。如此骇人听闻的数据真实而深刻地摆在我们面前，地球也在以各种方式提醒着人类，环境保护刻不容缓。一场“绿色革命”已经到来，在环保成为世界性的发展趋势的情况下，绿色设计正起着前所未有的作用。[2-3]

1.2 设计需要创新思维——做资源的加法：回收与循环

如今，实现广义回收最常用的方法就是回收与循环，如生活中常见的“一水多用”等。现实中全球每分每秒都会产生不同级别的资源消耗，我们将这称之为“资源的减法”；如果我们在某一环节加以改良，加入进去循环与回收的元素，哪怕很小的一个小环节，很少的一点节约，全球累计起来也是一个不容小觑的量，这是“资源的加法”。因此，循环与回收的环节至关重要。

清华美院工业设计系主任蔡军说，“绿色设计的话题其实非常重要”，中国现阶段非常缺少绿色设计意识，这是一个重要的问题。我国可持续发展观充分要求了“绿色设计”将成为21世纪工业设计的热点话题之一。为了完成这个任务，设计师要对产品进行再设计，加入环保的意识和元素，这不仅要对设计师的学识进行多维度的考核，更多的需要设计师具备创造性思维和更丰富的想象力。如今，工业设计行业在社会上非常之火热，带动着巨大的商机。我们在增长经济与发展实力的基础上，更要把握好环境因素。在原来(人与产品)的关系上加入新的元素，即“人——产品——环境”三方协调发展。由此我们对创新的需求愈发强烈，如何开创属于新时代的产品，成为当今社会要面对的重大课题。

2 “海阔凭鱼跃，天高任鸟飞”——国家大力支持大学生创新创业

“成功等于百分之七十的努力和百分之三十的机遇”，机遇非常重要。在过去也许你有才气，但是没有平台让你去施展能力。但国家现如今大力支持公民创新创业，着力从大学生抓起。就在过去的2015年，国务院办公厅发布《关于深化高等学校创新创业教育改革的实施意见》提出，要求将教学及考试进行改革，着力培养学生的创造性思维和批判性思维。对以往固定的考试形式进行优化，提倡非标准答案考试，以破除学生“高分低能”的积弊。同时，我国还鼓励大学生发表论文、申请专利以及自主创业。不仅如此，总理李克强也曾多次提出鼓励政策，在一次给清华大学的学生创客的回信中强调“青年愿创业，社会才会生机盎然；青年争创新，国家才会朝气蓬勃”。由此可见，国家对创新创业型人才的培养力度让我们可以充分施展才华，为之做贡献。[4-5]

天津工业大学多年来一直在开展“项目”形式的大学生创新实践活动，并逐步构建了国家级-省级-校级三层次的“大创计划”训练体系，不断完善和刷新“大创计划”形式及内涵，取得了很好的效果。我们的设计课题正是在国家大力鼓励大学生创新创业的环境下，基于天津市大学生创新创业资助课题而展开的绿色产品设计研究，课题号为201510058007。

3 “碎纸新生一体机”绿色创新设计

3.1 灵感的来源与设计前的准备工作

“实践是检验真理的唯一标准”，灵感不会凭空而来。正如伟人的这句箴言，在做设计之前一定要经过充分的调研与实践。德国作为走在世界前列的工业大国，率先提出并发起了第4次工业革命，即工业4.0时代。该战略主要分了3大主题：①智能工厂，重点研究智能化生产系统及过程；②智能生产，涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等；③智能物流，通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，提升效率。这其中的一项技术——3D打印技术引起了我们的兴趣。

3D打印是一种快速成型的技术，它以数字模型为基础，用粉末状金属或塑料等可粘合处理的材料，通过逐层打印方式，将虚拟模型实物化来构造物体。[6]将这种概念实现的设备，我们称之为3D打印机。早在1986年，Charles Hull开发出第1台3D印刷机。它与我们日常使用的打印机原理基本相同，只是材料不同，将墨水和纸替代为金属、塑料、砂石等不同材料。3D打印技术未来将会成为一项非常有用的科技，会对世界的发展起到巨大的推动作用。

设计小组的课题研究基于这项技术，在其基础上进行产品的创新设计。我们发现，虽然3D技术如此强大，但是普通百姓根本触及不到，分析其原因：①价格方面。一台3D打印机的价格，贵的要几十万到百万之间，普通的也要几万元。所以在经济层面，不符合大众使用。②多样化的材料。与普通打印机的墨水相比，3D打印所需要的材料复杂很多，又不方便购买。生活中很难找到一家可以买到3D打印耗材的商店。于是，我们提出了问题：如何将这项技术应用到人们的生活中，真正让人们感受到科技带来的优越性呢？为了进一步设计的需要，我们走进人们生活中，去寻找突破口。

对调查的人群进行分类观察(学生类、工作类、居家类)发现，在他们的日常中，有一种物质，每时每刻都在消耗，那就是纸。纸张的大量消耗不仅造成森林的破坏，而且因生产纸浆的不正当排污，会对水资源造成严重污染。我们可能并没有直接砍伐森林，但是对纸张的使用和消耗等同于加入砍伐森林的行列，因此珍惜纸张就是在保护我们的生存环境。所以，被我们使用过准备随手扔掉的纸张，如果能得到二次利用，那会无形中节约很多资源，再造新价值。据统计，我国的废纸回收率不到20%,，如果将全国5%,的出版刊物替代为电子书刊，每年可减少纸消耗约26万t，节能33.1万t标准煤，相应减排二氧化碳85.2万t；如果全国1/3的纸质信函用电子邮件等代替，那么每年可减少纸张消耗3.9万t，节能5万t标准煤，减排二氧化碳12.9万t。

这样一组数据，不仅给人们带来心灵上的震撼，同时，也给我们带来了设计灵感。如果将生活中使用过的废纸收集起来，进行二次加工，得到二次使用的价值，那么既能在一定程度减少资源的消耗，又能对环境起到保护作用，还可以给人们带来次生价值。这样一举多得的构想，是我们下一步研究设计的切入点。

3.2 提出设计新思路，团队配合进行实验验证

3D技术将细小的物质堆积粘接，积少成多，形成产品。考虑到3D技术对材料的应用，我们提出，是否可以以纸为原料，利用相同原理，打印出纸产品呢？

首先，对造纸工艺进行研究。简易的造纸工艺核心步骤如图1所示(以木材原料为例)：首先准备原料，即树木等，将大块木材碎成木屑，并经过加工、纤维解离等环节制成浆，滤去杂物；其次，将制成的纸浆多次洗涤，漂白；再次，将已经准备好的纸浆筛选净化，均匀地喷在网上，压榨烘干；最后，压光成卷。工厂会根据需求制出不同质地的纸张。

图1 造纸工艺步骤Fig.1 Processing steps of paper making

4 实 验

由于造纸工艺与3D技术的原理有很多相似的地方，本文设想制做一种创新型3D打印设备，它的原料就是纸，可以由生活中废弃的纸张得来，这是非常容易获取的原料。于是，展开验证其可行性的实验。

实验目的：证明总结提炼的造纸工艺可用于我们的创新产品中。

实验方法：实验选取的是来自生活中废弃的纸张，设置了对照组便于观察结论。选取相同纸张为原料，一组加入漂洗剂和胶质物质，另一组不加。

实验步骤：

①将废弃的纸张(20张)撕碎，分成两组放置在器皿里；

②器皿内加水，没过碎纸屑并加以充分搅碎，得到纸浆；

③在两组器皿中，其中一组加入事先准备好的试剂(胶质物质、漂洗剂)，另一组不加；

④经过反复搅拌后，将其均匀地筛至滤网上；

⑤用重物压制并等待直至晾干，便可得出两张粗糙的再生纸板。

实验结果：能够明显对比出，添加试剂(胶质物质、漂洗剂)纸的质量要比未添加的白、亮，而且韧度强。同时也证明了经过我们提炼得出的造纸工艺是可以实施的。如果后期加以精细化的学术研究改进与技术支持，制作的质量会提升很多。

5 基于实验结果，开展产品创新设计

明确了思路，下一步就要对产品进行设计。不仅要对外观进行设计，还要对内部结构进行思考。根据之前总结的思路，将机体设计成两部分，碎纸部分和造纸部分，并以上下结构呈现。在上部的碎纸部分，采用碎纸机原理，能够快速将回收的纸张打碎。下部分将提炼的造纸工艺表达出来，分为打浆区和压制区。整体工作流程设计如下：将若干纸张放入打碎，打碎的纸屑会落入打浆区，系统会加入适量水、漂洗剂与胶质物质。经过搅拌后，纸浆将流入下部带有模板的压制烘干区，进行纸张制作。随后取出即可使用。其中，对很多细节进行了优化设计：

①结合之前实验中的总结，制作一张新的纸板大约需要20张A4大小的纸原料。于是在设计过程中，我们将一体机上部留出很大的收纳空间，可以随时对打碎的纸屑进行统一收集。系统会在下部工作时(造纸工作中)关闭上部的出屑口，从而单独工作。当系统检测到下部工作完成时，会自动开启并释放出一定量的纸屑，继续工作。预计2,h左右可以完成单次造纸工作，机器内如果有满足可以进行工作所需的纸屑原料，将会继续工作；如果原料不够，将停止下部工作。即采取上下双控制设计，单独完成各部分工作。

②整个机体的上下部分均可拆卸，便于维修以及更换添加剂等。内部遵循模块化设计思路，方便区分各部分工作区域，在拆装和后续维修上一目了然。

③纸浆流入的压制模板是可以进行设计的。举一个简单的例子，将文件盒的展开形式制成模板，那么，生产出来的产品可以由模板压制的痕迹折成文件盒进行二次使用。所以，不同的模板可以生产出不同的纸产品。

④在外观设计上，我们选取简洁大方的形态，适合多种场合的配色方案以及环保材质等，更贴切多元化的使用环境与使用心理(见图2、3)。

图2 “碎纸新生”产品内部结构设计Fig.2 Interior structure of the “Shredded Paper Recycler”

图3 “碎纸新生”产品外观设计Fig.3 Exterior design of the “Shredded Paper Recycler”

6 结 语

“碎纸新生”产品的创新设计，在未来有很广泛的使用空间。它可以由专门的设计师设计出不同的模板，有了各式各样的模板就可以生产出如文件盒、绘图纸、一次性餐盒、大型3D纸模型、环保房屋、家具等用品；它可以应用于不同场合，如学校、办公室、医院、写字楼甚至百姓家中。我们的设计理念时刻遵循以绿色设计为主的原则、可持续发展的设计思路，在节约资源保护环境的同时，产生次生价值。同时，以大学生创新创业训练项目这个平台作为载体开展创新设计，使我们有机会深入开展创新实践，增强了信心，提高了就业热情，提升了自身能力。■

［1］ 张雷，彭宏伟，刘志峰，等. 绿色产品概念设计中的知识重用[J]. 机械工程学报，2013(7)：72-79.

［2］ 傅志红，彭玉成. 产品的绿色设计方法[J]. 机械设计与研究，2000(2)：10-12，6.

［3］ 杨明朗，蔡克中. 工业设计的未来之路——绿色设计[J]. 包装工程，2001(3)：22-25.

［4］ 王琼，盛德策，陈雪梅. 项目驱动下的大学生创新创业教育[J]. 实验技术与管理，2013(6)：99-101.

［5］ 刘长宏，李晓辉，李刚，等. 大学生创新创业训练计划项目的实践与探索[J]. 实验室研究与探索，2014(5)：163-166.

［6］ 李青，王青. 3D打印：一种新兴的学习技术[J]. 远程教育杂志，2013(4)：29-35.

On Innovative Green Design Based on College Students’Innovation Projects

WANG Lifu，DUAN Jinjuan，YANG Aihui
(School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Take college students’ innovative undertaking projects as the carrier，the innovative green design was explored through the practice of innovative design of a “Shredded Paper Recycler” by using 3D printing technology．Focusing on“waste paper”，envisaged process and innovation points were verified by experiment and the design of a new product was carried out．The interior structure of the product was innovatively designed，to be specific，combining the upper shredding paper portions with the lower paper making portion，and after drying，pressing and other processes to produce new paper product．After removal，the product can be folded into paper boxes and other paper products for secondary use．Not only can this product effectively solve the pollution caused by the paper rubbish，it can also conserve resources to some extent and realize the recycling of waste paper.

green design；innovation；3D Printing；secondary value

TB47

A

1006-8945(2016)06-0081-04

该文是天津市大学生创新创业项目“碎纸新生”产品创新设计(项目编号：201510058007)；2016年天津市教育系统调研课题《面向天津绿色制造的工科院校创新创业设计教育平台建设研究》(课题编号：一般课题174)；天津工业大学2015年教育教学改革研究课题《纺织机械造型专题设计开新课研究》的阶段性研究成果。

2016-05-12