浅谈基于生物质环保材料的机械设计

陈冬冬　张琦　张鹏飞　周骥平　姜娅妮

[摘要]2015年国家提出来了《中国制造2025》计划。提出了坚持“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针。我国是一个人口众多，资源匮乏的人口大国。资源消耗急剧和环境污染问题已经成为当前急需要解决的一大问题。本文从生物质环保材料在制造业中实现的重要意义出发，介绍生物质环保材料的设计概论和含义，以及进行生物质环保材料进行机械设计时应该注意的原则和生物质材料在未来工业制造中的发展前景。

[关键词]机械设计；生物质材料；设计原则

1用生物质材料进行机械设计的意义

最近幾年国家提出了节能减排的目标，传统的煤矿、石油、天然气资源不断消耗，使得我们面临环境污染，水土污染等一批尖锐的问题。生态文明的发展模式是一个必然实现中国梦的过程。现代机械设计方法和生物质材料的结合将很大程度上减轻环境的污染，节约资源。从而可以保护我们的环境同时也可以减轻产品的质量，做到绿色循环低碳环保。

2基于生物质材料进行机械设计的基本概念

2.1生物质材料的发展背景

其实人类利用生物质材料已经拥有了上千年的历史。造纸术的出现和埃及木炭制造术均是生物质材料进行机械设计最早的成功实例，只是发现石油与煤以后它们为原材料而发展起来的新型能源与化工大大促进了文明的发展，同时也使得生物质材料慢慢被人们淡化。随着进入21世纪，制造业的不断发展。环境问题日趋突出。人们才开始意识到生物质材料可以代替传统的耗能材料来进行工业的生产和制造。

2.2生物质材料机械设计方法的含义

利用现代机械设计方法和生物质材料相互结合，分析材料的特殊性能采用合理的机械加工方法进行绿色环保设计，使得产品的设计制造都在绿色环保的可控环境下，当产品超过生命周期可以回收或者自动分解。从而达到保护环境的作用。

3基于生物质材料进行机械设计的原则

传统的机械设计方法需要消耗更多的原料不但对环境会产生严重的影响对人体的健康也会造成严重的伤害。所以在基于生物质材料的机械设计要考虑到到以下原则。

3.1绿色环保设计原则

绿色环保设计是我们进行设计的首要原则，要求实现产品的功能要与保护环境的目的共存。通过生物质材料的性能和实现产品的功能条件进行优化设计。使得产品在实现客户的要求同时也达到保护环境和低碳绿色循环的作用。能够在减轻产品的质量的前提下，保证产品功能的实现并且也可以延长产品的使用寿命。从而尽到我们的责任最大程度的保护我们的环境不会受到太严重的的污染，达到低碳、绿色、循环，努力实现3R理念（减少、循环、重新利用）的绿色环保的设计原则。

3.2绿色工艺设计原则

在选择产品的材料时候要考虑到这种生物质材料可降解性，在安排产品的工艺生产流程时尽量主要做到实现各部分零件优化设计，可以便于装拆。要求在满足生物质材料制造工业流程中要降低产品的噪音和振动的影响。是产品的工艺系统更具有层次性，目的性，环境适应性。这样有利于减少复杂的工艺流程加重操作人员的工作负担。在工艺系统的实现过程中要注意废弃物的回收，让废弃物可以循环利用。从而可以提高企业的生产效率，以达到利益的最大化要求。

3.3相适应性原则

我们在进行机械设计的同时要考虑到我们选择的材料的性能和产品的结构。要根产品的工作环境，工作温度，和工作原理来进行机械系统的设计。在掌握生物质材料的各种性能以后我们才能设计出与之相适应的机械制造系统。从而使得整体功能和局部功能相互适应，相互协调。让我们设计出的机械系统更具有简单，易操作等特点。

3.4人性化原则

科学发展观中提出了经济的可持续发展要做到“以人为本”的原则，基于生物质材料来进行机械的生产和制造的过程中应该考虑到生产材料的绿色可控性，不会对人体产生不必要的健康损坏，使我们设计的机械制造系统简单容易操作，从而减轻操作人员的工作负担。人性化的外观设计是生物质材料代替传统材料的一大优势，比如玻璃里面加入纤维素可以制造出更加漂亮不容易打碎的杯子。使得不仅美观大体，让人赏心悦目而且产品可具有很好的使用性能，在可靠性设计中避免更换太多的零件提高整体的可靠性能，让人性化的设计原则能真正的贯彻到现代生物质材料的机械设计中去。

4生物质环保材料的机械设计在未来展望

生物质材料可以和不同的材料进行复合从而可以制备出具有更好的性能的产品，又因为其是生物可以降解的环保型材料在未来的医药，航空制造领域都会得到很大程度上的利用价值。

4.1医疗领域

将生物质材料基于计算机的辅助设计，结合机械工程学，数控技术等通过计算机的断层扫描技术，利用CAD技术可以模拟出3D的结构，然后构造出模型利用快速成型的技术打印出来然后移植到到患者体内，这类生物质材料的支架是基于现代机械设计方法通过三维建模的方式一层层打印出。既要考虑到生物质支架的而拥有较高的力学性能和孔隙的连接又要考虑机械制造系统的可操作性。为私人化支架移植通过便利。

4.2汽车制造

可以将生物质材料比如（纳米纤维）结合机械设计方法加入到汽车轮胎的骨架中使得轮胎变得质量轻。强度高阻燃性变得更好，能满足对橡胶骨架材料的耐高温性，抗疲劳性，冲击性，粘结性和抗蠕变性能等。汽车的安全袋也具有很好的应用。

4.3航空制造领域

飞机制造过程中需要飞机的两翼需要密度小，强度高，并且质量较轻的材料。基于新型的生物质材料结合机械设计基础，机械的制造工业工艺，机械加工工艺加入到飞机的两翼中不仅可以减轻飞机的质量还可以提高飞机的飞行速度和安全性能。

5结语

基于生物质材料的机械设计方法是当前我们国家面临资源严重的紧缺，能耗较大同时传统的煤炭，石油等材料对环境又产生极大的污染下提出来的一种设计理念。它要求设计人员带着一种社会责任感来进行产品的创新。只有这样才能响应国家提出的绿色发展，循环发展，低碳发展的可持续经济。

[责任编辑：王伟平]