基于可持续的产品设计材料选择与应用研究

郑祎峰

摘 要：改善和丰富人类物质和精神需求的各种产品设计要契合环保和可持续发展这一当今社会发展的主题。以往的产品设计与生产由于材料的选择、成本的限制、技术条件的制约造成了资源的大量浪费以及不同程度的环境污染，饱受诟病。如何在设计阶段妥善处理产品设计的可持续问题？本文试就产品设计材料的选择与应用研究略陈管见。

关键词：可持续 材料 选择 应用

中图分类号：J524 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0089-02

1 可持续发展对设计的要求

伴随着现代工业的不断发展，新技术、新材料广泛应用于各类产品的生产加工之中，人类对物质需求层次提高，个性化更是成为80、90后的主要需求。大量的生产与消费虽然实现了物质的极大丰富，也由此带来了资源枯竭、环境污染等严重后果。据统计，我国主要家电的报废量年均增长率在“十二五”末期已经超过20%，小家电的总制造产出量及产额2015年约10.21亿台及2505亿元，2016年上半年小家电的产出量约4.52亿台，与去年同期相比增长约4.7%，产出的增多以及各种原因带来的产品更新提速势必会带来报废数量的不断走高。

众所周知，废旧机电产品的部分材料含有对人体有害的化学物质或重金属，它们均不易降解，尤其是重金属还被称为土壤的“毒药”，如处理不当会给人们的健康带来极大威胁，不仅会污染土壤和地下水，还会污染空气形成酸雨……

鉴于此，可持续发展对产品设计的最基本要求就是要考虑产品的环境属性，实现资源环境材料的可持续，这也是绿色设计的基本要求。同时要保证产品能用、好用、易用以及质量等方面的要求。

2 产品设计材料选择的一般方法

合适的材料是一件产品由设计创意到实际产出的关键。一般来说，能够供一件产品选择的材料很多，关键是设计者在当时选择了哪种材料？材料选对还是选错还需要实践的检验。作为设计者而言，在产品材料选择时通常考虑以下几点。

（1）材料的固有特性。即综合考量材料的物理特性和化学特性，如材料的密度、力学性能、热性能、电磁性能、光学性能和耐腐蝕性、抗氧化性、耐侯性等。

（2）材料的工艺特性。简单地说，所选材料应能实现设计意图中的造型形式和对表面处理的工艺要求。材料的工艺特性是设计者在设计之初考虑最多也是最重要的问题。由于只有在加工成实际产品后才能体现出设计者的设计思想，因此产品材料的选择至关重要。为了更加真实、全面的表现出设计效果，设计师要充分了解所选材料的物理和化学特性，在通过表面涂装、抛光、烤漆、丝网印刷等技术进行表面处理时要提前考虑材料的性质与状态。不同的表面处理技术可以使相同的材料形成不同的视、触觉特性；同样，不同的材料亦可以通过表面处理技术获得相同的视、触觉特性。

（3）材料的生产成本。在能够基本实现设计意图的前提下，尽可能简化加工工艺、选择价格低廉、资源充足的材料，以此来降低生产成本。

（4）材料的替代产品。现如今，随着生产技术、信息化水平的不断提高，同一类产品品牌繁多、参差不齐，这些产品在性能、外观等方面近乎相同，同质化已不可避免。只有创新才有出路。材料替代就是产品开发与创新设计中最常见的一种方法。设计师可利用新材料或新工艺的优点来改善产品的使用性能，降低成本，更好地体现出产品特点、突出产品个性、丰富产品功能、提升产品价值，使产品更具竞争力。例如：基于环保等方面的考虑，传统的由ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯）树脂材料制成的冰箱门内胆已被无毒无味、耐腐蚀、绝热性能好的HIPS（高抗冲聚苯乙烯）所替代。基于开模成本、样机测试以及可实现性等多方面因素的考虑，近年来在航天科技、工业设计、模具制造、医学、汽车、建筑等领域广泛使用3D打印技术来生成所需的各种零部件，极大缩短了产品的研发周期、提高了生产效率、降低了生产成本。

3 基于可持续的产品材料选择与应用对策

3.1 传统材料选择与使用的缺陷

传统的产品设计材料选择，保证了产品的可生产性，满足了产品的可使用性，但缺陷也是显而易见的。

（1）选用材料的品种过多。一支木头铅笔，由碳、木材、金属、橡胶、油漆等5种材料制成；一辆儿童推车用到塑料、金属、铝合金、麻布植绒、树脂、塑胶、尼龙布、橡胶等数十种材料；一辆自行车使用的材料就有30～40种；小件产品的用材数量已如此之多，更何况大型产品了。用材数量的增加，既增加了制造过程的复杂程度，又在产品生命周期结束后产品的回收与再利用方面上问题尤为凸显，处理不当便会对环境造成污染。

（2）生产过程对环境的影响。一方面，设计师在材料选择时追求功能性和经济性。如氟利昂作为制冷剂在冰箱、空调等家用电器中广泛应用，但是氟利昂中的氯原子会破坏臭氧层，对人类、植物和水生系统都会带来不良影响；又如汽车、燃气灶具的普及，可燃性有机矿产大量使用，产生了大量的碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳等废气，引起光化学烟雾，产生温室效应。另一方面，设计师又欠缺对材料加工及回收的过程中可能对环境所造成的影响。所选的材料难加工、能耗高、噪音大、粉尘多，不仅对环境造成污染，也威胁到人的身体健康，在产品废弃后，材料间不易分离，无法高效回收材料，降低了材料再次使用的可能性，也降低了产品的环境友好性。

3.2 对策研究

传统的材料选择方法注重性能、功能、成本上的需求，忽视了材料的环境性能。材料在其“开采—生产—加工—制造—使用—再生”的生命周期中，每一个环节均会对生态环境造成影响。因此，基于“绿色设计”这一理念，产品材料的选择既要体现一定的先进性，保证产品基本功能的实现，又要减少对各种资源的使用，降低有害物质的排放，同时使废弃材料能再生利用。因此，在选择材料时要着重处理好以下几个因素。

（1）要选择绿色材料。何为绿色材料？即该材料在“选材—制造—使用—回收—再利用—废弃处理”流程中与环境友好又有利于人类健康。这就要求设计师充分了解各种材料的特性以及发展的最新趋势，优先选用那些无害、环保、健康的材料或者是新材料、合成材料。长期以来，设计师们在这方面做了许多积极的尝试并取得了较好的效果。例如：华硕竹韵笔记本电脑用竹子作为表面及腕托材质；电视机机壳用高密度纤维模压成型；用聚乳酸、树木纤维等代替塑料；墙面涂装选材，以乳胶漆、硅藻泥涂料等逐渐取代了含有苯及其化合物的涂料、壁纸等材料；用秸秆作为轻工、纺织和建材原料，部分代替砖、木等材料……endprint

（2）要减少所用材料的种类。科学技术的不断发展，各种先进的制造技术正广泛应用于产品设计与生产之中。“工业4.0战略、中国制造2025行动纲领”等的深入推进必将实现制造业向智能化的转变。工厂的生产实现智能化便对产品在设计阶段提出了更高的要求。如今，模块化、智能化、参数化设计已应用于产品设计。例如模块化，设计师通过对产品功能实现以及结构的充分分析，精心设计出多种可供选择的模块，进而组合出多样化的产品，缩短了设计的周期，避免了重复设计，减少了使用的材料，方便了装配与拆卸。于企业而言，减少产品使用材料的种类：一是降低了制造、环境成本，同时也降低生产的总费用；二是有利于产品废弃后的回收与再生利用，减少了对环境的污染和对资源的过度使用；三是可以简化产品结构，便于生产与加工、分类与回收。宜家商场供顾客选购记录的一支长约10cm的木头铅笔，以原色出现，省去了表面上色和附带橡皮的工艺，用起来非常方便，顾客用的顺手，时常有带回去继续使用的冲动。由此可见，材料与工艺的减少并没有影响到铅笔的使用。

（3）要选择可分解性材料。我国的垃圾处理方式主要有填埋、堆肥、焚烧和资源化四种。填埋是最常用的方法，堆肥和焚烧会带来空气污染，垃圾的资源化处理还较难实现。生活中，一次性塑料袋的大量使用造成了“白色污染”，填埋处理需要200年才能降解，焚烧处理又会释放毒性最大的物质——二恶英，更加重了大气的污染，国家出台“限塑令”的根本目的就在于遏制“白色污染”。因此，类似于这种难分解、降解的材料就要摒弃，要优先选用可降解的生物塑料。如设计生产包装容器、农用地膜等可以选用聚乳酸（PLA）材料，各种容器、瓶罐和垃圾袋等可选择淀粉塑料加工制作。

（4）要选择可回收、可再生性材料。基于环保和节约成本的考虑，所有的产品在条件允许的情况下都应该选择可回收、可再生性材料，并将此作为产品研发的一项重要内容。可回收与可再生性材料最大的特点就在于它们回收后的基本性能不会发生太大改变，因此，使用可回收与可再生材料既可以减少对资源的消耗，又可以减少提炼原材料时对环境造成的污染。例如，手机在回收后经过专业分解能得到金、银、铜、钴等十几种贵重和稀有金属，它们又可以用来制造牙科治疗器械、自行车等产品，如果全球的手机用户都能回收一部旧手机，专业分解后所得到的贵重和稀有金属将相当可观。当然，能够回收再利用的产品远不止手机一种，但是由于宣传普及程度不够，人们对于产品所用材料到底哪些是可以回收再利用的知之不多，参加“以旧换新”活动的更多是为了冲抵现金而不是因为环保。

（5）选择不加任何涂镀的原材料。产品的表面处理就是为了使产品达到美观、耐用、防腐等技术要求。但大部分涂料本身有毒，涂镀工艺也会给环境带来污染。所以，设计生产产品尽量以材料的本质属性展示与众。

基于可持续的产品设计材料选择与应用，要在充分了解材料特性与加工工艺的基础上，选择那些既有良好工艺特性又具有良好环境属性的材料。这样才能降低产品在“选材—制造—使用—回收—再利用—废弃处理”过程中对环境造成的破坏，实现可持续发展，促进人与自然的和谐。

参考文献

[1] 江湘芸.设计材料及加工工艺[M].北京：北京理工大学出版社，2010.

[2] 刘志峰，刘光复.绿色设计[M].北京：机械工业出版社，1999.

[3] 任思聘，解念锁.绿色材料在现代设计及制造中的应用[J].科技创新导报，2010（6）：142.

[4] 方蕾，李金方.浅析绿色设计理念在机械设计制造中的應用[J].机械管理开发，2014，29（5）：60-62，67.endprint