TRIZ理论在木塑复合家具中的应用

■田钰彬，朱剑刚 Tian Yubin & Zhu Jiangang

(南京林业大学家居与工业设计学院，江苏南京 210037）

木塑复合材料属于一种新型环保型材料，得益于其力学强度高、耐腐蚀、加工性能好等优良性质，木塑复合材料在家具领域中的广泛应用成了近年的发展趋势。对国内木塑复合家具的市场调查发现，受成本以及工厂加工技术等方面的限制，木塑复合家具类型以户外家具为主，色彩整体单调，造型自由度较低，且大部分以板式部件为结构单位连接组合而成的板式造型为主[1]，导致用户和企业对木塑复合家具印象不佳。但随着技术的发展，行业专家认为木塑复合材料的产品性能已有突破性的进展，相关加工工艺技术足以满足家具行业对材料的需要。木塑复合型材的应用并非只局限于户外家具领域，如何利用现在技术挖掘木塑复合家具深入发展的可能性，丰富其在室内家具领域的应用形式，是目前国内家具制造企业需要突破的一个难题。

1 木塑复合家具应用概述

1.1 木塑复合材料

木塑复合材料是一种以木屑、竹材剩余物、农作物秸秆等木质纤维原料作为填充，结合少量添加剂后与聚合物熔融复合而成的一种新型环保复合材料。其兼具木材和塑料的双重优点，包括防潮、耐腐蚀、富有木质感、力学强度高、加工性能好等。由于木塑复合材料的制备为废弃植物原料以及废旧塑料开辟了新的再生利用途径，因此备受人们关注，并在家具、建材、建筑等领域迅速发展。

1.2 木塑复合材料在家具领域中的应用情况

木塑复合家具属于一种可循环利用的环保型家具，其具有天然木材固有的纹理及色彩，作为代替实木的产品逐步出现在家具市场上。根据市场调查发现，由于其防潮、耐腐蚀等优良特性，木塑复合家具在户外家具领域中应用较为广泛[2]，尤其是园林景观家具、街道家具等多由木塑复合材制成。

随着人们对这类型新型环保型家具接受度的提高，木塑复合家具开始进入室内家具市场，如在办公家具、厨房家具及卫浴家具等领域均有了一定的拓展[3]。尽管木塑复合材料原料易获取且价格低廉，但由于多数家具制造企业尚未拥有足够的技术将型材较好地应用于家具制造中，导致市面上常见的木塑复合家具的基本形态多以直线型为主，总体风格偏休闲，设计感不强。

实际上，木塑复合型材经过多年发展，已经有完整的加工工艺和足够的产品性能满足于家具行业对材料的需求。木塑复合型材不仅只适用于制造户外家具，其在室内家具领域有更深层次的发展空间。家具制造企业可突破传统的木塑复合家具设计、加工方式，在控制成本的前提下尝试结合多种思维方式以及利用现有技术，使木塑复合型材更广泛应用于室内家具领域。

2 基于TRlZ理论的木塑复合家具创新设计流程

TRIZ理论是一种基于工程实践基础上总结而成的方法学，其认为产品创新的标志是解决设计中的冲突，因此提出“40条发明原理”这一创新工具，希望借助经验将设计中的冲突进行细化，并以方法论的形式提供给技术人员更高效、便捷的解决思路。在木塑复合家具制备过程中，可结合TRIZ理论的40条发明原理，帮助家具制造企业中的技术人员从多个角度、多种解决方案中寻求最优解，以突破设计瓶颈。（图1）TRIZ理论解决问题的方式主要包括三个步骤：问题识别、问题解决和概念验证。

在木塑复合家具设计流程中，问题识别是指对目前设计流程所存在的问题进行分析，判断其本质属于何种技术冲突问题，结合39个工程参数（图2）将现有的应用冲突问题细化、拆分成多种物理冲突类型。随后，问题解决是根据TRIZ提供的4种分离原理（图3），将问题的解决方向划分成不同的维度，以便快速从40条发明原理中寻找可解决现存问题的方法类型。最终，需要对解决方案进行概念验证，通过进行测试、研究工作等，对其作出可行性评价，以确定最适合的木塑复合家具设计方式等。

3 TRlZ理论在木塑复合家具中的应用

笔者通过网络调研发现，市面上的办公家具以实木、人造板为主要材料，目前将木塑复合材料应用于办公家具领域的企业较少，其中，将木塑复合办公家具作为主推产品的公司仅美国的Floresta公司等。为扩大木塑复合材料在家具领域中的应用范围，以下以木塑复合办公桌的设计流程为例，讨论引入TRIZ理论在木塑复合家具中的应用形式。

木塑复合办公桌的设计要求包括实用、耐用、易用、可提高工作效率以及节约材料资源等。木塑复合家具产品从构想到落地的过程包括产品规划、方案设计、技术设计和施工设计四个阶段，（图4（a）），以下将说明如何利用TRIZ理论解决问题的三个步骤，提高木塑复合办公桌设计过程中的问题解决效率。

表1 TRlZ理论解决问题的三个步骤

表2 39个工程参数

表3 四种分离方法对应的发明原理

3.1 产品规划阶段

木塑复合家具的产品设计阶段属于问题识别的步骤，需要以宏观的角度确立设计方案的方向——包括家具功能、应用方式等。（图4（b）），根据39个工程参数，将木塑复合办公桌的设计要求分析后发现，需解决NO.13稳定性、No.22能量的无效损耗、No.23物质的无效损耗、No.34可维修性等技术冲突问题。因此，问题解决的步骤是需要在方案设计、技术设计及施工设计阶段结合实际情况解决技术冲突，最后根据家具加工的难易程度以及制造成本等可行性评估对方案进行概念验证，以选择最佳的解决方案。

3.2 方案设计阶段

在问题识别过程中发现，使用者对办公桌的设计要求包括实用与易用以及可提高工作效率等，因此，在方案设计阶段需要设计师及工程师从系统的角度确定家具的造型，突破目前木塑复合办公桌的设计局限。外观造型则包括色彩、形态及装饰等方面。传统办公桌线条平直，色彩平淡，以营造严肃、紧迫的氛围为主。由于成本有限、设备落后等限制，木塑复合材料以往仅在原料制备过程中添加着色剂以作为主要着色方式，导致木塑复合板材的色彩范围受限。经市场调查发现，由于木塑复合家具需求的扩大使得该材料染色技术飞速提升，仿木材的色彩在市场上占多数[4]。现国内学者对木塑复合板材的色彩处理上进行了相关研究，等在高温高压条件下，使用分散染料对硫酸二乙酯乙基化改性后的原木粉和聚苯乙烯泡沫塑料进行复合后展开染色研究，发现在分散染料可有效使木塑复合粉产生更明艳的色光，并具有较高的耐水洗牢度[5]。使用黑胡桃等3种不同树种的薄木进行贴面处理，发现使用特种木塑专用胶可获得较高的表面胶合强度，且贴片处理效果最优[6-7]。因此，为解决木塑复合材料着色过程中存在的No.13稳定性和No.29制造精度的技术冲突，结合整体分离原理，可通过对原料进行染色处理以及对板材进行薄木贴片处理可增强其表面色彩丰富度和实木感，提高木塑复合办公家具的美观度（图5）。

针对市面现有的木塑复合办公家具外观形态平直、呆板的问题，设计流程与图3同理。对应39个工程参数发现，其属于No.12形状和No.32可制造性的物理冲突。因此，可利用条件分离的方法，借助#14曲面化原理等引入弯曲工艺开始逐步使该类型家具的造型丰富起来。现国内外学者已开始着手研究木塑复合材料的弯曲性能及影响因素，对于木塑复合板材进行39次弯曲试验，证明木塑复合材料可以进行曲线造型和弯折处理，其在家具领域的设计、生产造型自由度以及转角问题均可有效解决[8]。因此，木塑办公桌在造型设计上可突破原本整体平直的传统形态，可在边缘处添加弯曲构件加以点缀，以丰富办公家具的造型，提高使用者的工作热情。

由于市面上常见的实木办公家具能够较好的体现出高档、端庄的质感，因此木塑复合板材在表面装饰设计上也应当注意表面平整度及层次感等问题。受木塑原料的限制，木塑复合板材的表面硬度较低，使其表面装饰设计难有创新。利用TRIZ理论（图6），为解决No.32可制造性和No.36系统复杂性的技术冲突问题，可利用整体与部分分离方法，结合#3局部改善法和#40复合材料法等，将木塑复合与其他材料结合的方式，在木塑复合办公桌设计中加入金属、玻璃、布料及皮革等材料，以打破整体形态单一、枯燥的格局。此外，可采取空间分离的方法，利用#17多维法原理将3D打印技术和压花技术引进到木塑复合办公桌的部分零部件的制造过程中，突破原有加工的局限性，在保留原有花纹的同时，以多层次的形态代替原有的平滑的表面形式，增强人们对木塑花纹的视觉感受。

表4 木塑复合办公桌应用TRlZ理论的设计流程及其设计要求分析

表5 TRlZ理论解决木塑复合家具色彩问题的流程

表6 TRlZ理论解决木塑复合家具装饰问题的流程

3.3 技术设计阶段

问题识别过程提到木塑复合办公桌需要有较强的耐用性，因此，对家具质量要求较高。提高木塑复合办公桌的使用年限，关键点在于家具连接方式的选择和处理。木塑复合家具的连接方式主要分为机械连接、胶接和焊接三种。由于材料属性的限制，单一的木塑复合家具连接方式都存在一定的弊端，如机械连接对板材进行预钻孔时容易出现应力分布不集中从而导致材料的力学性能受损的情况[9]，难以达到家具用材的使用要求。在技术设计阶段，需要解决家具的连接问题（图7），为解决No.11应力/压强、No.13稳定性、No.30作用于对象的外部有害因素等技术冲突，可根据条件分离的原理，采用#5组合法、#40复合材料法原理，复合两种或两种以上的连接方式以弥补各种连接方式的缺陷。如，木塑复合办公桌的板材连接设计上采用胶接与钉连接复合的方式，可以有效克服胶接可靠性差的缺点，并提高接头的强度以及复合材料的稳定性[10]。

3.4 施工设计阶段

木塑复合家具的施工设计阶段是指加工、制造等工艺设计过程。办公家具作为与人接触较为密切的一类家具，其设计的首要原则即是环保、绿色。木塑复合板材是家具制造中必不可少的基本型材，木塑复合家具能否大力发展主要取决于企业是否具备完善的制备木塑复合板材的技术。

木塑复合型材的成型过程是将原料置于挤出机中，经过一定的温度、剪切和挤压作用后，使受热熔融的热塑性塑料和其他组分混合、塑化，再进行挤压、模压、注塑成型等方式制造而成的。在问题识别过程中发现，存在木塑复合板材挤出过程所需的原料量较大、挤出成型的板材宽度有限且密度较大、热压成型制备的材料原料分散性较差等[11-13]问题。因此，木塑复合型材在成型过程中存在的挤出困难、板材裁剪浪费等问题使得木塑复合家具的发展受到一定的限制，进而导致木塑复合板材在办公家具行业难以打开市场。（图8）为解决No.23物质的无效损耗、No.33可操作性等技术冲突问题，现在已有国内学者发现，木塑复合板材的加工方式可利用#17多维法原理，使木塑复合型材的成型过程可从单一挤出成型向复合共挤、包裹共挤方向发展[14-20]。共挤的实质是将两种或两种以上的原料通过同一个机头挤出后，最终成型为具有核壳结构或多层结构的聚合物复合型材。节约能源材料是办公家具的重要设计原则之一，近年来木塑共挤技术在木塑制品中应用广泛[21-24]，提高了木塑复合板材在办公家具领域发展的可能性。

表7 TRlZ理论解决木塑复合家具连接方式问题的流程

表8 TRlZ理论解决木塑复合板材成型问题的流程

4 结语

木塑复合家具作为环保型家具产业已逐渐引起人们的重视，但总体应用范围仍局限于直线型为主的户外家具领域。通过TRIZ理论解决问题的步骤，技术人员可结合39个工程参数将木塑复合家具制造过程所遇到的问题进行拆分，挖掘可利用的发明原理，以快速建立多种解决方案并选择最优方案，为家具制造企业创造更可观的经济效益。本文以木塑复合办公桌的设计流程为例，讨论了家具制造企业基于现有技术条件，可在引入TRIZ理论后，高效解决技术冲突问题的方法。结合TRIZ理论的木塑复合家具创新设计流程，可为木塑复合家具的设计规划、加工制造等过程提供更清晰的问题解决思路，提升木塑复合家具在室内家具领域发展可能性。