产品设计wangweiqiang

1、学习背景及意义1. 20世纪后半叶，对环境的关注极大影响人们的生活；而世纪后半叶，对环境的关注极大影响人们的生活；而采取环保设计减少产品对环境影响的一种设计方式。因此，采取环保设计减少产品对环境影响的一种设计方式。因此，环保设计理所应当地提上日程。环保设计理所应当地提上日程。2.考虑到产品本身、产品加工、产品使用和产品丢弃后，产考虑到产品本身、产品加工、产品使用和产品丢弃后，产品对环境都会产生不利影响，所以要考虑产品的品对环境都会产生不利影响，所以要考虑产品的整个生命整个生命周期周期，从各个环节来采取相应措施以减少对环境的影响。，从各个环节来采取相应措施以减少对环境的影响。产品周期的各个阶段产

2、品周期产品周期本课程内容1 设计准则 2 基本的环保设计方法：设计准则 应用设计原则是最基本的实施环保设计的方法，如果应用设计原则是最基本的实施环保设计的方法，如果能够很好地遵守设计原则，就会大大减少产品对环境的负能够很好地遵守设计原则，就会大大减少产品对环境的负面影响。这些原则包括：面影响。这些原则包括： 1. 产品结构原则产品结构原则 2. 材料选择原则材料选择原则 3. 标记和表面原则标记和表面原则 4. 连接原则连接原则 2.1 产品结构原则2.2 材料选择原则2.3 标记和表面原则2.4 连接原则3.5 应用：纸托架设计 以电子桌面管家为例，这个产品以市场上已有的厨房辅助设施产品的设

3、计概念为基础。后者力图创造出具有存储和恢复电子食谱功能的设施，它能根据所选择的食谱归纳出购物清单，并打印出来。 同许多附加设施一样，电子桌面管家采用热敏打印方式。制造商销售成卷的打印纸，而电子桌面管家必须能安全地存储这些纸。其总体规划图和实体形式见下图：3.5 应用：纸托架设计厨房辅助设施电子桌面管家，产品总的规划和实体外形3.5 应用：纸托架设计3.5.1 设计前的准备 为了清楚地说明问题，现在只以应用一条原则为例：减少材料的使用量和类型数量。并且这里只将这一原则运用于产品的一个子系统。首先，分析产品计划具有的功能。 3.5 应用：纸托架设计电子桌面管家简化功能树3.5 应用：纸托架设计 3

4、.5.2 设计分析 对相应功能进行分析，通过一定的标准，如打印质量等，分清功能的主次。 原来的纸托架设计如图1，一个美观的可拆卸的外壳将整个纸托架包起来，纸能够恰好掉到托架上，并由此进入打印机。此图表现了这个设施的几何形状特点。 这个案例中，所选择的性能指标仍是注塑成型的塑料纸托架这个机器的一个子系统的质量。质量在注塑加工工艺中是可以控制的设计参数，就像在许多其它制造过程中一样。如果纸托架的质量降低，就可以减少生产中消耗的能量。同样，消耗的原胶/石油也相应地降低。3.5 应用：纸托架设计3.5.2 设计分析 在初始设计时就设法降低纸托架的质量。无论是从结构考虑，还是节省空间、纸的操作或美学角度

5、角度考虑，都不允许去掉这个纸托架。因此只能希望从形式着手改变它的设计。在参考磁带自动售货机造型的基础上，重新设计电子桌面管家的纸托架造型。如图2：图1 原来纸托架设计图2 改变后的纸托架设计3.5 应用：纸托架设计3.5.3 设计后的对比 1.原来的设计约需要材料120克，这一质量可以分解为三个部分：第一，基本功能性用途：储存纸、放弃纸、接收新纸及送出打印过的纸。第二和第三个方面是其它功能的一些次要功能。分摊到完成一个功能所需要的质量或环保成本也是该功能重要性的一个指标。 2.磁带自动售货机的质量分配主要在第一部分功能上。根据相关计算，新的纸托架设计能够减少约10克到110克质量。而且新的设计

6、也对功能没有影响。 3.保守估计产量应为50000个，预计节约注塑成型塑料500kg。因此，根据为保护环境而设计的指标，节约量是可观的。4 产品周期评估 1 概述 除了前述设计原则，为了对产品设计作出完善的分析，需要对产品的生命周期进行全面评估。当然要设计环保产品，必须就产品对环境的影响做出评估。毒理界和化学界（SETAC）已经发展出一个四步的程式。包括以下步骤：4 产品周期评估1明确目标：环境分析的目的是什么？一个公司的目标可能是希望降低二氧化碳排放量，符合标准；或者是减少能源消耗，降低零部件毒性程度，等等。应该明确目标并不断调整。2清单：明确了目标，就界定了产品系统的范围。制造过程的费用是

7、多少？最典型的能源利用方式是什么？存在其他可能的方案吗？产品丢弃方式是怎样的？需要进行再循环利用？3评估环境影响：在界定了研究系统范围后，应就系统的每一步对环境做出评估。4说明：需要对评估报告做出解释，是否在对环境影响较大领域方面有明确的效果，并与其它方案做出比较。4 产品周期评估 2 实例 对产品周期评估的方法有很多，这里就加权计算评估方法。以磨咖啡机为例。1）明确产品周期 明确Krups磨咖啡机的产品周期，即在对产品进行分析时，要非常明确在产品生命周期的两边投入的是什么、产出的是什么。下图为Krups磨咖啡机的产品周期： 4 产品周期评估Krups磨咖啡机的产品周期4 产品周期评估2）生产

8、与加工考虑相关因素，得到其95生态评估结果。如下表：4 产品周期评估3）使用 一个决定使用磨咖啡机对环境影响的关键因素是使用频率和使用寿命。这些需要通过消费者调查才能确定。假定磨咖啡机的平均使用寿命为10年，每天使用时间为10秒，电机消耗电力约为125W。 运用95生态指标模型对Krups磨咖啡机的使用评估结果如下表：4 产品周期评估4）处理 产品可以用几种方式处理。然而消费者使用家用垃圾桶，大多数消费者的垃圾都被当成生活垃圾处理。生活垃圾的一部分被焚毁，其他则送到掩埋式垃圾场处理。某些金属从焚毁的残渣中被回收再利用，因此这些金属的处理系数是负的。负数表示对环境的影响是正面的。4 产品周期评估

9、 对结果的解释 生态指标模型使我们看到磨咖啡机所面临的基本环保压力。可以观察到的结论是磨咖啡机对环境影响的85%产生于生产过程。而且，除了1%，其它对环境的伤害基本发生在材料的萃取阶段，在材料到达工厂之前。因此设计团队必须重新分配注意力，检查产品的生产阶段。5 减少对环境影响的技术 重新设计时，往往需要一些技术改善评估的结果。这里介绍几种改善环保性能的基本方式： 1 通过设计减少材料的使用量 2 为产品的拆卸而设计 3 面向再循环的设计 4 面向重新制造的设计 5 通过设计减少有害材料的使用 6 为提高能源使用效率而设计 7 通过设计达到环保准则和标准要求5.1 通过设计减少材料的使用量 一个

10、最有效地转变产品对环境影响的方法就是减少产品本身的材料用量以及在产品使用过程中所消耗的材料，特别是当其所使用的材料对环境的影响较大时。通常可以通过三个方面减少材料用量：包装和产品配送，产品的生产系统及产品本身。 如果产品设计需要多个步骤，则要考虑装配线上各部件的兼容性。 5.1 通过设计减少材料的使用量 下图清楚地表明无论什么材料，材料的价值随着密度的提高而升高。纯的材料价值最高，混合材料的再循环价值降低。金属添加剂的兼容性5.1 通过设计减少材料的使用量 1.确保材料的兼容性是一个相当直接的概念，它需要基本设计的调整，尽管有独创性的方案可以满足产品的全部功能。 2.设计改变难以消除包装、加工

11、或产品属性需要更多的理性思考，这个要求实施起来很困难，但是如果能够成功其回报也很高。 3.减少材料或加工工序必然会降低成本，所以公司总是会有很高的动力讲这种方式应用到环保设计中。5.2 为拆卸而设计5.2.1 基本方式：设计准则 基本的环保设计准则：减少连接件数量和避免连接件难以拆除。 通用电器塑料制品公司（1995）制订了塑料-塑料连接指导原则；及塑料-金属连接指导原则。下图介绍了塑料-塑料连接指导原则。5.2.1 基本方式：设计准则基本方式：设计准则 塑料-塑料连接指导原则5.2.2 案例：磨咖啡机案例：磨咖啡机1 原因 进行实际拆卸产品主要是为了了解拆卸中可能遇到的困难及确定实际拆卸需要

12、的时间。Krups磨咖啡机拆卸时间分析5.2.2 案例：磨咖啡机案例：磨咖啡机2分析1）将底座从磨咖啡机上拆下来时，很难确定拆卸时间。产品在装配时是用卡扣连为一体的，而卡扣位置十分隐蔽。要拆卸产品，操作者必须用切割工具切开外壳才能看到四个卡扣。如果卡扣的位置对于工人看起来很明显，拆卸时间就可以大大缩短。磨咖啡机底座下由一个缺口表示咬合的中心位置，也有助于缩短拆卸时间。2）从电机轴上拆下刀片时，也会耗时。刀片通常用螺丝固定，在一个要是形状的轴上的卡扣使拆卸和装配同样方便。3）碾磨容器嵌入磨咖啡机外壳，拆下它也需很长时间。并没有一个点可供工具插入撬起这个金属容器。如果提供这样一个插入点将会缩短拆卸

13、时间。4）要缩短拆卸时间，可以改善磨咖啡机的结构，以使操作方便。5.3 为再循环而设计1 背景 对产品的材料进行回收再循环的第一个要求是在不考虑材料是否易于拆除的情况下，对这种材料必须有需求。因此，应采用易于回收的材料如金属和塑料。下表列出美国常见的再回收材料：5.3 为再循环而设计2 为回收方式而设计 每个产品部件都应排定再回收和再循环的等级及分离等级。根据这些等级，按每条标准为各个部分打分。原则是两个等级分都低于3，这个部件就是可以再回收的。在质量和价值基础上，对每个子系统装配的等级和整个产品的等级统一考虑。 如，一个子系统的装配等级r与每个部件的分数联合，按质量的比例分数就是：r=iim

14、r这里 是部件i的等级， 是部件的i质量irim5.3 为再循环而设计回收率分离等级5.4 为再创造而设计1 概述 再创造是结束产品周期的一种策略，产品被送到中心工厂，被拆卸。零件再循环不只是为了材料，零件被分类，做一定的清洁并检测。一旦证明了其质量和性能，就会重新回到制造工厂的零件供应流里。5.4 为再创造而设计2实例（柯达的一次性照相机）1）在用完一个胶卷后，产品回到柯达，在那里被拆卸和再制造。2）制造的第一步是目测筛选，淘汰外壳破损的产品。第二步是拆分挑出来的照相机，以备再使用和再循环，这一步消耗最多的来动力，成本也最高。3）制作过程下一步是清洗和检测，能够在制造的零件必须恢复到新的状态

15、，质量得到保证进行清洗的零件表面经过仔细挑选，特别是使用过的标签。具体过程见下图：5.4 为再创造而设计5.4 为再创造而设计4）一次性照相机被再制造，零件必须经挑选、清洗、检测才回到工厂再利用。为清洗原则设计5.4 为再创造而设计5）柯达相机制造成本最高的惟一零件是给相机闪光灯供电的印刷电路板，所有其它塑料零件价值都很低，清洗、检测，使它们回到工厂的成本太高，不如直接粉碎成为回收材料。为再制造而设计，就既要考虑拆卸，也考虑到检测，两者都是为再制造服务。5.5 为减少材料对环境的影响而设计 完成不同功能的材料对环境的影响也大不相同。不同功能零件的制造采用对环境产生不同影响的生产工艺。设计团队应

16、检验部件的材料和生产工艺，并采用对环境影响较小的方案进行改进。这里不做详述。5.6 为提高能源利用率而设计1 概述 对环境产生影响的主要来源就是产品在使用期间消耗的能源。检验产品寻找降低能耗的可能性，不导热和较高的电力效率通常是一个产品使用能源的准则，能耗是产品对环境产生影响的最重要因素。提高能效的方法是减少能耗的好方法5.6 为提高能源利用率而设计2能源效率准则5.7 满足规则和标准的设计 有两种基本的环保修正法案和资源遵守的标准，对它们的理解和遵守都很重要。 1 环境法 2 标签工程 5.7 满足规则和标准的设计 环境法下面介绍几种法规：1）美国的环境保护法5.7 满足规则和标准的设计2）

17、工作环境安全法下表为主要的联邦OSHA管理的环境安全法5.7 满足规则和标准的设计 标签工程 购买环保产品的意识也由于一些私人组织、非赢利组织及政府机构的倡议而大大加强。例如，生态标签工厂，由这个运动建立一系列环保规范，当产品满足这些规范要求时，就可以在广告中将环保作为产品一想有事进行宣传。 顾客在产品的广告中看到这样的标签就可以因为该公司的环保努力而意识地选择购买其产品。6 结语 设计团队了解产品对环境的影响，调整设计决策以减轻这些影响，已经成为设计师必须承担的责任。这个领域的立法和消费者需求只会上升。环保设计的一些主要理念包括： 必须就整个产品周期做完善的评估 环保设计的技术以及与其相关的

18、指标是产品本身的一部分 基本方面包括明智地选择材料、减少能量消耗，及提高再循环的比例 可以用分数表示环保水平 就整个产品周期量化分析其对环境的影响谢谢 ！本课程内容3.5 应用：纸托架设计 以电子桌面管家为例，这个产品以市场上已有的厨房辅助设施产品的设计概念为基础。后者力图创造出具有存储和恢复电子食谱功能的设施，它能根据所选择的食谱归纳出购物清单，并打印出来。 同许多附加设施一样，电子桌面管家采用热敏打印方式。制造商销售成卷的打印纸，而电子桌面管家必须能安全地存储这些纸。其总体规划图和实体形式见下图：3.5 应用：纸托架设计 3.5.2 设计分析 对相应功能进行分析，通过一定的标准，如打印质量

19、等，分清功能的主次。 原来的纸托架设计如图1，一个美观的可拆卸的外壳将整个纸托架包起来，纸能够恰好掉到托架上，并由此进入打印机。此图表现了这个设施的几何形状特点。 这个案例中，所选择的性能指标仍是注塑成型的塑料纸托架这个机器的一个子系统的质量。质量在注塑加工工艺中是可以控制的设计参数，就像在许多其它制造过程中一样。如果纸托架的质量降低，就可以减少生产中消耗的能量。同样，消耗的原胶/石油也相应地降低。3.5 应用：纸托架设计3.5.3 设计后的对比 1.原来的设计约需要材料120克，这一质量可以分解为三个部分：第一，基本功能性用途：储存纸、放弃纸、接收新纸及送出打印过的纸。第二和第三个方面是其它功能的一些次要功能。分摊到完成