淺談基于生物質(zhì)環(huán)保材料的機械設(shè)計

陳冬冬　張琦　張鵬飛　周驥平　姜婭妮

[摘要]2015年國家提出來了《中國制造2025》計劃。提出了堅持“創(chuàng)新驅(qū)動、質(zhì)量為先、綠色發(fā)展、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、人才為本”的基本方針。我國是一個人口眾多，資源匱乏的人口大國。資源消耗急劇和環(huán)境污染問題已經(jīng)成為當前急需要解決的一大問題。本文從生物質(zhì)環(huán)保材料在制造業(yè)中實現(xiàn)的重要意義出發(fā)，介紹生物質(zhì)環(huán)保材料的設(shè)計概論和含義，以及進行生物質(zhì)環(huán)保材料進行機械設(shè)計時應(yīng)該注意的原則和生物質(zhì)材料在未來工業(yè)制造中的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]機械設(shè)計；生物質(zhì)材料；設(shè)計原則

1用生物質(zhì)材料進行機械設(shè)計的意義

最近幾年國家提出了節(jié)能減排的目標，傳統(tǒng)的煤礦、石油、天然氣資源不斷消耗，使得我們面臨環(huán)境污染，水土污染等一批尖銳的問題。生態(tài)文明的發(fā)展模式是一個必然實現(xiàn)中國夢的過程?，F(xiàn)代機械設(shè)計方法和生物質(zhì)材料的結(jié)合將很大程度上減輕環(huán)境的污染，節(jié)約資源。從而可以保護我們的環(huán)境同時也可以減輕產(chǎn)品的質(zhì)量，做到綠色循環(huán)低碳環(huán)保。

2基于生物質(zhì)材料進行機械設(shè)計的基本概念

2.1生物質(zhì)材料的發(fā)展背景

其實人類利用生物質(zhì)材料已經(jīng)擁有了上千年的歷史。造紙術(shù)的出現(xiàn)和埃及木炭制造術(shù)均是生物質(zhì)材料進行機械設(shè)計最早的成功實例，只是發(fā)現(xiàn)石油與煤以后它們?yōu)樵牧隙l(fā)展起來的新型能源與化工大大促進了文明的發(fā)展，同時也使得生物質(zhì)材料慢慢被人們淡化。隨著進入21世紀，制造業(yè)的不斷發(fā)展。環(huán)境問題日趨突出。人們才開始意識到生物質(zhì)材料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的耗能材料來進行工業(yè)的生產(chǎn)和制造。

2.2生物質(zhì)材料機械設(shè)計方法的含義

利用現(xiàn)代機械設(shè)計方法和生物質(zhì)材料相互結(jié)合，分析材料的特殊性能采用合理的機械加工方法進行綠色環(huán)保設(shè)計，使得產(chǎn)品的設(shè)計制造都在綠色環(huán)保的可控環(huán)境下，當產(chǎn)品超過生命周期可以回收或者自動分解。從而達到保護環(huán)境的作用。

3基于生物質(zhì)材料進行機械設(shè)計的原則

傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法需要消耗更多的原料不但對環(huán)境會產(chǎn)生嚴重的影響對人體的健康也會造成嚴重的傷害。所以在基于生物質(zhì)材料的機械設(shè)計要考慮到到以下原則。

3.1綠色環(huán)保設(shè)計原則

綠色環(huán)保設(shè)計是我們進行設(shè)計的首要原則，要求實現(xiàn)產(chǎn)品的功能要與保護環(huán)境的目的共存。通過生物質(zhì)材料的性能和實現(xiàn)產(chǎn)品的功能條件進行優(yōu)化設(shè)計。使得產(chǎn)品在實現(xiàn)客戶的要求同時也達到保護環(huán)境和低碳綠色循環(huán)的作用。能夠在減輕產(chǎn)品的質(zhì)量的前提下，保證產(chǎn)品功能的實現(xiàn)并且也可以延長產(chǎn)品的使用壽命。從而盡到我們的責任最大程度的保護我們的環(huán)境不會受到太嚴重的的污染，達到低碳、綠色、循環(huán)，努力實現(xiàn)3R理念（減少、循環(huán)、重新利用）的綠色環(huán)保的設(shè)計原則。

3.2綠色工藝設(shè)計原則

在選擇產(chǎn)品的材料時候要考慮到這種生物質(zhì)材料可降解性，在安排產(chǎn)品的工藝生產(chǎn)流程時盡量主要做到實現(xiàn)各部分零件優(yōu)化設(shè)計，可以便于裝拆。要求在滿足生物質(zhì)材料制造工業(yè)流程中要降低產(chǎn)品的噪音和振動的影響。是產(chǎn)品的工藝系統(tǒng)更具有層次性，目的性，環(huán)境適應(yīng)性。這樣有利于減少復(fù)雜的工藝流程加重操作人員的工作負擔。在工藝系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中要注意廢棄物的回收，讓廢棄物可以循環(huán)利用。從而可以提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，以達到利益的最大化要求。

3.3相適應(yīng)性原則

我們在進行機械設(shè)計的同時要考慮到我們選擇的材料的性能和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。要根產(chǎn)品的工作環(huán)境，工作溫度，和工作原理來進行機械系統(tǒng)的設(shè)計。在掌握生物質(zhì)材料的各種性能以后我們才能設(shè)計出與之相適應(yīng)的機械制造系統(tǒng)。從而使得整體功能和局部功能相互適應(yīng)，相互協(xié)調(diào)。讓我們設(shè)計出的機械系統(tǒng)更具有簡單，易操作等特點。

3.4人性化原則

科學發(fā)展觀中提出了經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展要做到“以人為本”的原則，基于生物質(zhì)材料來進行機械的生產(chǎn)和制造的過程中應(yīng)該考慮到生產(chǎn)材料的綠色可控性，不會對人體產(chǎn)生不必要的健康損壞，使我們設(shè)計的機械制造系統(tǒng)簡單容易操作，從而減輕操作人員的工作負擔。人性化的外觀設(shè)計是生物質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的一大優(yōu)勢，比如玻璃里面加入纖維素可以制造出更加漂亮不容易打碎的杯子。使得不僅美觀大體，讓人賞心悅目而且產(chǎn)品可具有很好的使用性能，在可靠性設(shè)計中避免更換太多的零件提高整體的可靠性能，讓人性化的設(shè)計原則能真正的貫徹到現(xiàn)代生物質(zhì)材料的機械設(shè)計中去。

4生物質(zhì)環(huán)保材料的機械設(shè)計在未來展望

生物質(zhì)材料可以和不同的材料進行復(fù)合從而可以制備出具有更好的性能的產(chǎn)品，又因為其是生物可以降解的環(huán)保型材料在未來的醫(yī)藥，航空制造領(lǐng)域都會得到很大程度上的利用價值。

4.1醫(yī)療領(lǐng)域

將生物質(zhì)材料基于計算機的輔助設(shè)計，結(jié)合機械工程學，數(shù)控技術(shù)等通過計算機的斷層掃描技術(shù)，利用CAD技術(shù)可以模擬出3D的結(jié)構(gòu)，然后構(gòu)造出模型利用快速成型的技術(shù)打印出來然后移植到到患者體內(nèi)，這類生物質(zhì)材料的支架是基于現(xiàn)代機械設(shè)計方法通過三維建模的方式一層層打印出。既要考慮到生物質(zhì)支架的而擁有較高的力學性能和孔隙的連接又要考慮機械制造系統(tǒng)的可操作性。為私人化支架移植通過便利。

4.2汽車制造

可以將生物質(zhì)材料比如（納米纖維）結(jié)合機械設(shè)計方法加入到汽車輪胎的骨架中使得輪胎變得質(zhì)量輕。強度高阻燃性變得更好，能滿足對橡膠骨架材料的耐高溫性，抗疲勞性，沖擊性，粘結(jié)性和抗蠕變性能等。汽車的安全袋也具有很好的應(yīng)用。

4.3航空制造領(lǐng)域

飛機制造過程中需要飛機的兩翼需要密度小，強度高，并且質(zhì)量較輕的材料。基于新型的生物質(zhì)材料結(jié)合機械設(shè)計基礎(chǔ)，機械的制造工業(yè)工藝，機械加工工藝加入到飛機的兩翼中不僅可以減輕飛機的質(zhì)量還可以提高飛機的飛行速度和安全性能。

5結(jié)語

基于生物質(zhì)材料的機械設(shè)計方法是當前我們國家面臨資源嚴重的緊缺，能耗較大同時傳統(tǒng)的煤炭，石油等材料對環(huán)境又產(chǎn)生極大的污染下提出來的一種設(shè)計理念。它要求設(shè)計人員帶著一種社會責任感來進行產(chǎn)品的創(chuàng)新。只有這樣才能響應(yīng)國家提出的綠色發(fā)展，循環(huán)發(fā)展，低碳發(fā)展的可持續(xù)經(jīng)濟。

[責任編輯：王偉平]