淺談基于生物質(zhì)環(huán)保材料的機(jī)械設(shè)計(jì)

陳冬冬　張琦　張鵬飛　周驥平　姜婭妮

[摘要]2015年國(guó)家提出來(lái)了《中國(guó)制造2025》計(jì)劃。提出了堅(jiān)持“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、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(guó)是一個(gè)人口眾多，資源匱乏的人口大國(guó)。資源消耗急劇和環(huán)境污染問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前急需要解決的一大問(wèn)題。本文從生物質(zhì)環(huán)保材料在制造業(yè)中實(shí)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(jì)概論和含義，以及進(jìn)行生物質(zhì)環(huán)保材料進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的原則和生物質(zhì)材料在未來(lái)工業(yè)制造中的發(fā)展前景。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械設(shè)計(jì)；生物質(zhì)材料；設(shè)計(jì)原則

1用生物質(zhì)材料進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的意義

最近幾年國(guó)家提出了節(jié)能減排的目標(biāo)，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(wèn)題。生態(tài)文明的發(fā)展模式是一個(gè)必然實(shí)現(xiàn)中國(guó)夢(mèng)的過(guò)程。現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)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(hù)我們的環(huán)境同時(shí)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(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的基本概念

2.1生物質(zhì)材料的發(fā)展背景

其實(shí)人類(lèi)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(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)最早的成功實(shí)例，只是發(fā)現(xiàn)石油與煤以后它們?yōu)樵牧隙l(fā)展起來(lái)的新型能源與化工大大促進(jìn)了文明的發(fā)展，同時(shí)也使得生物質(zhì)材料慢慢被人們淡化。隨著進(jìn)入21世紀(jì)，制造業(yè)的不斷發(fā)展。環(huán)境問(wèn)題日趨突出。人們才開(kāi)始意識(shí)到生物質(zhì)材料可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的耗能材料來(lái)進(jìn)行工業(yè)的生產(chǎn)和制造。

2.2生物質(zhì)材料機(jī)械設(shè)計(jì)方法的含義

利用現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械加工方法進(jìn)行綠色環(huán)保設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造都在綠色環(huán)保的可控環(huán)境下，當(dāng)產(chǎn)品超過(guò)生命周期可以回收或者自動(dòng)分解。從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的作用。

3基于生物質(zhì)材料進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的原則

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法需要消耗更多的原料不但對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響對(duì)人體的健康也會(huì)造成嚴(yán)重的傷害。所以在基于生物質(zhì)材料的機(jī)械設(shè)計(jì)要考慮到到以下原則。

3.1綠色環(huán)保設(shè)計(jì)原則

綠色環(huán)保設(shè)計(jì)是我們進(jìn)行設(shè)計(jì)的首要原則，要求實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能要與保護(hù)環(huán)境的目的共存。通過(guò)生物質(zhì)材料的性能和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能條件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。使得產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)客戶的要求同時(shí)也達(dá)到保護(hù)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(shí)現(xiàn)并且也可以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。從而盡到我們的責(zé)任最大程度的保護(hù)我們的環(huán)境不會(huì)受到太嚴(yán)重的的污染，達(dá)到低碳、綠色、循環(huán)，努力實(shí)現(xiàn)3R理念（減少、循環(huán)、重新利用）的綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)原則。

3.2綠色工藝設(shè)計(jì)原則

在選擇產(chǎn)品的材料時(shí)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(shí)盡量主要做到實(shí)現(xiàn)各部分零件優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(dòng)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?gòu)?fù)雜的工藝流程加重操作人員的工作負(fù)擔(dān)。在工藝系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)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(dá)到利益的最大化要求。

3.3相適應(yīng)性原則

我們?cè)谶M(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的同時(shí)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(lái)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在掌握生物質(zhì)材料的各種性能以后我們才能設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的機(jī)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?cè)O(shè)計(jì)出的機(jī)械系統(tǒng)更具有簡(jiǎn)單，易操作等特點(diǎn)。

3.4人性化原則

科學(xué)發(fā)展觀中提出了經(jīng)濟(jì)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(lái)進(jìn)行機(jī)械的生產(chǎn)和制造的過(guò)程中應(yīng)該考慮到生產(chǎn)材料的綠色可控性，不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不必要的健康損壞，使我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械制造系統(tǒng)簡(jiǎn)單容易操作，從而減輕操作人員的工作負(fù)擔(dān)。人性化的外觀設(shè)計(jì)是生物質(zhì)材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料的一大優(yōu)勢(shì)，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(jì)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(jì)原則能真正的貫徹到現(xiàn)代生物質(zhì)材料的機(jī)械設(shè)計(jì)中去。

4生物質(zhì)環(huán)保材料的機(jī)械設(shè)計(jì)在未來(lái)展望

生物質(zhì)材料可以和不同的材料進(jìn)行復(fù)合從而可以制備出具有更好的性能的產(chǎn)品，又因?yàn)槠涫巧锟梢越到獾沫h(huán)保型材料在未來(lái)的醫(yī)藥，航空制造領(lǐng)域都會(huì)得到很大程度上的利用價(jià)值。

4.1醫(yī)療領(lǐng)域

將生物質(zhì)材料基于計(jì)算機(jī)的輔助設(shè)計(jì)，結(jié)合機(jī)械工程學(xué)，數(shù)控技術(shù)等通過(guò)計(jì)算機(jī)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(lái)然后移植到到患者體內(nèi)，這類(lèi)生物質(zhì)材料的支架是基于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法通過(guò)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(xué)性能和孔隙的連接又要考慮機(jī)械制造系統(tǒng)的可操作性。為私人化支架移植通過(guò)便利。

4.2汽車(chē)制造

可以將生物質(zhì)材料比如（納米纖維）結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)方法加入到汽車(chē)輪胎的骨架中使得輪胎變得質(zhì)量輕。強(qiáng)度高阻燃性變得更好，能滿足對(duì)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(chē)的安全袋也具有很好的應(yīng)用。

4.3航空制造領(lǐng)域

飛機(jī)制造過(guò)程中需要飛機(jī)的兩翼需要密度小，強(qiáng)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(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，機(jī)械的制造工業(yè)工藝，機(jī)械加工工藝加入到飛機(jī)的兩翼中不僅可以減輕飛機(jī)的質(zhì)量還可以提高飛機(jī)的飛行速度和安全性能。

5結(jié)語(yǔ)

基于生物質(zhì)材料的機(jī)械設(shè)計(jì)方法是當(dāng)前我們國(guó)家面臨資源嚴(yán)重的緊缺，能耗較大同時(shí)傳統(tǒng)的煤炭，石油等材料對(duì)環(huán)境又產(chǎn)生極大的污染下提出來(lái)的一種設(shè)計(jì)理念。它要求設(shè)計(jì)人員帶著一種社會(huì)責(zé)任感來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新。只有這樣才能響應(yīng)國(guó)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(jì)。

[責(zé)任編輯：王偉平]