以大學(xué)生創(chuàng)新項目為載體的綠色創(chuàng)新設(shè)計研究初探

王黎夫，段金娟，楊愛慧

(天津工業(yè)大學(xué) 天津300387)

以大學(xué)生創(chuàng)新項目為載體的綠色創(chuàng)新設(shè)計研究初探

王黎夫，段金娟，楊愛慧

(天津工業(yè)大學(xué) 天津300387)

以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目為載體，利用3D打印技術(shù)，通過“碎紙新生一體機”產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計實踐，探索綠色創(chuàng)新設(shè)計。設(shè)計圍繞“紙垃圾”展開，通過實驗驗證設(shè)想工藝和設(shè)計創(chuàng)新點，并展開產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。對產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計進行創(chuàng)新，將上部的碎紙部分與下部的造紙部分相結(jié)合，并經(jīng)過烘干、壓制等過程，產(chǎn)生新的紙制品。取出后，沿著壓制的形態(tài)即可折成文件盒等紙制品進行二次使用。不僅可以有效解決“紙垃圾”帶來的污染，還可以一定程度上節(jié)約資源，實現(xiàn)身邊廢紙資源的回收再利用。

綠色設(shè)計 創(chuàng)新 3D打印 次生價值

1 “時代的選擇”——綠色創(chuàng)新設(shè)計

1.1 綠色設(shè)計

綠色設(shè)計(Green Design)又稱生態(tài)設(shè)計。在產(chǎn)品生產(chǎn)及加工的整個周期內(nèi)，綠色設(shè)計將設(shè)計點放在產(chǎn)品的環(huán)境屬性上(能否拆卸、回收、維護、重復(fù)利用等)，將這些作為設(shè)計目標與方向，因此，其也稱“3,R”原則(Reduce、Reuse、Recycle)：減少環(huán)境污染、減少能源消耗、增加產(chǎn)品的二次利用。[1]

綠色設(shè)計源于20世紀60年代，但在資源日益緊缺、環(huán)境遭受嚴重破壞的21世紀，卻日益成為一種極其重要的新趨向。根據(jù)聯(lián)合國糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)發(fā)布的《2015年全球森林資源評估》，自1990年來，全球已有約1.29億hm2的森林資源消失，面積幾乎等同于一個南非。如此駭人聽聞的數(shù)據(jù)真實而深刻地擺在我們面前，地球也在以各種方式提醒著人類，環(huán)境保護刻不容緩。一場“綠色革命”已經(jīng)到來，在環(huán)保成為世界性的發(fā)展趨勢的情況下，綠色設(shè)計正起著前所未有的作用。[2-3]

1.2 設(shè)計需要創(chuàng)新思維——做資源的加法：回收與循環(huán)

如今，實現(xiàn)廣義回收最常用的方法就是回收與循環(huán)，如生活中常見的“一水多用”等。現(xiàn)實中全球每分每秒都會產(chǎn)生不同級別的資源消耗，我們將這稱之為“資源的減法”；如果我們在某一環(huán)節(jié)加以改良，加入進去循環(huán)與回收的元素，哪怕很小的一個小環(huán)節(jié)，很少的一點節(jié)約，全球累計起來也是一個不容小覷的量，這是“資源的加法”。因此，循環(huán)與回收的環(huán)節(jié)至關(guān)重要。

清華美院工業(yè)設(shè)計系主任蔡軍說，“綠色設(shè)計的話題其實非常重要”，中國現(xiàn)階段非常缺少綠色設(shè)計意識，這是一個重要的問題。我國可持續(xù)發(fā)展觀充分要求了“綠色設(shè)計”將成為21世紀工業(yè)設(shè)計的熱點話題之一。為了完成這個任務(wù)，設(shè)計師要對產(chǎn)品進行再設(shè)計，加入環(huán)保的意識和元素，這不僅要對設(shè)計師的學(xué)識進行多維度的考核，更多的需要設(shè)計師具備創(chuàng)造性思維和更豐富的想象力。如今，工業(yè)設(shè)計行業(yè)在社會上非常之火熱，帶動著巨大的商機。我們在增長經(jīng)濟與發(fā)展實力的基礎(chǔ)上，更要把握好環(huán)境因素。在原來(人與產(chǎn)品)的關(guān)系上加入新的元素，即“人——產(chǎn)品——環(huán)境”三方協(xié)調(diào)發(fā)展。由此我們對創(chuàng)新的需求愈發(fā)強烈，如何開創(chuàng)屬于新時代的產(chǎn)品，成為當今社會要面對的重大課題。

2 “海闊憑魚躍，天高任鳥飛”——國家大力支持大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

“成功等于百分之七十的努力和百分之三十的機遇”，機遇非常重要。在過去也許你有才氣，但是沒有平臺讓你去施展能力。但國家現(xiàn)如今大力支持公民創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，著力從大學(xué)生抓起。就在過去的2015年，國務(wù)院辦公廳發(fā)布《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》提出，要求將教學(xué)及考試進行改革，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維和批判性思維。對以往固定的考試形式進行優(yōu)化，提倡非標準答案考試，以破除學(xué)生“高分低能”的積弊。同時，我國還鼓勵大學(xué)生發(fā)表論文、申請專利以及自主創(chuàng)業(yè)。不僅如此，總理李克強也曾多次提出鼓勵政策，在一次給清華大學(xué)的學(xué)生創(chuàng)客的回信中強調(diào)“青年愿創(chuàng)業(yè)，社會才會生機盎然；青年爭創(chuàng)新，國家才會朝氣蓬勃”。由此可見，國家對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才的培養(yǎng)力度讓我們可以充分施展才華，為之做貢獻。[4-5]

天津工業(yè)大學(xué)多年來一直在開展“項目”形式的大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動，并逐步構(gòu)建了國家級-省級-校級三層次的“大創(chuàng)計劃”訓(xùn)練體系，不斷完善和刷新“大創(chuàng)計劃”形式及內(nèi)涵，取得了很好的效果。我們的設(shè)計課題正是在國家大力鼓勵大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的環(huán)境下，基于天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資助課題而展開的綠色產(chǎn)品設(shè)計研究，課題號為201510058007。

3 “碎紙新生一體機”綠色創(chuàng)新設(shè)計

3.1 靈感的來源與設(shè)計前的準備工作

“實踐是檢驗真理的唯一標準”，靈感不會憑空而來。正如偉人的這句箴言，在做設(shè)計之前一定要經(jīng)過充分的調(diào)研與實踐。德國作為走在世界前列的工業(yè)大國，率先提出并發(fā)起了第4次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0時代。該戰(zhàn)略主要分了3大主題：①智能工廠，重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程；②智能生產(chǎn)，涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等；③智能物流，通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、物流網(wǎng)，整合物流資源，提升效率。這其中的一項技術(shù)——3D打印技術(shù)引起了我們的興趣。

3D打印是一種快速成型的技術(shù)，它以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，用粉末狀金屬或塑料等可粘合處理的材料，通過逐層打印方式，將虛擬模型實物化來構(gòu)造物體。[6]將這種概念實現(xiàn)的設(shè)備，我們稱之為3D打印機。早在1986年，Charles Hull開發(fā)出第1臺3D印刷機。它與我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇蛴C原理基本相同，只是材料不同，將墨水和紙?zhí)娲鸀榻饘佟⑺芰稀⑸笆炔煌牧稀?D打印技術(shù)未來將會成為一項非常有用的科技，會對世界的發(fā)展起到巨大的推動作用。

設(shè)計小組的課題研究基于這項技術(shù)，在其基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。我們發(fā)現(xiàn)，雖然3D技術(shù)如此強大，但是普通百姓根本觸及不到，分析其原因：①價格方面。一臺3D打印機的價格，貴的要幾十萬到百萬之間，普通的也要幾萬元。所以在經(jīng)濟層面，不符合大眾使用。②多樣化的材料。與普通打印機的墨水相比，3D打印所需要的材料復(fù)雜很多，又不方便購買。生活中很難找到一家可以買到3D打印耗材的商店。于是，我們提出了問題：如何將這項技術(shù)應(yīng)用到人們的生活中，真正讓人們感受到科技帶來的優(yōu)越性呢？為了進一步設(shè)計的需要，我們走進人們生活中，去尋找突破口。

對調(diào)查的人群進行分類觀察(學(xué)生類、工作類、居家類)發(fā)現(xiàn)，在他們的日常中，有一種物質(zhì)，每時每刻都在消耗，那就是紙。紙張的大量消耗不僅造成森林的破壞，而且因生產(chǎn)紙漿的不正當排污，會對水資源造成嚴重污染。我們可能并沒有直接砍伐森林，但是對紙張的使用和消耗等同于加入砍伐森林的行列，因此珍惜紙張就是在保護我們的生存環(huán)境。所以，被我們使用過準備隨手扔掉的紙張，如果能得到二次利用，那會無形中節(jié)約很多資源，再造新價值。據(jù)統(tǒng)計，我國的廢紙回收率不到20%,，如果將全國5%,的出版刊物替代為電子書刊，每年可減少紙消耗約26萬t，節(jié)能33.1萬t標準煤，相應(yīng)減排二氧化碳85.2萬t；如果全國1/3的紙質(zhì)信函用電子郵件等代替，那么每年可減少紙張消耗3.9萬t，節(jié)能5萬t標準煤，減排二氧化碳12.9萬t。

這樣一組數(shù)據(jù)，不僅給人們帶來心靈上的震撼，同時，也給我們帶來了設(shè)計靈感。如果將生活中使用過的廢紙收集起來，進行二次加工，得到二次使用的價值，那么既能在一定程度減少資源的消耗，又能對環(huán)境起到保護作用，還可以給人們帶來次生價值。這樣一舉多得的構(gòu)想，是我們下一步研究設(shè)計的切入點。

3.2 提出設(shè)計新思路，團隊配合進行實驗驗證

3D技術(shù)將細小的物質(zhì)堆積粘接，積少成多，形成產(chǎn)品。考慮到3D技術(shù)對材料的應(yīng)用，我們提出，是否可以以紙為原料，利用相同原理，打印出紙產(chǎn)品呢？

首先，對造紙工藝進行研究。簡易的造紙工藝核心步驟如圖1所示(以木材原料為例)：首先準備原料，即樹木等，將大塊木材碎成木屑，并經(jīng)過加工、纖維解離等環(huán)節(jié)制成漿，濾去雜物；其次，將制成的紙漿多次洗滌，漂白；再次，將已經(jīng)準備好的紙漿篩選凈化，均勻地噴在網(wǎng)上，壓榨烘干；最后，壓光成卷。工廠會根據(jù)需求制出不同質(zhì)地的紙張。

圖1 造紙工藝步驟Fig.1 Processing steps of paper making

4 實 驗

由于造紙工藝與3D技術(shù)的原理有很多相似的地方，本文設(shè)想制做一種創(chuàng)新型3D打印設(shè)備，它的原料就是紙，可以由生活中廢棄的紙張得來，這是非常容易獲取的原料。于是，展開驗證其可行性的實驗。

實驗?zāi)康模鹤C明總結(jié)提煉的造紙工藝可用于我們的創(chuàng)新產(chǎn)品中。

實驗方法：實驗選取的是來自生活中廢棄的紙張，設(shè)置了對照組便于觀察結(jié)論。選取相同紙張為原料，一組加入漂洗劑和膠質(zhì)物質(zhì)，另一組不加。

實驗步驟：

①將廢棄的紙張(20張)撕碎，分成兩組放置在器皿里；

②器皿內(nèi)加水，沒過碎紙屑并加以充分攪碎，得到紙漿；

③在兩組器皿中，其中一組加入事先準備好的試劑(膠質(zhì)物質(zhì)、漂洗劑)，另一組不加；

④經(jīng)過反復(fù)攪拌后，將其均勻地篩至濾網(wǎng)上；

⑤用重物壓制并等待直至晾干，便可得出兩張粗糙的再生紙板。

實驗結(jié)果：能夠明顯對比出，添加試劑(膠質(zhì)物質(zhì)、漂洗劑)紙的質(zhì)量要比未添加的白、亮，而且韌度強。同時也證明了經(jīng)過我們提煉得出的造紙工藝是可以實施的。如果后期加以精細化的學(xué)術(shù)研究改進與技術(shù)支持，制作的質(zhì)量會提升很多。

5 基于實驗結(jié)果，開展產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計

明確了思路，下一步就要對產(chǎn)品進行設(shè)計。不僅要對外觀進行設(shè)計，還要對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行思考。根據(jù)之前總結(jié)的思路，將機體設(shè)計成兩部分，碎紙部分和造紙部分，并以上下結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)。在上部的碎紙部分，采用碎紙機原理，能夠快速將回收的紙張打碎。下部分將提煉的造紙工藝表達出來，分為打漿區(qū)和壓制區(qū)。整體工作流程設(shè)計如下：將若干紙張放入打碎，打碎的紙屑會落入打漿區(qū)，系統(tǒng)會加入適量水、漂洗劑與膠質(zhì)物質(zhì)。經(jīng)過攪拌后，紙漿將流入下部帶有模板的壓制烘干區(qū)，進行紙張制作。隨后取出即可使用。其中，對很多細節(jié)進行了優(yōu)化設(shè)計：

①結(jié)合之前實驗中的總結(jié)，制作一張新的紙板大約需要20張A4大小的紙原料。于是在設(shè)計過程中，我們將一體機上部留出很大的收納空間，可以隨時對打碎的紙屑進行統(tǒng)一收集。系統(tǒng)會在下部工作時(造紙工作中)關(guān)閉上部的出屑口，從而單獨工作。當系統(tǒng)檢測到下部工作完成時，會自動開啟并釋放出一定量的紙屑，繼續(xù)工作。預(yù)計2,h左右可以完成單次造紙工作，機器內(nèi)如果有滿足可以進行工作所需的紙屑原料，將會繼續(xù)工作；如果原料不夠，將停止下部工作。即采取上下雙控制設(shè)計，單獨完成各部分工作。

②整個機體的上下部分均可拆卸，便于維修以及更換添加劑等。內(nèi)部遵循模塊化設(shè)計思路，方便區(qū)分各部分工作區(qū)域，在拆裝和后續(xù)維修上一目了然。

③紙漿流入的壓制模板是可以進行設(shè)計的。舉一個簡單的例子，將文件盒的展開形式制成模板，那么，生產(chǎn)出來的產(chǎn)品可以由模板壓制的痕跡折成文件盒進行二次使用。所以，不同的模板可以生產(chǎn)出不同的紙產(chǎn)品。

④在外觀設(shè)計上，我們選取簡潔大方的形態(tài)，適合多種場合的配色方案以及環(huán)保材質(zhì)等，更貼切多元化的使用環(huán)境與使用心理(見圖2、3)。

圖2 “碎紙新生”產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.2 Interior structure of the “Shredded Paper Recycler”

圖3 “碎紙新生”產(chǎn)品外觀設(shè)計Fig.3 Exterior design of the “Shredded Paper Recycler”

6 結(jié) 語

“碎紙新生”產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，在未來有很廣泛的使用空間。它可以由專門的設(shè)計師設(shè)計出不同的模板，有了各式各樣的模板就可以生產(chǎn)出如文件盒、繪圖紙、一次性餐盒、大型3D紙模型、環(huán)保房屋、家具等用品；它可以應(yīng)用于不同場合，如學(xué)校、辦公室、醫(yī)院、寫字樓甚至百姓家中。我們的設(shè)計理念時刻遵循以綠色設(shè)計為主的原則、可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計思路，在節(jié)約資源保護環(huán)境的同時，產(chǎn)生次生價值。同時，以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目這個平臺作為載體開展創(chuàng)新設(shè)計，使我們有機會深入開展創(chuàng)新實踐，增強了信心，提高了就業(yè)熱情，提升了自身能力。■

［1］ 張雷，彭宏偉，劉志峰，等. 綠色產(chǎn)品概念設(shè)計中的知識重用[J]. 機械工程學(xué)報，2013(7)：72-79.

［2］ 傅志紅，彭玉成. 產(chǎn)品的綠色設(shè)計方法[J]. 機械設(shè)計與研究，2000(2)：10-12，6.

［3］ 楊明朗，蔡克中. 工業(yè)設(shè)計的未來之路——綠色設(shè)計[J]. 包裝工程，2001(3)：22-25.

［4］ 王瓊，盛德策，陳雪梅. 項目驅(qū)動下的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育[J]. 實驗技術(shù)與管理，2013(6)：99-101.

［5］ 劉長宏，李曉輝，李剛，等. 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目的實踐與探索[J]. 實驗室研究與探索，2014(5)：163-166.

［6］ 李青，王青. 3D打印：一種新興的學(xué)習(xí)技術(shù)[J]. 遠程教育雜志，2013(4)：29-35.

On Innovative Green Design Based on College Students’Innovation Projects

WANG Lifu，DUAN Jinjuan，YANG Aihui
(School of Mechanical Engineering，Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387，China)

Take college students’ innovative undertaking projects as the carrier，the innovative green design was explored through the practice of innovative design of a “Shredded Paper Recycler” by using 3D printing technology．Focusing on“waste paper”，envisaged process and innovation points were verified by experiment and the design of a new product was carried out．The interior structure of the product was innovatively designed，to be specific，combining the upper shredding paper portions with the lower paper making portion，and after drying，pressing and other processes to produce new paper product．After removal，the product can be folded into paper boxes and other paper products for secondary use．Not only can this product effectively solve the pollution caused by the paper rubbish，it can also conserve resources to some extent and realize the recycling of waste paper.

green design；innovation；3D Printing；secondary value

TB47

A

1006-8945(2016)06-0081-04

該文是天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“碎紙新生”產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(項目編號：201510058007)；2016年天津市教育系統(tǒng)調(diào)研課題《面向天津綠色制造的工科院校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計教育平臺建設(shè)研究》(課題編號：一般課題174)；天津工業(yè)大學(xué)2015年教育教學(xué)改革研究課題《紡織機械造型專題設(shè)計開新課研究》的階段性研究成果。

2016-05-12