淺談基于生物質環保材料的機械設計

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“創新驅動、質量為先、綠色發展、結構優化、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。資源消耗急劇和環境污染問題已經成為當前急需要解決的一大問題。本文從生物質環保材料在制造業中實現的重要意義出發，介紹生物質環保材料的設計概論和含義，以及進行生物質環保材料進行機械設計時應該注意的原則和生物質材料在未來工業制造中的發展前景。

[關鍵詞]機械設計；生物質材料；設計原則

1用生物質材料進行機械設計的意義

最近幾年國家提出了節能減排的目標，傳統的煤礦、石油、天然氣資源不斷消耗，使得我們面臨環境污染，水土污染等一批尖銳的問題。生態文明的發展模式是一個必然實現中國夢的過程。現代機械設計方法和生物質材料的結合將很大程度上減輕環境的污染，節約資源。從而可以保護我們的環境同時也可以減輕產品的質量，做到綠色循環低碳環保。

2基于生物質材料進行機械設計的基本概念

2.1生物質材料的發展背景

其實人類利用生物質材料已經擁有了上千年的歷史。造紙術的出現和埃及木炭制造術均是生物質材料進行機械設計最早的成功實例，只是發現石油與煤以后它們為原材料而發展起來的新型能源與化工大大促進了文明的發展，同時也使得生物質材料慢慢被人們淡化。隨著進入21世紀，制造業的不斷發展。環境問題日趨突出。人們才開始意識到生物質材料可以代替傳統的耗能材料來進行工業的生產和制造。

2.2生物質材料機械設計方法的含義

利用現代機械設計方法和生物質材料相互結合，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保設計，使得產品的設計制造都在綠色環保的可控環境下，當產品超過生命周期可以回收或者自動分解。從而達到保護環境的作用。

3基于生物質材料進行機械設計的原則

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

3.1綠色環保設計原則

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

3.2綠色工藝設計原則

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

3.3相適應性原則

我們在進行機械設計的同時要考慮到我們選擇的材料的性能和產品的結構。要根產品的工作環境，工作溫度，和工作原理來進行機械系統的設計。在掌握生物質材料的各種性能以后我們才能設計出與之相適應的機械制造系統。從而使得整體功能和局部功能相互適應，相互協調。讓我們設計出的機械系統更具有簡單，易操作等特點。

3.4人性化原則

科學發展觀中提出了經濟的可持續發展要做到“以人為本”的原則，基于生物質材料來進行機械的生產和制造的過程中應該考慮到生產材料的綠色可控性，不會對人體產生不必要的健康損壞，使我們設計的機械制造系統簡單容易操作，從而減輕操作人員的工作負擔。人性化的外觀設計是生物質材料代替傳統材料的一大優勢，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品可具有很好的使用性能，在可靠性設計中避免更換太多的零件提高整體的可靠性能，讓人性化的設計原則能真正的貫徹到現代生物質材料的機械設計中去。

4生物質環保材料的機械設計在未來展望

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

4.1醫療領域

將生物質材料基于計算機的輔助設計，結合機械工程學，數控技術等通過計算機的斷層掃描技術，利用CAD技術可以模擬出3D的結構，然后構造出模型利用快速成型的技術打印出來然后移植到到患者體內，這類生物質材料的支架是基于現代機械設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

可以將生物質材料比如（納米纖維）結合機械設計方法加入到汽車輪胎的骨架中使得輪胎變得質量輕。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，粘結性和抗蠕變性能等。汽車的安全袋也具有很好的應用。

4.3航空制造領域

飛機制造過程中需要飛機的兩翼需要密度小，強度高，并且質量較輕的材料。基于新型的生物質材料結合機械設計基礎，機械的制造工業工藝，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量還可以提高飛機的飛行速度和安全性能。

5結語

基于生物質材料的機械設計方法是當前我們國家面臨資源嚴重的緊缺，能耗較大同時傳統的煤炭，石油等材料對環境又產生極大的污染下提出來的一種設計理念。它要求設計人員帶著一種社會責任感來進行產品的創新。只有這樣才能響應國家提出的綠色發展，循環發展，低碳發展的可持續經濟。

[責任編輯：王偉平]