淺析工業設計領域中的工程選材

楊雪嬌　胡昌格

摘要：近年來，工程材料在工業設計領域迅速發展，工業設計領域中工程選材方法與材料固有屬性及工業設計的關系密切。只有通過合理的選材以及與富有創造力的工業設計相結合，才能獲得完善的工業產品。因此，科學合理地挑選并確定最終材料是工業設計領域中極其重要的一項內容。本文回顧了近年來工業設計領域工程選材方法的研究進展，并總結了工業設計領域中工程材料的選材方法，最后闡述了影響工業設計選材的各個因素。工業設計領域中工程選材方法已從傳統較為單一的方法逐漸轉變為現代化的選材方法，為該領域的發展奠定了良好的基礎。

關鍵詞：工程材料;工業設計;選材方法; 影響因素

中圖分類號：TB47 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2021）03-0153-02

工業設計主要是以工學、美學及經濟學為基礎而進行的滿足各種需求的設計，縱觀工業設計發展歷程，工程材料的開發和使用一直在工業設計領域中占有極其重要的地位，其優異的性能能夠滿足大部分工業設計產品的設計要求。近年來，研究學者對工程材料在工業設計領域應用方面進行了大量的開創性研究，主要著重于工程材料的選擇及工程材料與工業設計的關系等方面。工程材料的不斷發展為工業設計領域潛在的發展空間提供了新的思路和方法。

1工程材料在工業設計領域的發展概述

隨著材料資源的大規模開發，工程材料以其優良的工藝及使用性能在工業設計領域被廣泛應用。近年來，工業設計領域工程選材方法相關出版物的數量也迅速增加，通過檢索Science Citation Index Expanded（SCIE）數據庫中關鍵詞“engineering materials selection”和“industrial design”，共得到224篇文獻，其中包括125篇期刊論文、96篇會議論文、16篇綜述論文及其他論文1篇，如圖1所示。在現有的224篇文獻中，近20年（2001—2021年）共出版了206篇。由此可見，隨著研究人員對工程材料性能的不斷研究及對工業設計領域逐漸深入地探索，工業設計領域工程選材方法呈現出不斷上升的趨勢。

2工業設計領域中的工程選材方法

工程材料作為工業設計的物質基礎和載體，在過去工程師所用材料較為單一，但經過不斷地演變和發展，現如今其類型已經相當豐富。掌握各種工程材料的特性，用科學的方法正確選擇材料，已成為設計師的基本技能。根據工程材料的歷史演變過程，可將其選材方法分類為傳統選材、半經驗選材及現代選材。

2.1 傳統選材

傳統選材通常是工業設計師在掌握了工程材料的分類和常用材料特征的前提下，結合自身設計經驗進行選材，主要分為經驗選材、行業傳統選材及試錯—錯誤法選材。

1）經驗選材。經驗選材是指憑借工業設計師個人經驗及習慣或依靠手冊來決定工程材料的選用，主觀性較強，多數情況下對所選材料不進行力學方面的測試及計算，甚至在某些零件或結構選材過程中會隨意選用一些常用材料。因此，運用此方法選擇并確定工業設計需求的工程材料難度較大。

2）行業傳統選材。行業傳統選材中設計師主要根據其所在工業設計行業多年的經驗積累，并基于產品可行性及便捷性原則進行選材，其選材方法和傳統選材方法近似，大多數情況下也不對工程材料進行力學方面的計算，只是按照本設計行業的傳統習慣確定最終材料。

3）試錯—錯誤法選材。試錯—錯誤法選材也就是設計師經常提到的“炒菜法”，又被稱作為“配方法”，一直用以研究和開發新型的工程材料。然而該方法在使用過程中需耗費大量的人力、物力及財力資源，并且開發周期較長。隨著當今社會新型工程材料的開發速度的不斷加快，該方法將會被淘汰。

2.2 半經驗選材

半經驗選材是將工業設計師已有的選材經驗、習慣和工程材料相關專業知識進行有效結合，按照一定的科學方法和步驟進行選材。該方法要求設計師對工業設計產品所用材料有充分地了解，一般將其分為類比法選材和篩選法選材兩種。

1）類比法選材。類比法選材是以同類工業產品所用工程材料為依據，針對不同規格、不同尺寸產品用材進行對比分析的方法。該方法是在能夠保證產品性能及需求的前提下進行有目的的選材，在選材過程中能夠做到對比分析。然而，類比法選材對設計師在材料學方面的專業知識提出了更高的要求，因此選材結果與設計師設計水平存在直接關系。

2）篩選法選材。篩選法是設計師根據自身經驗和對各種工程材料初步了解后，先確定若干種候選材料，然后再根據工業設計產品的設計要求和功能需求對所選材料進行綜合考察的選材方法，其是設計人員最常使用的方法之一。

2.3 現代選材

1） 數據庫輔助選材。工程材料經過多年的發展，其選材方法已逐步以定性分析為主的傳統選材方法過渡到以定量分析為主的現代選材方法。該方法主要是通過建立與設計相關的數據庫并對搜集的數據進行查詢及處理，從而更好地輔助設計產品的選材。

2） 專家系統選材。大數據和人工智能的結合被稱為“第四次工業革命”，其核心部分為實現推理過程并對實際問題進行求解，按照一定的推理過程進行選材。但由于此方法還處于逐漸完善階段，知識學習數據庫有待補充和更新，加之日常維護較為困難，靈活性和可擴張性有待進一步提高。

3）綜合評價法選材。綜合評價法是通過構建多個評價指標，針對相應的設計對象進行評價，進而得到一個綜合指標用以反應其整體情況的方法，是統計方法家族的一個重要組成部分。該方法的具體步驟首先通過初步篩選得到候選材料，其次進行綜合評價及處理，最后確定候選材料的優劣順序，可為設計人員選擇最佳工程材料提供重要指導。

3 工業設計領域中工程選材的影響因素

需求決定了工程材料的存在價值，也決定了工業設計存在的必要性。因此，從工業設計領域需求出發對影響工程材料選材的影響因素分為以下四個方面：

3.1 功能性需求因素

消費者對于工業設計產品的功能需求通過產品功能的實現得以體現，工程材料便是工業產品功能實現過程中的物質基礎及載體。因此，需要在滿足用戶生理、心理雙重需求的前提下進行選材。

1）安全性需求。安全性是工業產品必須具備的基本功能及原則，工程材料的選擇必須按照設計需求進行標準化選擇，同時還要預測并考慮各種潛在的危險及隱患。

2）審美性需求。審美性需求是用戶內心的感受，是心理活動過程中對產品的一種感覺。工業產品的外觀在很大程度上取決于所選材料的特征，如對稱性、平衡性及有序性等。因此，工程材料的選擇對產品外觀的影響是選材過程中必須考慮的重要原因。

3.2 技術性需求因素

工業設計中工程材料的選擇與其加工制造工藝關系密切。為了確定最終產品的功能需求，材料需經受主要的成形過程（鑄造和鍛造）、材料去除過程（機械加工、鉆孔）、連接過程（焊接）和精加工過程（涂漆或電鍍）。產品功能會影響工程材料的選擇，材料選擇通過材料的鑄造、成型、焊接或熱處理能力來影響工藝。此外，選材過程中也要考慮相應的環境因素，如溫度、濕度、光照及噪音等外界條件。

3.3 經濟性需求因素

經濟性是指所選材料應有利于降低生產成本，縮短生產周期以促進平衡高效的生產模式。在確保可用性和實用性能的前提下要求工業產品使用性價比高的工程材料，用于縮短產品生命周期總成本以獲得最大的經濟效益，從而使設計產品在競爭激烈的市場中保持優勢。

3.4 環境性需求因素

隨著全球制造業工業化的不斷推進和演化，生態環境系統遭到了嚴重破壞。因此，設計師在選材過程中必須充分考慮影響環境的需求因素。在選材過程中應在滿足產品功能及用戶需求的前提下盡量選擇易處理、無污染及可回收的綠色工程材料;對于易產生噪聲的產品應使用具有柔性纖維網狀吸聲材料以降低噪聲污染;對于易分解、易消耗的產品在選材方面應通過必要的降低能耗、節約減排等手段提高工程材料的使用壽命及效率。

4 結語

工業設計是將創新的理念及市場需求轉化為工業產品的過程，工程材料是產品設計的重要物質基礎。隨著計算機科學技術的不斷發展，利用機器學習、數據庫等現代研究方法以大量試驗和數據作為驅動，正在逐步替代人工選材等傳統方法，為工程材料在工業設計領域的應用研究提供了新的思路。此外，影響工業設計工程材料選擇的因素眾多，設計師只有充分考慮各個因素并了解工程材料特性、加工工藝等，并熟練掌握工程選材方法，才能為工業產品選取最佳的工程材料。