陳澤龍，王玫瑰，鄭則炯，陳曉騰，陳偉文，林俊鑫

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 輕化工技術(shù)學(xué)院，廣東佛山 518100）

據(jù)《2020年中國國土綠化狀況公報》相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，截至目前，我國森林覆蓋率接近23%，而我國《森林法》中規(guī)定全國森林覆蓋率要達到30%，相較之下我國環(huán)保力度還略顯不足，生態(tài)問題還較突出。為解決能源消耗和環(huán)境破壞等生態(tài)問題，我國從禁止過度開采林木和尋找木材替代品著手，大力推動環(huán)保型產(chǎn)品的設(shè)計使用進程。

新型木塑復(fù)合材料，是一種極具發(fā)展前途的“低碳、環(huán)保、可循環(huán)”材料，具有力學(xué)強度高、耐腐蝕、加工性能好等優(yōu)良性質(zhì)，木塑產(chǎn)品在園藝家具等多個領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛。由于企業(yè)受生產(chǎn)效益和成本、相關(guān)加工技術(shù)和設(shè)備等方面的限制，木塑產(chǎn)品的整體色彩單調(diào)，造型單一，且大部分產(chǎn)品連接組合方式以板式部件為主，體驗感較差，導(dǎo)致木塑復(fù)合材料難以更廣泛地被生產(chǎn)企業(yè)和消費者認可。

TRIZ 理論是蘇聯(lián)時期多位科學(xué)家在分析了200 多萬件世界各種專利的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)的這些發(fā)明的規(guī)律[1]。TRIZ 理論能夠幫助研發(fā)人員進行系統(tǒng)改良分析，能夠進行技術(shù)矛盾分析，也能有效增強研發(fā)人員創(chuàng)造力和解決問題能力，是研發(fā)人員常用的一種創(chuàng)新方法。

塑木復(fù)合型材擁有可再生循環(huán)利用的獨特優(yōu)勢，應(yīng)用非常廣泛。利用現(xiàn)有技術(shù)，探討TRIZ 理論在木塑產(chǎn)品設(shè)計過程中的應(yīng)用，能夠豐富其在木塑產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用形式，挖掘出木塑產(chǎn)品深入發(fā)展的可能性，為促進木塑產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新提供實用的方法。

1 TRIZ 解決技術(shù)系統(tǒng)矛盾的方法概述

TRIZ 理論認為，發(fā)現(xiàn)和消除矛盾是產(chǎn)品進化和發(fā)展的主導(dǎo)力量，解決問題的關(guān)鍵是解決矛盾[2]。阿奇舒勒等科學(xué)家提出TRIZ 理論，將工程中出現(xiàn)的種種矛盾歸結(jié)為兩大主要矛盾：物理矛盾、技術(shù)矛盾。（1）當技術(shù)系統(tǒng)某個特性或參數(shù)得到改善時，常常會引起另一個特性或參數(shù)的劣化，該矛盾就稱為技術(shù)矛盾。（2）物理矛盾是指系統(tǒng)中的問題是由一個參數(shù)導(dǎo)致的，系統(tǒng)的一方要求該參數(shù)正向發(fā)展，另一方要求該參數(shù)負向發(fā)展，當一個技術(shù)系統(tǒng)的通用工程參數(shù)具有相反的需求時，就出現(xiàn)了物理矛盾[3]。

在對大量專利進行分析的基礎(chǔ)上，TRIZ 理論提出了40 條發(fā)明原理和39 個通用工程參數(shù)，并創(chuàng)造性地將工程參數(shù)的矛盾與創(chuàng)新原理整理成矛盾矩陣表，對指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)人員發(fā)明創(chuàng)造、創(chuàng)新具有非常重要的作用。

利用TRIZ 理論解決產(chǎn)品設(shè)計過程中的技術(shù)矛盾問題，一般TRIZ 解決矛盾的流程如圖1所示。

圖1 TRIZ 解決矛盾理論流程

按照TRIZ 理論的基本框架，一般研發(fā)人員在進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計過程中，可以分為三個步驟進行，分別是：問題提出、問題解決、概念驗證。

首先，確定目標主題以及技術(shù)問題，并將其轉(zhuǎn)換成TRIZ 理論中的39 個工程參數(shù)（如表1所示）。

表1 39 個工程參數(shù)

第二，通過四大分離原理，從四個不同的原理中尋找待解決問題的思路和可能方案（如表2所示）[4]。

表2 四種分離方法對應(yīng)的發(fā)明原理

最終，需要對解決方案進行概念驗證，通過進行測試、仿真、研究工作等，對其做出可行性評價，以確定最適合的產(chǎn)品設(shè)計方式等。

2 木塑產(chǎn)品在設(shè)計過程中存在的問題及TRIZ 應(yīng)用

通過線上文獻檢索和線下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有市場上園藝產(chǎn)品外形以實木類、人造板、金屬型材為主要材料，目前將木塑復(fù)合型材應(yīng)用在園藝產(chǎn)品的較少。傳統(tǒng)的花箱通常由木質(zhì)板拼接而成，木質(zhì)板在使用過程中易腐爛，需要經(jīng)常對外表面進行油漆，增加了使用成本；而且木質(zhì)板拼接而成的花箱存在縫隙，容易造成漏水，不利于樹木花卉的生長。專利號CN201220643384提供了一種新型木塑復(fù)合材料花箱，外殼木質(zhì)板改為木塑板，解決了上述問題，但未能解決著色和美感度、嵌件連接問題。新型木塑產(chǎn)品外殼在設(shè)計和制造過程中，常見這三個問題，制約著木塑產(chǎn)品在園藝家具領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍[5]。

2.1 利用TRIZ 技術(shù)矛盾解決“木塑產(chǎn)品著色難、美感低”問題

產(chǎn)品外觀設(shè)計的品質(zhì)直接影響產(chǎn)品的市場表現(xiàn)，一個好的設(shè)計可以提升產(chǎn)品的銷售優(yōu)勢。差異化的好外觀往往能吸引更多消費者，贏得更多的銷售空間。一個產(chǎn)品如果外觀設(shè)計沒有做好，很容易影響其在市場上的銷量。

產(chǎn)品形態(tài)造型包括色彩、功能、形態(tài)及裝飾等多個要素[6]。消費者對木塑產(chǎn)品的設(shè)計要求不僅包括實用經(jīng)濟，還包括美觀、易用及使用效率等。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，需要從系統(tǒng)的角度來確定新型木塑產(chǎn)品的造型，研發(fā)人員需致力于突破目前產(chǎn)品造型的局限。

（1）問題的提出。

由于企業(yè)成本和技術(shù)的限制，現(xiàn)有市場上傳統(tǒng)園藝產(chǎn)品設(shè)計外型板材線條較平直、色彩較平淡。木塑復(fù)合型材在加工制備過程中，大多數(shù)企業(yè)現(xiàn)有技術(shù)僅能在原材料配方中添加著色劑等助劑材料來進行著色，木塑產(chǎn)品的色彩范圍有限[6]。

經(jīng)多次市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，仿木材的色彩在市場上較受歡迎，特別是近年來木塑復(fù)合板材需求的擴大使得該類型板材的染色技術(shù)得到飛速發(fā)展。國內(nèi)外很多學(xué)者也對木塑復(fù)合板材的色彩處理進行了相關(guān)研究，如專利號CN201410107887 中的技術(shù)說明書中提供了一種新型木塑粉或染色木塑粉在制備本色或彩色木塑板材上的應(yīng)用，制得的彩色木塑板材色彩豐富、明艷、均勻。即在等高溫高壓條件下，使用分散染料對乙基化木粉/聚苯乙烯復(fù)合材料進行染色，其材料配方在分散染料下的木塑產(chǎn)品具有更明亮的色彩。又如專利號CN02111432 說明書中提供了一種新型薄木裝飾貼面板及其制作方法，即可以使用黑胡桃等3 種不同樹種的薄木進行貼面處理，發(fā)現(xiàn)使用特種木塑專用膠可獲得較高的表面膠合強度，且貼片處理效果最優(yōu)，其材質(zhì)視覺效果和質(zhì)感能仿真珍貴樹種木紋和色澤，給人以高雅的享受，同時也可滿足任意顏色的個性需求。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數(shù)。

為解決木塑復(fù)合材料著色過程中存在的問題，利用TRIZ 理論，分析技術(shù)沖突，結(jié)合39 個工程參數(shù)得出問題為解決13 穩(wěn)定性和29 制造精度的參數(shù)問題。

為解決木塑產(chǎn)品外觀樣式存在平直、呆板、美觀度低的問題，利用TRIZ 理論，分析技術(shù)沖突，結(jié)合39 個工程參數(shù)，得出問題屬于參數(shù)12 形狀（外觀）和32 可制造性的物理矛盾沖突。

（3）確定創(chuàng)新原理和應(yīng)用思路。

結(jié)合工程參數(shù)13 穩(wěn)定性和29 制造精度（見表3），使用整體分離原理，通過進行原材料染色處理以及對板材薄木貼片處理來增強其表面色彩豐富度和實木美感，提高木塑產(chǎn)品的美觀度。

表3 木塑產(chǎn)品著色設(shè)計結(jié)合TRIZ 理論分析

結(jié)合工程參數(shù)12 形狀和32 可制造性（見表4），采用條件分離原理，采用40 條發(fā)明原理中的14 曲面化原理，引入新型的彎曲生產(chǎn)工藝，在產(chǎn)品邊緣處添加彎曲構(gòu)件加以點綴，可大大豐富產(chǎn)品的造型和提升美觀度。如有學(xué)者研究表明，可以木粉/聚乙烯復(fù)合材料，經(jīng)過多次彎曲試驗，結(jié)果證明木塑復(fù)合材料可以從溫度、材料助劑等方面進行產(chǎn)品曲面化處理，因此，木塑產(chǎn)品造型的多樣化可以通過產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)造型自由度以及轉(zhuǎn)角的方式去解決。

表4 木塑產(chǎn)品彎曲造型設(shè)計結(jié)合TRIZ 理論分析

2.2 利用TRIZ 技術(shù)矛盾解決“木塑產(chǎn)品表面裝飾設(shè)計”問題

通過線上文獻檢索和線下調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有市場上園藝產(chǎn)品外形以實木類、人造板、金屬型材為主要材料，該類型材料能夠較好地體現(xiàn)出高檔、端莊的產(chǎn)品視覺感受，因此木塑產(chǎn)品在表面裝飾設(shè)計上也應(yīng)當注意產(chǎn)品表面平整度、層次感等，以期滿足消費者對美的要求。

（1）問題的提出。

木塑復(fù)合型材是由木粉、稻殼、秸稈等廢棄的天然植物材料與聚丙烯、聚乙烯等廢舊塑料加工成型而成，受生產(chǎn)原材料的限制，木塑復(fù)合型材的表面硬度較低，使其類型產(chǎn)品表面裝飾設(shè)計很難有大的創(chuàng)新，大多是比較單一的形態(tài)。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數(shù)。

利用TRIZ 理論，分析技術(shù)沖突問題，結(jié)合39 個工程參數(shù)，得出為解決32 可制造性和36 系統(tǒng)復(fù)雜性的工程參數(shù)問題。

（3）確定創(chuàng)新原理和應(yīng)用思路。

結(jié)合工程參數(shù)32 可制造性和36 系統(tǒng)復(fù)雜性（見表5），①可使用整體與部分分離原理，結(jié)合40 條發(fā)明原理中的3 局部改善法和40 復(fù)合材料法原理，將木塑復(fù)合材料與其他材料、助劑等結(jié)合，在木塑產(chǎn)品外型配方生產(chǎn)時就加入金屬、玻璃、布料及皮革等助劑材料，以此來打破產(chǎn)品整體形態(tài)單一、枯燥的視覺感受。②可使用空間分離原理，利用17 多維法發(fā)明原理，引入新型3D 打印技術(shù)或壓花技術(shù)，在專利CN201410198921 說明書中即提供了一種新型的3D 打印木塑復(fù)合材料技術(shù)，即可以在木塑產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，對部分零部件進行3D 打印或壓花生產(chǎn)，以期在產(chǎn)品整體保留原有形態(tài)的同時，以多層次的花紋表面代替原有的平滑表面，改善消費者對木塑產(chǎn)品外型的視覺感受，突破產(chǎn)品造型的局限。

表5 木塑產(chǎn)品表面裝飾問題結(jié)合TRIZ 理論分析

2.3 利用TRIZ 技術(shù)矛盾解決“木塑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接和裝配”問題

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接與裝配是研發(fā)人員在設(shè)計過程中需要關(guān)注的重點問題。產(chǎn)品的裝配和連接不佳容易導(dǎo)致產(chǎn)品出現(xiàn)應(yīng)力不集中、材料力學(xué)性能降低問題，從而影響消費者的體驗感。木塑產(chǎn)品的裝配需要考慮到的因素較多，如產(chǎn)品的組裝牢固性、可拆裝性等。結(jié)構(gòu)連接有產(chǎn)品部件間的固定式連接、活動式連接，以及其他小部件之間的連接等。市場上木塑產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外型的連接方式主要分為機械連接[7]、膠接[8]和焊接[9-10]三種。

（1）問題的提出。

由于木塑原材料和加工成型方式導(dǎo)致木塑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接和組裝方式都存在一定的缺陷，如機械連接對板材進行預(yù)鉆孔時操作不當，則板材容易出現(xiàn)應(yīng)力分布不集中現(xiàn)象，從而導(dǎo)致木塑產(chǎn)品的力學(xué)性能降低，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量大幅度下降。所以，在產(chǎn)品設(shè)計過程中，更需要重點解決木塑產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)連接問題。

（2）定義矛盾及確定矛盾參數(shù)。

通過分析現(xiàn)有技術(shù)沖突問題，結(jié)合39 個工程參數(shù)，分別為解決11 應(yīng)力/壓強、13 穩(wěn)定性、30 作用于對象的外部有害因素等工程參數(shù)。

（3）確定創(chuàng)新原理和應(yīng)用思路。

結(jié)合工程參數(shù)11 應(yīng)力/壓強、13 穩(wěn)定性、30 作用于對象的外部有害因素（見表6），可采用條件分離原理，使用發(fā)明原理5 組合法和40 復(fù)合材料法原理，以復(fù)合兩種或兩種以上的連接方式來彌補各種連接方法中存在的缺陷。如在專利書CN02156231 說明書中提供了一種配接式型材及其制品，既改進了型材之間的連接結(jié)構(gòu)，采用了復(fù)合材料膠接與釘連接復(fù)合使用連接的方法，可以克服結(jié)構(gòu)件膠接可靠性差的缺陷，并且該連接方式強度高，穩(wěn)定性好，且接縫緊密、平整，可延長使用壽命。

表6 木塑產(chǎn)品連接組裝技術(shù)結(jié)合TRIZ 理論分析

3 結(jié)語

木塑復(fù)合材料作為一種新穎并具有獨特優(yōu)良性能的材料，具有環(huán)?？裳h(huán)使用的特質(zhì)，但生產(chǎn)過程存在一些技術(shù)問題，消費者整體對該類型產(chǎn)品的接受度還不高，國內(nèi)的市場還沒被廣泛拓展。本文探討適合木塑復(fù)合型材特點的產(chǎn)品設(shè)計的思路和方法，以木塑產(chǎn)品在生產(chǎn)設(shè)計過程中存在的三大常見問題為例，結(jié)合TRIZ 理論解決問題的步驟，提出最優(yōu)解決技術(shù)沖突問題的方法，以期能夠推動木塑這種環(huán)保材料更好、更廣泛地應(yīng)用在實際生產(chǎn)中，同時也為其他新材料的產(chǎn)品設(shè)計提供了借鑒和參考。