工业设计论文：绿色环保产品的开发与研究

1 绪论1.1 绿色产品和绿色设计的定义绿色产品和绿色设计的概念最早出现在20世纪70年代美国的一份环境污染法规中。经过20多年的发展,人们根据自己的理解对绿色产品和绿色设计提出了多种定义,经过对多种定义的综合，可以给绿色产品定义如下:绿色产品是指在其生命周期全过程(包括原材料制备、设计、制造、包装、运输、使用、回收再用或再生)中,能经济性地实现节约资源和能源,对生态环境无害或危害极小,且对劳动者(生产者和使用者)具有良好保护性的产品。与此相对应的绿色设计可以定义如下:绿色设计是以环境资源为核心概念的设计过程,即在产品的整个生命周期内,优先考虑产品的环境属性(可拆卸性、可回收性等)，并将其作为产品的设计目标,在满足环境目标的同时保证产品的物理目标(基本性能、使用寿命、质量等)。绿色设计包含了产品从概念形成到生产制造、使用乃至废弃后的回收、再用及处理的各个阶段,即涉及到产品的整个生命周期,是从“摇篮到再现”的过程1。1.2 绿色设计的意义绿色设计源于人们对于现代技术文化所引起的环境及生态破坏的反思，体现了设计师的道德和社会责任心的回归。在很长一段时间内，工业设计在为人类创造了现代生活方式和生活环境的同时，也加速了资源、能源的消耗，并对地球的生态平衡造成了巨大的破坏。特别是工业设计的过度商业化，使设计成了鼓励人们无节制消费的重要介质。“有计划的商品废止制”就是这种现象的极端表现，因而招制了许多的批评和责难，设计师们不得不重新思考工业设计的职责与作用。绿色设计着眼于人与自然的生态平衡关系，在设计过程的每一个决策中都充分考虑到环境效益，尽量减少对环境的破坏。对工业设计而言，绿色设计的核心是“4R”，即Reduce、Recycle、Reuse和Regeneration，不仅要尽量减少物质和能源的消耗、减少有害物质的排放，而且要使产品及零部件能够方便地分类回收并再生循环或重新利用。绿色设计不仅是一种技术层面的考虑，更重要的是一种观念上的变革，要求设计师放弃那种过分强调产品在外观上标新立异的做法，而将重点放在真正意义上的创新上面，以一种更为负责的方法去创造产品的形态，用更简洁、长久的造型使产品尽可能地延长其使用寿命2。1.3 绿色设计中的关系1.3.1 人类的发展与环境的关系自然环境是人类和其他一切生命赖以生存和发展的基础。当人类处于原始社会时,由于生产力极其落后,人类对于自然环境只能处于非常被动的适应状态,对自然界的改造能力很微弱。人类对自然环境真正产生影响,主要是有文明史以来的几千年时间,尤其是资本主义工业革命以来的两百多年。二十世纪以来,科学技术突飞猛进,工业发展大大超越以往任何历史时期,人类为自身生存创造了丰富的物质财富。然而,人与自然环境是相互依存、相互影响、协调统一的整体,人类只是地球生物链中的一环。当人类向自然界索取的物质日益增多,抛向自然环境的废弃物与日俱增,一旦达到大自然无法容忍的程度时,大自然在漫长岁月里建立的平衡就遭到了破坏,这就是近一百年来全球范围环境问题日益突出的根本原因。1.3.2人的需求与生态平衡的关系随着社会发展的加快,消费产品的种类和数量大幅度增长;随着人们收入的增加,消费观念发生了很大的变化。如现在使用一次性商品成为一种时尚。从一次性筷子、饭盒、杯子、饮料瓶、注射器,到用完就扔的打火机,只用一次的纸制餐巾、围嘴、尿片,各种商品应有尽有。与一次性用品类似的还有铺天盖地的包装物。今天,人们在购买商品时,常会同时得到层层叠叠的包装物,从某种角度看,它们都是有用的,可以在运输、储存、销售和搬运过程中有效地保护商品,使商品完好无损地到达消费者手中。然而,它们很快就会加入垃圾的行列。更重要的是,这种消费方式大多不符合可持续发展的要求。除了少数纸制品在自然环境中能够自行分解外,它们中的大部分都变成了难以处理的垃圾,污染和破坏周围的环境。需求量大的塑料制品更是如此。当人们意识到这些问题后也采取了许多相应措施。如延长产品的寿命,进行组合设计和循环设计,使用天然的材料、环保材料(可回收和循环利用的材料) 等。然而,人们却忽视了这样一个问题:自然对分解、分化废弃物到底需要多长时间,一次能分解多少废弃物,即自然分解效能的问题。虽然设计时经过了认真研究使废弃物总量有所下降,并且可降解产品大大增加,但自然分解效能与产品日益增多的矛盾,必然引起人们的极大重视。现在人类相对乐观的是,人类已经意识到环境问题,并采取了一些相对有效的措施。然而,更深层的认识应该是人类认真检讨造成环境问题的根本原因,认真对待环境的生态平衡的生物链结构,将人类的行为纳入到环境生态平衡中去,使人类成为大自然的一员,而不是占有者。这就是绿色设计中产品与环境时所面临的一个基本矛盾:人类的需求发展与生态平衡能力的矛盾。可以采取尽可能多的措施来减少对环境的污染,但自然的极限是多少?如何论证才能准确?1.4 国内外对绿色产品的研究现状1.4.1 国际的研究现状 国际上对绿色设计产生直接影响的是美国设计理论家维克多巴巴纳克早在20世纪60年代末，他就出版了一部引起极大争议的著作为真实世界而设计（Design for the real world）。该书专注于设计师面临的人类需求的最紧迫的问题，强调设计师的社会及伦理价值。巴巴纳克认为，设计的最大作用并不是创造商业价值，也不是在包装及风格方面的竞争，而是一种适当的社会变革过程中的元素。他强调，设计应认真考虑有限的地球资源的使用问题，并为保护地球的环境服务。对于他的观点，当时能了解人不多。但是，自从20世纪70年代“能源危机”爆发，他的“有限资源论”得到了普遍的认同。绿色设计并不注重美学表现或狭义的设计语言，但绿色设计强调尽量减少无谓的材料消耗，重视再生材料使用的原则在产品的外观上也有所体现。在绿色设计中，“小就是美”、“少就是多”具有了新的含义。从20世纪80年代开始，一种追求极端简单的设计流派兴起，将产品的造型化简到极致，这就是所谓的“减约主义”。到了21世纪，目前国际上的绿色设计还没有停止，他们以更加创新的设计展现绿色设计的精髓，以下是2007年国际上最新的绿色设计，每个产品都体现了绿色设计的理念。图1.1 家用回收器家用回收器是针对于家庭使用的一个回收设备，特别是对于塑料瓶，铝易拉罐这些家庭最常用的可回收物品（如图1.1所示）。如何回收呢，把这些瓶罐放入顶上的专用槽中，踩下那个脚踏，伴随一阵舒适的挤压声音，被压制平整的塑料瓶易拉罐就落到下面的储存舱中每一个储存舱可以容纳50个瓶罐。而上面的储存舱是针对与玻璃瓶和报纸等其他可回收材料，完成和这些规整完好的处理品就可以出卖，送入下一级的回收。过程其实就是一个压制过程，但是对于个人还是整个回收链可起着不小的作用，想想在普通的回收过程中，除了回收这些塑料、铝之外，还回收了一大堆的空气。 图1.2 太阳能折叠式便携炊具这个炊具让你在野外或没有电能的地方用干净的能源来制作食物，可折叠，便携，环保（如图1.2所示）。经过多年的发展国际上的绿色设计已经走向成熟，不久的将来绿色设计将更上一层楼4。1.4.2 国内的研究现状绿色设计自提出以来受到了国内各单位的高度重视并展开了大量的研究目前包括重庆大学清华大学合肥工业大学机械科学研究院上海交通大学华中理工大学同济大学等在内的许多单位都进行了这方面的研究国内也对面向绿色制造的工艺问题进行了跟踪和初步的研究工作并取得了一定的成果。中国的绿色设计起步较晚，发展较慢，但是很大一个因素也和我国总体的工业设计水平有关，当过剩的毕业生对澳大利亚、英国、美国等其他国家来说不再新鲜时，为什么中国设计师对近期设计发展前景显得这么气馁？毕竟有那么多的产品在中国这个逐渐成长起来的国内市场制造和生产。简单的说，问题的答案应该是如何把这个市场和半资本主义生产系统（允许我们这么说）建设的更成熟。我们对中国市场和战后40、50年代的美国市场的相似性感到震惊。这个市场这么大，但是相对比较简单，连不好的设计都能卖的很好。许多中国制造商都没有认识到应该雇佣设计师设计，甚至很少在设计上投入资金。在西方有更多“好设计”的唯一原因是，我们已经不得不在上面进行投资，从而使设计成为日趋饱和的市场中一个具有区别度的必须因素。当那些工程设计师设计的蹩脚的产品不能很快地被生产出来时，为什么中国的制造商们还没有雇佣设计师来设计？或者同样的，当制造商们能“窃取”别人的知识产权时，他们还需要设计师干吗？他们甚至厚颜无耻地抄袭汽车设计。中国人喜欢国外的商品和品牌（一部分是因为他们自己的商品和品牌被视为低质量的），服务于中国市场的制造商们被迫无奈来模仿现有的那些设计。被用来更新一条产品线或者抄袭最新设计的设计技能并没有显得特别的老到。这是中国设计教育者和学生公开承认的现状。就像一个教授用蹩脚英语（比我们不复存在的官话还要好些）说的那样，我们的创造力很差。和我们交谈的一些教师也痛惜，中国的设计教育只着眼于传统造型和基本的问题解决能力，而不是他们需要解决的更大的关于问题定义的事件。这在美国也很常见，但是在中国这是一个更加显著的问题。在这样一个大的总体滞后的设计环境下绿色设计在国内的发展也受到很大的限制。2 绿色产品设计的内容及方法 2.1绿色产品设计的内容绿色设计的内容包括很多，在产品的设计、经济分析、生产、管理等阶段都有不同的应用，这里我们着重将设计阶段的内容作以分析。2.1.1 绿色材料及其选择所谓绿色材料指可再生、可回收，并且对环境污染小，低能耗的材料。因此，我们在设计中应首选环境兼容性好的材料及零部件，避免选用有毒、有害和辐射特性的材料。所用材料应易于再利用、回收、再制造或易于降解提高资源利用率，实现可持续发展。另外，还要尽量减少材料的种类，以便减少产品废弃后的回收成本。2.1.2 产品的可回收性设计可回收性设计就是在产品设计时要充分考虑到该产品报废后回收和再利用的问题，即它不仅应便于零部件的折卸和分离，而且应使可重复利用的零件和材料在所设计的产品中得到充分的重视。资源回收和再利用是回收设计的主要目标，其途径一般有两种，即原材料的再循环和零部件的再利用。鉴于材料再循环的困难和高昂的成本，目前较为合理的资源回收方式是零部件的再利用。2.1.3 产品的装配与拆卸性设计 为了降低产品得装配和拆卸成本，我们在满足功能要求和使用要求的前提下，要尽可能采用最简单的结构和外形，组成产品的零部件材料种类尽可能少。并且采用易于拆卸得连结方法，拆卸部位的紧固件数量尽量少。2.1.4 产品的包装设计产品的绿色包装，主要有以下几个原则：1、材料最省，即绿色包装在满足保护、方便、销售、提供信息的功能条件下，应是使用材料最少而又文明的适度包装； 2、尽量采用可回收或易于降解、对人体无毒害的包装材料。例如纸包装易于回收再利用，在大自然中也易自然分解，不会污染环境。因而从总体上看，纸包装是一种对环境友好的包装；3、易于回收利用和再循环。采用可回收，重复使用和再循环使用的包装，提高包装物的生命周期，从而减少包装废弃物5。2.2 绿色设计思维的延展从前面4点原有绿色设计的内容可以看出，绿色设计的出发点主要是在技术层面上，从环境保护、节约能源的角度出发。这是“自然为本”的设计思想的反映，也体现了现代设计师的道德和社会责任心的回归。但是，绿色设计不应该仅仅停留在技术层面上，更应该体现在设计的思维和原则上。绿色设计是在设计观念上的一次变革，要求设计师以一种更负责的方法去设计更加简洁、长久、完美的产品。例如1994年，philip starck为法国一家公司设计的“绿色电视”，除了在技术上选用了一种可回收性材料，在造型和风格上，也体现了简约、持久、安全的“绿色”感觉。在绿色设计的定义中也提到了“在满足环境目标要求的同时，保证产品应有的功能、使用寿命、质量等要求”。这主要是针对在产品设计中体现的人性化设计思想，因此绿色设计可以说是人性化设计思想的进一步深化。人性化设计的原则可以概括为“以人为本”，在设计中以人为轴心进行设计思考。“ 以人为本”不单单是指个体的人，更包括整体的人，即社会的人、环境的人、宏观的人类。从这一点出发， “自然为本”实际上和“以人为本”是异曲同工。在以往的产品设计中，由于过分强调了个体的人、小范围的人，忽略了宏观的人类乃至整个社会和自然环境，从而导致了资源匮乏、污染严重等种种问题的出现。但是现在我们不能犯同样的错误，即只强调宏观的人，从而忽略的个体的人。绿色产品在环保、节能的同时，还要能更好的满足产品的使用者（个体的人）的要求，包括功能要求、安全要求、舒适性、经济性、美观等等。强调宏观的人，忽略个体的人，这也许正是目前许多绿色产品的一个误区。比方说现在有很多种绿色产品，虽然做到环保了，但是其价格比同类产品要高出很多，而且在功能性、美学性上还不如同类产品，我们怎么能说这种产品是一种真正意义上的绿色产品。2.3 绿色设计方法在产品设计中的应用及其开发绿色设计也称为面向环境的设计,是系统地考虑环境影响并集成到产品最初设计过程中的技术和方法。绿色设计概念的核心是从整个产品系统的角度考虑,即在整个产品的生命周期内,从原材料的提取、制造、运输、使用到废弃各个阶段对环境产生的影响。这里的环境包括了自然生态环境、社会系统和人类健康等因素。从产品的角度看,任何产品在其整个生命周期内的各个过程中对环境都要产生一定的影响和损害,主要的影响过程因素包括:能量的使用;原材料的提取;零部件和产品的制造;包装与运输;产品的使用;产品使用后的处理方式。从设计的角度看,绿色设计提供了系统评价产品环境特性的方法,并在产品的整个生命周期内提出改进的目标和方向。这时,我们考虑的产品生命周期一般包括以下5个阶段:设计阶段;生产阶段;市场阶段;使用阶段;废弃阶段。产品设计是一个复杂的过程,有很多因素需要在设计中考虑、确定。绿色设计主要考虑如何减少产品在其生命周期内对环境的影响和损害。在众多的影响因素中,以下几个方面对生态环境、社会系统和人类健康的影响最大:材料的选择;能源的有效利用;延长产品中零部件的使用寿命;产品的包装;产品的装配与拆卸;产品的重新使用;产品的回收;零部件的重新处理和加工。2.3.1 绿色设计的目标绿色设计技术是随着可持续发展思想的提出而迅速发展起来的现代设计技术,可持续发展要求现在的发展不仅要满足现在人类生存的需要,同时还要满足将来社会发展的需求。在此基础上,世界企业可持续发展委员会(WBCSD)进一步提出了生态效益念,它要求企业在提供具有竞争力价格的产品和服务,以满足人类需求、提高生活品质的同时,在产品和服务的整个生命周期内将其对环境的影响以及天然资源的耗用,逐渐减少到地球能负荷的程度。如果说生态效益是产品开发的最终目标,那么绿色设计技术是实现这一目标的最有效的途径。从可持续发展的角度看,绿色设计的目标主要体现在以下几个方面:减少使用非再生资源;减少能源的使用;减少,最终消除有毒、有害物质向环境的扩散;最大限度地使用可再生资源;提高原材料的可回收性;延长产品的使用寿命;增加产品的服务。2.3.2 绿色产品设计基本步骤和方法绿色设计过程采用系统的方法,确定指定产品应采取的设计策略,以改善产品的环境属性,同时,也保证了产品其它功能、特性的实现。绿色设计过程可分为选择产品、绿色设计技术和策略、产品实现3个步骤。2.3.2.1产品选择和产品基本特性分析一般情况下,产品的选择主要是由市场需求决定的,同时还要考虑潜在的环境影响和技术可行性。产品选定以后,应进行产品基本情况分析,并提出分析报告,包括以下内容:产品市场情况产品的主要特征:功能、外观、质量、成本等;产品的市场容量以及发展趋势;其它影响产品市场的因素:相关法律、法规、标准、用户兴趣等;与产品市场相关的所有环境问题。市场上同类产品分析分析市场同类产品,尤其是竞争对手产品的环境特性及优势。企业的资源和能力企业内现有的设施条件、资源条件、环境政策等;能够从事绿色设计的技术和研究人员以及他们所具有的设计经验。产品的适应性产品的环境属性的改善以及新材料、新技术的不断应用;用户新的需求或喜好。2.3.2.2 产品的环境影响分析,确立设计目标和方向根据对所选择产品的环境特性及动力的分析,建立优先发展方向,选择最适合的绿色设计策略用于产品的设计。2.3.2.3 绿色产品的实现依据分析,将产品的环境影响因素按优先级分类,确定绿色设计策略。设计策略应根据不同的产品、不同的环境影响要求和不同的市场需求而采用不同的设计策略,但有时不能同时使用它们,因为在某些条件下,这些策略的结果是矛盾的。因此,在决定使用某些设计策略之前,还要检查不同设计策略之间是否具有相互矛盾之处,因为,有时减少了某一方面的环境影响,却增加了其它方面的环境影响,必须避免这样矛盾的出现。表1列出了不同产品生命周期阶段,一般应采取的绿色设计策略。表2.1产品生命周期各个阶段与绿色设计策略关系表产品生命周期阶段绿色设计策略影响因素原材料提取与加工阶段策略1:使用低影响材策略2:减少材料使用策略3:优化产品生产技术原材料加工能量生产加工阶段策略3:优化产品生产技术辅助材料加工能量包装与运输阶段策略2:减少材料使用量策略4:优化销售系统包装材料运输使用能量使用阶段策略5:减少使用中的环境影响策略6:优化产品寿命实现功能的材料使用中的能量废弃与处理阶段策略7:优化产品回收处理系统辅助物资加工能量3 绿色产品设计的应用（自充电手机的设计和开发）长期以来，手机的电源问题一直困扰着广大用户和厂商。虽然目前国际上很多国家都在研究并设计出新燃料手机，但这都没法真正摆脱电源消耗过快和过多依靠外接电源充电的模式。本设计着重针对手机能源和手机充电的方便性进行考虑，采用了绿色设计的原则，在设计的过程中对手机能量的消耗和能量的利用产进行了详细的研究，最终设计出一种既方便用户使用又环保的手机。3.1市场调研目前的应急充电器以及相关产品的分析：1、手机应急充电器：图3.1 目前市面上的手机应急充电器作为一个应急充电器它虽然方便了使用用户，但是作为一种解决能源消耗和环境污染问题的绿色产品却大大没有达到标准（如图3.1所示）。下面对这样的充电器作了以下的分析：优点： a、无论身在何处，即使无交流电，也可为手机及时充电；并可在移动中充电和通话；b、精雅小巧(比5号电池大一点点)，携带方便。缺点：a、没法真正摆脱依靠外接电源充电的模式。只是在依靠别的电源，只能做到应急作用；b、充电方式单一而且没有做到环保充电。、手摇式手机充电器：图3.2 应用比较广泛的手摇式手机充电器该设计摆脱了依靠外来电源充电的问题，直接用动能的形式转化为电能，但不能解决用户方便使用的问题，不能在移动中同时充电和通话，且体积较大携带不便（如图3.2所示）。3、手握式充电电筒：图3.3 市面上的手握充电器用手握的方式来充电，可以在释放了另外一个手的同时又达到充电的目的。3.2 绿色产品（自充电手机）的可行性分析通过前期的调研和分析，利用绿色设计的原则对产品的可行性进行具体的分析以确定最后的方案。3.2.1 手握式充电手机手握式对提供一台手机的电量是否足够？对手握式充电手机究竟要达到怎样的设计要求才能达到使能量损耗最少？怎样的设计才能够达到绿色设计的标准？带着这样的问题我对自从电手机的设计进行了全面的分析。在专利方面，目前手握方式发电器有不少的专利，但是这种方式能否用到手机上还是一个问号。先介绍一下目前的专利： 图3.4 手握式充电装置顶视图图3.4是一个手握式充电装置的专利图，它包括外壳，手柄，齿条，上下齿轮，其前端中心设有手柄，手柄另一端设有齿条，齿条与手柄以及下面的齿轮吻合，通过这样的装置带动转子转动。根据物理公式可知转子充电的效率与线圈扎数，线圈面积有关。该装置在正常握力的发电平均功率为4.5瓦，目前手机的发电功率大概为4瓦或以上。所以得出结论，手握式充电器在正常握力下所发出的平均功率基本适合手机持续供电。3.2.2 手摇式充电手摇式和手握式原理一样只是运动方式上不同，通过研究手摇发电的效率比手握充电大，但是它的缺点是充电的时候要同时用上两个手。3.2.3 脚踏式充电相比之下脚踏式充电的功率最大，但它的缺点就是难以携带和不方便使用而且它与手机传输距离较远传输线要较长。通过研究，上述三种充电方式对手机提供的发电功率都适合目前手机用电功率的基本需求，所以这三种方式都是可行的。3.3设计草图方案一：图3.5 脚踏式充电装置草图设计该方案通过脚踏的方式充电，利用了最新的无线充电技术。方案二：图3.6 装在鞋底的脚踏装置草图设计该方案通过设置在鞋底的一个发电装置，在平时走路的时候可以充电，无线传输技术可以把电能传输到手机或者蓄电池，但该方案效率较低。方案三：（a） (b)图3.7 手握式自充电手机草图设计方案四：图3.8 手握式自充电手机草图设计.最终效果图 这是我做的最终效果图（图3.8）。图3.8 自充电手机最终确定方案结 论绿色设计是21世纪全新的工业设计理念,是不可逆转的时代潮流。在工业设计中提出绿色设计绝非是偶然的,随意的,而是必然的、必要的,它是工业设计发展道路上的必经之路,是保证人类自身生存、实现可持续发展的必然选择;是新世纪绿色消费浪潮下的必然产物;是未来企业的立足之本:是消除绿色贸易壁垒的有效途径。为了能够正确地实施绿色设计,我们必须探索工业设计的新方法,并遵循一定的准则,只有这样才能够更好地把环境保护融入工业设计中。此外,还必须认识到绿色设计还处于发展过程中的形成阶段。为了完善它,我们需要更多的设计师去认识它、理解它,以解决其系统化过程所需解决的各种问题。参 考 文 献1 卢岚，齐二石