王黎夫，段金娟，楊?lèi)?ài)慧

(天津工業(yè)大學(xué) 天津300387)

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

王黎夫，段金娟，楊?lèi)?ài)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(xiàng)目為載體，利用3D打印技術(shù)，通過(guò)“碎紙新生一體機(jī)”產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐，探索綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)圍繞“紙垃圾”展開(kāi)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)想工藝和設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)，并展開(kāi)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。對(duì)產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)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(guò)烘干、壓制等過(guò)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(jìn)行二次使用。不僅可以有效解決“紙垃圾”帶來(lái)的污染，還可以一定程度上節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)身邊廢紙資源的回收再利用。

綠色設(shè)計(jì) 創(chuàng)新 3D打印 次生價(jià)值

1 “時(shí)代的選擇”——綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)

1.1 綠色設(shè)計(jì)

綠色設(shè)計(jì)(Green Design)又稱(chēng)生態(tài)設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品生產(chǎn)及加工的整個(gè)周期內(nèi)，綠色設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)點(diǎn)放在產(chǎn)品的環(huán)境屬性上(能否拆卸、回收、維護(hù)、重復(fù)利用等)，將這些作為設(shè)計(jì)目標(biāo)與方向，因此，其也稱(chēng)“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(jì)源于20世紀(jì)60年代，但在資源日益緊缺、環(huán)境遭受?chē)?yán)重破壞的21世紀(jì)，卻日益成為一種極其重要的新趨向。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食和農(nóng)業(yè)組織(FAO)發(fā)布的《2015年全球森林資源評(píng)估》，自1990年來(lái)，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(gè)南非。如此駭人聽(tīng)聞的數(shù)據(jù)真實(shí)而深刻地?cái)[在我們面前，地球也在以各種方式提醒著人類(lèi)，環(huán)境保護(hù)刻不容緩。一場(chǎng)“綠色革命”已經(jīng)到來(lái)，在環(huán)保成為世界性的發(fā)展趨勢(shì)的情況下，綠色設(shè)計(jì)正起著前所未有的作用。[2-3]

1.2 設(shè)計(jì)需要?jiǎng)?chuàng)新思維——做資源的加法：回收與循環(huán)

如今，實(shí)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(jiàn)的“一水多用”等?，F(xiàn)實(shí)中全球每分每秒都會(huì)產(chǎn)生不同級(jí)別的資源消耗，我們將這稱(chēng)之為“資源的減法”；如果我們?cè)谀骋画h(huán)節(jié)加以改良，加入進(jìn)去循環(huán)與回收的元素，哪怕很小的一個(gè)小環(huán)節(jié)，很少的一點(diǎn)節(jié)約，全球累計(jì)起來(lái)也是一個(gè)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(jì)系主任蔡軍說(shuō)，“綠色設(shè)計(jì)的話題其實(shí)非常重要”，中國(guó)現(xiàn)階段非常缺少綠色設(shè)計(jì)意識(shí)，這是一個(gè)重要的問(wèn)題。我國(guó)可持續(xù)發(fā)展觀充分要求了“綠色設(shè)計(jì)”將成為21世紀(jì)工業(yè)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)話題之一。為了完成這個(gè)任務(wù)，設(shè)計(jì)師要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)，加入環(huán)保的意識(shí)和元素，這不僅要對(duì)設(shè)計(jì)師的學(xué)識(shí)進(jìn)行多維度的考核，更多的需要設(shè)計(jì)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(jì)行業(yè)在社會(huì)上非常之火熱，帶動(dòng)著巨大的商機(jī)。我們?cè)谠鲩L(zhǎng)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展實(shí)力的基礎(chǔ)上，更要把握好環(huán)境因素。在原來(lái)(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(duì)創(chuàng)新的需求愈發(fā)強(qiáng)烈，如何開(kāi)創(chuàng)屬于新時(shí)代的產(chǎn)品，成為當(dāng)今社會(huì)要面對(duì)的重大課題。

2 “海闊憑魚(yú)躍，天高任鳥(niǎo)飛”——國(guó)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(jī)遇”，機(jī)遇非常重要。在過(guò)去也許你有才氣，但是沒(méi)有平臺(tái)讓你去施展能力。但國(guó)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(guò)去的2015年，國(guó)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(shí)施意見(jiàn)》提出，要求將教學(xué)及考試進(jìn)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(duì)以往固定的考試形式進(jìn)行優(yōu)化，提倡非標(biāo)準(zhǔn)答案考試，以破除學(xué)生“高分低能”的積弊。同時(shí)，我國(guó)還鼓勵(lì)大學(xué)生發(fā)表論文、申請(qǐng)專(zhuān)利以及自主創(chuàng)業(yè)。不僅如此，總理李克強(qiáng)也曾多次提出鼓勵(lì)政策，在一次給清華大學(xué)的學(xué)生創(chuàng)客的回信中強(qiáng)調(diào)“青年愿創(chuàng)業(yè)，社會(huì)才會(huì)生機(jī)盎然；青年?duì)巹?chuàng)新，國(guó)家才會(huì)朝氣蓬勃”。由此可見(jiàn)，國(guó)家對(duì)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(xiàn)。[4-5]

天津工業(yè)大學(xué)多年來(lái)一直在開(kāi)展“項(xiàng)目”形式的大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，并逐步構(gòu)建了國(guó)家級(jí)-省級(jí)-校級(jí)三層次的“大創(chuàng)計(jì)劃”訓(xùn)練體系，不斷完善和刷新“大創(chuàng)計(jì)劃”形式及內(nèi)涵，取得了很好的效果。我們的設(shè)計(jì)課題正是在國(guó)家大力鼓勵(lì)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(kāi)的綠色產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究，課題號(hào)為201510058007。

3 “碎紙新生一體機(jī)”綠色創(chuàng)新設(shè)計(jì)

3.1 靈感的來(lái)源與設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)”，靈感不會(huì)憑空而來(lái)。正如偉人的這句箴言，在做設(shè)計(jì)之前一定要經(jīng)過(guò)充分的調(diào)研與實(shí)踐。德國(guó)作為走在世界前列的工業(yè)大國(guó)，率先提出并發(fā)起了第4次工業(yè)革命，即工業(yè)4.0時(shí)代。該戰(zhàn)略主要分了3大主題：①智能工廠，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程；②智能生產(chǎn)，涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用等；③智能物流，通過(guò)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(xiàng)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(guò)逐層打印方式，將虛擬模型實(shí)物化來(lái)構(gòu)造物體。[6]將這種概念實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，我們稱(chēng)之為3D打印機(jī)。早在1986年，Charles Hull開(kāi)發(fā)出第1臺(tái)3D印刷機(jī)。它與我們?nèi)粘Ｊ褂玫拇蛴C(jī)原理基本相同，只是材料不同，將墨水和紙?zhí)娲鸀榻饘?、塑料、砂石等不同材料?D打印技術(shù)未來(lái)將會(huì)成為一項(xiàng)非常有用的科技，會(huì)對(duì)世界的發(fā)展起到巨大的推動(dòng)作用。

設(shè)計(jì)小組的課題研究基于這項(xiàng)技術(shù)，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。我們發(fā)現(xiàn)，雖然3D技術(shù)如此強(qiáng)大，但是普通百姓根本觸及不到，分析其原因：①價(jià)格方面。一臺(tái)3D打印機(jī)的價(jià)格，貴的要幾十萬(wàn)到百萬(wàn)之間，普通的也要幾萬(wàn)元。所以在經(jīng)濟(jì)層面，不符合大眾使用。②多樣化的材料。與普通打印機(jī)的墨水相比，3D打印所需要的材料復(fù)雜很多，又不方便購(gòu)買(mǎi)。生活中很難找到一家可以買(mǎi)到3D打印耗材的商店。于是，我們提出了問(wèn)題：如何將這項(xiàng)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(lái)的優(yōu)越性呢？為了進(jìn)一步設(shè)計(jì)的需要，我們走進(jìn)人們生活中，去尋找突破口。

對(duì)調(diào)查的人群進(jìn)行分類(lèi)觀察(學(xué)生類(lèi)、工作類(lèi)、居家類(lèi))發(fā)現(xiàn)，在他們的日常中，有一種物質(zhì)，每時(shí)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(dāng)排污，會(huì)對(duì)水資源造成嚴(yán)重污染。我們可能并沒(méi)有直接砍伐森林，但是對(duì)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(hù)我們的生存環(huán)境。所以，被我們使用過(guò)準(zhǔn)備隨手扔掉的紙張，如果能得到二次利用，那會(huì)無(wú)形中節(jié)約很多資源，再造新價(jià)值。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的廢紙回收率不到20%,，如果將全國(guó)5%,的出版刊物替代為電子書(shū)刊，每年可減少紙消耗約26萬(wàn)t，節(jié)能33.1萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，相應(yīng)減排二氧化碳85.2萬(wàn)t；如果全國(guó)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(wàn)t，節(jié)能5萬(wàn)t標(biāo)準(zhǔn)煤，減排二氧化碳12.9萬(wàn)t。

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

3.2 提出設(shè)計(jì)新思路，團(tuán)隊(duì)配合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3D技術(shù)將細(xì)小的物質(zhì)堆積粘接，積少成多，形成產(chǎn)品?？紤]到3D技術(shù)對(duì)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(duì)造紙工藝進(jìn)行研究。簡(jiǎn)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(zhǔn)備原料，即樹(shù)木等，將大塊木材碎成木屑，并經(jīng)過(guò)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(zhǔn)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(huì)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(shí) 驗(yàn)

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(lái)，這是非常容易獲取的原料。于是，展開(kāi)驗(yàn)證其可行性的實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)選取的是來(lái)自生活中廢棄的紙張，設(shè)置了對(duì)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(shí)驗(yàn)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(méi)過(guò)碎紙屑并加以充分?jǐn)囁椋玫郊垵{；

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

④經(jīng)過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果：能夠明顯對(duì)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(qiáng)。同時(shí)也證明了經(jīng)過(guò)我們提煉得出的造紙工藝是可以實(shí)施的。如果后期加以精細(xì)化的學(xué)術(shù)研究改進(jìn)與技術(shù)支持，制作的質(zhì)量會(huì)提升很多。

5 基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，開(kāi)展產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)

明確了思路，下一步就要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)。不僅要對(duì)外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，還要對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行思考。根據(jù)之前總結(jié)的思路，將機(jī)體設(shè)計(jì)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(jī)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(dá)出來(lái)，分為打漿區(qū)和壓制區(qū)。整體工作流程設(shè)計(jì)如下：將若干紙張放入打碎，打碎的紙屑會(huì)落入打漿區(qū)，系統(tǒng)會(huì)加入適量水、漂洗劑與膠質(zhì)物質(zhì)。經(jīng)過(guò)攪拌后，紙漿將流入下部帶有模板的壓制烘干區(qū)，進(jìn)行紙張制作。隨后取出即可使用。其中，對(duì)很多細(xì)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)：

①結(jié)合之前實(shí)驗(yàn)中的總結(jié)，制作一張新的紙板大約需要20張A4大小的紙?jiān)?。于是在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們將一體機(jī)上部留出很大的收納空間，可以隨時(shí)對(duì)打碎的紙屑進(jìn)行統(tǒng)一收集。系統(tǒng)會(huì)在下部工作時(shí)(造紙工作中)關(guān)閉上部的出屑口，從而單獨(dú)工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到下部工作完成時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟并釋放出一定量的紙屑，繼續(xù)工作。預(yù)計(jì)2,h左右可以完成單次造紙工作，機(jī)器內(nèi)如果有滿(mǎn)足可以進(jìn)行工作所需的紙屑原料，將會(huì)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(jì)，單獨(dú)完成各部分工作。

②整個(gè)機(jī)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(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)的。舉一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，將文件盒的展開(kāi)形式制成模板，那么，生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品可以由模板壓制的痕跡折成文件盒進(jìn)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(jì)上，我們選取簡(jiǎn)潔大方的形態(tài)，適合多種場(chǎng)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(jiàn)圖2、3)。

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

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

6 結(jié) 語(yǔ)

“碎紙新生”產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在未來(lái)有很廣泛的使用空間。它可以由專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)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(chǎng)合，如學(xué)校、辦公室、醫(yī)院、寫(xiě)字樓甚至百姓家中。我們的設(shè)計(jì)理念時(shí)刻遵循以綠色設(shè)計(jì)為主的原則、可持續(xù)發(fā)展的設(shè)計(jì)思路，在節(jié)約資源保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，產(chǎn)生次生價(jià)值。同時(shí)，以大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目這個(gè)平臺(tái)作為載體開(kāi)展創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使我們有機(jī)會(huì)深入開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)踐，增強(qiáng)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(jì)中的知識(shí)重用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013(7)：72-79.

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

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

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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(xiàng)目“碎紙新生”產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)(項(xiàng)目編號(hào)：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(jì)教育平臺(tái)建設(shè)研究》(課題編號(hào)：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(jī)械造型專(zhuān)題設(shè)計(jì)開(kāi)新課研究》的階段性研究成果。

2016-05-12