材料节约型设计方法：优化产品性能并节约材料

1.资源节约型产品生命周期设计的定义

狭义的资源是指自然资源，主要分为能源资源和非能源资源两大类。能源资源，如煤、石油等；非能源资源，如铁矿石等原材料。广义的资源还包括人力、脑力、数据、信息、知识、设备和厂房等。本书主要讨论能源和原材料（以下简称材料）的节约问题。

资源节约型产品生命周期设计是指减少产品在整个生命周期内资源消耗的产品设计方法。

2.资源节约型产品生命周期设计的分类

资源节约型产品生命周期设计方法的分类，如图7-2所示。其中大多数设计方法与材料节约和能源节约都相关。

图7-2 资源节约型产品生命周期设计方法的分类（实线表示关系直接，虚线表示间接）

3.材料节约型设计方法的特点

传统设计注重节约材料，其设计准则是确保产品性能的同时使材料最节约，采用的理论是材料力学。产品性能包括产品的物理、化学和工艺等性能。

材料节约型设计的特点如下。

1）材料节约的空间维扩展。从单一产品的材料节约向产品族整体材料节约优化目标拓展，主要采用的是产品模块化技术。

2）材料节约的时间维扩展。从设计和制造阶段的材料节约向产品生命周期整体材料节约拓展，主要采用的是再制造技术和回收利用技术。

4.能源节约型设计方法的特点

产品分为三大类。

1）耗能产品，如汽车、家电等，不仅产品在制造过程中需要消耗能源，产品在使用过程中也需要消耗能源。

2）能源相关产品，其本身并不消耗能源，但是在使用过程中会对能源消耗有影响，如隔绝材料、窗户、饭锅、淋浴喷头或水龙头等。能源相关产品不但可以作为独立部件被投入市场和/或交付使用，而且能够被独立地进行环境影响评估。例如，饭锅的保暖性能影响用饭锅煮饭的能耗。(www.xing528.com)

3）能源不相关产品，如家具、书本等。

对于耗能产品，有具体的、直接的节能指标或效率指标可以进行评价，而能源相关产品的节能指标或效率指标则是间接的。

本章的节能低碳设计是能源节约型设计的主要方法。

因为材料、零部件和产品都是需要消耗能源才能生产出来的，所以它们的重用，不仅节约了材料，也节约了能源。因此，材料节约也隐含着能源节约。

轻量化设计的目的可以分为两类：以节约材料为主和以节约能源为主。例如，对于汽车而言，少用材料，重量轻了，行驶中就能够节约能源，其前提是保证汽车的安全性能和行驶性能。轻量化设计并不都是节约材料，在保证产品性能的前提下，用比重轻的材料代替比重大的材料，也是轻量化设计的一种方法，如目前飞机设计中广泛采用碳纤维材料代替铝合金。

5.资源节约型产品生命周期设计的作用

资源节约型产品生命周期设计在产品生命周期各个主要环节的作用，如图7-3所示。虽然资源节约型设计主要发生在产品方案设计、产品材料选择和产品结构设计这三个阶段，但是后面的产品制造装配、产品使用维护和产品报废回收三个阶段的资源节约程度与前期的设计关联性很大。

6.资源节约型产品的特点

资源节约型产品生命周期设计的产品在满足产品基本功能的同时，还应具有以下特点。

图7-3 资源节约型产品生命周期设计在产品生命周期各个主要环节的作用

1）节能低碳。尤其是对于耗能产品，不仅在产品制造和装配阶段要节能，在产品使用阶段也要节能。

2）模块化。产品是由大量的标准模块和通用模块组成，而模块可以形成较大批量的生产，通过采用高效的制造技术，可以降低能耗和成本。

3）可维修。产品中的故障零部件容易维修，磨损零部件容易通过再制造修复、重用，节约资源。

4）可回收利用。产品报废之后，其大部分零部件和材料可以回收和重用，节约资源。