材料替代

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材料替代法(Material Substitution)

目录

什么是材料替代

  材料替代产品设计开发过程中常见的一种方法,就是用一种材料取代另一种材料,也是应用最为广泛的一种方法。这种方法在材料工业迅速发展的今天,具有强大的活力。尤其在产品的外观设计当中,尝试应用不同的材料,赋予产品截然不同的外在品质,常常会收到意想不到的效果。

材料替代的历史发展

  材料,是人类生活和生产所必需的物质基础,人们曾用它来划分古代社会的历史阶段:旧石器时代、新石器时代、青铜时代、铁器时代……材料的种类与性质最明确地标志着人类与自然的关系,反映着人类创造活动的过程。

  例如,美国、日本、德国目前正致力于高温结构陶瓷的开发利用,他们设想用这种新型非金属材料取代传统的金属材料:研制于种新的发动机。据初步试验,发现这种新型发动机可大幅度提高热效率,降抵燃料消耗,减少重量体积。这种发动机—旦创造成功,无疑是发动机的一场革命,其意义不理于半导体晶体管取代真空电子管。

  另外,用非品态合金制造优质变压器、高效电动机、高灵敏爆击故障传感器、高保真磁头等,也相当引人注目。有人还打算招所谓形状记忆合金用于汽车制造,用这种材料制成的汽车外壳即使被控瘪了,只要浇上热水加热,就能恢复如故,这真是别开生面的事情;

  在发明与革新中,除了开发利用各种新材料外,也可以在现有材料之间进行代替。

  例如,用塑料代替木材、皮革、金属制作多种日用产品,不久前,有几位外围友人在上海豫园商场看到许多擦亮名贵的鲜鱼皮制女拎包,‘简直爱不释手,不过,令他们感到奇怪的是,中国怎么对异常名贵的鲜鱼不加保护,用其昂贵的皮来制作拎包,经解释,他们才知道这些所谓销鲜鱼皮包竟是塑料制品。这种用普通塑料通过表面镀饰工艺制作的产品,居然达到以假乱真的程度,真是了不起的创新

  即使一种材料可以很好地满足某种特定用途,设计人员也应考虑其可替代性。材料替代能够提供降低成本或者改进设计的机会。当然,替代材料必须完全满足相应的经济、物理和化学要求。

  材料替代通常与新的资源开采或加工技术发展有关。由于先前巨大的设备投资以及对于变化的普遍抵触态度,过程变革一般都很缓慢。例如,美国炼钢工艺的重大变革平均经历5O年。这种规律影响到可用材料的数量,特别是特殊复合材料的数量。

  一般情况下,每种产品都使用多种材料,而且其中一些材料都有替代材料。例如,最近几年汽车生产中碳钢、铁和锌等压铸件的用量显著减少,而高强度的钢、铝、铜(主要是电子元件)和塑料用量大大增加。在可能的情况下,天然纤维正被用于纤维增强型塑料零部件,替代玻璃钢部件以减轻产品的质量,并提高其再循环性能。

材料替代的原因

  材料替代的原因通常包括以下几点

  ①利用新材料或新工艺的优点。

  ②改善使用性能,包括更长的寿命和更高的可靠性

  ②满足新的正当的要求。

  ④考虑工作条件的改变。

  ⑤降低成本或使产品更具竞争力

  一般来说,一个材料对另一个材料的简单替代不会产生优化的方案。这是因为不可能实现和发挥新材料的全部潜能,除非部件重新设计以探索其强度和制造特性。

材料替代中某些定量方法

  1.Pugh法

  Pugh法在设计早期阶段作为材料初步筛选方法是有用的。在这种方法中,一个决定矩阵表表示。可能采用的新材料的每一性能逐项和目前使用的材料性能对比,如果是优于现用材料的,在决定矩阵中记为(+),如果是不优于现用材料的,记为(-),如果是一样的,记为(O)。关于是否新材料比现用材料的结论基于比较结果的分析,如所有(+)、(-)和(0)的数目。优点多于缺点的新材料作为真正的替代方案的候选材料,用于部件的再设计和详细分析。

  2.成本—效益分析法

  在做出材料替代最后决定时进行详细的成本—效益分析是合适的。由于新材料通常是更复杂,要求闭环控制,甚至成型采用新技术。采用这种材料制造的部件一般是较贵的,这意味着为了获得经济可能的材料替代,那么性能改善获得的经济节省ΔB应大于由于替代引起的附加成本ΔC。

  ΔB-ΔC>1

  为了分析方便,将材料替代的成本ΔC分为以下几部分。

  ①直接材料和劳动力的成本差异。新材料通常有较好的性能但较贵。当少量的新材料被用来制造产品时,在直接材料上成本的增加不会是很大的。如果新材料不要求新的工艺技术和装配程序,那么劳动力成本在材料替代用期和生产率方面的差异必须认真评估。

  ②重新设计和试验的成本。使用新材料通常包括部件设计的更改和试验,以保证其性能满足要求。如果是关键件,重新设计和试验的成本可能是比较大的。

  ②新工装和设备成本。材料的变化对于寿命和工装成本能够有明显的影响,并且可能影响到热处理和精饰工艺。如果新材料不像原来材料那样需要使用复杂的处理或精饰工艺的话,这可能会节约成本。成型新材料需要的设备成本可能是大量的,如果新材料应用,如以塑料替代金属,则会要求新的生产设备

  基于上述分析,以一个新材料(n)替代原来材料(O)所需的总的成本(ΔC)由以下几部分组成

  ΔC=(PnMn-POMO)十F(Ct/N)十(Tn-TO)十(Ln-LO)

  式中 PnPO——在部件中使用的新旧材料的单价

  Mn,MO——在部件中使用的新旧材料的质量;

  F——资本回报因子,在缺乏信息的情况下取15%;

  Ct——从原来材料到新材料的转移成本

  N——新零件的总数;

  TnT0——使用新材料和原来材料生产每个部件的工装成本;

  LnLO——使用新材料和原来材料生产每个部件的劳动力成本。

  由于性能改善带来的节约ΔB可基于部件的期望改善的性能来估计。部件性能的改善和新材料的性能系数较现用材料提高有关。这种增加也包括由于部件质量的降低和使用寿命的增加带来的经济上的节省。

  ΔB=Δ(γn-γO)

  式中γngammaO——分别表示新用、原用材料的使用性能系数;

  A——以美元/单位材料性能系数增加表示的部件性能改善后的获利状况

材料替代法运用分析[1]

  著名的苹果电脑公司推出的G4 系列电脑,外壳采用了美国通用公司研制的透明塑料材质,配合亲和力很强的外观造型设计,一上市便给人以耳目一新的感觉,大大提升了苹果电脑的价值,,从而使得许多公司群起而效仿之。

  可见新材料的七妙运用,不仅不会像有些人认为的那样提高产品的相对成本,反而会大幅度地提高产品价值,增长企业的经济效益

  现在许多企业和研究机构都在投入大量的人力物力来研究开发新材料,尤其是纳米材料的研究备受瞩目,这种新材料以其众多独特的特点,必将会渗入到人们生活的方方面面,如果在不久的将来形成产业化,它也必将会给人们的生活带来革命性的变化。

  不光是对新材料的应用,对原有旧材料的合理运用,也同样会给企业带来可观的经济效益,最有说服力的案例便是著名的“石棉板”事件,这也是导致价值工程 这一理论形成的直接原因。

  现在的许多设计也受这一思想方法的影响,运用材料替代法,很好地解决了许多实际问题,尤其是在不发达国家,用廉价材料替代昂贵的短缺材料,可以给国家和企业节约大量资金。如玻璃钢这种材料,具有价格便家,不易腐烂、强度大和容易制成不规则造型的产品等特点,兼具钢材和塑料的优点,使其在很多地方替代了钢材和塑料,在人们的生产生活当中发挥着巨大的作用。很多公共设施,如电话亭、露天健身器材、公园的休息座椅等大多都采用这种材料,以抵搞外部恶劣的环境条件,从而为人们的生活提供了很大的方便。

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参考文献

  1. 鲁晓波, 赵超.工业设计程序与方法.清华大学出版社, 2005.ISBN:7302115354, 9787302115359
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