材料替代
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材料替代法（Material Substitution）
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材料替代是產品設計開發過程中常見的一種方法,就是用一種材料取代另一種材料，也是應用最為廣泛的一種方法。這種方法在材料工業迅速發展的今天，具有強大的活力。尤其在產品的外觀設計當中,嘗試應用不同的材料,賦予產品截然不同的外在品質,常常會收到意想不到的效果。
材料，是人類生活和生產所必需的物質基礎，人們曾用它來劃分古代社會的歷史階段：舊石器時代、新石器時代、青銅時代、鐵器時代……材料的種類與性質最明確地標志著人類與自然的關係，反映著人類創造活動的過程。
例如，美國、日本、德國目前正致力於高溫結構陶瓷的開發利用，他們設想用這種新型非金屬材料取代傳統的金屬材料：研製於種新的發動機。據初步試驗，發現這種新型發動機可大幅度提高熱效率，降抵燃料消耗，減少重量體積。這種發動機—旦創造成功，無疑是發動機的一場革命，其意義不理於半導體晶體管取代真空電子管。
另外，用非品態合金製造優質變壓器、高效電動機、高靈敏爆擊故障感測器、高保真磁頭等，也相當引人註目。有人還打算招所謂形狀記憶合金用於汽車製造，用這種材料製成的汽車外殼即使被控癟了，只要澆上熱水加熱，就能恢復如故，這真是別開生面的事情；
在發明與革新中，除了開發利用各種新材料外，也可以在現有材料之間進行代替。
例如，用塑料代替木材、皮革、金屬製作多種日用產品，不久前，有幾位外圍友人在上海豫園商場看到許多擦亮名貴的鮮魚皮製女拎包，‘簡直愛不釋手，不過，令他們感到奇怪的是，中國怎麼對異常名貴的鮮魚不加保護，用其昂貴的皮來製作拎包，經解釋，他們才知道這些所謂銷鮮魚皮包竟是塑料製品。這種用普通塑料通過錶面鍍飾工藝製作的產品，居然達到以假亂真的程度，真是了不起的創新。
即使一種材料可以很好地滿足某種特定用途，設計人員也應考慮其可替代性。材料替代能夠提供降低成本或者改進設計的機會。當然，替代材料必須完全滿足相應的經濟、物理和化學要求。
材料替代通常與新的資源開采或加工技術發展有關。由於先前巨大的設備投資以及對於變化的普遍抵觸態度，過程變革一般都很緩慢。例如，美國煉鋼工藝的重大變革平均經歷5O年。這種規律影響到可用材料的數量，特別是特殊複合材料的數量。
一般情況下，每種產品都使用多種材料，而且其中一些材料都有替代材料。例如，最近幾年汽車生產中碳鋼、鐵和鋅等壓鑄件的用量顯著減少，而高強度的鋼、鋁、銅(主要是電子元件)和塑料用量大大增加。在可能的情況下，天然纖維正被用於纖維增強型塑料零部件，替代玻璃鋼部件以減輕產品的質量，並提高其再迴圈性能。
材料替代的原因通常包括以下幾點
①利用新材料或新工藝的優點。
②改善使用性能，包括更長的壽命和更高的可靠性
②滿足新的正當的要求。
④考慮工作條件的改變。
⑤降低成本或使產品更具競爭力。
一般來說，一個材料對另一個材料的簡單替代不會產生優化的方案。這是因為不可能實現和發揮新材料的全部潛能，除非部件重新設計以探索其強度和製造特性。
1.Pugh法
Pugh法在設計早期階段作為材料初步篩選方法是有用的。在這種方法中，一個決定矩陣表表示。可能採用的新材料的每一性能逐項和目前使用的材料性能對比，如果是優於現用材料的，在決定矩陣中記為(+)，如果是不優於現用材料的，記為(-)，如果是一樣的，記為(O)。關於是否新材料比現用材料的結論基於比較結果的分析，如所有(+)、(-)和(0)的數目。優點多於缺點的新材料作為真正的替代方案的候選材料，用於部件的再設計和詳細分析。
2.成本—效益分析法
在做出材料替代最後決定時進行詳細的成本—效益分析是合適的。由於新材料通常是更複雜，要求閉環控制，甚至成型採用新技術。採用這種材料製造的部件一般是較貴的，這意味著為了獲得經濟可能的材料替代，那麼性能改善獲得的經濟節省ΔB應大於由於替代引起的附加成本ΔC。
ΔB-ΔC>1
為了分析方便，將材料替代的成本ΔC分為以下幾部分。
①直接材料和勞動力的成本差異。新材料通常有較好的性能但較貴。當少量的新材料被用來製造產品時，在直接材料上成本的增加不會是很大的。如果新材料不要求新的工藝技術和裝配程式，那麼勞動力成本在材料替代用期和生產率方面的差異必須認真評估。
②重新設計和試驗的成本。使用新材料通常包括部件設計的更改和試驗，以保證其性能滿足要求。如果是關鍵件，重新設計和試驗的成本可能是比較大的。
②新工裝和設備成本。材料的變化對於壽命和工裝成本能夠有明顯的影響，並且可能影響到熱處理和精飾工藝。如果新材料不像原來材料那樣需要使用複雜的處理或精飾工藝的話，這可能會節約成本。成型新材料需要的設備成本可能是大量的，如果新材料應用，如以塑料替代金屬，則會要求新的生產設備。
基於上述分析，以一個新材料(n)替代原來材料(O)所需的總的成本(ΔC)由以下幾部分組成
ΔC＝(PnMn-POMO)十F(Ct／N)十(Tn-TO)十(Ln-LO)
式中 Pn，PO——在部件中使用的新舊材料的單價；
Mn,MO——在部件中使用的新舊材料的質量；
F——資本回報因數，在缺乏信息的情況下取15％；
Ct——從原來材料到新材料的轉移成本；
N——新零件的總數；
Tn，T0——使用新材料和原來材料生產每個部件的工裝成本；
Ln，LO——使用新材料和原來材料生產每個部件的勞動力成本。
由於性能改善帶來的節約ΔB可基於部件的期望改善的性能來估計。部件性能的改善和新材料的性能繫數較現用材料提高有關。這種增加也包括由於部件質量的降低和使用壽命的增加帶來的經濟上的節省。
ΔB＝Δ(γn-γO)
式中γn，gammaO——分別表示新用、原用材料的使用性能繫數；
A——以美元／單位材料性能繫數增加表示的部件性能改善後的獲利狀況
材料替代法運用分析[1]
著名的蘋果電腦公司推出的G4 系列電腦,外殼採用了美國通用公司研製的透明塑料材質,配合親和力很強的外觀造型設計,一上市便給人以耳目一新的感覺,大大提升了蘋果電腦的價值，,從而使得許多公司群起而效仿之。
可見新材料的七妙運用，不僅不會像有些人認為的那樣提高產品的相對成本，反而會大幅度地提高產品價值，增長企業的經濟效益。
現在許多企業和研究機構都在投入大量的人力物力來研究開發新材料，尤其是納米材料的研究備受矚目，這種新材料以其眾多獨特的特點，必將會滲入到人們生活的方方面面，如果在不久的將來形成產業化，它也必將會給人們的生活帶來革命性的變化。
不光是對新材料的應用，對原有舊材料的合理運用，也同樣會給企業帶來可觀的經濟效益，最有說服力的案例便是著名的“石棉板”事件，這也是導致價值工程 這一理論形成的直接原因。
現在的許多設計也受這一思想方法的影響，運用材料替代法，很好地解決了許多實際問題，尤其是在不發達國家，用廉價材料替代昂貴的短缺材料，可以給國家和企業節約大量資金。如玻璃鋼這種材料，具有價格便家，不易腐爛、強度大和容易製成不規則造型的產品等特點，兼具鋼材和塑料的優點，使其在很多地方替代了鋼材和塑料，在人們的生產生活當中發揮著巨大的作用。很多公共設施，如電話亭、露天健身器材、公園的休息座椅等大多都採用這種材料，以抵搞外部惡劣的環境條件，從而為人們的生活提供了很大的方便。
- ↑ 魯曉波, 趙超.工業設計程式與方法.清華大學出版社, 2005.ISBN:7302115354, 9787302115359
