TRIZ理論在木塑復(fù)合家具中的應(yīng)用

■田鈺彬，朱劍剛 Tian Yubin & Zhu Jiangang

(南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇南京 210037）

木塑復(fù)合材料屬于一種新型環(huán)保型材料，得益于其力學(xué)強度高、耐腐蝕、加工性能好等優(yōu)良性質(zhì)，木塑復(fù)合材料在家具領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用成了近年的發(fā)展趨勢。對國內(nèi)木塑復(fù)合家具的市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受成本以及工廠加工技術(shù)等方面的限制，木塑復(fù)合家具類型以戶外家具為主，色彩整體單調(diào)，造型自由度較低，且大部分以板式部件為結(jié)構(gòu)單位連接組合而成的板式造型為主[1]，導(dǎo)致用戶和企業(yè)對木塑復(fù)合家具印象不佳。但隨著技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)專家認(rèn)為木塑復(fù)合材料的產(chǎn)品性能已有突破性的進(jìn)展，相關(guān)加工工藝技術(shù)足以滿足家具行業(yè)對材料的需要。木塑復(fù)合型材的應(yīng)用并非只局限于戶外家具領(lǐng)域，如何利用現(xiàn)在技術(shù)挖掘木塑復(fù)合家具深入發(fā)展的可能性，豐富其在室內(nèi)家具領(lǐng)域的應(yīng)用形式，是目前國內(nèi)家具制造企業(yè)需要突破的一個難題。

1 木塑復(fù)合家具應(yīng)用概述

1.1 木塑復(fù)合材料

木塑復(fù)合材料是一種以木屑、竹材剩余物、農(nóng)作物秸稈等木質(zhì)纖維原料作為填充，結(jié)合少量添加劑后與聚合物熔融復(fù)合而成的一種新型環(huán)保復(fù)合材料。其兼具木材和塑料的雙重優(yōu)點，包括防潮、耐腐蝕、富有木質(zhì)感、力學(xué)強度高、加工性能好等。由于木塑復(fù)合材料的制備為廢棄植物原料以及廢舊塑料開辟了新的再生利用途徑，因此備受人們關(guān)注，并在家具、建材、建筑等領(lǐng)域迅速發(fā)展。

1.2 木塑復(fù)合材料在家具領(lǐng)域中的應(yīng)用情況

木塑復(fù)合家具屬于一種可循環(huán)利用的環(huán)保型家具，其具有天然木材固有的紋理及色彩，作為代替實木的產(chǎn)品逐步出現(xiàn)在家具市場上。根據(jù)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于其防潮、耐腐蝕等優(yōu)良特性，木塑復(fù)合家具在戶外家具領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛[2]，尤其是園林景觀家具、街道家具等多由木塑復(fù)合材制成。

隨著人們對這類型新型環(huán)保型家具接受度的提高，木塑復(fù)合家具開始進(jìn)入室內(nèi)家具市場，如在辦公家具、廚房家具及衛(wèi)浴家具等領(lǐng)域均有了一定的拓展[3]。盡管木塑復(fù)合材料原料易獲取且價格低廉，但由于多數(shù)家具制造企業(yè)尚未擁有足夠的技術(shù)將型材較好地應(yīng)用于家具制造中，導(dǎo)致市面上常見的木塑復(fù)合家具的基本形態(tài)多以直線型為主，總體風(fēng)格偏休閑，設(shè)計感不強。

實際上，木塑復(fù)合型材經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)有完整的加工工藝和足夠的產(chǎn)品性能滿足于家具行業(yè)對材料的需求。木塑復(fù)合型材不僅只適用于制造戶外家具，其在室內(nèi)家具領(lǐng)域有更深層次的發(fā)展空間。家具制造企業(yè)可突破傳統(tǒng)的木塑復(fù)合家具設(shè)計、加工方式，在控制成本的前提下嘗試結(jié)合多種思維方式以及利用現(xiàn)有技術(shù)，使木塑復(fù)合型材更廣泛應(yīng)用于室內(nèi)家具領(lǐng)域。

2 基于TRlZ理論的木塑復(fù)合家具創(chuàng)新設(shè)計流程

TRIZ理論是一種基于工程實踐基礎(chǔ)上總結(jié)而成的方法學(xué)，其認(rèn)為產(chǎn)品創(chuàng)新的標(biāo)志是解決設(shè)計中的沖突，因此提出“40條發(fā)明原理”這一創(chuàng)新工具，希望借助經(jīng)驗將設(shè)計中的沖突進(jìn)行細(xì)化，并以方法論的形式提供給技術(shù)人員更高效、便捷的解決思路。在木塑復(fù)合家具制備過程中，可結(jié)合TRIZ理論的40條發(fā)明原理，幫助家具制造企業(yè)中的技術(shù)人員從多個角度、多種解決方案中尋求最優(yōu)解，以突破設(shè)計瓶頸。（圖1）TRIZ理論解決問題的方式主要包括三個步驟：問題識別、問題解決和概念驗證。

在木塑復(fù)合家具設(shè)計流程中，問題識別是指對目前設(shè)計流程所存在的問題進(jìn)行分析，判斷其本質(zhì)屬于何種技術(shù)沖突問題，結(jié)合39個工程參數(shù)（圖2）將現(xiàn)有的應(yīng)用沖突問題細(xì)化、拆分成多種物理沖突類型。隨后，問題解決是根據(jù)TRIZ提供的4種分離原理（圖3），將問題的解決方向劃分成不同的維度，以便快速從40條發(fā)明原理中尋找可解決現(xiàn)存問題的方法類型。最終，需要對解決方案進(jìn)行概念驗證，通過進(jìn)行測試、研究工作等，對其作出可行性評價，以確定最適合的木塑復(fù)合家具設(shè)計方式等。

3 TRlZ理論在木塑復(fù)合家具中的應(yīng)用

筆者通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，市面上的辦公家具以實木、人造板為主要材料，目前將木塑復(fù)合材料應(yīng)用于辦公家具領(lǐng)域的企業(yè)較少，其中，將木塑復(fù)合辦公家具作為主推產(chǎn)品的公司僅美國的Floresta公司等。為擴(kuò)大木塑復(fù)合材料在家具領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍，以下以木塑復(fù)合辦公桌的設(shè)計流程為例，討論引入TRIZ理論在木塑復(fù)合家具中的應(yīng)用形式。

木塑復(fù)合辦公桌的設(shè)計要求包括實用、耐用、易用、可提高工作效率以及節(jié)約材料資源等。木塑復(fù)合家具產(chǎn)品從構(gòu)想到落地的過程包括產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計四個階段，（圖4（a）），以下將說明如何利用TRIZ理論解決問題的三個步驟，提高木塑復(fù)合辦公桌設(shè)計過程中的問題解決效率。

表1 TRlZ理論解決問題的三個步驟

表2 39個工程參數(shù)

表3 四種分離方法對應(yīng)的發(fā)明原理

3.1 產(chǎn)品規(guī)劃階段

木塑復(fù)合家具的產(chǎn)品設(shè)計階段屬于問題識別的步驟，需要以宏觀的角度確立設(shè)計方案的方向——包括家具功能、應(yīng)用方式等。（圖4（b）），根據(jù)39個工程參數(shù)，將木塑復(fù)合辦公桌的設(shè)計要求分析后發(fā)現(xiàn)，需解決NO.13穩(wěn)定性、No.22能量的無效損耗、No.23物質(zhì)的無效損耗、No.34可維修性等技術(shù)沖突問題。因此，問題解決的步驟是需要在方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計及施工設(shè)計階段結(jié)合實際情況解決技術(shù)沖突，最后根據(jù)家具加工的難易程度以及制造成本等可行性評估對方案進(jìn)行概念驗證，以選擇最佳的解決方案。

3.2 方案設(shè)計階段

在問題識別過程中發(fā)現(xiàn)，使用者對辦公桌的設(shè)計要求包括實用與易用以及可提高工作效率等，因此，在方案設(shè)計階段需要設(shè)計師及工程師從系統(tǒng)的角度確定家具的造型，突破目前木塑復(fù)合辦公桌的設(shè)計局限。外觀造型則包括色彩、形態(tài)及裝飾等方面。傳統(tǒng)辦公桌線條平直，色彩平淡，以營造嚴(yán)肅、緊迫的氛圍為主。由于成本有限、設(shè)備落后等限制，木塑復(fù)合材料以往僅在原料制備過程中添加著色劑以作為主要著色方式，導(dǎo)致木塑復(fù)合板材的色彩范圍受限。經(jīng)市場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于木塑復(fù)合家具需求的擴(kuò)大使得該材料染色技術(shù)飛速提升，仿木材的色彩在市場上占多數(shù)[4]。現(xiàn)國內(nèi)學(xué)者對木塑復(fù)合板材的色彩處理上進(jìn)行了相關(guān)研究，等在高溫高壓條件下，使用分散染料對硫酸二乙酯乙基化改性后的原木粉和聚苯乙烯泡沫塑料進(jìn)行復(fù)合后展開染色研究，發(fā)現(xiàn)在分散染料可有效使木塑復(fù)合粉產(chǎn)生更明艷的色光，并具有較高的耐水洗牢度[5]。使用黑胡桃等3種不同樹種的薄木進(jìn)行貼面處理，發(fā)現(xiàn)使用特種木塑專用膠可獲得較高的表面膠合強度，且貼片處理效果最優(yōu)[6-7]。因此，為解決木塑復(fù)合材料著色過程中存在的No.13穩(wěn)定性和No.29制造精度的技術(shù)沖突，結(jié)合整體分離原理，可通過對原料進(jìn)行染色處理以及對板材進(jìn)行薄木貼片處理可增強其表面色彩豐富度和實木感，提高木塑復(fù)合辦公家具的美觀度（圖5）。

針對市面現(xiàn)有的木塑復(fù)合辦公家具外觀形態(tài)平直、呆板的問題，設(shè)計流程與圖3同理。對應(yīng)39個工程參數(shù)發(fā)現(xiàn)，其屬于No.12形狀和No.32可制造性的物理沖突。因此，可利用條件分離的方法，借助#14曲面化原理等引入彎曲工藝開始逐步使該類型家具的造型豐富起來?，F(xiàn)國內(nèi)外學(xué)者已開始著手研究木塑復(fù)合材料的彎曲性能及影響因素，對于木塑復(fù)合板材進(jìn)行39次彎曲試驗，證明木塑復(fù)合材料可以進(jìn)行曲線造型和彎折處理，其在家具領(lǐng)域的設(shè)計、生產(chǎn)造型自由度以及轉(zhuǎn)角問題均可有效解決[8]。因此，木塑辦公桌在造型設(shè)計上可突破原本整體平直的傳統(tǒng)形態(tài)，可在邊緣處添加彎曲構(gòu)件加以點綴，以豐富辦公家具的造型，提高使用者的工作熱情。

由于市面上常見的實木辦公家具能夠較好的體現(xiàn)出高檔、端莊的質(zhì)感，因此木塑復(fù)合板材在表面裝飾設(shè)計上也應(yīng)當(dāng)注意表面平整度及層次感等問題。受木塑原料的限制，木塑復(fù)合板材的表面硬度較低，使其表面裝飾設(shè)計難有創(chuàng)新。利用TRIZ理論（圖6），為解決No.32可制造性和No.36系統(tǒng)復(fù)雜性的技術(shù)沖突問題，可利用整體與部分分離方法，結(jié)合#3局部改善法和#40復(fù)合材料法等，將木塑復(fù)合與其他材料結(jié)合的方式，在木塑復(fù)合辦公桌設(shè)計中加入金屬、玻璃、布料及皮革等材料，以打破整體形態(tài)單一、枯燥的格局。此外，可采取空間分離的方法，利用#17多維法原理將3D打印技術(shù)和壓花技術(shù)引進(jìn)到木塑復(fù)合辦公桌的部分零部件的制造過程中，突破原有加工的局限性，在保留原有花紋的同時，以多層次的形態(tài)代替原有的平滑的表面形式，增強人們對木塑花紋的視覺感受。

表4 木塑復(fù)合辦公桌應(yīng)用TRlZ理論的設(shè)計流程及其設(shè)計要求分析

表5 TRlZ理論解決木塑復(fù)合家具色彩問題的流程

表6 TRlZ理論解決木塑復(fù)合家具裝飾問題的流程

3.3 技術(shù)設(shè)計階段

問題識別過程提到木塑復(fù)合辦公桌需要有較強的耐用性，因此，對家具質(zhì)量要求較高。提高木塑復(fù)合辦公桌的使用年限，關(guān)鍵點在于家具連接方式的選擇和處理。木塑復(fù)合家具的連接方式主要分為機械連接、膠接和焊接三種。由于材料屬性的限制，單一的木塑復(fù)合家具連接方式都存在一定的弊端，如機械連接對板材進(jìn)行預(yù)鉆孔時容易出現(xiàn)應(yīng)力分布不集中從而導(dǎo)致材料的力學(xué)性能受損的情況[9]，難以達(dá)到家具用材的使用要求。在技術(shù)設(shè)計階段，需要解決家具的連接問題（圖7），為解決No.11應(yīng)力/壓強、No.13穩(wěn)定性、No.30作用于對象的外部有害因素等技術(shù)沖突，可根據(jù)條件分離的原理，采用#5組合法、#40復(fù)合材料法原理，復(fù)合兩種或兩種以上的連接方式以彌補各種連接方式的缺陷。如，木塑復(fù)合辦公桌的板材連接設(shè)計上采用膠接與釘連接復(fù)合的方式，可以有效克服膠接可靠性差的缺點，并提高接頭的強度以及復(fù)合材料的穩(wěn)定性[10]。

3.4 施工設(shè)計階段

木塑復(fù)合家具的施工設(shè)計階段是指加工、制造等工藝設(shè)計過程。辦公家具作為與人接觸較為密切的一類家具，其設(shè)計的首要原則即是環(huán)保、綠色。木塑復(fù)合板材是家具制造中必不可少的基本型材，木塑復(fù)合家具能否大力發(fā)展主要取決于企業(yè)是否具備完善的制備木塑復(fù)合板材的技術(shù)。

木塑復(fù)合型材的成型過程是將原料置于擠出機中，經(jīng)過一定的溫度、剪切和擠壓作用后，使受熱熔融的熱塑性塑料和其他組分混合、塑化，再進(jìn)行擠壓、模壓、注塑成型等方式制造而成的。在問題識別過程中發(fā)現(xiàn)，存在木塑復(fù)合板材擠出過程所需的原料量較大、擠出成型的板材寬度有限且密度較大、熱壓成型制備的材料原料分散性較差等[11-13]問題。因此，木塑復(fù)合型材在成型過程中存在的擠出困難、板材裁剪浪費等問題使得木塑復(fù)合家具的發(fā)展受到一定的限制，進(jìn)而導(dǎo)致木塑復(fù)合板材在辦公家具行業(yè)難以打開市場。（圖8）為解決No.23物質(zhì)的無效損耗、No.33可操作性等技術(shù)沖突問題，現(xiàn)在已有國內(nèi)學(xué)者發(fā)現(xiàn)，木塑復(fù)合板材的加工方式可利用#17多維法原理，使木塑復(fù)合型材的成型過程可從單一擠出成型向復(fù)合共擠、包裹共擠方向發(fā)展[14-20]。共擠的實質(zhì)是將兩種或兩種以上的原料通過同一個機頭擠出后，最終成型為具有核殼結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)的聚合物復(fù)合型材。節(jié)約能源材料是辦公家具的重要設(shè)計原則之一，近年來木塑共擠技術(shù)在木塑制品中應(yīng)用廣泛[21-24]，提高了木塑復(fù)合板材在辦公家具領(lǐng)域發(fā)展的可能性。

表7 TRlZ理論解決木塑復(fù)合家具連接方式問題的流程

表8 TRlZ理論解決木塑復(fù)合板材成型問題的流程

4 結(jié)語

木塑復(fù)合家具作為環(huán)保型家具產(chǎn)業(yè)已逐漸引起人們的重視，但總體應(yīng)用范圍仍局限于直線型為主的戶外家具領(lǐng)域。通過TRIZ理論解決問題的步驟，技術(shù)人員可結(jié)合39個工程參數(shù)將木塑復(fù)合家具制造過程所遇到的問題進(jìn)行拆分，挖掘可利用的發(fā)明原理，以快速建立多種解決方案并選擇最優(yōu)方案，為家具制造企業(yè)創(chuàng)造更可觀的經(jīng)濟(jì)效益。本文以木塑復(fù)合辦公桌的設(shè)計流程為例，討論了家具制造企業(yè)基于現(xiàn)有技術(shù)條件，可在引入TRIZ理論后，高效解決技術(shù)沖突問題的方法。結(jié)合TRIZ理論的木塑復(fù)合家具創(chuàng)新設(shè)計流程，可為木塑復(fù)合家具的設(shè)計規(guī)劃、加工制造等過程提供更清晰的問題解決思路，提升木塑復(fù)合家具在室內(nèi)家具領(lǐng)域發(fā)展可能性。