工业再设计内涵与思考

杨友文，黄文娇，刘继广，苏章仁

摘要：工业再设计是走向正向设计与精密制造一体化的科学方法论。文章结合苏氏集成熔模铸造技术体系的发展与应用，阐述了工业再设计的主要内容，主要涉及产品功能实现、产品设计、装备设计、工艺要素数字化、个性化发展、价值工程评估等。就推进工业再设计体系的发展，从产品解码信息、过程补偿、仿真实验、标准化等四个方面提出了发展思路。

关键词：工业再设计；SIIC技术；绿色制造；数字化；标准化

中图分类号：F403.6 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）46-0005-04

一、引言

时至今日，发明与发现一体化推进了工程技术的日新月异，工业文明正向后工业文明、生态工业文明前行。与之对应，一方面工业发达国家的工程技术以几何级数递增；另一方面，我国推进技术创新已经有近二十年，但创新仍不能驱除“山寨”现象。突显中国工业创新发展的当下模式仍是“中学为体，西学为用”传统的延伸。在我国，由于传统教育与思维传承的影响，人们对二维信息（如太极图）的诠释与表达可谓丰富多彩，但对三维方可表达的信息（如莫比乌斯环）的解码与认识明显不足。中国工业发展缺少从技术科学这个维度架构体系进行思考，致使发展的行动如“瘸腿前行”、“独眼看物”，无法聚焦。尽管全国上下工业发展的口号此起彼伏、推陈出新，但国民困扰于概念混乱、众说纷纭的迷茫与不安，撬动工业发展的杠杆支点仍在“摸着石头过河”。面对新技术与产业的发展，工业设计乃至工业领域的解放思想不能仅停留于口号。

二、工业再设计的基本内涵

“再设计”的概念是由上世纪90年代美国麻省理工学院计算机科学教授麦克尔·哈默就教育问题而提出的[1]。本文所指的再设计则指向工业领域的产品、材料、工艺方案、标准与规范（以下简称工业产品）。在我国，有关工业再设计的概念及内涵的论述还较少，其基本理论结构也还没有形成。2015年，合肥工业大学苏章仁教授及其技术团队与安世亚太合作，以苏氏集成熔模铸造（Su Integrated Investment Casting，简称SIIC）技术体系为基础，提出了“工业再设计”的概念。这里的工业再设计是指依照工业设计思想与系统工程、价值工程理念，让设计回归需求本源，重新审视原有设计，以遵从当代新自然法则的方式来探索设计的本质，实现生态设计之目标的渐近式设计。工业再设计不是对传统设计的完全否定，其基本内涵应包括以下几点：

1.以全新视角对历史设计问题“拨乱反正”，但不激进。要解决中国制造业面临的问题并实现超越，必须回到问题的源头，即从产品设计着手，建立创新性正向研制的再设计体系[2]。工业再设计是以当代新思维产生的科学思想、理论成果审视中国传统与当下的设计过程与设计成果，进而对整个工业产品设计领域存在因历史制约造成的遗留后果进行“修正”甚至是“拨乱反正”。在这一发展过程中，理论可以颠覆，现存工业基础不能也不必颠覆，应该遵从可持续发展的原则。以不破不立的破旧立新、以破坏式创新、以推倒重来的思想指导我们的设计行为是激进的、肤浅的，也是代价高昂的。工业再设计是在“精简”基础上实现更为卓越的功效，对现有传统工业品的设计过程和工艺过程进行优化、完善与升级，这种精益设计往往能让我们事半功倍，实现弯道超车，但不翻车。

2.以不断创新发明的新技术为手段，实现再设计。再设计包括从无到有的创造，也包括对已有产品的改良设计。设计可以让技术增添艺术特征，而技术则是设计的立足点和依据[3]。工业再设计要从需求源头开始，中间经过分析、设计、工艺、试验、生产等一系列完整的过程。而之所以能做到再设计，往往是由于突破性新技术和新工艺的出现和成熟。作为热工技术之一，SIIC技术在蜡样精度控制、模壳平衡、金属凝固控制等領域实现了突破，进而最大限度地实现了“精”与“密”结合。通过再设计，SIIC技术实现了尺寸超大且各维度尺寸悬殊的结构（如，结构与蒙皮厚度尺寸比达50～100：1）。通过工业再设计，可以提高企业的自主研发能力，实现制造过程的创新，增强企业的竞争力和生存力，进而使企业实现从要素驱动向创新驱动的转变。

3.绿色设计、生态设计是工业再设计的终极目标。工业产品的设计将直接决定着最终产品的资源消耗和环境影响。绿色设计的核心理念是“3R”原则，即减量、复用、回收[4]，它不仅是绿色制造的前提，也是推进中国工业转型升级的重要措施。传统的材料成型的“铸锻焊”三种方式无一不是“傻大黑粗”和高能耗、高排放的。人为的结构往往不能最节省地利用能量与信息，从而给环境造成不必要的损失。因此，各类仿生设计、自组织制造或仿生制造成为了工业再设计的发展路径。如，SIIC技术团队将花生壳结构应用于某型武器过载油箱的设计中，产品外壳厚度仅0.8mm，在大大减重的同时，其各项指标均达到应用要求。工业再设计是一个完整的创新驱动研制过程，能最大限度地发挥创新性设计的潜能，应遵从新的自然法则与发展规律，最终实现绿色设计与生态设计。同时，它实现了硬壳式受力结构的附件与主体结构一体化，达到了强度与刚性最优化并减重的目的。

三、工业再设计主要内容

1.关注产品的功能，实现美学功能与实用功能一体化。工业再设计是对工业产品的一种再创作行为，是对存在物品的美及人类感受的重新解读。功能是根据人的需求设计而来的，不同产品、不同对象、不同时期，其功能的需求与设计是不同的。传统的产品设计往往更多地是关注了产品造型的美学意义，进而运用很多技巧或修饰，而往往忽视了产品的功能实现[5]。还原本色，关注产品的功能实现，将产品的美学功能与实用功能一体化应该是工业再设计的应有之意。SIIC技术通过对产品的功能需求和可能的结构失效模式进行研究，采用一定程度的冗余度设计并通过精密制造工艺实现设计理念，以达到结构局部失效后的荷载再分配，进而提升其持续承载能力。对已有的工业产品来说，工业再设计要在其原有的功能或部分功能的基础之上，对其进行再次设计，发展出多样组合方式的变化，并构成多样化产品。

2.产品设计与工艺方案设计有机结合。长期以来，工业产品的设计是基于已有工艺来定型的。而往往由于工艺的限制，在加工和安装方面有不可突破的障碍，使得设计师潜能难以发挥，从而影响产品的创新。对制造业而言，从传统工业设计走向工业再设计不是简单的改良设计，而是应与制造工艺相结合，以全新的理念与工艺支撑设计的升级。铸造工艺属于“长流程”工艺，整个工艺过程中有近30个环节，而每个环节中还包含设计、装备、工装、材料、工艺等因素，过多的控制因素非常容易产生累计的质量误差。而SIIC技术体系的应用，可获得精确的近净形尺寸精度与形位公差原件，减少或去除产品后续的加工或处理流程，大幅度简化了复杂精密零件产品及组件的制造工艺流程，实现简约的产品或组件集成制造，综合成本更低，综合性能更高。将产品设计与工艺设计有效结合，打造集成的工业再设计体系，提高装配、集成与维护能力，才能有效实现“精益研发”与“精密制造”的相得益彰。

3.装备设计从标准走向智能而柔性。自动、智能和柔性是未来工业制造的发展方向，这也对工业装备的设计提出了更高的要求。在装备设计中，技术层面的重点指向设计技术源代码，经由智能过程的思维、思索对“道”的认识，并整合专业知识与经验，充分应用信息技术，实现系统的调校、调整与自我修正。对铸造装备而言，要实现备砂、涂料、制壳、脱化蜡、制蜡、热工熔铸、后处理等多个工序智能而柔性，才能实现产品结构、产量、质量的全面提升。基于长期的研究积累，SIIC技术团队研制开发了一整套大型薄壁铸件自动化生产线，通过简化加工制造流程、提高了产品集成度与装备柔性化。根据超大型精密铸造的工艺特点，自主研发了满足铸件长度尺寸达3000mm的大型淋砂、沾浆机等世界首创的精密铸造工艺设备，并实现了过程控制的自动化，达到了“无论产品结构怎样复杂皆可制造”的目标。

4.工艺要素走向数字化并作为工艺定型依据。在数字化技术和制造技术融合的背景下，要摆脱单纯依靠技艺、技巧与技能的思维，有必要对产品工艺要素进行分析、规划和重组，以数字化信息作为工艺实现的依据。以熔模铸造为例，只有实现制模、涂料、脱蜡、浇注等过程工艺要素的数字化，才能利用工程仿真和优化技术，对产品设计、工艺设计和虚拟试验与制造的迭代，获得最合理的结构、最好的加工方式、高成功率的试验以及最合理的制造装配模式。工艺要素走向数字化，将有利于形成设计、制造、试验的正向设计体系，可实现对各类工业产品整机或其关键零部件进行大幅度的改良设计。同时，数字化的应用也大幅度提高复杂精密零部件的可复制性和设计效率，在确保产品功能、性能指标的前提下，弱化对材料力学品质的苛求，拓宽了材料的可选择范围，降低高端制造对高性能材料的依赖程度。

5.个性化、特性化成为现代工业产品发展趋势。现代社会消费日趋个性化、多样化，大批量制造的标准化产品不再为顾客所青睐。基于可重构生产系统的个性化制造和快速市场反应是现代制造发展的特征[6]。因此，工业再设计也要逐步从“以产品为中心”向“以顾客为中心”转变，而从其本质来看，两者是一脉相承的。对传统失蜡熔模铸造来说，只有彻底打通产品设计与生产的藩篱，建立设计与制造一体化的工业产品设计体系，才能有效实现个性化的发展需求。如SIIC技术在多项突破性工艺创新基础上对某工程机械的臂架进行再设计，采用铸造铝合金材料替代原有的高强度焊接结构钢，并同时在壁板内壁增加了加强筋、一体化成型。臂架无需焊接，并且减重54%、设计应力水平下降，强度储备提高，既实现了功能，又体现了个性化特征。在工艺创新基础上，对现有传统工业品的设计过程和工艺过程进行优化、完善与升级，从而为用户提供不同以往的产品设计，才能最终实现我国工业制造在某些重点工业产品领域的弯道超车。

6.产品全寿命价值工程评估数据化。现代产品的结构愈来愈复杂、功能越来越多样，而制造工艺也要求越来越精细。复杂的产品、精细的工艺极大地提高了制造系统和制造过程的复杂程度。工业再设计要遵从价值工程，力求实现产品设计、工艺、制造、营销、使用、维护乃至报废等全生命周期的功能应用与性能保证的综合成本更低、性能更高。如，在某型汽车前桥壳体的再设计中，我们实现了将原来由数十个钢制零件焊接而成的前桥壳整体铸造成一个零件，包括内部筋条、隔板，外部支架、接头等，全部一体化成型，重量下降了50%，且性能不降反升，整体铸造的车桥达到了“近净形、无余量、免加工”，从而最大程度地减少了熵污染。对于生产者和设计者来说，制造过程中熵污染虽然不可避免，但可以大大减轻[7]。注重对产品全寿命价值的解决，实现简约的产品或组件集成，任何“过设计”和“欠设计”都不符合用户和生产者的利益，也不符合自然与社会发展的要求。

四、工业再设计发展的思路

1.对已有的产品再次解码信息。工业再设计的初级阶段是基于对结构的当前认知，通过试验或仿真手段获取边界条件和指标数据，进行产品再设计；成熟以后，可以追溯产品原始需求，利用正向设计过程获取边界条件和指标数据，进行深层次再设计。对设计于10年甚至5年前的各类工业产品可以追加仿真模拟环节，再次解码信息，以获得新的认识并进行再设计。在再设计中，设计师可以重新设计产品结构的分离面，如无特定必要，产品部件可以设计为一体化结构，无需由大量零件构成[8]。在確保产品功能、性能指标的前提下，弱化产品对材料性能的苛求，实现产品及组件的减重，并做到节能减排。推进工业再设计，要注重对事物本质与运动规律的信息与解码，推进结构力学与材料力学结合，善于应用数字化信息为工业再设计与制造提供依据。以产品的信息解码为基础，实现绿色设计与绿色制造的协调发展，将会使我们在探索新型工业发展之路上获得事半功倍的收益。

2.将决策型随机性补偿贯穿于设计的全过程。在设计的过程中，将传统设计的过程控制型选择性补偿，调整为决策型随机性补偿，实现系统的稳定性、准确性和快速性要求。以现代信息技术发展为支撑，真正实现仿真驱动，建立设计与制造一体化的工业产品设计体系，工程师的设计潜能也才能得以释放。借助设计创新、参数优化、拓扑优化和虚拟试验技术等手段开展创新设计和验证。如，我们在产品设计中发明了中部槽结构及穿越式弹性结构等专利，打破了传统刚性刮板结构的设计规范和标准，在不降低性能指标的前提下，每个刮板重量减少33%。通过“应变点有序分布”于整体钢结构，形成可控自适应能力，不仅实现了刚柔并济的承载模式，而且依顺序梯度实现“过刚则柔、过柔则刚”的互动模式。通过产品结构在各种工况条件下的“随力应变”设计，将系统选择性补偿走向随机性、自适应补偿，使产品具备等强度、等刚性或刚柔并济的最佳承载能力、最佳几何形态，实现最符合价值工程的效果。

3.发展仿真实验技术与手段。随着技术的进步，人类已经进入了过程可以模糊，但结果务必精确的神奇历史阶段。工业再设计没有现成的设计标准及知识经验可参考，能依赖的设计手段主要是工程仿真和实物试验。工业再设计中，要利用精密制造和物理试验技术，对创新性设计方案进行确认和迭代，尽快实现再设计定型，以及推出最终的创新性产品。如，“静不定”结构（系统）常被应用于产品设计及工程中，以提高其强度和刚度，进而满足制造要求。针对“静不定”系统的设计，要强化结构功能的实现过程，通过仿真与实验实现其自组织与自适应的可控。利用现代仿真技术，实现信息表达数字化，使以往的因系统“静不定”而相对静态的结构设计与制造，走向因系统“静、动可确定”而相对动态的结构（随机应变）。以设计为中心的数字化制造技术的成功应用，将实现最少材料与最有效空间的结构共享，在“变未知为可知、变似知为确知”的过程中，将结构力学与材料力学进行最优化组合，从而完成产品的设计与制造。

4.推进工业再设计的标准化。工业再设计顺利实现往往是由于突破性新技术和新工艺的出现，进而实现快速成果应用的结果。而工业再设计的推广与发展过程不仅面临观念认识与人才培养的制约，更急需标准化。由于采用工业再设计可以实现将一个部件取代若干个零部件，原有零散部件的生产标准面临失效。对于企业或者行业来说，单个一体化部件的非标问题在设计环节中是不容易被接收的，人们也不会轻易放弃业已形成的优势。同时，也因为无标准可依，会大大影响工业再设计推广应用的步伐。面对转型发展的需求，传统的标准、规范、知识和经验都将失效甚至成为创新的制约。全面落实“中国制造2025”战略任务，工业再设计大有可为，但还面临诸多障碍与限制。为此，应尽快建立工业再设计的标准，开展工业再设计的人才培养与公共服务平台建设，形成行业与社会发展动力。但标准不是桎梏，工业再设计的标准也应是富于弹性、与时俱进的，也只有这样，才能为中国工业超越工业强国提供可能。

工业发达国家已在布局新一轮科技革命和产业革命，意在抢占和延伸其在工业设计与制造领域的前沿阵地并保持其领先地位。《中国制造2025》中明确提出要提高国家制造创新能力，全面推行绿色制造、大力推动重点领域突破发展等战略任务。工业再设计是面向产品需求，通过结构的解释和行为仿真实现产品的功能质变的过程，是走向正向设计与精密制造一体化的科学方法论。工业再设计的研究与实践将推进正向设计技术的工程化，实现先进设计技术与精密制造工艺的结合。毫无疑问，工业再设计将在提高工业产品性能、升级品质的同时，使其走向集成化、轻量化、智能化，从而为《中国制造2025》战略任务的实现提供有力的支撑和保障。

参考文献：

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[7]王培霞，贾育秦.熵污染与绿色制造[J].现代物理知识，2004，（01）：31-32.

[8]杨红英.工业再设计将生态理念植入工业品研发[N].中国工业报，2015-09-10（B01）.