浅析工业设计领域中的工程选材

杨雪娇　胡昌格

摘要：近年来，工程材料在工业设计领域迅速发展，工业设计领域中工程选材方法与材料固有属性及工业设计的关系密切。只有通过合理的选材以及与富有创造力的工业设计相结合，才能获得完善的工业产品。因此，科学合理地挑选并确定最终材料是工业设计领域中极其重要的一项内容。本文回顾了近年来工业设计领域工程选材方法的研究进展，并总结了工业设计领域中工程材料的选材方法，最后阐述了影响工业设计选材的各个因素。工业设计领域中工程选材方法已从传统较为单一的方法逐渐转变为现代化的选材方法，为该领域的发展奠定了良好的基础。

关键词：工程材料;工业设计;选材方法; 影响因素

中图分类号：TB47 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2021）03-0153-02

工业设计主要是以工学、美学及经济学为基础而进行的满足各种需求的设计，纵观工业设计发展历程，工程材料的开发和使用一直在工业设计领域中占有极其重要的地位，其优异的性能能够满足大部分工业设计产品的设计要求。近年来，研究学者对工程材料在工业设计领域应用方面进行了大量的开创性研究，主要着重于工程材料的选择及工程材料与工业设计的关系等方面。工程材料的不断发展为工业设计领域潜在的发展空间提供了新的思路和方法。

1工程材料在工业设计领域的发展概述

随着材料资源的大规模开发，工程材料以其优良的工艺及使用性能在工业设计领域被广泛应用。近年来，工业设计领域工程选材方法相关出版物的数量也迅速增加，通过检索Science Citation Index Expanded（SCIE）数据库中关键词“engineering materials selection”和“industrial design”，共得到224篇文献，其中包括125篇期刊论文、96篇会议论文、16篇综述论文及其他论文1篇，如图1所示。在现有的224篇文献中，近20年（2001—2021年）共出版了206篇。由此可见，随着研究人员对工程材料性能的不断研究及对工业设计领域逐渐深入地探索，工业设计领域工程选材方法呈现出不断上升的趋势。

2工业设计领域中的工程选材方法

工程材料作为工业设计的物质基础和载体，在过去工程师所用材料较为单一，但经过不断地演变和发展，现如今其类型已经相当丰富。掌握各种工程材料的特性，用科学的方法正确选择材料，已成为设计师的基本技能。根据工程材料的历史演变过程，可将其选材方法分类为传统选材、半经验选材及现代选材。

2.1 传统选材

传统选材通常是工业设计师在掌握了工程材料的分类和常用材料特征的前提下，结合自身设计经验进行选材，主要分为经验选材、行业传统选材及试错—错误法选材。

1）经验选材。经验选材是指凭借工业设计师个人经验及习惯或依靠手册来决定工程材料的选用，主观性较强，多数情况下对所选材料不进行力学方面的测试及计算，甚至在某些零件或结构选材过程中会随意选用一些常用材料。因此，运用此方法选择并确定工业设计需求的工程材料难度较大。

2）行业传统选材。行业传统选材中设计师主要根据其所在工业设计行业多年的经验积累，并基于产品可行性及便捷性原则进行选材，其选材方法和传统选材方法近似，大多數情况下也不对工程材料进行力学方面的计算，只是按照本设计行业的传统习惯确定最终材料。

3）试错—错误法选材。试错—错误法选材也就是设计师经常提到的“炒菜法”，又被称作为“配方法”，一直用以研究和开发新型的工程材料。然而该方法在使用过程中需耗费大量的人力、物力及财力资源，并且开发周期较长。随着当今社会新型工程材料的开发速度的不断加快，该方法将会被淘汰。

2.2 半经验选材

半经验选材是将工业设计师已有的选材经验、习惯和工程材料相关专业知识进行有效结合，按照一定的科学方法和步骤进行选材。该方法要求设计师对工业设计产品所用材料有充分地了解，一般将其分为类比法选材和筛选法选材两种。

1）类比法选材。类比法选材是以同类工业产品所用工程材料为依据，针对不同规格、不同尺寸产品用材进行对比分析的方法。该方法是在能够保证产品性能及需求的前提下进行有目的的选材，在选材过程中能够做到对比分析。然而，类比法选材对设计师在材料学方面的专业知识提出了更高的要求，因此选材结果与设计师设计水平存在直接关系。

2）筛选法选材。筛选法是设计师根据自身经验和对各种工程材料初步了解后，先确定若干种候选材料，然后再根据工业设计产品的设计要求和功能需求对所选材料进行综合考察的选材方法，其是设计人员最常使用的方法之一。

2.3 现代选材

1） 数据库辅助选材。工程材料经过多年的发展，其选材方法已逐步以定性分析为主的传统选材方法过渡到以定量分析为主的现代选材方法。该方法主要是通过建立与设计相关的数据库并对搜集的数据进行查询及处理，从而更好地辅助设计产品的选材。

2） 专家系统选材。大数据和人工智能的结合被称为“第四次工业革命”，其核心部分为实现推理过程并对实际问题进行求解，按照一定的推理过程进行选材。但由于此方法还处于逐渐完善阶段，知识学习数据库有待补充和更新，加之日常维护较为困难，灵活性和可扩张性有待进一步提高。

3）综合评价法选材。综合评价法是通过构建多个评价指标，针对相应的设计对象进行评价，进而得到一个综合指标用以反应其整体情况的方法，是统计方法家族的一个重要组成部分。该方法的具体步骤首先通过初步筛选得到候选材料，其次进行综合评价及处理，最后确定候选材料的优劣顺序，可为设计人员选择最佳工程材料提供重要指导。

3 工业设计领域中工程选材的影响因素

需求决定了工程材料的存在价值，也决定了工业设计存在的必要性。因此，从工业设计领域需求出发对影响工程材料选材的影响因素分为以下四个方面：

3.1 功能性需求因素

消费者对于工业设计产品的功能需求通过产品功能的实现得以体现，工程材料便是工业产品功能实现过程中的物质基础及载体。因此，需要在满足用户生理、心理双重需求的前提下进行选材。

1）安全性需求。安全性是工业产品必须具备的基本功能及原则，工程材料的选择必须按照设计需求进行标准化选择，同时还要预测并考虑各种潜在的危险及隐患。

2）审美性需求。审美性需求是用户内心的感受，是心理活动过程中对产品的一种感觉。工业产品的外观在很大程度上取决于所选材料的特征，如对称性、平衡性及有序性等。因此，工程材料的选择对产品外观的影响是选材过程中必须考虑的重要原因。

3.2 技术性需求因素

工业设计中工程材料的选择与其加工制造工艺关系密切。为了确定最终产品的功能需求，材料需经受主要的成形过程（铸造和锻造）、材料去除过程（机械加工、钻孔）、连接过程（焊接）和精加工过程（涂漆或电镀）。产品功能會影响工程材料的选择，材料选择通过材料的铸造、成型、焊接或热处理能力来影响工艺。此外，选材过程中也要考虑相应的环境因素，如温度、湿度、光照及噪音等外界条件。

3.3 经济性需求因素

经济性是指所选材料应有利于降低生产成本，缩短生产周期以促进平衡高效的生产模式。在确保可用性和实用性能的前提下要求工业产品使用性价比高的工程材料，用于缩短产品生命周期总成本以获得最大的经济效益，从而使设计产品在竞争激烈的市场中保持优势。

3.4 环境性需求因素

随着全球制造业工业化的不断推进和演化，生态环境系统遭到了严重破坏。因此，设计师在选材过程中必须充分考虑影响环境的需求因素。在选材过程中应在满足产品功能及用户需求的前提下尽量选择易处理、无污染及可回收的绿色工程材料;对于易产生噪声的产品应使用具有柔性纤维网状吸声材料以降低噪声污染;对于易分解、易消耗的产品在选材方面应通过必要的降低能耗、节约减排等手段提高工程材料的使用寿命及效率。

4 结语

工业设计是将创新的理念及市场需求转化为工业产品的过程，工程材料是产品设计的重要物质基础。随着计算机科学技术的不断发展，利用机器学习、数据库等现代研究方法以大量试验和数据作为驱动，正在逐步替代人工选材等传统方法，为工程材料在工业设计领域的应用研究提供了新的思路。此外，影响工业设计工程材料选择的因素众多，设计师只有充分考虑各个因素并了解工程材料特性、加工工艺等，并熟练掌握工程选材方法，才能为工业产品选取最佳的工程材料。