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产品设计中的材料考虑：产品设计师使用的关键材料的调查
摘要：
随着产品消费的增加，竞争市场不断上升，使产品设计师比过去更多地考虑材料。事实上，材料在科学和工程领域已经广泛研究多年。现有材料选择来源在材料的技术（物理、可量化）特性的最新信息方面起有益的作用。另一方面设计师也使用一些无形的方面来表达他们的意图; 通过他们适当的材料选择，将某些含义归于他们的产品。本文以在产品设计中评价材料选择过程为主要目标，探究材料的哪些方面对于产品设计人员的选择非常重要。本文包括由20名专业设计师进行的实验。实验结果用于建立一个数据表，用于表示材料选择中设计人员的材料注意事项。强调了材料的无形特征在材料选择中的关键作用。
- 导言
在21世纪，现代工业化社会的标志之一是越来越多的材料的使用。人们不仅更快地消费材料，而且也使用越来越多的材料。 事实上，有人假设，按照目前世界生产和人口增长的趋势判断，未来十年半的材料需求可以相当于迄今为止历史上使用的所有材料。
人们主要通过产品与这些材料进行交互。交互涉及许多属性。例如，具有技术特性的产品材料应满足预期用途及其传感器特性的功能要求，所以适合用户。因此，产品设计人员负责根据材料的这些技术和感官特性来选择适合其产品的材料。然而，由于产品和材料消费的增加，竞争市场不断上升，使产品设计人员除了考虑技术和感官方面外，还考虑了一些无形方面。例如，设计师已经开始使用材料，以赋予其产品特殊意义。有很多例子支持这个说法。例如，金属显得冷，可以表示精度，它似乎耐用和坚固；因此，设计师可以使用金属来强调产品的技术优势和高水平的工程。
材料在科学和工程领域已经广泛研究多年。现有的材料选择资源非常有用，可以专门提供关于材料的技术（物理、可量化）方面的最新信息。然而，如前一段所述，产品设计师在选择材料的时候也考虑一些无形的方面，来达到他们的设计意图。相反，虽然选择材料的时候这些无形的方面对设计师来说是至关重要的饿，但是目前的材料选择资源并没有考虑到这些，也没有提供涉及到这些方面的一个系统的研究方法。Ashby和Johnson提到过，对于工程师来说，获得他们需要的信息很方便——书本，软件，材料供应商的公开服务——也可以用来为安全经济的设计提供分析。但是，他们也说道，现在的产品设计师没有得到公平的支持，因为没有给产品设计师提供类似的工具。
本文旨在找出材料的各个方面，这些材料主要塑造产品设计中的材料选择过程，以强调产品设计人员现有来源的'不足'。最终目标是为进一步研究和为设计师建立新的选择来源提供指导。在下一节中，我们将探讨有效的材料选择标准，这些标准主要发生在基于工程的源中。这一目的是强调这些来源对产品设计人员的局限性。第三部分着重介绍设计相关来源和当前研究中提到的材料的无形特征。之后，第四部分涉及与土耳其20名工业设计师进行的实地研究，以确定他们在选择材料时所需的材料注意事项和数据。最后，我们提出了一个所需的数据表，我们认为，它将为进一步研究建立新的选择来源。
2. 工程设计中材料选择的因素
为特定的工程程序选择材料是一个非常冗长和昂贵的过程。 因为通常，会有不止一种材料适合于一个工序， 而最后的选择是一种妥协，带来了一些优点和缺点。
在选择材料时有许多因素或限制因素需要考虑。 当然也有一些情况，在设计项目开始时定义了材料的某些标准。在这种情况下，虽然所需的标准主导了选择过程，但大多数情况下，一系列材料中的一种材料是根据某些因素选择的。 在对工程调查的数据来源中，影响材料选择的因素被分组在各种标签下，这是可以遵循的。虽然这些信息大部分来源于被定义了的设计过程，但是在更多涵盖技术和非技术设计问题的过程中，它们大多集中在技术方面，主导了基于工程师的来源的内容。
Patton指出，当设计师选择材料时，他必须考虑满足三个基本要求：（1） 服务要求，（2） 制造要求和 （3） 经济要求。据他介绍，服务要求是至高无上的。该材料必须满足维修需求，通常包括尺寸稳定性、耐腐蚀性、足够强度、硬度、韧性和耐热性。材料还必须能够形成并连接到其他材料。巴顿将材料的特性置于'制造要求'之下。最后，他指出，设计师的目标是将产品和制造的总体成本降至最低。例如，更昂贵的自由加工金属可以替代标准金属，因为加工成本的节省可能会过度权衡更昂贵的金属成本的增加。
在另一个来源中，'材料的机械特性'和'成本'被确定为材料选择的两个基本要求。作者解释说，对材料机械性能基础的承认为材料科学的发展提供了基础，并鼓励设计人员探索新材料的新用途领域;因为材料的机械特性决定了其用途和环境。表面的强度和刚度、质量和耐久性被列为最重要的机械性能。
同样，林德贝克的要求与物理特性（材料的熔点、密度、水分含量、孔隙度和表面纹理）相关;化学特性（耐腐蚀和溶解）;热特性（导热性、耐热性）;电性能（材料的导电性和对电荷的电阻）;声学特性（材料对声音的反应）和光学特性（材料对光的反应）必须通过适当的材料选择来实现。他补充说，机械性能特别重要，因为它们是强度、可生产性和耐久性的指标。了解这种力量以及材料对它们的反应方式对于确定在特定应用中使用哪种材料很有价值。Budinski 将材料选择中要考虑的因素分为四大类：（1） 化学性质，（2） 物理特性，（3） 机械特性和尺寸特性。由于与其他来源不同，他使用'维度属性'作为单个标题。对他来说，这一类没有列入财产手册，而且按照大多数标准，它甚至不是一个合法的类别。然而，他强调，材料的可用尺寸、形状、光洁度和公差往往是最重要的选择因素。
Mangonon 是一位著名的设计工程师，他定义了影响材料选择的六个因素：（1） 物理因素，（2） 机械因素，（3） 加工和可制造性，（4） 组件因子的寿命，（5） 成本和可用性，以及 （6） 代码、法定等。此处的部件因子的寿命不同，与材料在其暴露环境中执行其预期功能的时间长度有关。该组具有耐腐蚀、氧化和耐磨性、蠕变性以及动态载荷中的疲劳或腐蚀疲劳寿命特性。从目前情况看，他结合了'成本'和'可用性'标准，并解释说，在市场驱动的经济中，这两个因素是密不可分的。对于Mangonon 称之为'业务问题'的最后类别代码、法定和其他因素，《规范》是对材料或组件施加的技术要求集。这些通常由客户设置，或基于技术组织的设置。法定因素与用于处置材料的材料和工艺的地方、州和联邦法规有关。这些涉及健康、安全和环境要求。有趣的是，在大多数来源中，环境问题被置于设计工程师列出的要求的底部。另一方面，Mangonon 为当前设计工程师进行了另一个分类，并组织了事实或子级三个主题：（1） 属性配置文件、（2） 处理配置文件和 （3） 环境概况。正如他所指出的，基于环境概况的选择包括材料的影响、制造、使用、再利用和处置。他补充说，设计师和公司认为，如果环境成本合并在设计上，它们是令人望而却步的，除非法律授权，否则环境方面通常被搁置一边。然而，Mangonon说，尽管成本增加了，但环保设计是一个很好的策略，因为它对于有环保意识的消费者来说，是一个很好的营销工具。
Ashby强调 （1） 一般属性，（2）机械性能，（3）热性能，（4）材料磨损和腐蚀/氧化特性。在其最新一期的著作中，将材料的基本设计限制属性定义为：（1） 材料的一般特性（密度和价格）、（2） 机械特性、（3） 热特性、（4） 电气特性、（5）光学特性，（6）生态特性和（7）材料的耐环境性能。
Ashby 和 Johnson 除了 （1） 一般（2） 技术 （3） 生态属性外，将材料的 （4） 美学属性（即材料的感官特性，如温暖、柔软等）添加到其材料属性列表中。阿什比和约翰逊是我们来到的第一批作者，他们提到了材料美学属性对于在产品设计中正确选择材料的重要性。除了材料的美学属性外，他们还将材料的两个重叠角色定义为：提供技术功能和创造产品个性。因此，他们重新定义了增加一些无形问题的要求清单：（1）技术问题，（2）经济问题，（3）可持续性（与环境问题有关），（4）美学，（5）观念和（6）意图。
同样，少数调查中，设计师提到了对同类材料的无形特性;但他们不建议将这些特征纳入其材料需求清单。Lindbeck 将这些材料特征'材料的不可定义特性'命名，这些特征是特殊用途和材料组合为美观目的造成的外观、气味、感觉和一般印象。他强调，这些特征与消费者的情绪反应直接相关，很容易受到营销策略的影响。巴顿也提到这个问题，并说：有趣的是，市场对某些属性进行评分，而低价值适用于其他市场。相对而言，弹性的高模量所蕴藏着相对少的经济价值，例如，塑料的迷人外观大大超过其较差的尺寸稳定性。考虑到这一概述，现有的基于工程设计的材料选择会更加强调材料的技术性能。在较新的来源中，如Ashby 和 Johnson，感官属性的重要性以及感知、联想和情感等无形问题得到了强调。目前，一些设计与材料领域的研究人员围绕产品设计人员的需求和期望，深入探讨了这一课题，并确定了主要的设计限制材料特征。在下一节中，将进行其中一些研究，以便找出这些特征是什么。
3. 材料的无形特性
产品设计人员对于材料选择过程一起附带的材料的无形特性可能有一些疑惑，例如所选材料是否支持产品的预期含义？，'它适合材料的拟有含义吗？'瞄准目标群体？，或'它能唤起什么样的关联？'
在现有的材料和设计文献中，强调了ICM的意义。这些特点以各种方式被提及;如二、三阶材料特性、情感阶段材料特性和材料考虑的软标准、无形特性、材料不太有形的问题、定性特性、非活性或材料的被动功能、材料的非技术问题、材料形象、材料的形而上学方面、材料的非物理性质、材料的内在文化意义，主观尺寸、材料的基本性和指示性、材料的感知特征和材料的感知价值。大多数作者试图用上述术语来突出类似种类的材料特征，另一方面，给定术语背后的最重要的共同点之一是它们都表达了一些无形的特征。
无形的字典定义是：（1）没有物质或内在生产价值（特别是商业资产：无形资产，如善意），（2）不能被感官感知，特别是触觉，（3）难以（4） 缺乏实质内容或真实性;不能被触摸或看到。当它适应材料领域时，材料的无形特征是归因意义和唤起的情感，不能仅用数值或量化来识别
虽然在文献中，正如前几段所确认的那样，强调了从ICM中受益的意义，但只有少数作者就这一主题进行了实验，并提出了将其与设计师材料选择过程联系起来的方法。显然，没有材料选择源，该来源将 ICM 与设计过程中的有形选择活动集成在一起。因此，现有的来源对于产品设计师来说是不够的。
4.实地研究的设计与进行
为了提供一些关键指南，不仅说明材料选择源所需的数据类型，还需要向产品设计人员呈现这些数据，我们与 20 位专业设计人员进行了实地研究。
4.1 参与者和程序
这项研究在土耳其的20位专业设计师中进行了。挑选参与者的关键标准之一是设计师是在制造公司内部设计师，还是作为不同公司的顾问设计师工作，因为我们假设这将影响特定项目对材料的既定要求。样本组包括 10名内部设计师和10名顾问设计师。样本组的内部设计师是从涉及研发部门和生产设施的公司中挑选出来的。样本组的顾问设计师为提供设计和咨询的公司工作，但不涉及生产设施，他们提供设计系的课程，偶尔为特定项目设计产品。
我们使用了两种技巧来咨询小组：意见间和调查表。注意在参与者的原始工作环境中进行研究，以便提供他们在办公室材料选择的来源的确切名称。研究每名参与者大约需要40分钟。
首先要求学员解释哪些材料方面对于他们的材料选择过程非常重要。然后，要求他们提供一些示例源，在选择材料时经常使用这些来源。最后，他们解释了他们对材料选择来源的期望。
面谈后，要求与会者填写一份三个问题调查表。在第一个问题中，他们被要求对导致其选择活动的材料的某些方面进行排名。在采访中已经提出了这个问题的'西奥笔端版本'。通过这个问题，我们旨在收集关于同一主题的一些可量化的数据，并提醒参与者他们可能忘记提及的可能方面。为了创造物质方面，我们总结了第二、三部分的文献调查结果;并选择了相关来源中主要提及的方面。
4.2 研究内容
研究的第一个问题和第二个问题涉及产品设计人员在设计过程中选择材料时使用的来源类型。所有受访设计师都将'材料供应商及其目录'定义为'材料供应商及其目录'，14位设计师提到'展会和会议'是他们配偶选择流程的最重要来源。显然，被采访者受到现有产品和材料应用领域的启发主要支持两种选择策略：（1） 产品设计人员主要寻找具有与其他现有材料相匹配所需特性的材料;即'以相似性选择';或（2）他们参观集市、展览和商店，随机观察寻找想法的产品和材料，直到找到一个或多个适合项目的产品和材料，称为'灵感选择'。大多数设计师（80%）也在材料搜索中使用互联网作为来源。解释他们为什么喜欢互联网来源的两个主要动机是：（1）更新的信息可以特别找到新的生产技术和材料创新，（2）来源的可访问性很容易，而且不需要太多时间。
调查表明，20 名设计师中，有 5 位了解'现场设计'；20 名设计师中 4 人听说过'现场设计和材料的关联'。这一问题的结果表明，土耳其产品设计师的前期选择主要来源于灵感和相似性;这解释了为什么他们知道现场和材料设计的关联，但不包括CES。他们再次强调，他们不使用任何材料选择数据库进行设计。
由于材料选择过程涉及许多考虑因素，大多数与会者表示，他们不想承担这一问题的全部责任。首先，对于他们来说，设计师不会独自进行材料选择过程，需要同事、工程师、朋友或材料专家的咨询。关于这个问题，当对第一个面试问题的答案进行分析（材料的哪些方面对你材料选择过程很重要？）17个中有10个是内部设计师（都是参与研究的内部设计师），特别强调在一家大型制造公司获得技术数据是多么容易，因为他们在包括材料科学家、制造专家和工程师在内的多学科环境中工作。
但是对于预选过程，他们对其产品的材料做出初步决定的时候，通常他们不使用技术数据。所有与会者都强调，人们的文化基础和过去的经验是有效的产品和物质偏好。换句话说，人们可以认为一种
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