TRIZ理論在木塑復合家具中的應用

■田鈺彬，朱劍剛 Tian Yubin & Zhu Jiangang

(南京林業大學家居與工業設計學院，江蘇南京 210037）

木塑復合材料屬于一種新型環保型材料，得益于其力學強度高、耐腐蝕、加工性能好等優良性質，木塑復合材料在家具領域中的廣泛應用成了近年的發展趨勢。對國內木塑復合家具的市場調查發現，受成本以及工廠加工技術等方面的限制，木塑復合家具類型以戶外家具為主，色彩整體單調，造型自由度較低，且大部分以板式部件為結構單位連接組合而成的板式造型為主[1]，導致用戶和企業對木塑復合家具印象不佳。但隨著技術的發展，行業專家認為木塑復合材料的產品性能已有突破性的進展，相關加工工藝技術足以滿足家具行業對材料的需要。木塑復合型材的應用并非只局限于戶外家具領域，如何利用現在技術挖掘木塑復合家具深入發展的可能性，豐富其在室內家具領域的應用形式，是目前國內家具制造企業需要突破的一個難題。

1 木塑復合家具應用概述

1.1 木塑復合材料

木塑復合材料是一種以木屑、竹材剩余物、農作物秸稈等木質纖維原料作為填充，結合少量添加劑后與聚合物熔融復合而成的一種新型環保復合材料。其兼具木材和塑料的雙重優點，包括防潮、耐腐蝕、富有木質感、力學強度高、加工性能好等。由于木塑復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，因此備受人們關注，并在家具、建材、建筑等領域迅速發展。

1.2 木塑復合材料在家具領域中的應用情況

木塑復合家具屬于一種可循環利用的環保型家具，其具有天然木材固有的紋理及色彩，作為代替實木的產品逐步出現在家具市場上。根據市場調查發現，由于其防潮、耐腐蝕等優良特性，木塑復合家具在戶外家具領域中應用較為廣泛[2]，尤其是園林景觀家具、街道家具等多由木塑復合材制成。

隨著人們對這類型新型環保型家具接受度的提高，木塑復合家具開始進入室內家具市場，如在辦公家具、廚房家具及衛浴家具等領域均有了一定的拓展[3]。盡管木塑復合材料原料易獲取且價格低廉，但由于多數家具制造企業尚未擁有足夠的技術將型材較好地應用于家具制造中，導致市面上常見的木塑復合家具的基本形態多以直線型為主，總體風格偏休閑，設計感不強。

實際上，木塑復合型材經過多年發展，已經有完整的加工工藝和足夠的產品性能滿足于家具行業對材料的需求。木塑復合型材不僅只適用于制造戶外家具，其在室內家具領域有更深層次的發展空間。家具制造企業可突破傳統的木塑復合家具設計、加工方式，在控制成本的前提下嘗試結合多種思維方式以及利用現有技術，使木塑復合型材更廣泛應用于室內家具領域。

2 基于TRlZ理論的木塑復合家具創新設計流程

TRIZ理論是一種基于工程實踐基礎上總結而成的方法學，其認為產品創新的標志是解決設計中的沖突，因此提出“40條發明原理”這一創新工具，希望借助經驗將設計中的沖突進行細化，并以方法論的形式提供給技術人員更高效、便捷的解決思路。在木塑復合家具制備過程中，可結合TRIZ理論的40條發明原理，幫助家具制造企業中的技術人員從多個角度、多種解決方案中尋求最優解，以突破設計瓶頸。（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。

在木塑復合家具設計流程中，問題識別是指對目前設計流程所存在的問題進行分析，判斷其本質屬于何種技術沖突問題，結合39個工程參數（圖2）將現有的應用沖突問題細化、拆分成多種物理沖突類型。隨后，問題解決是根據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條發明原理中尋找可解決現存問題的方法類型。最終，需要對解決方案進行概念驗證，通過進行測試、研究工作等，對其作出可行性評價，以確定最適合的木塑復合家具設計方式等。

3 TRlZ理論在木塑復合家具中的應用

筆者通過網絡調研發現，市面上的辦公家具以實木、人造板為主要材料，目前將木塑復合材料應用于辦公家具領域的企業較少，其中，將木塑復合辦公家具作為主推產品的公司僅美國的Floresta公司等。為擴大木塑復合材料在家具領域中的應用范圍，以下以木塑復合辦公桌的設計流程為例，討論引入TRIZ理論在木塑復合家具中的應用形式。

木塑復合辦公桌的設計要求包括實用、耐用、易用、可提高工作效率以及節約材料資源等。木塑復合家具產品從構想到落地的過程包括產品規劃、方案設計、技術設計和施工設計四個階段，（圖4（a）），以下將說明如何利用TRIZ理論解決問題的三個步驟，提高木塑復合辦公桌設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

表3 四種分離方法對應的發明原理

3.1 產品規劃階段

木塑復合家具的產品設計階段屬于問題識別的步驟，需要以宏觀的角度確立設計方案的方向——包括家具功能、應用方式等。（圖4（b）），根據39個工程參數，將木塑復合辦公桌的設計要求分析后發現，需解決NO.13穩定性、No.22能量的無效損耗、No.23物質的無效損耗、No.34可維修性等技術沖突問題。因此，問題解決的步驟是需要在方案設計、技術設計及施工設計階段結合實際情況解決技術沖突，最后根據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行概念驗證，以選擇最佳的解決方案。

3.2 方案設計階段

在問題識別過程中發現，使用者對辦公桌的設計要求包括實用與易用以及可提高工作效率等，因此，在方案設計階段需要設計師及工程師從系統的角度確定家具的造型，突破目前木塑復合辦公桌的設計局限。外觀造型則包括色彩、形態及裝飾等方面。傳統辦公桌線條平直，色彩平淡，以營造嚴肅、緊迫的氛圍為主。由于成本有限、設備落后等限制，木塑復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，導致木塑復合板材的色彩范圍受限。經市場調查發現，由于木塑復合家具需求的擴大使得該材料染色技術飛速提升，仿木材的色彩在市場上占多數[4]。現國內學者對木塑復合板材的色彩處理上進行了相關研究，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行復合后展開染色研究，發現在分散染料可有效使木塑復合粉產生更明艷的色光，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行貼面處理，發現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[6-7]。因此，為解決木塑復合材料著色過程中存在的No.13穩定性和No.29制造精度的技術沖突，結合整體分離原理，可通過對原料進行染色處理以及對板材進行薄木貼片處理可增強其表面色彩豐富度和實木感，提高木塑復合辦公家具的美觀度（圖5）。

針對市面現有的木塑復合辦公家具外觀形態平直、呆板的問題，設計流程與圖3同理。對應39個工程參數發現，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。現國內外學者已開始著手研究木塑復合材料的彎曲性能及影響因素，對于木塑復合板材進行39次彎曲試驗，證明木塑復合材料可以進行曲線造型和彎折處理，其在家具領域的設計、生產造型自由度以及轉角問題均可有效解決[8]。因此，木塑辦公桌在造型設計上可突破原本整體平直的傳統形態，可在邊緣處添加彎曲構件加以點綴，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出高檔、端莊的質感，因此木塑復合板材在表面裝飾設計上也應當注意表面平整度及層次感等問題。受木塑原料的限制，木塑復合板材的表面硬度較低，使其表面裝飾設計難有創新。利用TRIZ理論（圖6），為解決No.32可制造性和No.36系統復雜性的技術沖突問題，可利用整體與部分分離方法，結合#3局部改善法和#40復合材料法等，將木塑復合與其他材料結合的方式，在木塑復合辦公桌設計中加入金屬、玻璃、布料及皮革等材料，以打破整體形態單一、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打印技術和壓花技術引進到木塑復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 木塑復合辦公桌應用TRlZ理論的設計流程及其設計要求分析

表5 TRlZ理論解決木塑復合家具色彩問題的流程

表6 TRlZ理論解決木塑復合家具裝飾問題的流程

3.3 技術設計階段

問題識別過程提到木塑復合辦公桌需要有較強的耐用性，因此，對家具質量要求較高。提高木塑復合辦公桌的使用年限，關鍵點在于家具連接方式的選擇和處理。木塑復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，單一的木塑復合家具連接方式都存在一定的弊端，如機械連接對板材進行預鉆孔時容易出現應力分布不集中從而導致材料的力學性能受損的情況[9]，難以達到家具用材的使用要求。在技術設計階段，需要解決家具的連接問題（圖7），為解決No.11應力/壓強、No.13穩定性、No.30作用于對象的外部有害因素等技術沖突，可根據條件分離的原理，采用#5組合法、#40復合材料法原理，復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，木塑復合辦公桌的板材連接設計上采用膠接與釘連接復合的方式，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合材料的穩定性[10]。

3.4 施工設計階段

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

木塑復合型材的成型過程是將原料置于擠出機中，經過一定的溫度、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現，存在木塑復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合家具的發展受到一定的限制，進而導致木塑復合板材在辦公家具行業難以打開市場。（圖8）為解決No.23物質的無效損耗、No.33可操作性等技術沖突問題，現在已有國內學者發現，木塑復合板材的加工方式可利用#17多維法原理，使木塑復合型材的成型過程可從單一擠出成型向復合共擠、包裹共擠方向發展[14-20]。共擠的實質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構或多層結構的聚合物復合型材。節約能源材料是辦公家具的重要設計原則之一，近年來木塑共擠技術在木塑制品中應用廣泛[21-24]，提高了木塑復合板材在辦公家具領域發展的可能性。

表7 TRlZ理論解決木塑復合家具連接方式問題的流程

表8 TRlZ理論解決木塑復合板材成型問題的流程

4 結語

木塑復合家具作為環保型家具產業已逐漸引起人們的重視，但總體應用范圍仍局限于直線型為主的戶外家具領域。通過TRIZ理論解決問題的步驟，技術人員可結合39個工程參數將木塑復合家具制造過程所遇到的問題進行拆分，挖掘可利用的發明原理，以快速建立多種解決方案并選擇最優方案，為家具制造企業創造更可觀的經濟效益。本文以木塑復合辦公桌的設計流程為例，討論了家具制造企業基于現有技術條件，可在引入TRIZ理論后，高效解決技術沖突問題的方法。結合TRIZ理論的木塑復合家具創新設計流程，可為木塑復合家具的設計規劃、加工制造等過程提供更清晰的問題解決思路，提升木塑復合家具在室內家具領域發展可能性。