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《金屬包裝設計與制造》（4）
金屬容器工程設計類型及容器設計開發
文/吳若梅、劉躍軍
一、工程設計分級類型
按國際上工程專家的理論，把工程設計的級別與水平分為三大類型，即原創設計、改進設計和變量設計，這同樣也適合于包裝容器設計的不同類型。
1、原創設計
原創設計也稱創新設計，是指對給定的任務提出全新的、具有獨創性的解決方案，這種方案可以視作為一種技術發明。原創性設計幾乎都走在時代的前列，領先于市場的潮流，原創性產品的出現，對市場而言是一場革命，甚至于會出現新產品迅速替代原產品的現象。當然，創新設計是很不容易成功的，有些情況下會有高風險且并未達到預期目標。
2、改進設計
改進設計又稱綜合設計，是指對現有的已知產品系統進行改造或增加較重要的子系統。改進設計可能會產生全新的結果，由于是基于現有產品的基礎，不需要做大最的重構工作，因此改進設計將是產品工程設計工作中最為普遍的，同樣也是包裝容器設計工作中常見的。尤其是為適應消費者的愛好和觀念，對原有產品選擇改良設計確保原產品具有良好的商業利潤，這是改進設計占據金屬包裝容器設計主導地位的原因。
3、變量設計
變量設計也稱改型設計，是指改變產品某些特征方面的參數，例如尺寸、形狀、材料和操作方法等，從而得到新的產品。改型設計通常不改變原有產品的結構組成，而只對其中結構子系統部分作相應調整。變量設計工作常常用于系列產品及相關產品的設計，在金屬包裝容器設計工作中是很普遍的。
二、容器開發設計流程
包裝容器開發的第一步通常是對未來新包裝容器產生希望和預見，圖2-1顯示了典型金屬容器開發程序中的各項設計工作，一般存在以下設計階段。
1、設計預期評估
(1) 提出問題設計生產什么包裝容器？現有包裝容器使用方面的間題在哪里？為什么現有包裝容器不能實現用戶希望的功能？
(2) 了解預期用戶對新包裝容器的期望，企業的決策者對市場運作的期望，科研人員的研發技術應用期望，開發并投產成為可盈利的包裝容器的期望，市場所能接受的價格和產量的估計。根據這些預估，再減去預定的利潤，所得到的就是容器開發的成本，新容器開發必須受限千既定的成本。當完成市場分析并決定開發某項新包裝容器時，開發小組的下一步工作是分析消費人群的需求，了解消費者對新包裝容器的期望。還需要對市場上現有的同類競爭進行分析，知曉這些容器在多大程度上滿足了消費者的需求。通過對以上問題的總結，開發小組掌握了市場情況、消費人群和可應用的技術。此時可以進入下一環節的評估，也就是確立新容器概念。
2、確立容器概念
在明確了新容器的市場、消費者、技術、成本等問題以后，開發小組的任務是決定如何做到使新容器適應市場并決定容器的價格范圍。
此階段的工作分為以下步驟：在考慮容器的市場定位、業務計劃、發展規劃前提下，制訂一套新容器的規格體系。確定容器功能模型和可選擇的構造，確定容器用戶使用滿意度，建立容器功能模型，用以描述問題、解決問題和相互之間的轉化，功能的各個分支轉化將成為實際容器組件的多種可能配置，提出多種創意方案。選擇一個創意方案，確立新容器概念，進行分析評估。
3、實現容器的創意
選優得到的設計創意必須在設計過程中加以實現，這是容器開發的最后一個階段。實現容器創意的一個重要方面是進行容器建模，通過實際構建功能模型或以數值分析的方式建模，對執行的效果進行測試。在容器開發過程中，要通過新穎的容器使消費者滿意，從而實現規劃，盡到設計師的責任，同時盡可能創造利潤。因此，設計人員必須在容器開發的現實環境中考慮虛擬仿真建模，典型金屬容器開發程序中的各項設計工作如
圖2-1所示，用以有效地幫助設計決策。
三、容器開發程序中的設計方法
反向工程法與再設計法是一種針對現有容器的設計方法。采用反向工程法與再設計法立足于分析市場上的現有容器，并根據容器存在的缺陷改進構想進行再設計。根據反向工程法研究決定容器的導向，通過建模、分析論證、深入分解各設計要素以及對容器性能的測試等工作，進行再設計，確立新的容器形式。
1、反向工程法
分析現有容器，對已有多種同類競爭容器的成功案例進行分析學習。了解現有容器的市場情況，對消費者的需求進行分析，分析掌握消費者對容器的滿意程度，參考相關市場和商業案例進行分析，明確潛在的利潤和可能面臨的市場風險。對功能模型進行全面的構想，闡明新容器的功能設想以及功能性觀點。對容器的各個方面進行深入研究，了解消費者滿意或不滿意的各個方面及其原因。了解相關容器制造商，對容器生產線的典型結構體系進行分析。闡明容器中所共同包含的系統， 掌握競爭對手的技術體系及容器各組成部分，著手研究構建真實的容器功能結構。
2、再設計法
再設計是以無偏見的預想為基礎，以消費者為中心的設計，由依照基本原則進行的分析以及全面細致的實驗為要素共同構成的。研究方法學的目的在于，以需求作為容器的根本出發點，建立動態的設計與分析系統。對千某些容器，可能適用的方法是在創造及優化設計模型之前就對性能做一定的調整或改進。或者在模型的發展階段，設計人員通過加深對容器的認識，對設計變最與參數有效地進行控制，以實現再設計。另外，有些容器可能在改變部分參數后獲得意想不到的質量和利潤空間的提升。再設計方法學對千這些情況都是適用的。
3、反向工程與再設計法
設計師可以通過如圖2-2所示的學習模型，由具體的經驗開始，依次觀察思考的收獲和概念化過程，以及循環實驗。通過對現有容器的再設計，可以充分了解和掌握容器的構成要素，然后用設計方法分析現有功能，并在現有結構下對新功能提出概念化的設想。在概念發展的基礎上進行觀察思考與實驗，使概念得以具體實現。對現有容器的充分理解，可以幫助了解容器的工作方式，使它工作得更好，這在容器設計中尤其重要。
反向工程法與再設計方法的主要構成要素如圖2-3所示。整個設計系統由三個階段組成：反向工程法、建模與分析、再設計。通過這個系統，能夠明確地羅列出容器開發所必需的各種材料，解構分析了解它工作的方式，了解系統的工作順序安排，反向法與再設計的流程如圖2-4所示。
四、容器工程設計分類
根據包裝容器不同的設計內容，容器工程設計分為結構設計和（制造）工藝設計兩類。
1、容器結構設計
產品的結構設計，一般情況下都是指根據設計要求和產品功能，確定產品各組成部分（零部件及其附屬部分）的形狀、尺寸、材料、選型、加工方法和裝配工藝等。總之，結構設計要解決產品整體結構中各個組成部分之間相互與整體結構之間的關系。對于金屬容器設計而言，除了涉及上述結構設計的普遍問題外，從總體包裝或系列包裝的設計角度出發，還必須要考慮到容器的內、中、外包裝的配合和裝配，容器與內襯墊或隔條的尺寸和結合，容器主體與附件的結構組合等。因此，結構設計是涉及金屬材料性能、設計計算、加工工藝、精度標準、檢測技術及質量評估等許多學科領域的一項復雜的綜合性工作。
(1) 結構設計的主要內容
①據產品性能及材料特性選擇使用包裝材料。
②確定容器總體尺寸、形狀，進行必要地計算，繪制出容器總體結構方案。
③設計容器零部件尺寸、形狀，并確定各零部件之間空間關系及其與總體結構關系。
④設計出幾種容器結構方案，然后進行評價決策，最后選定最優方案。
⑤在選定最后容器結構方案時，應充分考慮國際、國內、本地區和本部門的同類產品情況及其設計、制造水平。
⑥在進行產品結構設計及計算時，應盡可能地考慮目前可以應用的各種現代先進設計方祛。
(2) 金屬容器的結構設計的重要地位與作用
①結構設計關系到金屬容器的整體性能，將直接影響到容器使用過程中的強度、剛度和結構穩定性及可靠性等。
②結構設計將直接關系到容器產品的制造工藝性、人機環境協調性（綠色產品）和產品的經濟性等。
③結構設計要求力爭先進、合理，為容器藝術設計創造良好的基礎，提供可靠的支撐。
2、容器工藝設計
按照現代制造過程的要求，包裝容器的工藝設計包括工藝方案設計和工藝路線設計。
(1) 工藝方案設計
工藝方案的設計應在保證產品質量的同時，充分考慮生產周期、生產成本和環境保護。同時根據本企業能力，積極采用國內外先進工藝裝備及技術，不斷提高企業的工藝水平。
設計工藝方案的主要類別包括：
①新品試制工藝方案；
②新品小批試制工藝方案；
③新品批雖投產工藝方案；
④老品生產改進工藝方案；
⑤零件生產工藝方案。
(2) 工藝路線設計
工藝路線是指產品或零部件在生產加工過程中，由原材料準備經過毛還加工直至成品入庫的全部工藝過程的先后順序。本書以后各章節都會介紹各種主要類型金屬包裝容器制造工藝中工藝路線或生產流程。設計最合理的工藝路線，它對于確保產品質量、恰當利用加工設備、促進提高生產管理水平和提高勞動生產率都起到十分關鍵的作用。
設計工藝路線的一般步驟包括：
①選擇加工方法；
②劃分加工階段；
③確定加工工序；
④安排加工順序；
⑤安排熱處理工序；
⑥安排輔助工序。
為了充分達到工藝路線的設計目標，一般要根據工藝方案所確定的原則，提出若干個工藝路線設計方案，經過分析、對比，選擇最優工藝路線。
五、容器設計中的人類工效學因素
1、人類工效學
人類工效學(ergonomics) 又稱人機工程學，是研究人員在某種工作環境中的解剖學和心理學等方面的各種因素，研究人和機器及環境的相互作用，分析人在各種勞動時的生理變化、能量消耗、疲勞機理以及人對各種勞動負荷的適應能力。探討人在工作中影響心理狀態的因素以及心理因素對工作效率的影響等。它是人體科學、環境科學向工程科學不斷滲透和交叉的產物，其在包裝工程中的應用具有重要意義。
2、包裝宜人性的研究
包裝宜人性就是要滿足消費者生理和心理的要求。
（1) 滿足生理要求
根據人體工效學的研究，人體和物體之間需要一定的平衡協調關系，即產品必須適應人的生理解剖需求。對于包裝來說，要在滿足基本性能的前提下，盡量使用時輕便省力，易于開啟，使用舒適，方便安全。
當人執握瓶罐類包裝時，主要依靠手的屈肌和伸肌的共同協作。人的手掌生理結構如圖2-5所示，掌心部位的肌肉噩最少，指骨間肌和手指部分是神經末梢滿布的部位，指球肌、大魚際肌和小魚際肌是肌肉豐富的部位。可以根據人體手掌結構特點而設計易于執握的金屬包裝罐型，如圖2-6所示。
圖2-7所示為金屬按壓蓋，一只手即可開啟，圖2-8所示為金屬易拉蓋，這些易開啟結構的設計，使金屬包裝容器的開啟方式及結構越來越適宜于手掌的生理結構。
(2) 滿足心理要求
人的視覺特性具有刺激、感受、興奮、疲勞、失調和尋求新平衡的心理機能。這種失調和平衡在色視覺、明暗視覺和形視覺過程中都有類似的現象。如果包裝結構長期處千單調、陳舊的狀態下，就會產生視覺疲勞，將有尋找新造型、新結構的需求，來獲得新的體驗。人們長期大量地觀看金屬圓罐，就有可能喜歡異形金屬瓶。長期使用圓、橢圓或蛋圓形的金屬罐，則有可能選購造型各異的塑料瓶。人具有求新求美、好奇、好勝的心理，這也是促使包裝設計不斷變化的心理因素，具有創新性的包裝結構、特異性的裝潰設計風格首先就會得到包裝用戶及消費者的青睞。
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