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《金属包装设计与制造》（4）
金属容器工程设计类型及容器设计开发
文/吴若梅、刘跃军
一、工程设计分级类型
按国际上工程专家的理论，把工程设计的级别与水平分为三大类型，即原创设计、改进设计和变量设计，这同样也适合于包装容器设计的不同类型。
1、原创设计
原创设计也称创新设计，是指对给定的任务提出全新的、具有独创性的解决方案，这种方案可以视作为一种技术发明。原创性设计几乎都走在时代的前列，领先于市场的潮流，原创性产品的出现，对市场而言是一场革命，甚至于会出现新产品迅速替代原产品的现象。当然，创新设计是很不容易成功的，有些情况下会有高风险且并未达到预期目标。
2、改进设计
改进设计又称综合设计，是指对现有的已知产品系统进行改造或增加较重要的子系统。改进设计可能会产生全新的结果，由于是基于现有产品的基础，不需要做大最的重构工作，因此改进设计将是产品工程设计工作中最为普遍的，同样也是包装容器设计工作中常见的。尤其是为适应消费者的爱好和观念，对原有产品选择改良设计确保原产品具有良好的商业利润，这是改进设计占据金属包装容器设计主导地位的原因。
3、变量设计
变量设计也称改型设计，是指改变产品某些特征方面的参数，例如尺寸、形状、材料和操作方法等，从而得到新的产品。改型设计通常不改变原有产品的结构组成，而只对其中结构子系统部分作相应调整。变量设计工作常常用于系列产品及相关产品的设计，在金属包装容器设计工作中是很普遍的。
二、容器开发设计流程
包装容器开发的第一步通常是对未来新包装容器产生希望和预见，图2-1显示了典型金属容器开发程序中的各项设计工作，一般存在以下设计阶段。
1、设计预期评估
(1) 提出问题设计生产什么包装容器？现有包装容器使用方面的间题在哪里？为什么现有包装容器不能实现用户希望的功能？
(2) 了解预期用户对新包装容器的期望，企业的决策者对市场运作的期望，科研人员的研发技术应用期望，开发并投产成为可盈利的包装容器的期望，市场所能接受的价格和产量的估计。根据这些预估，再减去预定的利润，所得到的就是容器开发的成本，新容器开发必须受限千既定的成本。当完成市场分析并决定开发某项新包装容器时，开发小组的下一步工作是分析消费人群的需求，了解消费者对新包装容器的期望。还需要对市场上现有的同类竞争进行分析，知晓这些容器在多大程度上满足了消费者的需求。通过对以上问题的总结，开发小组掌握了市场情况、消费人群和可应用的技术。此时可以进入下一环节的评估，也就是确立新容器概念。
2、确立容器概念
在明确了新容器的市场、消费者、技术、成本等问题以后，开发小组的任务是决定如何做到使新容器适应市场并决定容器的价格范围。
此阶段的工作分为以下步骤：在考虑容器的市场定位、业务计划、发展规划前提下，制订一套新容器的规格体系。确定容器功能模型和可选择的构造，确定容器用户使用满意度，建立容器功能模型，用以描述问题、解决问题和相互之间的转化，功能的各个分支转化将成为实际容器组件的多种可能配置，提出多种创意方案。选择一个创意方案，确立新容器概念，进行分析评估。
3、实现容器的创意
选优得到的设计创意必须在设计过程中加以实现，这是容器开发的最后一个阶段。实现容器创意的一个重要方面是进行容器建模，通过实际构建功能模型或以数值分析的方式建模，对执行的效果进行测试。在容器开发过程中，要通过新颖的容器使消费者满意，从而实现规划，尽到设计师的责任，同时尽可能创造利润。因此，设计人员必须在容器开发的现实环境中考虑虚拟仿真建模，典型金属容器开发程序中的各项设计工作如
图2-1所示，用以有效地帮助设计决策。
三、容器开发程序中的设计方法
反向工程法与再设计法是一种针对现有容器的设计方法。采用反向工程法与再设计法立足于分析市场上的现有容器，并根据容器存在的缺陷改进构想进行再设计。根据反向工程法研究决定容器的导向，通过建模、分析论证、深入分解各设计要素以及对容器性能的测试等工作，进行再设计，确立新的容器形式。
1、反向工程法
分析现有容器，对已有多种同类竞争容器的成功案例进行分析学习。了解现有容器的市场情况，对消费者的需求进行分析，分析掌握消费者对容器的满意程度，参考相关市场和商业案例进行分析，明确潜在的利润和可能面临的市场风险。对功能模型进行全面的构想，阐明新容器的功能设想以及功能性观点。对容器的各个方面进行深入研究，了解消费者满意或不满意的各个方面及其原因。了解相关容器制造商，对容器生产线的典型结构体系进行分析。阐明容器中所共同包含的系统， 掌握竞争对手的技术体系及容器各组成部分，着手研究构建真实的容器功能结构。
2、再设计法
再设计是以无偏见的预想为基础，以消费者为中心的设计，由依照基本原则进行的分析以及全面细致的实验为要素共同构成的。研究方法学的目的在于，以需求作为容器的根本出发点，建立动态的设计与分析系统。对千某些容器，可能适用的方法是在创造及优化设计模型之前就对性能做一定的调整或改进。或者在模型的发展阶段，设计人员通过加深对容器的认识，对设计变最与参数有效地进行控制，以实现再设计。另外，有些容器可能在改变部分参数后获得意想不到的质量和利润空间的提升。再设计方法学对千这些情况都是适用的。
3、反向工程与再设计法
设计师可以通过如图2-2所示的学习模型，由具体的经验开始，依次观察思考的收获和概念化过程，以及循环实验。通过对现有容器的再设计，可以充分了解和掌握容器的构成要素，然后用设计方法分析现有功能，并在现有结构下对新功能提出概念化的设想。在概念发展的基础上进行观察思考与实验，使概念得以具体实现。对现有容器的充分理解，可以帮助了解容器的工作方式，使它工作得更好，这在容器设计中尤其重要。
反向工程法与再设计方法的主要构成要素如图2-3所示。整个设计系统由三个阶段组成：反向工程法、建模与分析、再设计。通过这个系统，能够明确地罗列出容器开发所必需的各种材料，解构分析了解它工作的方式，了解系统的工作顺序安排，反向法与再设计的流程如图2-4所示。
四、容器工程设计分类
根据包装容器不同的设计内容，容器工程设计分为结构设计和（制造）工艺设计两类。
1、容器结构设计
产品的结构设计，一般情况下都是指根据设计要求和产品功能，确定产品各组成部分（零部件及其附属部分）的形状、尺寸、材料、选型、加工方法和装配工艺等。总之，结构设计要解决产品整体结构中各个组成部分之间相互与整体结构之间的关系。对于金属容器设计而言，除了涉及上述结构设计的普遍问题外，从总体包装或系列包装的设计角度出发，还必须要考虑到容器的内、中、外包装的配合和装配，容器与内衬垫或隔条的尺寸和结合，容器主体与附件的结构组合等。因此，结构设计是涉及金属材料性能、设计计算、加工工艺、精度标准、检测技术及质量评估等许多学科领域的一项复杂的综合性工作。
(1) 结构设计的主要内容
①据产品性能及材料特性选择使用包装材料。
②确定容器总体尺寸、形状，进行必要地计算，绘制出容器总体结构方案。
③设计容器零部件尺寸、形状，并确定各零部件之间空间关系及其与总体结构关系。
④设计出几种容器结构方案，然后进行评价决策，最后选定最优方案。
⑤在选定最后容器结构方案时，应充分考虑国际、国内、本地区和本部门的同类产品情况及其设计、制造水平。
⑥在进行产品结构设计及计算时，应尽可能地考虑目前可以应用的各种现代先进设计方祛。
(2) 金属容器的结构设计的重要地位与作用
①结构设计关系到金属容器的整体性能，将直接影响到容器使用过程中的强度、刚度和结构稳定性及可靠性等。
②结构设计将直接关系到容器产品的制造工艺性、人机环境协调性（绿色产品）和产品的经济性等。
③结构设计要求力争先进、合理，为容器艺术设计创造良好的基础，提供可靠的支撑。
2、容器工艺设计
按照现代制造过程的要求，包装容器的工艺设计包括工艺方案设计和工艺路线设计。
(1) 工艺方案设计
工艺方案的设计应在保证产品质量的同时，充分考虑生产周期、生产成本和环境保护。同时根据本企业能力，积极采用国内外先进工艺装备及技术，不断提高企业的工艺水平。
设计工艺方案的主要类别包括：
①新品试制工艺方案；
②新品小批试制工艺方案；
③新品批虽投产工艺方案；
④老品生产改进工艺方案；
⑤零件生产工艺方案。
(2) 工艺路线设计
工艺路线是指产品或零部件在生产加工过程中，由原材料准备经过毛还加工直至成品入库的全部工艺过程的先后顺序。本书以后各章节都会介绍各种主要类型金属包装容器制造工艺中工艺路线或生产流程。设计最合理的工艺路线，它对于确保产品质量、恰当利用加工设备、促进提高生产管理水平和提高劳动生产率都起到十分关键的作用。
设计工艺路线的一般步骤包括：
①选择加工方法；
②划分加工阶段；
③确定加工工序；
④安排加工顺序；
⑤安排热处理工序；
⑥安排辅助工序。
为了充分达到工艺路线的设计目标，一般要根据工艺方案所确定的原则，提出若干个工艺路线设计方案，经过分析、对比，选择最优工艺路线。
五、容器设计中的人类工效学因素
1、人类工效学
人类工效学(ergonomics) 又称人机工程学，是研究人员在某种工作环境中的解剖学和心理学等方面的各种因素，研究人和机器及环境的相互作用，分析人在各种劳动时的生理变化、能量消耗、疲劳机理以及人对各种劳动负荷的适应能力。探讨人在工作中影响心理状态的因素以及心理因素对工作效率的影响等。它是人体科学、环境科学向工程科学不断渗透和交叉的产物，其在包装工程中的应用具有重要意义。
2、包装宜人性的研究
包装宜人性就是要满足消费者生理和心理的要求。
（1) 满足生理要求
根据人体工效学的研究，人体和物体之间需要一定的平衡协调关系，即产品必须适应人的生理解剖需求。对于包装来说，要在满足基本性能的前提下，尽量使用时轻便省力，易于开启，使用舒适，方便安全。
当人执握瓶罐类包装时，主要依靠手的屈肌和伸肌的共同协作。人的手掌生理结构如图2-5所示，掌心部位的肌肉噩最少，指骨间肌和手指部分是神经末梢满布的部位，指球肌、大鱼际肌和小鱼际肌是肌肉丰富的部位。可以根据人体手掌结构特点而设计易于执握的金属包装罐型，如图2-6所示。
图2-7所示为金属按压盖，一只手即可开启，图2-8所示为金属易拉盖，这些易开启结构的设计，使金属包装容器的开启方式及结构越来越适宜于手掌的生理结构。
(2) 满足心理要求
人的视觉特性具有刺激、感受、兴奋、疲劳、失调和寻求新平衡的心理机能。这种失调和平衡在色视觉、明暗视觉和形视觉过程中都有类似的现象。如果包装结构长期处千单调、陈旧的状态下，就会产生视觉疲劳，将有寻找新造型、新结构的需求，来获得新的体验。人们长期大量地观看金属圆罐，就有可能喜欢异形金属瓶。长期使用圆、椭圆或蛋圆形的金属罐，则有可能选购造型各异的塑料瓶。人具有求新求美、好奇、好胜的心理，这也是促使包装设计不断变化的心理因素，具有创新性的包装结构、特异性的装溃设计风格首先就会得到包装用户及消费者的青睐。
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