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浅谈产品设计中的材料工艺学

一、设计师如何根据需要选择材料

工业设计师在进行产品设计时，材料的选择是以性能为依据的。材料的性能又受到外界条件和使用条件的制约。所以，设计师在设计工业产品时决定材料所要求的性能时，要考虑产品所处的外界环境和使用环境。

材料的基本性能可分为使用性能和工艺性能。

使用性能是指材料在使用条件下表现出的性能。具体如：力学性能、物理性能和化学性能等；工艺性能则是指材料在加工过程中表现出的性能。如：切削加工性能、铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能等。

因此，工业设计师在设计产品时必须把握好材料的性能以及产品的服务范围和对象，才能在造型设计中更好地选择和运用各种材料，提高工业造型设计的效果。

工业造型材料的基本特征主要包括：感觉物性、加工成型性、表面工艺性以及环境耐候性等。

1、感觉物性，在产品设计中，对材料的感觉物性的认识非常重要，合理利用材料的感觉物性会给产品带来新的特色。例如：木材具有温暖感，它的纹理给人以自然、柔和、舒适的感觉。

2、加工成型性，工业设计师的职责是进行产品设计，而产品则是通过对特定的材料加工成型而付诸实现的。工业造型材料必须是容易加工成型的材料，必须具备优异的加工成型性。所以加工成型性是衡量工业造型材料的重要因素之一。对于不同的材料，其加工成型性不同。

3、表面工艺性，任何设计都不能直接使用基本材料和毛坯。还应该通过一系列的表面处理，改变材料的表面状态。其目的除了防腐蚀、防化学药品、防污染、提高产品的使用寿命外，还可提高材料表面的美化效果、改变产品的视觉效果、提升产品的视觉效果价值。所以，根据材料本身的性质和产品使用环境，正确选择表面处理和表面装饰工艺是提高产品外观质量的重要途径。

4、环境耐候性，对于不同的使用环境，不仅要合理选择材料，而且要有相应的表面处理方法。使产品经得起环境因素的考验。

产品设计还要遵从一系列法则：

1、调和法则，就是使产品整体的各个部分统一和谐，使人感觉各部位材料融合、协调。

2、法则，就是使产品整体的各部位有对比变化，形成材质对比、工艺对比，给人以丰富的心理感受。

3、主从法则，即在产品的设计中要有主次之分，如：对可见部分、主要部位、常触部位加工工艺要精良，选材要到位。而对不可见的部位、次要部位，就应从简从略处理。

4、适合法则，获得优美的艺术处理，不在于多么贵重的材料的堆积，而在于材料的合理配置。即：器不在料，功不在细，设计独到贵胜金。

所以，设计师们在选择产品制作材料时，要综合考虑材料的固有特征，充分发挥材料的优势，并且要扬长避短，这样才能创造出优秀的工业设计作品。

材料的物理性能包括：

1、材料的密度和质量。

2、力学性能（强度、弹性和塑性、脆性和韧性、硬度、耐磨性）。

3、热性能（导热性、耐热性、热胀性、耐燃性、耐火性）。

4、电性能（导电性、绝缘性）。

5、磁性能。

6光性能。

材料的化学性能包括：

1、耐腐蚀性，

2、抗氧化性，

3、耐候性。

不同的材料针对了不同的加工工艺，不同的加工工艺产生出不同效果的产品。所以说，只有处理好了认识材料和想要得到的最终效果之间的关系，就不难设计出好的产品了。工业设计师要学会匠心独运，别出心裁，不断丰富自己的阅历，多接触、多了解、多掌握传统材料以及新型材料。这样才能妙笔生花，甚至化腐朽为神奇，创造出更多更美好的改变世界的工业产品。

二、不同材料的性质及加工工艺

由于不同材料具备不同的物理属性和化学属性，其加工工艺也不尽相同。

1、塑料的特性以及加工工艺

塑料的特性：

塑料的优点：

（1）塑料的质量轻，强度高。

（2）化学稳定性好。

（3）绝缘性好。

（4）导热系数低。

（5）加工性能好。

（6）塑料成型后外表美观，而且还有自润滑、吸振、消声、气密等性能。

塑料的缺点：

塑料的缺点主要是强度、刚度、耐热性比金属差。普通塑料只能在低于100℃以下工作。塑料的热膨胀系数比金属大3~10倍，很容易因为温度差异而影响产品的尺寸精度。另外，塑料在受到外界的光、热、机械力等影响时，会产生变质、变色和变脆的老化现象。

塑料分为热塑性塑料和热固性塑料。

热塑性塑料的成型加工性能：

（1）吸湿性。如果塑料含水量过多，就会在加工成型时产生气体而在制品上形成气泡，造成产品质量缺陷。因此对亲水塑料在加工成型前要先进行干燥处理。

（2）塑料的物理聚焦态。

（3）流动性和流变性。流动性差的塑料在注塑时需要较大的压力，流动性太好的塑料成型时容易产生溢边。

（4）结晶性。我们可以通过调节冷却速度的方法来控制塑件性能。

（5）热敏性和水敏性。

（6）相容性。相容性是指两种塑料在熔融状态下相互混容的性质。如果两种塑料不相容，则会出现分层，脱皮等现象。

（7）应力开裂。

（8）热性能是指塑料的比热，导热系数，热变形温度等。

（9）收缩性。塑料制品脱模冷却到室温后，都会有收缩现象。进行模具设计时，一定要考虑塑料的成型收缩率。

（10）毒性，刺激性和腐蚀性。

塑料产品的设计原则：

（1）尺寸精度，要考虑到不同塑料的流动性。

（2）脱模斜度，在设计塑料产品时，必须要设计足够的脱模斜度。因为塑件在模具中

成型后就逐渐因冷却而收缩，这样就会使四溅包住型腔中的突出部分，使开模取件发生困难，甚至可能使塑件表面擦伤、拉毛。如果塑件本身没有结构斜度，在模具设计时就应该留有一定的工艺斜度。

（3）壁厚，模具的壁厚要大小适中。

（4）加强筋，为了满足塑料产品对刚度和强度的要求，就必须设计加强筋。

（5）支撑面，塑料产品一般用底部边框或单独设计的底脚来代替连续的平面作为产品的底部支撑面。

（6）圆角，塑料产品的所有转折角都应该尽可能的设计成圆角，因为尖角容易造成应力集中，当塑件受到冲击时容易破裂。

（7）孔，要考虑到塑料的工艺强度。

（8）螺纹。

（9）嵌件，大多是金属嵌件，也可以是玻璃、木材、橡胶的。

在塑料制品的设计加工时一定要考虑到以上因素。以下是举例说明：

ABS（丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物）

化学和物理特性：

ABS是由丙烯腈、丁二烯和苯乙烯三种化学单体合成。每种单体都具有不同特性：丙烯腈有高强度、热稳定性及化学稳定性；丁二烯具有坚韧性、抗冲击特性；苯乙烯具有易加工、高光洁度及高强度。从形态上看，ABS是非结晶性材料。三种单体的聚合产生了具有两相的三元共聚物，一个是苯乙烯-丙烯腈的连续相，另一个是聚丁二烯橡胶分散相。

ABS的特性主要取决于三种单体的比率以及两相中的分子结构。这就可以在产品设计上具有很大的灵活性，并且由此产生了市场上百种不同品质的ABS材料。这些不同品质的材料提供了不同的特性，例如从中等到高等的抗冲击性，从低到高的光洁度和高温扭曲特性等。

ABS材料具有超强的易加工性，外观特性，低蠕变性和优异的尺寸稳定性以及很高的抗冲击强度。

注塑模工艺条件：

干燥处理：ABS材料具有吸湿性，要求在加工之前进行干燥处理。建议干燥条件为：80~90℃下最少干燥2小时。材料温度应保证小于0.1%。

熔化温度：210-280℃；建议温度：245℃。模具温度：25-70℃。（模具温度将影响塑件光洁度，温度较低则导致光洁度较低）。

注射压力：500~1000bar。

注射速度：中高速度。

典型用途：汽车（仪表板，工具舱门，车轮盖，反光镜盒等），电冰箱，大强度工具（头发烘干机，搅拌器，食品加工机，割草机等），电话机壳体，打字机键盘，娱乐用车辆如高尔夫球手推车以及喷气式雪撬车等。

2、金属的特性以及加工工艺

金属的特性：有金属光泽、不透明、导电性好、导热性好、延展性好、可塑性好，大多数在常温下为固态、硬度也大。可以制成合金，发挥金属的优势。缺点：容易腐蚀、氧化，变的老旧。

加工工艺通常有：铸造、锻造、冲压、钣金和焊接。

A、加工工艺举例（冲压）：

冲压工艺及冲模设计的影响及提高冲模寿命的措施：

(1)冷冲压用原材料的影响。要做到：冲压前应对原材料的牌号、厚度、表面质量进行严格检查还要保证材料表面质量和清洁。

(2)排样和搭边的影响：排样方法与搭边值对模具寿命影响非常大，不必要的往复送料排样法和过小的搭边值往往是造成模具急剧磨损和凸凹模啃伤的重要原因。

(3)模具导向结构和导向精度的影响：必要和可靠的导向，对于减小工作零件的磨损，避免凸凹模啃伤极为有效。

(4)模具几何参数的影响：凸凹模的形状、间隙和圆角半径不仅对冲压件成形影响极大，而对模具的磨损影响也很大。

B、模具的材料的影响：

模具的材料性质及热处理质量对模具寿命的影响是影响模具寿命诸因素中最重要的因素。

（1）模具的热加工和表面强化的影响

（2）模具加工工艺的影响：模具加工后模具的表面粗糙度对模具的寿命影响很大，所以要根据制件情况，合理的选择加工工艺。

（3）压力机的精度与刚性的影响

（4）模具的使用、维护和保养的影响

（5）正确使用、维护和保管模具是提高模具寿命的重要方面。它包括模具正确安装与调整；注意保持模具的清洁和合理的润滑；防止误送料、上双料；严格控制凸模进入凹模的深度，控制校正弯曲、整形等工序中上模的下死点位置；及时的打磨、抛光等。

D、对冷冲模具用钢使用性能的基本要求：

（1）具有高硬度和强度，以保证模具在工作过程中抗压、耐磨、不变形、抗粘合；

（2）具有高耐磨性，以保证模具在长期工作中，其形状和尺寸公差在一定范围内变化，不因过分磨损而失效；

（3）具有足够的韧性，以防止模具在冲击负荷下产生脆性断裂；

（4）热处理变形小，以保证模具在热处理时不因过大变形而报废；

（5）有较高的热硬性，以保证模具在高速冲压或重负荷冲压工序中不因温度升高而软化。

3、玻璃的性质以及加工工艺

玻璃的种类：

（按组成分类）元素玻璃、氧化物玻璃。

（按用途分类）建筑玻璃、日用轻工玻璃、仪器玻璃、光学玻璃、电真空玻璃。

（按性能分类）光敏玻璃、声光玻璃、高折射玻璃、反射玻璃、热敏玻璃、耐高温玻璃、低膨胀玻璃、高绝缘玻璃、导电玻璃、半导体玻璃、耐火玻璃、耐酸玻璃。

玻璃的主要成分：主要由以二氧化硅为主的各种氧化物组成。

玻璃的性质主要有：硬度大，普通玻璃易碎，破碎之后产生锋利的断口，由于是非晶体，所以没有固定的熔沸点。透光性好，不溶于水，耐腐蚀，化学性质稳定，不耐高温。

A、不同种类玻璃的生产工艺特点：

（1）瓶罐玻璃一般均采用连续作业的池窑生产，成形后，将瓶罐送入连续作业式退火炉进行退火，再进行加工和增强处理。

（2）器皿玻璃的组成要求：

具有使用要求的热稳定性和化学稳定性；易于熔制和澄清；符合成形方法要求的粘度温度曲线；生产过程中不易析晶。

具体方法有：压制法、压吹法、离心浇注法。

（3）平板玻璃的生产工艺特点：

窑内各项热工制度非常稳定并易于调整，要求窑内温度稳定、窑压稳定，液面稳定。浮法生产工艺：在锡槽中进行成形。有槽垂直引上法工艺：利用槽子砖成形。压延玻璃和夹丝

玻璃是利用水平连续压延法，能大量生产。

（4）仪器玻璃：有良好的化学稳定性，主要表现为对酸、碱和水的侵蚀抵抗性好，对冷热急变的抵抗能力强，玻璃机械强度大，弹性好、脆性低、硬度高，使用温度高。

（5）颜色玻璃：玻璃配合料加入着色剂经熔制和热处理后可以得到各种不同色调的颜色玻璃。

B、玻璃的深加工：

（1）冷加工：研磨、抛光、切割、喷砂、钻孔和切削。

（2）热加工：烧口、火抛光、火焰切割，或钻孔、焊接。

（3）玻璃的表面处理：

第一，形成玻璃的光滑面或散光面，通过表面处理控制玻璃表面的凹凸；第二，改变玻璃表面的薄层组成，改善表面性质，以得到新的性能；第三，进行表面涂层。

4、陶瓷的性质以及加工工艺

陶瓷的性质：耐高温、化学性质稳定、耐腐蚀、硬度大，美观、绝缘性好、导热性差。不具有可塑性，一旦成型就无法修改。具有不可改变的性质。可以长久保存。原料造价低廉，很容易获取。

陶瓷是以粘土为主要原料，并与其他矿物原料经过破碎、混合、成形、烧成等过程而制得的制品。

陶瓷主要的加工工艺有：

（1）拉坯成型。

（2）注浆成型。

（3）旋压成型。

（4）滚压成型。

（5）压制法成型。

（6）热压注成型。

（7）等静压成型。

下面以注浆成型为例，介绍陶瓷的加工工艺：

注浆成型制备陶瓷：分为空心注浆和实心注浆。空心注浆适用于浇注薄壁制品。

注浆成形主要依靠多孔模具的脱水作用。实心注浆又称双面注浆，模型从两面吸取泥浆中的水分，直到模心内腔吸满为止，脱模后是一个实心的物体。

强化注浆的方法：

为缩短模型吸浆时间，提高成坯的质量，常采用压力注浆、离心注浆、真空注浆等。

注浆成形对泥浆的要求：

(1)流动性好。可充分流注到模型的各个部位。

(2)稳定性好。久置后各组分颗粒不全沉淀。

(3)具有适应的触变性。太大，则易静止稠化，不便浇注。而触变性太小，则生坯易软塌。

(4)含水量要少。可缩短注浆时间，增加坯体的强度，降低干燥收缩，缩短生产周期，延长石膏模的使用寿命。

(5)滤过生能好。使泥浆中的水分能顺利地通过附着在模型壁上的泥层而被模型吸收。一般可通过改变泥浆中瘠性原料和塑性原料的含量来调整泥浆的滤过性。

(6)形成的坯体要有足够的强度。

注浆之后凝固，开模。就可以进入下一步：烧制成型。

以上就是生活中常见的几种材料在产品设计中的主要加工工艺举例。

工业设计师在设计产品时，要考虑的因素很多。这就要求设计师生平要丰富自己的阅历，尽量完善自己，多参加实践活动，多研究材料的加工工艺，对材料本身要有更多的、更深的见解，能够熟练掌握和运用各种不同的材料创造出丰富的、具有不同特殊功能和新奇外观的产品，这样才能成为一个合格的工业设计师。

材料工艺学是一门深奥的学问。需要的是长年累月的不断丰富和积累，不仅要对传统材料有很深的认识和独到的见解，还要对新型材料有很好的了解和认识。不但会观察，还要会巧妙的运用不同的材料来塑造不同的产品，提升产品本身的价值，进而产生不同的艺术效果和使用效果来丰富我们的生活。我们的生活也将因材料工艺学的不断发展而变得更加丰富多彩。