淺談產(chǎn)品設計中材料工藝學

一、設計師怎樣依據(jù)需要選擇材料

工、業(yè)設計師在進行產(chǎn)品設計時，材料選擇是以性能為依據(jù)。材料性能又受到外界條件和

使用條件制約。所以，設計師在設計工業(yè)產(chǎn)品時決定材料所要求性能時，要考慮產(chǎn)品所處外

界環(huán)境和使用環(huán)境。

材料基礎性能可分為使用性能和工藝性能。

使用性能是指材料在使用條件下表現(xiàn)出性能。具體加：力學性能、物理性能和化學性能

等；工藝性能則是指材料在加工過程中表現(xiàn)出性能。如：切削加工性能、鑄造性能、壓力加

工性能、焊接性能、熱處理性能等。

所以，工業(yè)設計師在設計產(chǎn)品時必需把握好材料性能和產(chǎn)品服務范圍和對象，才能在造

型設計中愈加好地選擇和利用多種材料，提升工業(yè)造型設計效果。

工業(yè)造型材料基礎特征關鍵包含：感覺物性、加工成型性、表面工藝性和環(huán)境耐候性等。

1、感覺物性，在產(chǎn)品設計中，對材料感覺物性認識很關犍，合理利用材料感覺物性會

給產(chǎn)品帶來新特色。比如：木材含有溫暖感，它紋理給人以自然、柔和、舒適感覺。

2、加工成型性，工業(yè)設計師職責是進行產(chǎn)品設計，而產(chǎn)品則是經(jīng)過對特定材料加工成

型而付諸實現(xiàn)。工業(yè)造型材料必需是輕易加工成型材料，必需含有優(yōu)異加工成型性。所以加

工成型性是衡量工業(yè)造型材料關鍵原因之一。對于不一樣材料，其加工成型性不一樣。

3、表面工藝性，任何設計全部不能直接使用基礎材料和毛坯。還應該經(jīng)過?系列表面

處理，改變材料表面狀態(tài)（：其目標除了防腐蝕、防化學藥品、防污染、提升產(chǎn)品使用壽命外,

還可提升材料表面美化效果、改變產(chǎn)品視覺效果、提升產(chǎn)品視覺效果價值。所以，依據(jù)材料

本身性質和產(chǎn)品使用環(huán)境，正確選擇表面處理和表面裝飾工藝是提升產(chǎn)品外觀質量關鍵路

徑。

4、環(huán)境耐候性，對于不一樣使用環(huán)境，不僅要合理選擇材料，而且要有對應表面處理

方法。使產(chǎn)品經(jīng)得起環(huán)境原因考驗。

產(chǎn)品設計還要遵從一系列法則：

1、調和法則，就是使產(chǎn)品整體各個部分統(tǒng)一友好，使人感覺各部位材料融合、協(xié)調。

2、法則，就是使產(chǎn)品整體各部位有對比改變，形成材質對比、工藝對比，給人以豐富

心理感受。

3、主從法則，即在產(chǎn)品設計中要有主次之分，如：對可見部分、關鍵部位、常觸部位

加工工藝要精良，選材要到位。而對不可見部位、次要部位，就應從簡從略處理。

4、適正當則，取得優(yōu)美藝術處理，不在于多么珍貴材料堆積，而在于材料合理配置。

即：器不在料，功不在細，設計獨到貴勝金。

所以，設計師們在選擇產(chǎn)品制作材料時，要綜合考慮材料固有特征，充足發(fā)揮材料優(yōu)勢,

而且要揚長避短，這么才能發(fā)明出優(yōu)異工業(yè)設計作品。

材料物理性能包含：

1、材料密度和質量。

2、力學性能（強度、彈性和塑性、脆性和韌性、硬度、耐磨性）。

3、熱性能（導熱性、耐熱性、熱脹性、耐燃性、耐火性）。

4、電性能（導電性、絕緣性）。

5、磁性能。

6光性能。

材料化學性能包含：

1、耐腐蝕性，2、抗氧化性，3、耐候性。

不一樣材料針對了不一樣加TT藝.不一樣加TT藝產(chǎn)生出不一樣效果產(chǎn)品八所以說.

只有處理好了認識材料和想要得到最終效果之間關系，就不難設計出好產(chǎn)品了。工業(yè)設計師

要學會匠心獨運，別出心就，不停豐富自己閱歷，多接觸、多了解、多掌握傳統(tǒng)材料和新型

材料。這么才能妙筆生花，甚至化腐朽為神奇，發(fā)明出更多更美好改變世界工業(yè)產(chǎn)品。

二、不一樣材料性質及加工工藝

因為不一樣材料含有不一樣物理屬性和化學屬性，其加工工藝也不盡相同。

1、塑料特征和加工工藝

塑料特征：

塑料優(yōu)點：

（1）塑料質量輕，強度高。

（2）化學穩(wěn)定性好。

（3）絕緣性好。

（4）導熱系數(shù)低。

（5）加工性能好。

（6）塑料成型后外表美觀，而且還有自潤滑、吸振、消聲、氣密等性能。

塑料缺點：

鱉料缺點關鍵是強度、剛度、耐熱性比金屬差。一股塑料只能在低丁100c以卜工作。

塑料熱膨脹系數(shù)比金屬大3~10倍，很輕易因為溫度差異而影響產(chǎn)品尺寸精度。另外，塑料

在受到外界光、熱、機械力等影響時，會產(chǎn)生變質、變色和變脆老化現(xiàn)象。

塑料分為熱塑性塑料和熱固性塑料。

熱塑性塑料成型加T.性能：

（1）吸濕性。假如塑料含水量過多，就會在加工成型時產(chǎn)生氣體而在制品上形成氣泡,

造成產(chǎn)品質量缺點。所以對親水塑料在加工成型前要優(yōu)異行干燥處理。

（2）塑料物理聚焦態(tài)。

（3）流動性和流變性。流動性差塑料在注塑時需要較大壓力，流動性太好塑料成型時

輕易產(chǎn)生溢邊。

（4）結晶性。我們能夠經(jīng)過調整冷卻速度方法來控制塑件性能。

（5）熱敏性和水敏性.

（6）相容性。相容性是指兩種塑料在熔融狀態(tài)下相互混容性質。假如兩種塑料不相容,

則會出現(xiàn)分層，脫皮等現(xiàn)象。

（7）應力開裂。

（8）熱性能是指塑料比熱，導熱系數(shù)，熱變形溫度等。

（9）收縮性。塑料制品脫模冷卻到室溫后，全部會有收縮現(xiàn)象。進行模具設計時，一

定要考慮塑料成型收縮率，

（10）毒性，刺激性和腐蝕性。

塑料產(chǎn)品設計標準：

（1）尺寸精度，要考慮到不一樣塑料流動性。

（2）脫模斜度，在設計塑料產(chǎn)品時，必需要設計足夠脫模斜度。因為塑件在模具中成

型后就逐步因冷卻而收縮，這么就會使四濺包住型腔中突出部分，使開模取件發(fā)生困難，甚

至可能使塑件表面擦傷、拉毛。假如塑件本身沒有結構斜度，在模具設計時就應該留有一定

工藝斜度。

（3）壁厚，模具壁厚要大小適中。

（4）加強筋，為了滿足塑料產(chǎn)品對剛度和強度要求，就必需設計加強筋。

（5）支撐面，塑料產(chǎn)品通常見底部邊框或單獨設計底腳來替換連續(xù)平面作為產(chǎn)品底部

支撐面。

（6）圓角，塑料產(chǎn)品全部轉折角全部應該盡可能設計成圓角，因為尖角輕易造成應力

集中，當塑件受到?jīng)_擊時輕易破裂。

（7）孔，要考慮到塑料工藝強度。

（8）螺紋。

（9）嵌件，大多是金屬嵌件，也能夠是玻璃、木材、橡膠。

在塑料制品設計加工時一定要考慮到以上原因。以下是舉例說明：

ABS（丙烯盾.丁二烯.苯乙烯共聚物）

化學和物理特征：

ABS是由丙烯睛、丁二烯和苯乙烯三種化學單體合成。每種單體全部含有不一樣特征:

丙烯睹有高強度、熱穩(wěn)定性及化學穩(wěn)定性；丁二烯含有堅韌性、抗沖擊特征；苯乙烯含有

易加丁、高光潔度及高強度C從形態(tài)上看，ARS是非結晶性材料,二種單體聚合產(chǎn)生了含

有兩相三元共聚物，一個是苯乙烯-丙烯懵連續(xù)相，另一個是聚丁二烯橡膠分散相。

ABS特征關鍵取決于三種單體比率和兩相中分子結構。這就能夠在產(chǎn)品設計上含有很

大靈活性，而且由此產(chǎn)生了市場上百種不一樣品質ABS材料。這些不一樣品質材料提供了

不一樣特征，比如從中等到高等抗沖擊性，從低到高光潔度和高溫扭曲特征等。

ABS材料含有超強易加工性，外觀特征，低蠕變性和優(yōu)異尺寸穩(wěn)定性和很高抗沖擊強

度。

注塑模工藝條件：

干燥處理：ABS材料含有吸濕性，要求在加工之前進行干燥處理。提議干燥條件為：

80~90℃下最少干燥2小時。材料溫度應確保小于0.1%。

熔化溫度：210-28CTC；提議溫度：245C。模具溫度：25-70C。（模具溫度將影響塑

件光潔度，溫度較低則造成光潔度較低）。

注射壓力：500-1000bar,?

注射速度：中高速度。

經(jīng)典用途：汽車（儀表板，工具艙門，車輪蓋，反光鏡盒等），電冰箱，大強度工具

（頭發(fā)烘干機，攪拌器，食品加工機，割草機等），電話機殼體，打字機鍵盤，娛樂用車輛

如高爾夫球手推車和噴氣式雪撬車等。

2、金屬特征和加工工藝

金屬特征：有金屬光澤、不透明、導電性好、導熱性好、延展性好、可塑性好，大多數(shù)

在常溫下為固態(tài)、硬度也大。能夠制成合金，發(fā)揮金屬優(yōu)勢。缺點：輕易腐蝕、氧化，變破

舊。

加工工藝通常有：鑄造、鑄造、沖壓、飯金和焊接，

A、加工工藝舉例（沖壓）：

沖壓工藝及沖模設計影響及提升沖模壽命方法：

（1）冷沖壓用原材料影響。要做到：沖壓前應對原材料牌號、厚度、表面質量進行嚴格

檢驗還要確保材料表面質量和清潔。

（2）排樣和搭邊影響：排樣方法和搭邊值對模具壽命影響很大，無須要往復送料排樣法

和過小搭邊值往往是造成模具急劇磨損和凸凹模啃傷關鍵原因。

G）模具導向結構和導向精度影響：必需和可靠導向，對于減小丁作零件磨損，避免凸

凹模啃傷極為有效。

（4）模具幾何參數(shù)影響：凸凹模形狀、間隙和圓角半徑不僅對沖壓件成形影響極大，而

對模具磨損影響也很大。

B、模具材料影響：

模具材料性質及熱處理質量對模具壽命影響是影響模具壽命諸原因中最關鍵原因。

（1）模具熱加工和表面強化影響

（2）模具加工工藝影響：模具加工后模具表面粗糙度對模具壽命影響很大，所以要依

據(jù)制件情況，合理選擇加工工藝。

（3）壓力機精度和剛性影響

（4）模具使用、維護和保養(yǎng)影響

（5）正確使用、維護和保管模具是提升模具壽命關鍵方面。它包含模具正確安裝和調

整；注意保持模具清潔和合理潤滑；預防誤送料、上雙料；嚴格控制凸模進入凹模深度，控

制校正彎曲、整形等工序中上模下死點位置；立即打磨、拋光等。

D、對冷沖模具用鋼使用性能基礎要求：

（1）含有高硬度和強度，以確保模具在工作過程中抗壓、耐磨、不變形、抗粘合；

（2）含有高耐磨性，以確保模具在長久工作中，其形狀和尺寸公差在一定范圍內改變,

不因過分磨損而失效；

（3）含有足夠韌性，以預防模具在沖擊負荷下產(chǎn)生脆性斷裂；

（4）熱處理變形小，以確保模具在熱處理時不因過大變形而報廢；

（5）有較高熱硬性，以確保模具在高速沖壓或重負荷沖壓工序中不因溫度升高而軟化。

3、玻璃性質和加工工藝

玻璃種類：

（按組成份類）元素玻璃、氧化物玻璃。

（按用途分類）建筑玻璃、日用輕工玻璃、儀器玻璃、光學玻璃、電真空玻璃。

（按性能分類）光敏玻璃、聲光玻璃、高折射玻璃、反射玻璃、熱敏玻璃、耐高溫玻璃、

低膨脹玻璃、高絕緣玻璃、導電玻璃、半導體玻璃、耐火玻璃、耐酸玻璃。

玻璃關鍵成份：關鍵由以二氧化硅為主多種氧化物組成。

玻璃性質關鍵有：硬度大，一般玻璃易碎.破碎以后產(chǎn)生鋒利斷因為是非晶體.所

以沒有固定熔沸點。透光性好，不溶于水，耐腐蝕，化學性質穩(wěn)定，不耐高溫。

A、不一樣種類玻璃生產(chǎn)工藝特點：

（1）瓶罐玻璃通常均采取連續(xù)作業(yè)池窯生產(chǎn)，成形后，將瓶罐送入連續(xù)作業(yè)式退火爐

進行退火，再進行加工和增強處理。

（2）器皿玻璃組成要求：

含有使用要求熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性；易于熔制和澄清；符合成形方法要求粘度溫度曲

線；生產(chǎn)過程中不易析晶，

具體方法有：壓制法、壓吹法、離心澆注法。

（3）平板玻璃生產(chǎn)工藝特點：

窯內各項熱工制度很穩(wěn)定并易于調整，要求窯內溫度穩(wěn)定、窯壓穩(wěn)定，液面穩(wěn)定。浮法

生產(chǎn)工藝：在錫槽中進行成形。有槽垂直引上法工藝：利用槽子磚成形。壓延玻璃和夾絲玻

璃是利用水平連續(xù)壓延法，能大量生產(chǎn)。

（4）儀器玻璃：有良好化學穩(wěn)定性，關鍵表現(xiàn)為史酸、堿和水侵蝕抵御性好，對冷熱

急變抵御能力強，玻璃機械強度大，彈性好、脆性低、硬度高，使用溫度高。

（5）顏色玻璃：玻璃配合料加入著色劑經(jīng)熔制和熱處理后能夠得到多種不一樣色調顏

色玻璃。

B、玻璃深加工：

（1）冷加工：研磨、拋光、切割、噴砂、鉆孔和切削。

（2）熱加工：燒口、火拋光、火焰切割，或鉆孔、焊接。

（3）玻璃表面處理：

第一，形成玻璃光滑面或散光面，經(jīng)過表面處理控制玻璃表面凹凸；第二，改變玻璃表

面薄層組成，改善表面性質，以得到新性能；第三，進行表面涂層。

4、陶瓷性質和加工工藝

陶瓷性質：耐高溫、化學性質穩(wěn)定、耐腐蝕、硬度大，美觀、絕緣性好、導熱性差。不

含有可塑性，一旦成型就無法修改。含有不可改變性質。能夠長久保留。原料造價低廉，很

輕易獲取。

陶瓷是以粘土為關鍵原料，并和其它礦物原料經(jīng)過破碎、混合、成形、燒成等過程而制

得制品C

陶究關鍵加工工藝有：

（1）拉坯成型。

（2）注漿成型。

（3）旋壓成型。

（4）滾壓成型。

（5）壓制法成型。

（6）熱壓注成型。

（7）等靜壓成型。

下面以注漿成型為例，介紹陶瓷加工工藝：

注漿成型制備陶瓷：分為空心注漿和實心注漿?？招淖{適適用于澆注薄壁制品。

注漿成形關鍵依靠多孔模具脫水作用。實心注漿又稱雙面注漿，模型從兩面吸收泥漿中

水分，直到模心內腔吸滿為止，脫模后是一個實心物體。

強化注漿方法：

為縮短模型吸