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1、产品设计与材料及其工艺T613-8-22 罗眭炜指导老师：程炎明摘要：产品制造，无非就是通过合适的加工工艺，把合适的材料加工成所需要的形态，使其拥有一定的功能和美观的外形。因此工业设计师的工作，就是根据市场提出的功能需求，设计能满足其功能的产品造型，并选择合适的材料，设计合适的加工工艺，使得选择的材料能加工成形。归根结底，设计师就是要正确处理功能与形式、材料与工艺，以及市场的关系。关键词：产品设计，材料，工艺Manufacture Design Material and TechniqueT613-8-22 Luo SuiweiTeacher: Cheng YanmingAbstract: T
2、here process of producing manufacture is just turning appropriate materials into the configuration needed through right technique to make it useful and beautiful. So the tasks of industrial stylist are choosing appropriate materials right technique, and turning the materials to the manufacture to me
3、et the function people demand. That is to say, an industrial stylist should deal with function configuration material technique and market in right ways.Keywords: Manufacture Design, Material, Technique工业设计是指对以工业手段生产的产品所进行的规划与设计，它的主要工作包括：功能需求的确定，功能承载体即产品的形态的设计，产品材料的选择甚至改进，产品加工工艺的设计，产品外形的优化和美化等。所以，作为
4、一名工业设计师，必须了解各种常用的工程材料和成形工艺技术；此外，还应该有一定的人机工程、计算机、信息技术、市场经济等方面的知识和一定的艺术修养。满足刺激加工维持和影响维持和影响不能满足时开发确定开发选择确定设计刺激功能需求新型材料材料性能产品造型现有材料产品性能工业设计与材料有着极为重要而又密切的关系。工业设计的核心是功能，功能的承载体是产品，而材料是产品的造型要素。材料作为设计的物质基础，维持着产品的功能和形态，反过来也影响设计的结果。一般而言，工业设计与材料的关系可用下图来表示：设计好产品形态，确定好材料之后，就要设计一系列的加工工艺，使材料加工成产品。所以加工工艺是工业设计中结构形态设计
5、物化的的手段，任何产品，无论其功能和形态以及材料如何，都必须经过各种加工工艺制造出来。加工添加表面改性选择产品原基材料（经过表面预处理）表面材料加工工艺分为成形工艺和表面工艺：成形工艺是指利用工具改变原基材料的形态或性质，使其达到或者接近设计产品的形态或性质的工艺，它包括去除成形、添加成形和净尺寸成形；表面工艺是指经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或者多种表面技术复合处理，改变原基材料或已成形材料的表面性能的工艺。材料和加工工艺的关系可简单地表示为下图：由上可见，工业设计的主体工作就是根据市场提出的功能需求进行产品设计，然后根据所设计的产品选择合适的材料，再设计加工工艺把材料加工成产品。所
6、以要能选择合适的材添加加工添加加工表面改性表面改性成形加工选择设计产品原基材料（并表面预处理）成形材料表面材料最终成品料和加工工艺，不仅要了解有哪些常用的工程材料，还要了解各种材料的特性硅酸盐材料（传统陶瓷）：玻璃、水泥、陶瓷、耐火材料新型材料（特种陶瓷）：除外其他氧化物、碳化物、氮化物材料有色金属黑色金属金属材料工程材料塑料合成橡胶合成纤维陶瓷材料高分子材料复合材料轻有色金属：铝、镁等重有色金属：铜、铅等稀有金属：稀土等铸铁碳素钢合金钢和加工方法。目前常用的工程材料有：金属材料是现代制造业中最主要的材料，因为它的物理性能、化学性能、力学性能和工艺性能等综合性能比其他材料优越：l 金属的高强度
7、、高硬度和一定的韧性，使得它成为许多需要承受较大外力负荷的机器零部件及机身或壳体的首选。l 金属具有导电性，所以常被用来制成导电线。l 许多金属具有导磁性，电机的定子和转子就是金属材料；金属还是电磁设备的必需材料。l 金属的表面具有特殊光泽，所以金属还常被选作艺术铸件等艺术装饰品的材料。l 一些惰性金属或金属氧化物除了具有美观的光泽外，还具有防氧化、防氯化、防酸碱腐蚀等稳定的化学性质，所以金属还常用做电镀材料和有特殊化学性能要求的产品外壳。金属材料中运用得最广泛的是钢铁材料，它的主要组成元素是铁和碳，故称铁碳合金，并且当碳的质量分数大于2.11%时为铁，小于2.11%时为钢。钢又可根据碳的质量
8、分数不同分为共析钢（=0.77%）、亚共析钢（0.77%）。钢铁材料通常使用的成形工艺有铸造成形、锻压成形、切削成形、连接成形等；常用的表面工艺有清洗、除锈、电镀等。值得提出的是，绝大多数的钢铁材料须要经过热处理之后，才能获得所需的组织结构和性能，从而改善其力学性能的操作工艺，才能大到设计所需的产品材料、造型、和性能要求。常用的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火和表面热处理等。退火和正火均可以消除或改善在锻造、铸造、压制、焊接加工中形成的缺陷和组织（如形变、断裂、硬度不均等），提高材料的强度、塑性和韧性。淬火的目的是提高钢的强度和硬度，增加耐磨性，并通过回火可以获得既有较高的强度、硬度，又有一
9、定弹性、韧性的具有优良综合力学性能的工件。回火可以或消除工件在淬火时生的内应力，降低淬火钢的脆性，使工件获得良好的强度、韧性、塑性、弹性等综合力学性能。表面热处理的目的是在保证原材料原有的韧性下，使工件表面层坚硬耐磨。设计师在选择钢铁材料作为产品材料时，应根据设计产品的造型和性能要求，选择合适的钢铁种类和热处理工艺、成形工艺、表面工艺。并要根据钢铁材料性质和加工工艺的特点，修正和改善设计产品的造型（比如转角处设计成圆角可以使壁厚均匀而消除内应力，防止裂纹、缩孔等缺陷）。此外，常用的金属材料还有铜及其合金材料，铝及其合金材料。且不同金属材料的加工工艺不同，加工工艺要因材料而异。尽管金属材料有许多
10、优良的物理性能和化学性能，并且加工工艺成熟，但在有些领域具有局限性，比如许多日用品要求具有极高的韧性或者极低的比重、工业上很多材料需要绝缘隔热等。金属材料很难达到这些要求，而许多非金属材料在这些领域大显神威。因此在工业设计中也常常选择非金属材料作为设计产品的材料。非金属材料主要包括塑料、木材、陶瓷、橡胶等。塑料是日常生活和工业生产中随处可见的材料，应用非常广泛：家用电器外壳、器皿、塑料袋等，工业上各种罩壳、首轮、手柄、轻载齿轮、涡轮、干摩擦轴承轴套丝杠螺母、密封件等，户外灯箱海报塑料应用广泛的重要原因之一是成型工艺优良，尤其是热塑性塑料，可以一次成型就能获得造型复杂且具有一定尺寸精度的塑料制品
11、。塑料成型通常有以下几种工艺：l 注射成型：将塑料加在注射机的加热料筒内，待受热熔融后，在注射的螺杆或活塞推动下，经喷嘴和模具的浇注系统进入模具型腔，塑料在模具型腔内硬化定型。l 挤出成型：加压使流动态的塑料通过特殊形状的口模而形成截面与口模形状相仿的连续体，再利用合适的方法是挤出的连续体失去塑性状态而成为固体。l 压制成型：将粉状、粒状或纤维状等塑料放入成型温度下的模具腔中，然后闭模加压而使其成型并固化。l 此外还有浇注成型、压延成型、热成型、吹塑成型等。尽管塑料作为常用材料，其加工工艺优良，但由于其塑料强度低、内部结构不够整齐稳定等缺点，以及其独特的成型工艺，因此在塑料制品造型设计应注意以
12、下几点：l 起模斜度一般在202之间，应在满足制品尺寸公差要求的前提下，尽量取得大一些。制品收缩率大起模斜度大；制品壁厚起模斜度大；制品尺寸大起模斜度小；制品精度要求高起模斜度小。l 壁厚要均匀，且在满足制品强度和刚度的前提下，壁厚尽量设计得较薄。对于壁厚较厚的地方可挖孔，不同壁厚比列不应超过1:3。l 当制品需要一个支撑面时，应采用突边、底脚等结构来代替整个平面来作为支撑面。l 制品中所以转折处应设计成圆角，以避免制品应力集中。l 孔的设计应避开制品薄弱处，且孔与孔之间、孔与壁之间应留有足够的距离。l 为了减小制品壁厚却不降低其强度和刚度，防止制品翘曲变形，可在制品上设计加强肋。加强肋还可以
13、降低冲模阻力。其设计原则有1. 肋厚小于壁厚；2. 使用高度低、数量多的肋，而避免较高的单一加强肋；3. 当加强肋较多时，其分布排列相互错开，避免收缩不均而破裂。l 为了增强塑料制品局部硬度、强度、耐磨性、导磁导电性，增加塑件的尺寸和形状的稳定性、提高精度，同时降低塑料消耗，可在塑料制品上设计嵌件。其设计原则有以下4点：1. 嵌件尽量采用圆角或者对称形状；2. 嵌件周围壁厚足够大；3. 金属嵌件嵌入部分的周围应倒角；4. 嵌件自由伸出部分长度不宜超过其定位部分直径的2倍，超过则应在模具上设置支柱。木材作为一种天然材料，从古至今被广泛应用，尤其是在建筑业，因为木材有它的优势：一是取材方便且广泛；
14、二是加工工艺简单，简单的切削、连接和涂装工艺就可以把木材加工成型；三是具有天然的色泽和美丽的花纹，使得木材产品能具有自然或者高雅等多种不同风格的审美效果；四是绝缘绝热，安全性能高。不过木材也有它的缺陷：一是树木在生长过程中产生的节子、变色、腐朽、虫害、裂纹和弯曲等自身缺陷；二是木材的回收再利用率低。选择木材作为设计产品的材料时，应该注意选择合适的木材：作为承重构件时应选用强度高、胀缩性小、耐腐蚀的针叶树木材（如红松、杉木、银杏等）；作为家具或胶合板时应选用强度高、比重大、纹理美的阔叶树木材（如白桦、紫檀、乌木等）；需要高韧性和高弹性而硬度要求低的木材时则可选用竹材。陶瓷和橡胶在产品造型上的应用
15、也很广泛，尤其是工业陶瓷，常把它和金属、工程塑料作为工业产品造型的三大材料。陶瓷有这些性质：高熔点、高硬度、高刚度、低韧性，化学性能稳定，耐高温、耐腐蚀、耐磨损，绝缘性良好。其成型方法有可塑法、注浆法、压制法、单晶培育法、熔化凝固法、结晶化方法等。橡胶最大的特点是韧性大，弹性模量小而伸长率高，因此是一种优良的储能材料。也因为这一点，橡胶不既不能粉碎成粉末，也不能单纯靠热导流动状态成形，所以橡胶成形需要特殊工艺。须要经过混炼和压延之后才能加工成形，并且须要硫化处理，使橡胶具有足够的强度、耐久性以及抗剪切和其他形变能力，减少橡胶可塑性。随着材料科学的进步，现有材料性能不断改善，同时也涌现出各种新型材料，以满足人们不断增长的物质功能需求。所以作为一名工业设计师，不能只满足于了解现有的材料，而应关注材料的新特性和新材料，以及想对应的加工工艺，才能使自己设计的产品与时具进，占有市场。参考文献1 徐人平.工业设计工程基础.机械工业出版社.20072 阮宝湘.工业设计机械基础.北京理工大学3 高炳学.设计材料及加工工艺.北京理工大学4 王虹.产品设计.上海人民美术出版社.20035 盛建平.造型设计实践.中国轻工业出版社.2007