产品造型材料与工艺-第一讲1

产品造型设计材料与工艺

一个有吸引力的工业设计能使其在众多产品中显露出来，它具有与众不同的符号体系，使消费者在购买时很容易辨认出自己所钟意的产品。

——美的工业设计公司董事长兼总经理/李锦魁本门课程的重要性材料和工艺是产品造型设计的物质技术条件，是产品设计得以实现的桥梁如何选用材料及其造型工艺，使其性能特点与加工特点相一致，最终实现设计的目标和要求？学习这门课程的目的？

学会根据产品造型设计的目的和要求，灵活地利用各种材料的内在功能和表面特征，合理地选择材料和加工工艺，设计出功能好、性能高、款式新颖的产品！为什么学习本课程？设计构思的基础设计创新的法宝你们觉得什么样的材料能做出这样的产品？招聘说明：高级工业设计师4人

1、工业设计专业大专以上学历；

2、1年以上工业设计工作经验（有家电设计经历者优先）；

3、有超强的手绘功底、熟练运用二维软件，三维建模与渲染软件；

4、有很强的责任心和职业精神，做事认真负责，积极进取，善于沟通，具备一定的管理能力和沟通能力；

5、对产品结构、材料和加工工艺有深入了解。3.工作的需要重点、难点重点金属和非金属常用造型材料的特点和工艺难点如何充分利用造型材料及其成型工艺，实现完美的造型设计特别是造型结构的合理性、可加性、材料的合理性

第一节天然物质形态与人造物质形态

第二节设计的非物质性与物化意识

第三节材料与设计

第四节材料的分类

第五节材料的一般性质

第六节设计材料应具有的特性

第七节材料科学技术的发展

第一章

概论第一章

概论第一节天然物质形态与人造物质形态

第二节设计的非物质性与物化意识材料的定义材料(广义)：指人的思想意识之外的所有物质材料(狭义)：指工业生产加工所使用的物质材料的基本属性：必须有恰当的性能可用于满足人类生产和生活的某一特定需要须有加工和利用的可能性必须有某种经济性材料的五个发展阶段

一、使用纯天然材料的初级阶段(旧石器时代)

使用天然材料，如：兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等。二、人类单纯利用火制造材料的阶段

距今约1万年前—20世纪初至今（横跨新石器时代、铜器时代和铁器时代）代表性的三大人造材料:陶、铜、铁材料的五个发展阶段三、利用物理和化学原理合成材料的阶段（20世纪初，以合成高分子材料的出现标志）合成高分子材料（合成塑料、合成纤维及合成橡胶等）功能高分子材料（经辐射的高分子聚合物）合金材料（铁碳合金、铝合金、铜合金等）无机非金属材料（陶瓷材料）超导材料、半导体材料、光纤材料、人造金刚石、立方氮化棚、金属氢等高性能结构材料和功能材料（不锈钢、铁合金、超耐热钢、超硬合金、压电材料、铁电材料、热电材料、光电材料、激光材料、磁光材料、声光材料等）材料的五个发展阶段四、材料的复合化阶段（20世纪50年代，以金属陶瓷材料的出现为标志）

金属陶瓷（金属与陶瓷的复合材料）玻璃钢（玻璃纤维与高分子材料的复合材料）铝塑薄膜

在高真空状态下将铝蒸发到各种基膜上的一种薄膜产品

梯度功能材料（组成、结构、性能随材料的空间位置而连续变化的材料）抗菌材料

如：塑料玩具用抗菌材料、纺织品等梯度功能材料一般复合材料的整体材料性能是同一的，但有时希望同一件材料两侧具有不同的性质或功能，且两侧结合完美，不至于在苛刻的条件下因性能不匹配发生破坏例如超音速燃烧冲压式发动机，燃烧气体的温度超过2000℃；燃烧室壁另一侧要经受燃料液氢的冷却，温度－200℃左右。将金属和陶瓷联合使用，陶瓷对付高温，金属对付低温。但将金属和陶瓷结合时，由于二者的界面热力学特性匹配不好，在极大的热应力下还会被破坏。1984年平井敏雄提出梯度功能材料：通过连续地改变两种材料的组成和结构，使其内部界面消失，得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料。对上述的燃烧室壁，在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化，使两种材料之间不出现界面，从而使整体材料耐热应力强、机械强度好。材料的五个发展阶段五、材料的智能化阶段形状记忆合金感温磁钢光致变色玻璃热致变色玻璃智能混凝土等形状记忆合金1963年，美国海军军械研究室试验中需要镍钛合金丝，领回来的是弯曲的，为使用方便进行拉直后续试验中：当温度升到一定值的时候，拉得笔直的合金丝，魔术般地迅速恢复到原状，且丝毫不差。只要达到一定温度，便立即恢复到原样。好像在从前被“冻”得失去知觉时被人们改变了形状，当温度升高到一定值，“苏醒”，又“记忆”起原样，便恢复面目。形状记忆合金不仅单次“记忆”能力几乎可达百分之百，即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂享有“永不忘本”、“百折不挠”等美誉，被比作一个人永不变节、坚贞不屈的精神和气节1969年7月20日，乘坐“阿波罗-11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下第一个人类脚印，这位勇士从月宫里传回富于哲理的声音：“对我个人来说，这只是迈出的一小步；但对全人类来说，这是跨了一大步”阿姆斯特朗当时的图像和声音通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面形状记忆合金形状记忆合金眼睛架如何在设计运用形状记忆合金？形状记忆合金还可以用作消防报警装置及电器设备的保险开关装置

感温磁钢温度特性：在常温状态下，为铁磁物质，能够吸引硬磁，当温度升高到某一限界时，其磁性消失。此转变温度称为居里点。居里点随着软磁材料的成分而变化应用：电饭煲的控制温度103℃，在饭熟后断电，断电后不能自动复位第三节材料与设计翻开人类进化史，我们不难发现，材料的开发、使用和完善贯穿其始终。人类从石器时代、陶器时代、铜器时代、铁器时代步入当代的人工合成材料时代，材料早已成为人类赖以生存和生活中不可缺少的重要部分，它是人类文明和时代进步的标志，是社会科学技术发展水平的标志。材料与设计材料及工艺是产品设计的物质技术条件，是产品设计的基础和前提。设计通过材料及工艺转化成实体产品，材料及工艺通过设计实现其自身的价值。

材料特性影响产品设计。维持产品形态满足产品功能要求产品设计只有选用材料的性能特点及其加工工艺性能相一致，才能实现设计的目的和要求。材料与设计新材料、新工艺为设计的可行性创造条件，对设计提出要求，给设计带来飞跃，出现新的设计风格，产生新的功能、新的结构和新的形态。新的设计构思也要求材料与工艺来实现。这对材料及工艺提出了新的要求，促进了材料科学的发展和工艺技术的改进与创新。材料与设计以家具中的椅子为例，可以看出椅子设计造型的变化与发展和椅子材料的应用与发展是相辅相成、相互影响、相互促进和相互制约的。明代家具----圈椅材料与设计在现代设计发展的进程中，设计师们在材料的运用上给我们留下了丰富的宝贵经验。自18世纪欧洲工业革命以来，随着科学技术的发展，出现了各类新材料、新工艺，给家具造型带来了新的生命

瓦西里椅材料与设计20世纪三四十年代以后，

由于合成树脂的迅速发展和高频胶合技术的应用，产生了一种新的椅子形态——胶合板椅，它改变了原有木材的特性，其结构、强度等均发生了变化，赋予椅子新的造型风格。胶合板椅材料与设计新的合金技术和合成化学技术也为椅子提供了各类高性能的轻质合金材料及高分子聚合材料，这一系列材料的问世，为椅子造型设计开辟了更广阔的领域。

S形塑料椅

材料与设计用乙烯基布缝制成一个锥状袋子，内装颗粒状聚苯乙烯泡沫球，此款布袋椅完全抛弃了家具设计的结构，适宜使用者所采取的各种坐姿。Sacco椅材料与设计各种新材料、新工艺的出现，给椅子造型带来了新的生机，为椅子造型设计提供了更多的造型方法和手段，产生了完全崭新的造型风格。图1-6玻璃椅子

材料与设计材料的不同，必然带来设计的不同，新的材料会产生新的设计，产生新的造型形式，给人们带来新的感受。

图1-7充气椅子学设计应当了解材料与工艺拿到设计项目后，需要想象和逐步形成将被加工产品的外形。有了良好的材料与工艺的知识基础后，就可以提出一系列可能的设计方案，又能在一定程度上确信它们是可被加工的。设计与工程需要协作社会分工不同产品设计评审中，要进行可制造性的讨论。设计师要有精神准备去维护设计方案的合理性。在设计过程中，与工程人员有必要进行沟通和协作。设计师必须了解材料及加工的知识。

从设计到产品天敏子弹头摄像头从最初的设计到形成产品都经过了哪些环节？？出色的摄像头不仅需要有出色的效果，同样，也要有吸引人的外观。成功的外观设计，需要出色的设计理念，但要把将这理念在具体实物体现出来，又需要精湛的工艺。天敏子弹头摄像头J-CAM

设计

外观设计

天敏子弹头的设计草图手画草图，将自己的的想法粗略地在纸上体现，画出简易的大体外观。

在ID小组讨论后决定后，用Rhino犀牛工业造型软件先画几个三维的外观效果图，经讨论大致确认后，把这个粗略的外观图纸文件送去打版中心进行CNC三维雕刻打“手版”，然后对实体模型进行评审，然后会根据模型计师进行不断的修改，这个过程是要将摄像头的最后所要实现的外观确认。外观打样后，即进行结构论证和设计工作，一般使用软件，结构设计。设计材料、模具应如何设计、出模方式等，需要跟模具设计师做大量的讨论沟通，也要做很多的样版来做试验。在结构设计阶段，需要丰富的模具知识，跟模具设计师的大量沟通天敏子弹头三维外观效果图具体的内部尺寸确定，那时设计师就可以将PCB板的尺寸给硬件工程师，在设计同时，PCB的设计从现在开始也在同步地进行，相互之间也要做大量的沟通，有时为了争一点点空间，相互争个面红耳赤。外观设计

为了检查结构尺寸和PCB板的配合，还要做结构手板，经过检测，如果外观有问题或者内部结构与PCB板不合，再进行修改。修改外观其实是一个反复的过程，直到所有的设计达到最好的配合，最终确定模具，才正式开始交PRO-E图纸给专业的模具厂制造模具。从外观到结构，这个设计的时间最长，不确定的因素也很多，通常要两三个月，之后就快起来了。设计外观设计

设计外观设计

外观设计的工序：•

灵感：手绘草图确认大体外观•

实践：软件pro-e或犀牛等画出大致外观•

初期颜色确定：用3DMAX进行渲染•

用pro-e做出内部的结构，实现外观所需要的•

做手版，目的：确认外观、检查结构与PCB配合•

修改结构图•

制造模具（大约30天）设计

PCB板设计

设计PCB板外观的内部结构确定的同时，硬件工程师就可以根据所给的内部结构尺寸，绘制原理图。首先是确定方案，因为摄像头有多种方案可以选择，所以就首先要确定好方案。然后才能用POWERPCB软件，开始绘制原理图。原理图绘制好后，将其转换成网表，再在POWERPCB里面把网表导入POWERPCB，制作成PCB文件。然后开始绘制PCB板边框，将模具所要求一些固定的位置譬如定位孔、灯、电源插座的位置最先确定下来。再对PCB板进行布局、布线。布局主要是保障大功率元件要互相隔远点，滤波电容要和其对应的IC管脚挨近点等；布线主要考虑的是：电源和地线尽量粗，容易受干扰的线要注意保护等。

设计

PCB板设计

然后就是整理BOM（BillofMaterial物料清单）表，根据原理图，看有没遗落以及多出元件。检查无误后,就可以发手板了。手板的制造有一定的时间，制作完后,再返回给硬件工程师进行贴元件、调试。调试就是看效果如何，如果效果不满意，就继续进行修改，调试，反复达到最好效果。设计

PCB板设计

大体的设计流程：1.确定方案.2.根据方案绘制原理图3.将原理图导成PCB文件4.绘制PCB边框,及其模具所要求的固定位置.5.对PCB板进行布局,布线.6.整理BOM表7.检查无误后,发手板.8.手板打回后,贴元件,然后调试.9.调试无误后,开始生产材料在设计中的作用材料科技与制造技术的发展，使产品设计的内涵不断外延。过去工业设计师更多被束缚于产品的功能和内在因素，很多创意变为空想无法实现。如今这种状况被彻底改变，材料激发了设计师的无限创意。例如，塑料材料的诞生产品设计的进步史，也是材料的发展史从木材、陶瓷到金属、玻璃和塑料，材料的不断创新实现着人们对于产品的种种梦想，材料的魅力是无穷的材料是设计的载体，设计是材料的体现“巧妇难为无米之炊”；如厨师要了解食材及其加工方法产品的功能、形体和外观与材料的质地、感官、性能及成型工艺关系密切材料的感官效果；材料的力学、物理、化学性能；材料的加工工艺与性能；材料的改性和表面处理；造型设计要与材料的性能特点及其加工工艺相一致，才能实现设计的目的和要求。

材料、工艺、设计三者间的关系材料、设计和工艺——密不可分创新是工业设计的灵魂，新材料、新工艺和新技术正是为产品的创新设计开辟新天地！设计离不开对材料的认识和制造成型过程的了解设计如何兼顾：实用性、科学性、艺术性、经济性？如明式家具与现代板式家具设计师必须注重材料的性能特点、实用价值与审美价值，达到功能和形式的统一如塑料儿童餐具要设计出好的产品，必须使材料在制成物和作用于人的过程中，真正做到“料尽其材，物尽其用”

第四节材料的分类

按材料的发展历史分

天然材料加工材料合成材料复合材料智能材料或应变材料按材料的物理状态分类气体、液体、固体（物质在常温下存在的三大类状态）

材料的分类按材料用途分类机械加工材料；建筑材料；电工材料；结构材料；电子材料；研磨材料；光学材料；耐火材料；感光材料；耐腐蚀材料；包装材料等等按材料的化学组成分类金属材料无机非金属材料：陶瓷、玻璃等有机高分子材料：塑料、橡胶等复合材料：以前三种材料为组分经人工复合而成。如玻璃钢、树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、功能复合材料等。—物理化学性能1.密度：材料在绝对密实的状态下单位体积的质量

式中：m—干燥材料的质量（kg）；V—材料在绝对密实状态下的体积（m3）2.熔点(单位：℃)纯金属由固态转变为液态时的温度

有些非金属材料没有明显的熔点（如：高分子材料、热固性树脂、陶瓷材料等）

第五节材料的基本性质3.比热容（单位：J/(kg-K)）

将1kg重的材料温度升高1℃所需要的热量。4．热导率(导热系数)（单位；W/(m·K)）

材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的性质称为导热性。由热导率或导热系数表示。—物理化学性能第五节材料的基本性质5.热膨胀系数

材料由于温度上升或下降会出现膨胀或收缩。

线膨胀系数——

材料上两点之间的单位距离在温度升高1℃时的变化称为线膨胀系数（单位：1∕℃）

线膨胀系数的比较：高分子材料﹥金属材料﹥陶瓷材料体膨胀系数——材料由于温度变化出现膨胀或收缩按体积计算时，称体膨胀系数。一般可概略看作线膨胀系数的3倍。—物理化学性能第五节材料的一般性质—物理化学性能第五节材料的一般性质6.其他需要考虑的性能：包括导电性、磁性、耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性、亲水性、吸水性、耐水性、抗渗性、耐热性、耐燃性、耐火性、耐久性等等。强度

材料在静载荷(外力)作用下抵抗塑性变形和破坏作用的能力，包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。屈服强度：抗拉强度：

—力学性能第五节材料的一般性质弹性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍能完全恢复其原来形状的性能弹性极限材料在弹性变形范围内所能承受的最大应力弹性模量材料承受外力时抵抗弹性变形的能力，衡量材料的刚度—力学性能第五节材料的一般性质塑性材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍保持外力作用时的形状而不破裂的性能。材料的塑性指标：断面收缩率

:

伸长率：

—力学性能第五节材料的一般性质脆性

材料在受外力作用达到一定限度时，无明显变形而突然破坏的性质韧性

材料在冲击载荷或震动载荷作用下，能承受很大变形而不破坏的能力，也称冲击韧性疲劳强度指金属材料承受无限次交变载荷而不发生断裂破坏的最大应力—力学性能第五节材料的一般性质硬度

——材料抵抗其他物体压入自身表面的能力，反映材料局部塑性变形的能力金属材料的硬度：

布氏硬度（HB）洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)

维氏硬度(HV)—力学性能第五节材料的一般性质布氏硬度试验原理：

用载荷为P的力，把直径为d的钢球压入金属表面，保持一定时间后去除载荷，测量钢球在金属表面上留有的圆形压痕的直径d，并以此求出压痕面积AB，并以P/AB作为布氏硬度的值。即：HB=P/AB

布氏硬度试验原理布氏硬度试验机洛氏硬度试验原理：

方法与上相同，不同的是，用测量压痕凹陷深度来表示应度值。有三种试验规范：HRA、HRC（金刚石圆锥压头）、HRB（钢球）洛氏硬度试验原理(测量过程)洛氏硬度机维氏硬度试验原理：

方法与布氏硬度相同，区别在于使用的压头形状为锥面夹角为136°的金刚石四楞锥。铸造性可锻性切削加工性焊接性热处理工艺性第五节材料的一般性质

——材料的工艺性能第六节造型材料应具有的特性1.感觉物性

指人的感觉器官对材料作出的综合印象,包括人的感觉系统对因材料所给与的生理剌激所作出的反映。

如何合理运用不同材料的感觉物性赋予产品造型新的特色？如何利用材料的感觉物性2.环境耐候性

指所选用材料对环境条件和自然因素的变化，以及周围介质可能的破坏作用的耐受和抵抗能力。这种能力越强越好。影响耐侯性的常见因素：

物理因素日、风、雨、潮、高温、冰冻等；化学因素酸、碱、腐蚀性微量元素等第六节造型材料应具有的特性3.加工成型性

材料通过加工而获得所需产品形状的难易程度。

容易加工和成型的材料是设计的最佳选材，也是衡量选材好坏的重要因素之一。不同材料的加工成型方法不同：金属

加工工艺性能优良,具有切削加工性（车、钻、锤、磨、铣、刨等）；热加工成型（铸造、锤锻、轧制、拉拔、挤压等）。木材

一种优良的造型材料,用途极广。可切削加工（锯、刨、打孔、组合等），可压制成型；塑料可塑性极好，可以在较低温度条件下加工成型（注射、挤压、模压、浇铸、缠绕、烧结、真空成型、吹塑