造型材料与工艺第五章 产品设计中的材料选择和开发

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1、第五章 产品设计中的 材料选择和开发产品设计中的材料选择和开发n5.1 设计材料的选用n5.2 材料工程的发展n5.3 设计材料的开发5.1 设计材料的选用n5.1.1 选择原则n1、材料的外观：考虑材料的感觉特性。根 据产品的造型特点、民族风格、区域特征， 选择不同质感、不同风格的材料。n2、材料的固有特性：材料的固有特性应满 足产品功能、使用环境、作业条件和环境保 护的需要 5.1 设计材料的选用n3、材料的工艺性：材料应具有良好的工艺 性能，符合造型设计中成型工艺和表面处理 的要求，应与加工设备及生产技术相适应。n4、材料的生产成本及环境因素：在满足设 计要求的基础上，尽量降低成本，选用

2、资源 丰富、价格低廉、有利于生态环境保护的材 料。 n5、材料的创新：新材料的出现为产品设计 提供更广阔的前提，满足产品设计的要求 5.1 设计材料的选用n5.1.2 影响材料选择的基本因素n(1)功能n无论怎样的产品，都必须首先考虑产品应具 有怎样的功能和所期望的使用寿命。这样的 考虑必定会在选用何种材料更合适方面做出 总的指导。 5.1 设计材料的选用n5.1.2 影响材料选择的基本因素n(2)基本结构要求n如何综合平衡设计中对产品的功能、人机工 程学和美学方面的要求， 以及针对批量生 产特点的机械结构、加工工艺难点和由此产 生的成本问题等加以解决，已成为材料选择 中的主要问题。 5.1

3、设计材料的选用n5.1.2 影响材料选择的基本因素n(3)外观n就产品的表面效果来看，材料还影响着表面 的自然光泽、反射率与纹理，影响着所能采 用的表面装饰材料和方式，影响着装饰的外 观效果和在使用期限内的恶化程度与速度。 至于造型所采取的制造工艺与手段，如浇铸 、模铸、冲压、弯折或切削等也在很大程度 上依赖于所采用的材料。 5.1 设计材料的选用n5.1.2 影响材料选择的基本因素n(4)安全性n材料的选择应按照有关的标准选用，并充分 考虑各种可能预见的危险。n例如医院的某些电疗设备中与病人接触的部 位，其表面应选择绝缘且抗静电的材料；在 设备较暴露的位置若配置普通的平板玻璃， 就易于碰撞碎

4、裂而造成人员伤亡；在设备内 部若选用易于泛潮的塑料轴承，就会因隐匿 着腐蚀的危险性造成质量恶化而导致至关重 要的控制件失灵。5.1 设计材料的选用n5.1.2 影响材料选择的基本因素n(5)控制件n 控制件对材料的选择也有其特殊的需求。 例如，操纵键盘的材料应具有恰当的接触摩 擦性和冲击回弹性，以保证可靠操作和手感 舒适；用作控制面板的材料应选择反射率较 低并易于在其表面形成图样符号或易于贴附 图样符号的材料制作，以减少眩光和便于指 示控制动作。 5.1 设计材料的选用n 5.1.2 影响材料选择的基本因素n(6)抗腐蚀性n 抗腐蚀性影响着产品的操作、外观、寿命 和维护。在直接涉及人身安全的场

5、合，则必 须通过材料的选择来防止危险的腐蚀。例如 ，为了保证维修、测试、操作过程的安全， 对设备中必须具备的升降机或其他必须保证 生命安全的设备，其材料的选择就应该以保 证安全为前提。 5.1 设计材料的选用n 5.1.2 影响材料选择的基本因素n(7)市场n设计者必须对未来可能使用自己所设计产品 的消费者进行调研。如果可能，应尽量使自 己的产品达到或超出消费者所期望的程度。 5.1 设计材料的选用n5.1.2 影响材料选择的基本因素n(7)市场n消费者对某些产品所选用的材料还受到传统 习惯的束缚，在一定时间内未必会被消费者 接受。n问题在于当我们选择新材料替代传统材料时 ，如何在造型设计上、

6、在广告宣传上设法让 消费者能够更快地适应和接受。 52材料工程的发展n图51为材料科学与工程领域研究的四 大主题及其相互关系，其中，“应用需求” 提供了本学科与社会交互作用的通道， 经由这一通道，社会向材料工作者提供 需求信息，材料工作者向社会提供能满 足需求的材料或材料产品 52材料工程的发展52材料工程的发展n“合成与加工”与社会存在着一定的相互作 用，这主要体现在对环境的影响方面。n例如，加工过程中污染物的排放、能耗 大小等；“材料结构成分”主要研究材料内 部的化学成分、晶体结构、显微结构、 复合结构的成因，以及这些结构对性能 的影响；“材料性能”主要研究性能的评价 方法、测试方法及影响

7、因素 52材料工程的发展n 1、新构思、新观念不断涌现，成为此 领域迅速发展的强大推力。 n例如，材料低维化，由三维块体材料向二维 薄膜材料、一维纤维材料、零维原子簇和纳 米粉体材料发展；材料复合化，包括纤维复 合、颗粒复合、纳米复合、原位复合等；材 料仿生化，师法自然可以做到结构仿生(形 似)和功能仿生(神似)；材料智能化，集传感 、执行功能为一体；材料绿色化，积极探索 废弃材料的二次利用，大力发展绿色材料。 52材料工程的发展n2、营造特殊环境，利用极端手段，制备 特殊材料，获取特殊性能。n例如，在微重力条件下制备超纯晶体材料、 特殊自润滑材料、优良磁性材料和超导材料 等；在高温、高压条件

8、下合成金刚石、氧化 物和非氧化物超硬材料；在快速冷却条件下 生产非晶态材料、微晶材料和纳米材料；在 自蔓延条件下合成各类金属间化台物、梯度 材料；在激光束、电子束、离子束作用下制 备各类非平衡材料、实施材料表面改性。 52材料工程的发展n3、强烈依赖其它高新技术，材料领域成 为其它高新技术综合应用的实验地n当今新材料的合成和制备大多在高温、高真 空、特殊气氛等非平衡环境中进行。20世纪 80年代后期纳米器件的发现就是综合应用激 光技术、高真空技术和精细测试技术的范例 ，发现者因此于1996年获得诺贝尔奖 52材料工程的发展n4、经济实力成为制约材料领域发展速度 、深度和广度的关键因素。n20世

9、90年代，美国每年用于材料研制和开发 的费用均为数十亿美元；日本、美国、德国 、法国等发达国家先后制定了材料资助项目 ，对新材料研制和开发给予了高度重视。各 国都希望材料这块“基石”更加牢固，以便在 这块“基石”上建筑更加雄伟的人类文明大厦 。 53设计材料的开发n材料的开发经历从基础研究到应用再到 实用的过程。n对于新材料的发现和研制，材料开发循 环过程为：功能需求分析-确定性能指标 -确定材料体系和加工方法-材料成分设 计和工艺参数优化-性能评价-应用-产 品失效分析，然后进入下一轮循环，直 至达到预定要求。 53设计材料的开发53设计材料的开发n531 新材料 n新材料是指采用新工艺、新

10、技术合成的具有 各种特殊机能(光、电、声、磁、力、超导 、超塑等)或者比传统材料在性能上有重大 突破(如超强、超硬、耐高温等)的一类材料 。 53设计材料的开发n新材料发展的标志n引起生产力的大发展，推动社会进步 。从石器、陶瓷器、青铜、铸铁、钢、 塑料到各种新材料的出现，均标志着一 个相应经济发展的历史时期。例如，单 晶硅的问世，导致以计算机为主体的微 电子工业的迅猛发展；光导纤维的出现 ，使整个通讯业起了质的变化。 53设计材料的开发n根据需要设计新材料，一改以往根据 产品功能来选择材料的方式，而是建立 一种由材料来设计产品的新观念。n这种材料设计可以从组成、结构和工艺来实 现设计产品的观

11、念。更重要的一点是：一种 新材料已经不是只具有某一单一功能，在一 定条件下可能具有多种功能，从而使材料为 高新技术产品的智能化、微型化提供基础。 53设计材料的开发n532 新材料对产品造型设计的影响 和作用 n在产品进一步电子化、集成化和小型化的 趋势下，新材料的使用有可能突破传统结构 ，甚至还可能引起一场材料与技术的革命， 产生新的产品设计风格。因此，设计工作应 与新材料开发建立一种互相融合的关系。 53设计材料的开发n532 新材料对产品造型设计的 影响和作用n产品外观形象要具有未来性。新材料的使 用，不仅对产品外观可以起到新颖美观独特 的装饰作用，使设计本身变得更简洁、合理 ，更具时代

12、感。53设计材料的开发n532 新材料对产品造型设计的 影响和作用n材料在与功能相适应的同时，还要有良好 的触觉质感和更好的可操作性。通过新材料 的使用，设计应最大限度地赋予产品新的魅 力。n设计应进一步开发传统材料，使之在现代 生活中具有新的意义。53设计材料的开发n533 新材料的开发方向n过去，由于材料种类的稀少，材料与制品的 对应关系都是相对固定的，在设计中改变性 质、重新组合使用材料、改变材料用途的可 能性极小。n因此材料的开发成为现今材料科学的主要任 务。当今在新技术的驱动下，运用具有新的 组合方式、新的形态和新的性质的各种材料 进行新制品的开发会产生令人振奋的效果。 53设计材料

13、的开发n图53所示的幼儿餐具，其把柄材料采 用 具有“形状记忆”功能的材料，能与各 种手形自动吻合，可任意适合左右手， 还可以根据不同人的手指、握力等任意 改变其形状，以最佳形态适合不同手的 把握。 53设计材料的开发53设计材料的开发n一般认为，新材料的研究与开发主要包 括四方面的内容n新材料的发现或研制。n已知材料新功能、新性质的发现和应 用。n已知材料功能、性质的改善。n新材料评价技术的开发。 53设计材料的开发n可以看出，新材料的研究与开发主要围 绕着材料本身的功能和性质这一主题。n但是，一种新材料的出现是否对人类文 明产生深刻影响，是否能满足人类生活 的需求，仅仅考虑上述问题则不够，

14、还 必须考虑新材料的产业化、产品化，这 样才能使人们享受到实惠，对人类文明 产生促进作用。 53设计材料的开发n 1 基础材科的开发 n基础材料是指金属、木材、玻璃、陶瓷、塑 料等常见材料。这些材料由于其特性的限制 ，不能在更多的领域中应用。n因此新材料的开发往往是对基础材料的性能 进行改良开发，进一步探索材料的组成、结 构和性能，以提高或替代原有材料的特性为 具体目标，使材料扬长避短，从而获得期望 的材料特性，扩大材料的使用范围。 53设计材料的开发n在日常生活与设计实践中几乎离不开塑 料，但由于塑料特性的限制使它不能在 更多的领域应用。因此就对高分子材料 的性能提出了新的要求，如表51和表

15、5 2所示。 53设计材料的开发53设计材料的开发n图54所示为Ribbon自行车手把包带， 以聚亚胺酯塑料为基料，添加天然的软 木成分而制成，木质成分的加入，给自 行车手把包带添加了在此之前所没有的 一些优异特性。n当把它缠绕在车手把上时，它可以吸收手上 的汗液，以确保能安全、舒适地握住车把。 包带的颜色是将材料进行染色，从而有效的 阻止颜色的退色。 53设计材料的开发n 2复合材科的开发 n复合材料是指两种或两种以上不同化学性质 或不同组织结构的材料，通过不同的工艺方 法组成的多相材料，它具有单一素材无法取 得的机能。53设计材料的开发n这些机能包括有：n各素材所保持的机能。n在复合与成型

16、过程中形成的机能。n由复合结构特征产生的机能。n复合效应所致的机能。 53设计材料的开发n由于可用于复合的素材种类繁多，所以 组合成的复合材料也不计其数。如将之 归类至少可能有如图55所示的10类。 其中每一根线的两端指示一种可能的组 合。 53设计材料的开发53设计材料的开发n开发复合材料的目的为：n1、弥补某些有用材料的缺点，以更好地发 挥有用的机能。n2、利用具有某些特性的材料以构成单一材 料无法实现的特性。 n3、产生从未有的新机能。 53设计材料的开发n图56所示为“绳结”躺椅，由荷兰设计师 Marcel Wanders设计。n躺椅采用特制粗绳依据传统编结工艺编织打结 并经特殊处理而成。这种粗绳由碳化纤维和 “aramid”编织套组成，粗绳在经特殊处理前与 普通粗绳一样，但经环氧处理后，粗绳在高温 下晾干后变得又坚固又结实。利用粗绳这一特 性，在经特殊处理前将粗绳按设计构思编织打 结，编结后的形态柔软松散，不具有实用功