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1、第八章 产品设计工程技术原理1产品设计原理第8章产品设计工程技术原理 一个设计师必须具有文化艺术修养，具备良好的艺术鉴赏能力和审美意识，才能使产品除了具有好的功能和好的外观品质，还需要具有科学技术知识，具有相当的工程技术知识。工业设计的本质特点,决定了工业设计教育是工程技术和艺术设计有机结合的完整统一体 。工程技术和艺术设计是同一天平上的两个砝码,只有相辅相成才能保持平衡。任何“艺强工弱”或“工强艺弱”的教学模式，都是不科学的，会造成被教育者知识结构的残缺。图为图为 Klara SJLN设计的医疗器械, 瑞典默奥设计学院05本科毕业设计 2产品设计原理第8章产品设计工程技术原理目 录8.1 产
2、品设计的材料原理 8.1.1 产品设计的物质基础 8.1.2 材料的分类 8.1.3 材料的特性原理 8.1.4 材料的选择与开发原理 8.2 产品设计的成型原理 8.2.1 金属材料的成型 8.2.2 塑料的成型工艺 8.2.3 玻璃的成型 8.2.4 木材的成型 3产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.1 产品设计的材料原理8.1.1 产品设计的物质基础产品设计产品设计是工业产品技术功能设计与美学设计的结合与统一，集现代科学技术与社会文化、经济和艺术为一体。是人们在一定文化艺术指导下，有意识、有目的地运用人类科学文化发展的优秀成果，用现代工业化生产方式将各种材料转变为具有一定使用价值或
3、具有商品性的工业产品的创造活动。产品产品是由一定的材料经过一定的加工工艺而构成的。一件完美的产品必须是功能、形态和材料三要素的和谐统一，是在综合考虑材料、结构、生产工艺等物质技术条件和满足使用功能的前提下，将现代社会可能提供的新材料、新技术创造性地加以运用，使之满足人类日益增长的物质和精神需求。 芬兰Tonfisk“暖”套杯 4产品设计原理第8章产品设计工程技术原理 在产品造型设计中，材料是用以构成产品造型，且不依赖于人的意识而客观存在的物质，无论是传统材料还是现代材料、天然材料还是人工材料、单一材料还是复合材料、均是工业造型设计的物质基础。工艺是指材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺，是人
4、们认识、利用和改造材料并实现产品造型的技术手段。材料通过工艺过程成为具有一定形态、结构、尺寸和表面特征的产品，将设计方案转变成具有使用价值和审美价值的实体。 材料与工艺是设计的物质技术条件，是产品设计的前提，它与产品的功能、形态构成了产品设计的三大要素，而产品的功能和造型的实现都建立在材料和工艺上。在诸多的造型材料中，各种材料都有其自身的材料特性，并因加工性能和装饰处理各异而体现出不同的材质美，从而影响着产品造型设计。任何一种产品造型设计只有与选用材料的性能特点及其工艺特性相一致，才能实现设计的目标和要求。 意大利阿莱西Miriammirri设计的咖啡杯 5产品设计原理第8章产品设计工程技术原
5、理8.1.2 材料的分类在工业设计范畴内，材料是指用于工业设计并且不依赖人的意识而客观存在的所有物质。因此，设计材料所涉及的范围十分广泛，从气态、液态到固态，从单质到化合物，无论是传统材料还是现代材料，天然材料还是人工材料，单一材料还是复合材料，均是设计的物质基础。我们可以从以下几个角度对材料进行分类。高档商务车内室运用了各种材料来凸现奢华6产品设计原理第8章产品设计工程技术原理（1）按材料来源分类第一代的天然材料不改变在自然界中所保持的状态，或只施加低度加工的材料，如木材、竹、棉、毛、皮革、石材等。 第二代的加工材料利用天然材料经不同程度的加工而得到的材料，加工程度从低到高，有人造板、纸、水
6、泥、金属、陶瓷、玻璃等。 第三代的合成材料利用化学合成方法将石油、天然气和煤等原料制造而得到的高分子材料，如塑料、橡胶、纤维等 第四代的复合材料用有机、无机金属乃至金属等各种原材料复合而成的材料。第五代的智能材料或应变材料随环境条件的变化具有应变能力，拥有潜在功能的高级形式的复合材料。天然木质的汽车中扶手 日产汽车-天籁 2002年斯特法林赫林设计的镂空瓷碗马可纽森设计的塑料椅7产品设计原理第8章产品设计工程技术原理（2）按材料的物质结构分类1）金属材料黑色金属（铸铁、碳钢、合金钢等）、有色金属（铜、铝及合金等）2）无机材料石材、陶瓷、玻璃、石膏等3）有机材料木材、皮革、塑料、橡胶等4）复合材
7、料玻璃钢、碳纤维复合材料 （3）按材料的形态分类1）线状材料常用的有钢管、钢丝、铝管、金属棒、塑料管、塑料棒、木条、竹条、藤条等。2）板状材料常用的有金属板、木板、塑料板、合成板、金属网板、皮革、纺织布、玻璃板、纸板等。3）块状材料常用的有木材、石材、泡沫塑料、混凝土、铸钢、铸铁、铸铝、油泥、石膏等。 玻璃钢材料的汽车前保险杠8产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.1.3 材料的特性原理材料特性包括两方面：一是材料的固有特性，即材料的物理特性和化学特性，如力学性能、热性能、电磁性能、光学性能和防腐性能等；二是材料的派生特性，它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、材料的感觉特性和
8、经济特性。这些特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点材料感觉特性又称材料质感，是人的感觉系统因生理刺激对材料作出的反映或由人的知觉系统从材料表面特征得出的信息，是人对材料的心理和生理活动，它建立在生理基础上，是人们通过感觉器官对材料作出的综合印象。高档商务车内室运用了各种材料来凸现奢华9产品设计原理第8章产品设计工程技术原理材料感觉特性包含两个基本属性：生理心理属性：即材料表面作用于人的触觉和视觉系统的刺激性信息，如粗犷与光滑、温暖与寒冷、华丽与朴素、混重与单薄、沉重与轻巧、坚硬与柔软、干涩与滑润、粗俗与典雅、透明与不透明等基本感觉特征。物理属性：即材料表面传达给人的知觉系统的意义信息
9、，也就是材料的类别、性能等。主要体现为材料表面的几何特征和理化类别特征，如肌理、色彩、光泽、质地等。高雅、明亮、时髦、整齐、精致、凉爽陶瓷柔软、感性、浪漫、手工、温暖皮革人造、轻巧、细腻、艳丽、优雅、理性塑料高雅、明亮、光滑、时髦、干净、整齐、协调、自由、精致、活泼玻璃人造、坚硬、光滑、理性、拘谨、现代、科技、冷漠、凉爽、笨重金属自然、协调、亲切、古典、手工、温暖、粗糙、感性木材感觉特性材料材料的感觉特性 10产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.1.4 材料的选择与开发设计是一种复杂的行为，材料的选择是最基本的。设计师在选择材料的时候，除必须考虑材料的固有特性外，还必须着眼于材料与人、环
10、境的有机联系。总的来说，设计材料的选择应遵循以下原则：（1）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、时代特征及区域特征，选择不同质感、不同风格的材料。 （2）材料的固有特性：材料的固有特性满足产品功能、使用环境、作业条件和环境保护的需要。 （3）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、加工工艺和表面处理的要求，应与加工设备及生产技术相适应。（4）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，优先选用资源丰富、价格低廉、有利于生态环境保护的材料。（5）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。材料特性分
11、析图11产品设计原理第8章产品设计工程技术原理1）材料选择的一般原则供应来源广泛性选用材料既要考虑有广泛的供应来源, 同时又要考虑材料能够供应的批量, 因为材料供应批量, 直接影响产品的生产成本。生产加工的廉价性选用材料要便于生产加工, 同时费用要低, 而且最好是选用可二次再生利用的材料。安全可靠性材料要有足够的强度和坚硬度, 在所使用的温度、湿度等范围内尺寸稳定, 在服役周期内安全可靠。良好的环保性选用材料要求对环境不产生有害的影响, 同时, 要有可降解性, 便于废弃处理。防蚀性、耐热性、耐水性、耐油性厨房用具防蚀性、耐寒性、耐水性、硬度、耐黄变性电冰箱、冰藏柜、空调防蚀性、耐碱性、耐水性、
12、耐黄变性洗衣机色彩的照明度、硬度、附着性电风扇、缝纫机防蚀性、耐热性、耐水性、附着性、耐污染性金属家具防蚀性、耐磨性、耐冲击性光学机械防蚀性、耐磨性计算机耐酒精性、耐油性、附着性医疗器械防蚀性、耐候性、附着性、难燃性、涂饰性其它车辆防蚀性、耐候性、耐水性、附着性汽车、自行车耐油性、耐蚀性机床等涂饰应考虑的条件产品名称产品的用途与涂饰应考虑的条件各种不同产品需考虑的使用环境12产品设计原理第8章产品设计工程技术原理2 2）材料选择的技术经济准则）材料选择的技术经济准则 材料的选择在一般原则的指导下, 还必须从材料的使用性能、工艺性能及使用材料的经济性来考虑。使用性能选材准则 产品设计过程中, 应
13、根据其构件应有的功能、预计的行为以及构性的工作环境, 明确规定对材料性能的要求, 并把对材料的一些定性要求, 进一步确定出具体的力学性能、物理性能和化学性能指标, 使这些指标符合设计要求的技术参数, 保证在服役周期内不出现意外现象。如产品的表面涂饰，就要考虑环境的因素。工艺性能选材准则 材料的工艺性能, 是材料被加工成成品构件形状的能力的尺寸, 就金属材料来说, 根据特定的制造加工方法, 其工艺性的要求主要包括: 可焊性、可铸性、可压力加工性、可切削性和热处理性等。从机械工业生产类型来看, 材料工艺性能的好坏, 在单件批量生产条件下, 并不显得十分突出, 而对大批量生产条件下, 达到经济规模要
14、求等成为材料选择中起决定性作用的因素之一。RADO制造的陶瓷手表13产品设计原理第8章产品设计工程技术原理经济性选材准则材料的经济性,不仅指优先考虑选用价格比较便宜的材料,而且要综合考虑材料对产品整个寿命周期成本的影响,以使达到最佳技术经济效益,这对材料的最终选择有决定性意义。现代设计与材料的关系是互相刺激、互相促进的。时代的变迁、意识的变化，会带来人们对材料需求的变化，从而促进设计材料的改进和开发。从现代设计的概念变化与新材料开发的关系来看，当人们物质生活还不丰富时，设计更多的追求功能和机械性，而当人们物质生活达到一定水平时，设计随之将其侧重点偏向于造型感觉等方面。满足人类文明的需求是材料研
15、制和开发的出发点和回归点，出发点和回归点的重合是通过若干个中间环节实现的。材料的开发经理从基础研究到应用再到实用的过程。商务汽车内部装饰件，尽显奢华14产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.2 产品设计的成型原理产品设计中，材料在通过加工后，必须能构成并且长期“记忆”住设计所赋予它的应有形态，从而才能最终成为产品。材料的成型加工性是衡量产品造型材料优劣的重要标志。产品造型设计材料必须具有良好的成型加工性能。材料通过成型加工才能成为产品，并体现出设计者的设计思想。如果没有先进、合理、可行的工艺手段，多么先进的结构和美观的造型，也只是纸上谈兵而实现不了。 美观的造型设计，必须通过各种工艺手段将
16、其制作成为物质产品，此外，即使是同一种款式的造型设计，采用相同的材料，由于工艺方法与水平的差异，也会产生相差十分悬殊的质量效果。因此，在造型设计中实现造型的工艺手段是重要因素。工业产品造型设计必须有一定的工艺技术来保证。造型设计应该依据切实可行的工艺条件、工艺方法来进行造型设计构思。 瑞典默奥设计学院为本田公司设计的概念摩托车15产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.2.1 8.2.1 金属材料成型金属材料成型在钢、铁和合金为代表的现代工业社会，金属材料以其优良的力学特性、加工性能和独特的表面特性，成为现代产品设计中的一大主流材质。金属材料的工艺性能优良，能够按照设计者的构思实现产品的多种
17、造型，广泛应用于工业产品设计中。（图812罐头） 金属的成型方法可区分为铸造、塑性加工、切削加工、焊接与粉末冶金五类：（1）铸造将熔融态金属浇入铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法。（2）金属塑性加工又称金属压力加工。在外力作用下，金属坯料发生塑性形变，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法。 2002年斯蒂芬纽拜设计的抛光不锈钢容器16产品设计原理第8章产品设计工程技术原理(3)切削加工又成为冷加工。利用切削工具在切削机床上（或用手工）将金属工件的多余加工量切去，以达到规定的形状、尺寸、和表面质量的工艺过程。(4)焊接加工焊接加工是充分利用金属材料在高温作用下易
18、熔化的特性，使金属与金属发生相互连接的一种工艺，是金属加工的一种辅助手段。(5)粉末冶金是以金属粉末或金属化合物粉末为原料，经混合、成型和烧结，获得所需形状和性能的材料或制品的工艺方法。材料成型流程17产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.2.2 塑料成型工艺塑料的原料广，性能优良（质轻、具有电绝缘性、绝热性等），加工成型方便，具有装饰性和现代质感，而且塑料的品种繁多，价格比较低廉，是一种具有多种特性的应用广泛的使用材料。 塑料的工艺特性是指将塑料原料转变为塑料制品的工艺特性，即塑料的成型加工性。主要包括：注射成型、挤出成型、压制成型、吹塑成型、压延成型、滚塑成型、铸塑成型、搪塑成型、醮涂
19、成型、流延成型、传递塑模成型、反应注塑成型、手糊成型、缠绕成型、喷射成型。 这里特别需要指出的是快速原型工艺。近年来由于数控加工技、特殊的功能塑料以及激光等其他相关技术的进步,快速原形制造技术（ Rapid Prototyping 简写作RP）日趋成熟, 它可以将计算机所设计的三维图形快速、精确地制造出三维实体模型。 瓦德络耶尔制造的柔软的灯快速原型制作的电动工具模型18产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.2.3 玻璃的成型玻璃具有一系列的优良特性，如坚硬、透明、气密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性、耐热性及电学、光学等性能，而且能用吹、拉、压、铸、槽沉等多种成型和加工方法制成各种形状和大
20、小的制品。玻璃作为现代设计中一大媒介材料，已经成为人们现代生活、生产和科学实验活动中不可缺少的重要材料。此外，从环境保护的角度看，玻璃作为“绿色”材料，将是21世纪普遍看好的材料。 玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。其成型方法有：(1)压制成型(2)吹制成型(3)拉制成型(4)压延成型 哈里柯士南设计的矩形灯 19产品设计原理第8章产品设计工程技术原理8.2.4 木材成型 木材成型的基本加工方法包括锯切、铣削、刨削、钻削、磨削等。加工木材的手工小型工具有斧、锯、刨、凿、钻、螺丝刀、钳、锉、锤和钉冲、夹具、量具和划线工具等。机械加工工具包括带锯机、电子开料锯
21、、圆锯机、平刨床、压刨床、双面刨床、铣床、钻床、车床、压机、封边机、旋切机、刨切机、电动锯、电动刨、电磨机、电钻等等。 木材成型的高级工艺是实木弯曲技术。实木弯曲成型是一种无屑实木成型加工工艺，它可以分成三个阶段：塑化(软化)、弯曲和定型(在模型框架中干燥冷却)。带木扇叶的电风扇 20产品设计原理第8章产品设计工程技术原理知识点产品设计的物质基础 产品造型设计是工业产品技术功能设计与美学设计的结合与统一，用现代工业化生产方式将各种材料转变为具有一定使用价值或具有商品性的工业产品的创造活动。 在产品造型设计中，材料是用以构成产品造型，且不依赖于人的意识而客观存在的物质，无论是传统材料还是现代材料
22、、天然材料还是人工材料、单一材料还是复合材料、均是工业造型设计的物质基础。材料、功能、形态构成了产品设计的三大要素，而产品的功能和造型的实现都建立在材料和工艺上。材料的分类按材料来源分类-天然材料、加工材料、合成材料、复合材料、智能材料按材料的物质结构分类-金属材料、无机材料、有机材料、复合材料按材料的形态分类-线状材料、板状材料、块状材料材料的特性原理固有特性，既材料的物理特性和化学特性。派生特性，既材料的加工特性、材料的感觉特性和经济特性。感觉特性，包括1：生理心理属性，既材料表面作用于人的触觉和视觉系统的刺激性信息。 2：物理属性：既材料表面传达给人的知觉系统的意义信息，也就是材料的类别
23、、性能等。材料的选择与开发原理设计是一种复杂的行为，材料的选择是最基本的。设计师在选择材料的时候，除必须考虑材料的固有特性外，还必须着眼于材料与人、环境的有机联系。从外观、固有特性、工艺性、生产成本及环境因素、创新等方面进行考虑。材料的选择从一般性原则和技术经济性原则考虑21产品设计原理第8章产品设计工程技术原理产品设计的成型原理 产品设计中，材料在通过加工后，必须能构成并且长期“记忆”住设计所赋予它的应有形态，从而才能最终成为产品。材料的成型加工性是衡量产品造型材料优劣的重要标志。产品造型设计材料必须具有良好的成型加工性能。材料通过成型加工才能成为产品，并体现出设计者的设计思想。在造型设计中
24、实现造型的工艺手段是重要因素。工业产品造型设计必须有一定的工艺技术来保证。金属材料的成型金属的成型方法可区分为铸造、塑性加工、切削加工、焊接与粉末冶金五类。塑料的成型工艺注射成型、挤出成型、压制成型、吹塑成型、压延成型、滚塑成型、铸塑成型、搪塑成型、醮涂成型、流延成型、传递塑模成型、反应注塑成型、手糊成型、缠绕成型、喷射成型玻璃的成型玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。其成型方法有：1：压制成型2：吹制成型3：拉制成型4：压延成型木材成型 木材成型的高级工艺是实木弯曲技术。实木弯曲成型是一种无屑实木成型加工工艺，它可以分成三个阶段：塑化(软化)、弯曲和定型(
25、在模型框架中干燥冷却)。 22产品设计原理第8章产品设计工程技术原理测试题一、选择题一、选择题1按材料的物质结构分类，下列那种材料不属于金属材料？（）a)铸铁 b)碳钢 c)合金钢d)玻璃钢2下列那种方法不属于玻璃的成型方法（） a)压制成型b)吹制成型c)压延成型d)流延成型3.模型制作的第一个步骤是（） a)部件完成处理与涂装 b)模型加工c)模型信息确认d)模型组装4使用下列哪种材料的产品能使人感到现代感与科技感？()a)木材 b)金属c)玻璃 d)橡胶23产品设计原理第8章产品设计工程技术原理测试题一、选择题一、选择题5. 下列哪组词语属于材料感觉特性中的生理心理属性( )a)肌理 b
26、)质地c)粗俗与典雅d)色彩、光泽二、简答题二、简答题 1工业设计中的材料可以按哪几种方式分类？ A：按材料来源分类第一代的天然材料、第二代的加工材料、第三代的合成材料、第四代的复合材料、第五代的智能、材料或应变材料B：按材料的物质结构分类-1：金属材料、2：无机材料、3：有机材料、4：复合材料C：按材料的形态分类-1：线状材料、2：板状材料、3：块状材料2在产品设计开发过程中，材料的选择应遵循哪几个原则？材料的外观、材料的固有特性、材料的工艺性、材料的生产成本及环境因素、材料的创新3. 木材作为产品材料的感觉特性有哪些？ 生理心理属性：既材料表面作用于人的触觉和视觉系统的刺激性信息，如粗犷与
27、光滑、温暖与寒冷、华丽与朴素、混重与单薄、沉重与轻巧、坚硬与柔软、干涩与滑润、粗俗与典雅、透明与不透明等基本感觉特征。物理属性：既材料表面传达给人的知觉系统的意义信息，也就是材料的类别、性能等。主要体现为材料表面的几何特征和理化类别特征，如肌理、色彩、光泽、质地等。24产品设计原理第8章产品设计工程技术原理测试题二、简答题二、简答题 4. 模型制作中模型信息确认的步骤。A:图面确认、B.数据确认、C:参照品确认、D.材质确认、E:替代材质确认、F：机构确认、G:表面处理确认、H:显示部分确认 5.人机工程学中应用了哪些学科的研究方法？人机工程学应用人体测量学、人体力学、劳动生理学、劳动心理学等
28、学科的研究方法，对人体结构特征和机能特征进行研究。 三、思考题三、思考题1、浅析科技的发展对产品设计材料的影响2、浅谈新材料的开发与研究，对未来产品设计趋势的影响3、简析产品设计中材料设计与人机工程的相互作用与影响25产品设计原理第8章产品设计工程技术原理小小 结结1、一件成功的工业产品是工程技术和艺术共同作用的结果。材料是它的物质基础。2、材料的选择应建立在产品所要传递的客观和心理感受，同时兼顾技术、经济、环保等因素。3、材料的选择也不可一味强调经济，特别是一些奢侈品的设计。它们不是绝对的主流，但却同样拥有一定的市场。不容忽视。4、材料选择更应体现个性化、自然化。这是大的趋势，也体现了环保的思想，但要避免走极端，以免损害自然界中的稀有物种。Becker Belmadur IF材料奖 榉树胶合板椅子LED lamp 能耗低、随意组合 个性化装饰 26产品设计原理第8章产品设计工程技术原理
