工藝技術_造型材料與工藝培訓課件

第五章 產(chǎn)品設計中材料的選擇與開發(fā) 產(chǎn)品設計中材料的選擇與開發(fā) 設計材料的選用材料工程的發(fā)展設計材料的開發(fā) 設計材料的選用 設計材料的選擇原則影響材料選擇的基本因素 設計材料的選擇原則 產(chǎn)品功能的實現(xiàn)是通過材料來體現(xiàn)來體現(xiàn)的 材料與結構是滿足產(chǎn)品的必要條件 通常在材料和結構之間存在著比較確定的關系 而同時在結構與功能之間又是一種不關系 從而材料與功能之間也具有不確定關系 也就是說 為了實現(xiàn)同一功能 可以使用多種材料 而每一種材料都可以形成合理結構來完成所要達到的功能 進而產(chǎn)生相應的造型形式 例如 木制椅子和鋼管結構椅子 雖然它們的材料 結構和造型都不同 但它們卻實現(xiàn)著相同的功能 這種 功能 造型 和 材料 之間的不確定關系 形成了豐富多彩的人造世界 然而 由于產(chǎn)品的形成 必須通過各種加工手段來制造 所以制造技術同樣制約著產(chǎn)品的功能與形態(tài) 不同的材料有著不同的特性和結構 有著各自不同的加工方法 從而也顯現(xiàn)出不同的造型特征 這既是對設計的一個考驗 同時也是設計的魅力所在 面對一個龐大的材料世界 要選擇所需要的設計材料的確是一件復雜工作 如金屬材料就有幾十萬種 高分子材料也有上萬種 另外還有五花八門的陶瓷材料和復合材料 與設計的其他方面相比 材料的選擇是最基本的 它提供了設計的起點 產(chǎn)品設計的過程從某個角度來說是對材料的理解與認識的過程 是 造物 與 創(chuàng)新 的過程 當設計師在設計某件產(chǎn)品時 他必須首先考慮應選用何種材料 材料選擇得好壞 對產(chǎn)品的內(nèi)在和外觀質(zhì)量影響極大 對于給定的某一產(chǎn)品或其部件 考慮選擇材料時 最重要的是這一零部件的作用 及材料的性能 但設計師要把材料功能性因素 市場性因素放在相同位置 因為 如果某種材料在計劃規(guī)定的時間內(nèi)不能得到 那么規(guī)定采用這種材料是沒有意義的 同樣 如果材料的價格比計劃的貴 那么也不能考慮使用這種材料 設計是一種復雜的行為 它涉及沒計者感性與理性的判斷 與設計的其它方面相比 材料的選擇是最基本的 它提供了設計的起點 材料選擇的適當與否 對產(chǎn)品內(nèi)在和外觀質(zhì)量影響很大 如果材料選擇不當或考慮不周 不僅影響產(chǎn)品的使用功能 還會有損于產(chǎn)品的整體美感 因此 設計師在選擇材料時 除必須考慮材料的固有特性外 還必須著眼于材料與人 環(huán)境的有機聯(lián)系 設計材料的選擇原則 設計材料的選擇應遵循的原則 材料的外觀材料的固有特性材料的工藝性材料的生產(chǎn)成本及環(huán)境因素材料的創(chuàng)新 影響材料選擇的基本因素 功能安全性能外觀需求工藝性能基本結構要求控制件抗腐蝕性市場環(huán)境 影響材料選擇的基本因素 功能性因素首先應該考慮產(chǎn)品應具有怎么樣的功能和所期望的使用壽命 安全性能 材料的選擇應當按照有關的標準正確選用 并充分考慮各種可能預見的危險 例如 醫(yī)院的某些電療設備中與病人接觸的部位 其表面應該選擇具有抗靜電性質(zhì)的材料 在設備暴露的位置 如過道邊 配置普通的平板玻璃 就易于碰撞碎裂而造成人身傷害事故 在設備內(nèi)部如果選用易泛潮的塑料軸承 就會因隱匿著腐蝕的危險性造成質(zhì)量惡化而導致重要的控制器失靈 外觀需求 產(chǎn)品的外觀在很大程度上受其可見表面的影響 并采取材料所能允許制造成的結構形式 因此 外觀也是材料選擇必須考慮的一個重要因素 就產(chǎn)品的表面效果來看 材料影響著表面的自然光澤 反射率與紋理 影響著所能采用的表面涂飾材料與方式 影響著涂飾的外觀效果和在使用期限內(nèi)的惡化程度和惡化速度 至于形成外觀所需采取的制造工藝和手段 如澆鑄 模鑄 沖壓 彎折或切削 也在很大程度上依賴于所采用的材料 并影響到造型在經(jīng)濟上是否切實可行 影響材料選擇的基本因素 工藝性能 材料所要求的工藝性能與零部件制造的加工工藝路線有密切關系 一般金屬材料的加工工藝路線 遠比工程塑料和工業(yè)陶瓷復雜 而且變化多 這不僅影響零部件的成型 還大大影響零部件的最終性能 任何零件都是由不同的材料通過一定的加工工藝制造出來的 因此 作為產(chǎn)品設計人員掌握工業(yè)造型材料的制造性能是很重要的 工藝性能包括 機械性能 物理性能 化學性能 尺寸性能 影響材料選擇的基本因素 基本結構要求如何綜合平衡設計中對產(chǎn)品的功能 人機工程學和美學方面的要求 以及針對批量生產(chǎn)特點的機械結構 加工工藝難點和由此產(chǎn)生的成本問題等加以解決 已成為材料選擇中的重要問題 其中材料的耐久性應是材料選擇中必須最選考慮的 在大多數(shù)情況下 這樣的考慮比僅考慮美學品質(zhì)或節(jié)約成本而選用可能導致產(chǎn)品在使用過程中過早廢棄的劣質(zhì)材料 顯然要有意義的多 影響材料選擇的基本因素 控制件控制件對材料的選擇也有其特殊的需求 例如 操縱鍵盤的材料應具有恰當?shù)慕佑|摩擦性和沖擊回彈性 以保證可靠操作和手感舒適 用作控制面板的材料應選擇反射率較低并易于在其表面形成圖樣符號或易于貼附圖樣符號的材料制作 以減少眩光和便于指示控制動作 抗腐蝕性抗腐蝕性是材料選擇的另一個重要準則 因為它影響著產(chǎn)品的操作 外觀 壽命和維護 在直接涉及人身安全的場合 則必須通過材料的選擇來防止危險的腐蝕 例如 為了保證維修 測試 操作過程的安全 對設備中必須具備的升降機或其他必須保證生命安全的設備 其材料的選擇就應該以保證安全為前提 影響材料選擇的基本因素 市場性因素設計者必須對目標消費群的要求進行估價 對于材料 要考慮到消費者的態(tài)度往往會受到他們?nèi)粘＝佑|的各類產(chǎn)品的影響 消費者有時所期望的材料也許恰恰是設計者并不準備采用的 而且消費者對某些產(chǎn)品所選用的材料有時還受到傳統(tǒng)習慣的束縛 這時一種 新材料 的選用 在一定時期內(nèi)未必會被消費者接受 當然 這并不等于說產(chǎn)品選用的材料就必須永遠停滯在傳統(tǒng)的水平上 隨著科學技術水平的發(fā)展 新材料 新技術的不斷出現(xiàn)勢在必然 問題在于當我們選擇材料替代傳統(tǒng)材料時 如何在造型設計上 在廣告宣傳上設法讓消費者能夠更快地適應和接受 1可達性 在最初考慮使用某種材料時 設計師應首先了解手邊有沒有這種材料 如果沒有 那就看能否在規(guī)定期限內(nèi)得到 如果在規(guī)定的時間內(nèi)不能獲得所需的材料 就必須考慮用另一種材料代替 因此可達性是工業(yè)產(chǎn)品設計選材的重要因素 在工業(yè)設計中 結構與外觀造型密切相關 不同的結構方式對產(chǎn)品造型的布局和細部處理都有直接的影響 而結構是受材料制約的 采用不同的材料 所能獲得的結構方式以及由此而產(chǎn)生的產(chǎn)品形體各不相同 質(zhì)感各異 影響材料選擇的基本因素 2經(jīng)濟性 選擇材料的經(jīng)濟性始終是工業(yè)造型設計中十分重要的內(nèi)容 在滿足使用要求 藝術造型 工藝和可達性的同時 盡可能選用價廉的材料 最好選用國產(chǎn)材料 使總成本降至最低 取得最大的經(jīng)濟效益 使產(chǎn)品在市場上具有最強的競爭力 經(jīng)濟性包括 材料價格 使用壽命 制造性能 零部件的總成本等因素 影響材料選擇的基本因素 環(huán)境性因素1選用同類材料 設計產(chǎn)品時盡量采用同類材料 避免多種不同材料 以便產(chǎn)品回收和再利用 例如 汽車的車門的門體使用了聚丙烯 門中的齒輪 滑輪等機構也使用聚丙烯 里側的襯墊使用高發(fā)泡聚丙烯 門內(nèi)的蒙面采用丙綸織物 這一村料組合在回收時就不用拆卸分類 可以直接進行再加工 2減少表面裝飾 用表面不加任何涂 鍍的原材料直接制成產(chǎn)品 這也是出于便于回爐處理和再利用的目的 影響材料選擇的基本因素 環(huán)境性因素3采用可降解材料 可降解材料是指廢棄后能自然分解并為自然界吸收的材料 在塑料成型加工和使用過程中產(chǎn)生的塑料廢棄物 尤其是塑料包裝材料更是令人頭疼的環(huán)境污染源 4廢棄物的再利用 充分選用廢棄物的再生材料 以利于資源的再循環(huán)利用 對廢棄物的再利用 不僅能有效減少可能污染環(huán)境的垃圾堆放 也大大節(jié)約了原材料 因此 開發(fā)能采用再生材料 甚至直接利用廢棄物制作的產(chǎn)品將是十分有意義的工作 理應成為現(xiàn)代工業(yè)設計的一個重要課題 材料工程的發(fā)展 材料結構成分 材料科學與工程 應用需求 合成與加工 材料性能 材料科學與工程領域中的四大主題及其相互關系 材料工程的發(fā)展 材料科學與工程領域的新的變化 1新構思 新觀念不斷涌現(xiàn) 成為此領域迅速發(fā)展的強大推力2營造特殊環(huán)境 利用極端手段 制備特殊材料 獲取特殊性能3強烈依賴其它高新技術 材料領域成為其它高新技術綜合應用的實驗地4經(jīng)濟實力成為制約材料領域發(fā)展速度 深度和廣度的關鍵因素 設計材料的開發(fā) 材料體系 材料成分設計 加工方法 工藝參數(shù)優(yōu)化 實驗室性能測試 顯微組織評價 功能需求 失效分析 應用 性能指標 比較 產(chǎn)品性能綜合評價 材料開發(fā)和改進閉環(huán)過程示意圖 設計材料的開發(fā) 新材料新材料對產(chǎn)品造型設計的影響和作用新材料的開發(fā)方向 新材料 新材料是指采用新工藝 新技術合成的具有各種特殊機能 光 電聲 磁 力 超導 超塑等 或者比傳統(tǒng)材料在必能上有重大突破 如超強 超硬 耐高溫等 的一類材料 新材料發(fā)展的標志 1引起生產(chǎn)力的大解放 推動社會進步 2根據(jù)需要設計新材料 一改以往根據(jù)產(chǎn)品功能來選擇材料的方式 而是建立一種由材料來設計產(chǎn)品的新觀念 新材料對產(chǎn)品造型設計的影響和作用 新材料對產(chǎn)品造型設計的影響和作用 在以下幾方面 1在產(chǎn)品進一步電子化 集成化和小型化的趨勢下 新材料的使用有可能突破傳統(tǒng)結構 甚至還可能引起一場材料與技術的革命 產(chǎn)生新的產(chǎn)品和設計風格 因此 設計工作應與新材料開發(fā)建立一種互相融合的關系 2產(chǎn)品外觀形象要具有未來性 新材料的使用 不僅對產(chǎn)品外觀可以起到新穎美觀獨特的裝飾作用 使設計本身變得更簡潔 合理 更具時代感 3材料在與功能相適應的同時 還要有良好的觸覺質(zhì)感和更好的可操作性 通過新材料的使用 設計應最大限度地賦予產(chǎn)品新的魅力 4設計應進一步開發(fā)傳統(tǒng)材料 使之在現(xiàn)代生活中具有新的意義 新材料的開發(fā)方向 當今在新技術的驅動下 運用具有新的組合方式 新的形態(tài)和新的性質(zhì)的各種材料進行新制品的開發(fā)會產(chǎn)生令人振奮的效果 新材料的開發(fā)方向 新材料的研究與開發(fā)主要包括四方面的內(nèi)容 1新材料的發(fā)現(xiàn)或研制 2已知材料新功能 新性質(zhì)的發(fā)現(xiàn)和應用 3已知材料功能 性質(zhì)的改善 4新材料評價技術的開發(fā) 還要考慮新材料的產(chǎn)業(yè)化 商品化材料產(chǎn)業(yè)化必須重視 原材料的分布 材料的成型與加工性能 材料的可回收率和環(huán)境保護 可持續(xù)發(fā)展 新材料的開發(fā)方向 基礎材料的開發(fā)對基礎材料的性進行改良開發(fā) 進一步探索材料的組成 結構和性能 以提高或替代原有材料的特性為具體目標 使材料揚長避短 從而獲得期望的材料特性 擴大材料的使用范圍 新型材料所期望的特性 新材料的開發(fā)方向 新型塑料的替代機能 新材料的開發(fā)方向 新材料的開發(fā)方向 復合材料的開發(fā)復合材料是指兩種或兩種以上不同化學性質(zhì)或不同組織結構的材料 通過不同的工藝方法組成的多相材料 它具有單一素材無法取得的機能 這些機能包括 1各素材所保持的機能2在復合與成型過程中形成的機能3由復合結構特征產(chǎn)生的機能4復合效應所致的機能 新材料的開發(fā)方向 金屬 金屬 陶瓷 陶瓷 塑料 塑料 玻璃 玻璃 可能復合的素材組合方式 新材料的開發(fā)方向 開發(fā)復合材料的目的為 1彌補某些有用材料的缺點 以更好地發(fā)揮有用的機能2利用具有某些特性的材料以構成單一材料無法實現(xiàn)的特性3產(chǎn)生從未有的新機能 新材料的開發(fā)方向 新材料的開發(fā)方向 復合材料常用如下方法分類 1按基體分類 有金屬基復合材料和高分子 樹脂 基復合材料 2按添加物的幾何形狀分類 有顆粒增強復合材料 纖維增強復合材料 疊層增強復合材料 彌散增強復合材料等隨著研究的深入 材料的復合向著精細化方向演化 出現(xiàn)了諸如仿生復合 梯度復合 納米復合 分子復合 原位復合和智能復合等新穎方法 新材料的開發(fā)方向 一般材料的產(chǎn)品化過程 分為原材料加工與由材料加工成型構成產(chǎn)品兩個基本過程 然面復合材料的產(chǎn)品化過程則不同 它的這兩個基本過程是同時實現(xiàn)的 所以復合材料的設計就是產(chǎn)品的設計 并且不同的產(chǎn)品即使采用相同的復合材料也有不同的成型方法與條件 在設計階段 不論選用什么材料 同時就應考慮其廢棄物的處理 這已成為現(xiàn)代工業(yè)設計的原則 從這一角度來說 復合材料的回收處理較為困難 易引起環(huán)境問題 所以復合材料設計時 必須充分確認對其處理的可能性 新材料的開發(fā)方向 納米材料與納米技術納米材料與納米技術是一種基于全新概念而形成的材料和材料加工技術 是當前國際前沿研究課題之一 一 納米材料 新材料的開發(fā)方向 納米級結構材料簡稱為納米材料 nanomaterial 是指其結構單元的尺寸介于1納米 100納米范圍之間 由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度 它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化 并且 其尺度已接近光的波長 加上其具有大表面的特殊效應 因此其所表現(xiàn)的特性 例如熔點 磁性 光學 導熱 導電特性等等 往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì) 納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料 由納米粒子 nanoparticle 組成 納米粒子也叫超微顆粒 一般是指尺寸在1 100nm間的粒子 是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域 從通常的關于微觀和宏觀的觀點看 這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng) 是一種典型的介觀系統(tǒng) 它具有表面效應 小尺寸效應和宏觀量子隧道效應 當人們將宏觀物體細分成超微顆粒 納米級 后 它將顯示出許多奇異的特性 即它的光學 熱學 電學 磁學 力學以及化學方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同 新材料的開發(fā)方向 納米材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理 化學特性 如原本導電的銅到某一納米級界限就不導電 原來絕緣的二氧化硅 晶體等 在某一納米級界限時開始導電 這是由于納米材料具有顆粒尺寸小 比表面積大 表面能高 表面原子所占比例大等特點 以及其特有的三大效應 小尺寸效應 表面效應和宏觀量子隧道效應 新材料的開發(fā)方向 小尺寸效應 隨著顆粒尺寸的量變 在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變 由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應 對超微顆粒而言 尺寸變小 同時其比表面積亦顯著增加 從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì) 新材料的開發(fā)方向 1 特殊的光學性質(zhì)當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時 即失去了原有的富貴光澤而呈黑色 事實上 所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色 尺寸越小 顏色愈黑 銀白色的鉑 白金 變成鉑黑 金屬鉻變成鉻黑 由此可見 金屬超微顆粒對光的反射率很低 通?？傻陀趌 大約幾微米的厚度就能完全消光 利用這個特性可以作為高效率的光熱 光電等轉換材料 可以高效率地將太陽能轉變?yōu)闊崮?電能 此外又有可能應用于紅外敏感元件 紅外隱身技術等 小尺寸效應 新材料的開發(fā)方向 小尺寸效應 2 特殊的熱學性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時 其熔點是固定的 超細微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低 當顆粒小于10納米量級時尤為顯著 例如 金的常規(guī)熔點為1064C 當顆粒尺寸減小到10納米尺寸時 則降低27 2納米尺寸時的熔點僅為327 左右 銀的常規(guī)熔點為670 而超微銀顆粒的熔點可低于100 因此 超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結 此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料 甚至可用塑料 采用超細銀粉漿料 可使膜厚均勻 覆蓋面積大 既省料又具高質(zhì)量 日本川崎制鐵公司采用0 1 1微米的銅 鎳超微顆粒制成導電漿料可代替鈀與銀等貴金屬 超微顆粒熔點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力 例如 在鎢顆粒中附加0 1 0 5 重量比的超微鎳顆粒后 可使燒結溫度從3000 降低到1200 1300 以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導體管的基片 新材料的開發(fā)方向 小尺寸效應 3 特殊的磁學性質(zhì)人們發(fā)現(xiàn)鴿子 海豚 蝴蝶 蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒 使這類生物在地磁場導航下能辨別方向 具有回歸的本領 磁性超微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤 生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底 通過電子顯微鏡的研究表明 在趨磁細菌體內(nèi)通常含有直徑約為2 10 2微米的磁性氧化物顆粒 小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同 大塊的純鐵矯頑力約為80安 米 而當顆粒尺寸減小到2 10 2微米以下時 其矯頑力可增加1千倍 若進一步減小其尺寸 大約小于6 10 3微米時 其矯頑力反而降低到零 呈現(xiàn)出超順磁性 利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性 已作成高貯存密度的磁記錄磁粉 大量應用于磁帶 磁盤 磁卡以及磁性鑰匙等 利用超順磁性 人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體 新材料的開發(fā)方向 小尺寸效應 4 特殊的力學性質(zhì)陶瓷材料在通常情況下呈脆性 然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性 因為納米材料具有大的界面 界面的原子排列是相當混亂的 原子在外力變形的條件下很容易遷移 因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性 使陶瓷材料具有新奇的力學性質(zhì) 美國學者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂 研究表明 人的牙齒之所以具有很高的強度 是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的 呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3 5倍 至于金屬一陶瓷等復合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學性質(zhì) 其應用前景十分寬廣 超微顆粒的小尺寸效應還表現(xiàn)在超導電性 介電性能 聲學特性以及化學性能等方面 新材料的開發(fā)方向 表面效應 球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比 其體積與直徑的立方成正比 故其比表面積 表面積 體積 與直徑成反比 隨著顆粒直徑變小 比表面積將會顯著增大 說明表面原子所占的百分數(shù)將會顯著地增加 對直徑大于0 1微米的顆粒表面效應可忽略不計 當尺寸小于0 1微米時 其表面原子百分數(shù)激劇增長 甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達100米2 這時的表面效應將不容忽略 新材料的開發(fā)方向 表面效應 超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的 若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒 直徑為2 10 3微米 進行電視攝像 實時觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài) 隨著時間的變化會自動形成各種形狀 如立方八面體 十面體 二十面體多李晶等 它既不同于一般固體 又不同于液體 是一種準固體 在電子顯微鏡的電子束照射下 表面原子仿佛進入了 沸騰 狀態(tài) 尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結構的不穩(wěn)定性 這時微顆粒具有穩(wěn)定的結構狀態(tài) 新材料的開發(fā)方向 表面效應 超微顆粒的表面具有很高的活性 在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒 如要防止自燃 可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率 使其緩