材料工艺学（第八章）ppt课件.ppt
材料工艺学,第八章,2,第八章 产品设计程序与选材方法,第八章 产品设计程序与选材方法 81 产品设计过程与选材 82 选择材料的因素 83 材料清单,3,第八章 产品设计程序与选材方法,81产品设计过程与选材 产品功能与造型的实现是由材料和由材料所产生的结构决定的。 材料和结构是构成产品的功能与造型的中介要素。 在材料和结构之间存在着比较确定的关系，而结构与功能之间却是一种不确定的关系，从而材料与功能之间也具有不确定关系。,4,第八章 产品设计程序与选材方法,为了实现同一功能，我们可以使用多种材料，而每一种材料都可以形成合理结构而完成所要达到的功能，从而产生相应的造型形式。 例如：木制椅子和钢管结构椅子，虽然它们的材料、结构和造型都不同，但它们却实现着相同的功能。这种“功能”、“造型”和“材料”之间的不确定关系，形成了丰富多彩的人造世界。 然而，由于产品的形成，必须通过各种加工手段来制造，所以制造技术同样制约着产品的功能与形态。不同的材料有着不同的特性和结构，有着各自不同的加工方法，从而也还有着不同的造型特征。工业设计师必须懂得这些方法，才能更好地进行设计。,5,第八章 产品设计程序与选材方法,德国建筑学家密斯，被人们称为铁和玻璃的诗人。他能赋予材料生命和美，并且，他也善于处理这些材料的价值系统，使其表达材料的质感和趣味。他强调说“所有的材料，不管是人工的还是自然的都有其本身的性格。材料及构造方法不一定是最上等的。材料的价值只在于用这些材料能否制造出什么新的东西来。”他把材料的价值充分地表现于他的性格之中。要达到这个目的，就要有关于材料科学的渊博知识。 产品设计时的选材阶段，没有任何公式设计或计算机程序可以正确地选择材料。所以，要求设计人员必须了解各种材料体系及其优缺点，然后采用一定的方法，根据这些知识对材料作出选择。 从以下几个方面来归纳产品造型设计过程：,6,第八章 产品设计程序与选材方法,811产品设计阶段 主要考虑以下问题： 是否符合所有的技术要求； 整个项目是否在价格允许的范围内； 所要求的速度和生产率以及外观造型是否达到。,7,第八章 产品设计程序与选材方法,8.1.2 样机 （模型、手板） 画装配图以便检验画在纸上的设计制图是否合适。根据零件的要求，就可具体设计零件。在设计过程中，材料选择是这一阶段的关键问题之一。在图中必须表明零件的形状、尺寸、材料、合适的处理或特殊工序。8.1.3 装配、调试、投入使用 这一阶段所选用的材料，通过调试不能使用的，就应以新材料代替。,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,第八章 产品设计程序与选材方法,82 选择材料的因素 设计是一种复杂的行为，涉及了设计师主观与客观、感性与理性的判断。与设计的其他方面相比，材料的选择是最基本的，它提供了设计的起点。产品设计的过程从某个角度来说是对材料的理解与认识的过程，是“造物”与创新”的过程。 当设计师在选择材料时，除必须考虑包括机械性质在内的材料的工程性质之外，还必须着眼于材料与人机交互界面有着特殊利害关系的性质，必须考虑其与周围环境的有机联系，同时还包括防止环境污染和非再生资源的滥用等问题。,19,第八章 产品设计程序与选材方法,821 功能性因素 无论何种产品，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。这种考虑必定会对其选用何种材料更合适作出总的指导。 如何综合平衡设计中对产品的工程、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等问题来加以解决，已成为材料选择中的主要问题。当然，与其他性质相比，材料的耐久性应该是在材料功能性因素的选择中必须最先考虑的问题。,20,第八章 产品设计程序与选材方法,1安全性能 安全是最基本的因素。材料的选择应当按照有关的标准正确选用，并充分考虑各种可能预见的危险。 例如，医院的某些电疗设备中与病人接触的部位，其表面应该选择具有抗静电性质的材料；在设备暴露的位置（如过道边）配置普通的平板玻璃，就易于碰撞碎裂而造成人身伤害事故；在设备内部如果选用易泛潮的塑料轴承，就会因隐匿着腐蚀的危险性造成质量恶化而导致重要的控制器失灵。,21,第八章 产品设计程序与选材方法,2外观需求 产品的外观在很大程度上受其可见表面的影响，并采取材料所能允许结构形式。因此，外观也是材料选择必须考虑的一个重要因素。 就产品的表面效果来看，材料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涂饰材料与方式；影响着涂饰的外观效果和在使用期限内的恶化程度和恶化速度。 至于形成外观所需采取的制造工艺和手段，如浇铸、模铸、冲压、弯折或切削，也在很大程度上依赖于所采用的材料，并影响到造型在经济上是否切实可行。,22,第八章 产品设计程序与选材方法,3工艺性能 材料所要求的工艺性与零部件制造的加工工艺路线有密切关系。一般金属材料的加工工艺路线，比工程塑料和工业陶瓷复杂，而且变化多，这不仅影响零部件的成型，还大大影响零部件的最终性能。工程塑料的工艺路线比较简单，其中变化较多的是成型工艺。工业陶瓷的工艺路线也比较简单，成型后，几乎不用进行其他任何加工。 任何零件都是由不同的材料通过一定的加工工艺制造出来的，因此，作为产品设计师掌握工业造型材料的制造性能是很重要的。,23,第八章 产品设计程序与选材方法,（1）机械性能 对于工业产品材料，最重要的是机械性能，一般是在分析产品零部件工作条件和失效形式的基础上提出来的。产品零部件的工作条件包括三个方面： 受力状况，主要是载荷的类型（例如动载、静载、循环载荷、单位载荷等）和大小，还有载荷的形式，例如拉伸、压缩、弯曲、扭转等以及载荷的特点，例如均布载荷、集中载荷等。 环境状况，主要是温度情况，例如低温、常温、高温、变温等；以及介质情况，例如有无腐蚀和磨擦作用等。 特殊要求，主要是对导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等的特殊要求。零部件的失效形式主要包括过量变形、断裂和表面损伤三个方面,24,第八章 产品设计程序与选材方法,（2）物理性能 材料物理性能的指标很多。有时塑料部件可能需要特定的可燃性。热膨胀系数是一个常常被忘却的物理性能。但当不同材料紧固在一起并受热时，这种性能是重要的。选择材料时，应考虑材料的许多物理性能，确定有没有限制。有时，相对次要的性能可能变成重要的，此时对这种性能需要仔细考虑。 （3）化学性能 对于工业产品材料，最重要的化学性能之一是抵抗环境作用的能力，如抗化学腐蚀、锈蚀等，除耐腐蚀性外，材料的化学成分也是一个重要的选择因素。含钴的合金不能用作原子能反应堆零部件的材料。铜、锌和铅合金胶接性能不好，许多塑料亦有同样的情况。,25,第八章 产品设计程序与选材方法,（4）尺寸性能 设计师必须确定对公差和表面粗糙度的要求指数，如果需要非常小的公差，尺寸性能就成为一个选择的因素。 一些工程材料在机械加工时，比其他一些材料稳定，如果考虑采用塑料，最好选择能吸水而不易变形的塑料。如果零部件要求镜面抛光，则镜面抛光成了一个材料选择的重要因素。因为有些材料根本不能做到镜面抛光所要求的表面粗糙度。,26,第八章 产品设计程序与选材方法,822市场性因素 设计者必须对目标消费群的要求进行估价。 对于材料，要考虑到消费者会受到日常接触的各类产品的影响。消费者有时所期望的材料也许恰恰是设计者并不准备采用的而且消费者对某些产品所选用的材料有时还受到传统习惯的束缚。这时，一种“新材料”的选用，在一定时期内未必会被消费者接受。 当然，这并不等于说产品选用的材料就必须永远停滞在传统的水平上。随着科学技术的发展，新材料、新工艺的不断出现是势所必然。问题在于当我们选择新材料替代传统材料时，如何在造型设计上让消费者能够更快地适应和接受。这也是工业设计的一个重要课题。,27,第八章 产品设计程序与选材方法,1可达性 在最初考虑使用某种材料时，设计师应首先了解手边有没有这种材料。如果没有，那就看能否在规定期限内得到。如果产品要在数年后再制造，那么采用只从一个供应厂商才能得到的专用材料是不明智的，会使在价格和供应量上完全受供应厂商的控制。另外，如果在规定的时间内不能获得所需的材料，就必须考虑用另一种材料代替。因此可达性是工业产品设计选材的重要因素。在工业设计中，结构与外观造型密切相关，不同的结构方式对产品造型的布局和细部处理都有直接的影响。而结构是受材料制约的，采用不同的材料，所能获得的结构方式以及由此而产生的产品形体各不相同，质感各异。,28,第八章 产品设计程序与选材方法,只有正确合理地选用了与产品造型风格和功能要求相适应的材料，才能获得所需的艺术造型效果。在工业设计中，首先要合理地选取造型材料，再按照材料具有的特点，去塑造产品的的艺术外形，也可以首先按艺术造型所需要的结构和外观形状去选择材料。这两种选择材料的方法都需要兼顾考虑。,29,第八章 产品设计程序与选材方法,2经济性 选择材料的经济性始终是工业造型设计中十分重要的内容。在满足使用要求、艺术造型、工艺和可达性的同时，尽可能选用价廉的材料，最好选用国产材料，使总成本降至最低，取得最大的经济效益，使产品在市场上具有最强的竞争力。,30,第八章 产品设计程序与选材方法,（1）材料价格 市场上材料的价格是选材的重要依据。对于一种批量生产的产品，如果可用工程塑料、工业陶瓷或金属，甚至复合材料来制造，那么，比较材料价格的一个有益的方法是考察一下每单位体积的价格。（2）使用寿命 如果所设计的产品其使用寿命是经久耐用的，那么选用具有高强度和耐磨性好的材料，或采用具有对产品延长寿命作用的其他性能的材料就是经济的。因此，选择材料时，设计师必须运用他的判断力，确定产品的使用寿命。,31,第八章 产品设计程序与选材方法,（3）制造性能 制造性能即是指将工业造型材料加工成所需形状难易程度的性能指标，如果材料的成型加工性能很差，则其制造费用会比成型加工性能好的材料高。钛、镁及一些其他金属的板材和带材，没有专门的机器或专用的热成型技术是不能成型的，因而，使用这些金属时，比使用延展性好的低碳钢或铝合金要贵得多。制造费用对于工程塑料是一个经济性因素，批量大才能体现出来。（4）零部件的总成本 零部件选用的材料必须保证它的生产和使用的总成本最低。一个零部件的总成本与零部件寿命、零部件重量、加工费用、研究费用、维修费用和材料价格有关。,32,第八章 产品设计程序与选材方法,823 环境性因素 随着全球工业化进程的发展，人类居住的环境遭到滥用和破坏。如何减少环境污染、保护生态已成为人们关注的热点，也成为设计时选用材料必须考虑的重要因素。 产品对环境保护的威胁之一是产品废弃物的堆积会给环境造成污染。为此，在材料选择时必须事先就考虑到产品未来被废弃时应易于处理和回收。所以，应考虑到下列几点。,33,第八章 产品设计程序与选材方法,1选用同类材料 设计产品时尽量采用同类材料，避免多种不同材料，以便产品回收和再利用。 2减少表面装饰 用表面不加任何涂、镀的原材料直接制成产品，便于回炉处理和再利用的目的。 3采用可降解材料 4废弃物的再利用,34,第八章 产品设计程序与选材方法,除了构成产品的材料本身对环境的影响外，产品的材料也必然受到环境的影响。因此，在材料的选择中，必须对产品使用环境中可能存在的影响因素作必要的考虑。 影响材料选择的环境因素通常包括以下几个方面。 l）冲击与振动 2）温度与湿度 3）人为破坏 4）火灾危害 5）生物危害 6）污损 7）气候影响 8）噪声,35,第八章 产品设计程序与选材方法,8-3 材料清单 831制定选择因素表 把图83的材料选择一览表作为清单用，便得到选择因素表，设计师简单地按清单逐项过一遍，并注意所适用的性能。其他性能还可以增加，或者也可以由设计师确定自己的性能清单。有经验的设计师可以不写出清单，因为他们已熟悉了选择材料的因素。,36,第八章 产品设计程序与选材方法,832选择材料系 明确了某一零部件的材料选择因素后，接着就是考虑选择材料系，是选用金属材料、工程塑料、工业陶瓷或是复合材料，可以通过各种材料系的相对性能的比较分析选择到合适的材料系。833填入图纸的材料方框中 设计师选择了材料后，就把合适的材料规格填入图纸的材料方框中,37,38,第八章 产品设计程序与选材方法,834 确定材料的处理 通常对多种材料需要进行处理，改善其性能，以满足产品设计的要求。 前面介绍的金属材料的热处理和其他表面处理，以及第二篇将介绍的典型面饰工艺，如涂装、电镀、金属氧化与着色、烫印等可以作为一个处理清单。最后就可能完成设计工程图了。,39,MP3常用材质,MP3结构件常用材质主要分为： 1. 塑料件：常用ABS.PC.ABS+PC.PMMA,1. 塑料件：常用ABS.PC.ABS+PC.PMMA,40,2. 五金件：常用铝合金及镁合金,
