工艺材料产品设计 讲义总结.docx

1、工艺材料产品设计 讲义总结工艺材料产品设计(讲义总结)北京印刷学院设计艺术学院工业设计系WU Ji2018.05 第一章:概论 第二章:材料的工艺特性 第三章 ：材料感觉特性的运用 第四章：材料与环境 第五章：金属材料及加工工艺 第六章：高分子材料及加工工艺 第七章：木材及加工工艺 第八章:无机非金属材料及加工工艺 第九章:复合材料及加工工艺 第十章：产品设计中材料的选择与开发 第十一章：材料体验与表现 第一章 :概论1设计与材料纵观人类的进化史,与人类的生活和社会发展密不可分的有很多因素，其中材料的的开发、使用和完善就是其中之一。材料是人类生产各种所需产品和生活中不可缺少的物质基础。可以说我

2、们生活的周围任何物品都离开材料。材料科学的发展，使产品形态产生了根本变化,材料的发展，更是推动了人们生活的进步。材料分类:石器、陶器、铜器、铁器、人工合成材料时代。1.2产品造型设计的物质基础 材料在产品造型设计中,是用以构成产品造型，不依赖于人的意识而客观存在的物质，所以材料是工业造型设计的物质基础。工艺:材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。是人类认识、利用和改造材料并实现产品造型的技术手段。材料与工艺是设计的物质技术条件，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。材料设计1.材料设计的内容产品造型中的材料设计,以“物人环境的材料系统为对象

3、，将材料的性能、使用、选择、制造、开发、废弃处理和环境保护啊看成一个整体，着重研究材料特性与人、社会、环境的协调关系,对材料的工学性,社会性、经济性、历史性、生理性、心理性和环境性等问题进行平衡和把握,积极评价各种材料在设计中的使用和审美价值，是材料的特性和产品的物理功能和犀利功能达到高度的和谐统一,是材料具有开发新产品和新功能的可行性,并从各种材料的质感中获取最完美的结合和表现,给人以自然,丰富、亲切的视觉和触觉的综合感受。产品造型的材料选择中,我们不仅要从材料本身的角度考虑材料的功能特性,还要考虑整个材料设计系统。2.材料设计的方式出发点：原材料所具有的特性与产品所需性能之间的比较。两种主

4、要方式:从产品的功能用途出发，思考如何选择和研制相应材料 从原料出发，思考如何发挥材料的特性,开拓产品的新功能，甚至创造全新的产品。3.材料与产品的匹配关系产品设计包含功能设计、形式设计,在产品设计中都要匹配。材料性能的三个层次:核心部分是材料的固有性能;中间层次世人的感觉器官能直接感受的材料性能；外层是材料性能中能直接赋予视觉的表面性能。产品功能设计所要求的是与核心部分的材料固有性能相匹配，而在产品设计中除了材料的形态之外,还必须考虑材料与使用者的触觉、视觉相匹配。14设计材料的分类1.按材料的来源分类:天然材料 技工材料 合成材料 复合材料智能材料或应变材料2.按材料的物质结构分类:金属材

5、料 无机材料 有机材料 复合材料3.按材料的形态分类：线状材料 板状材料 块状材料5材料特性的基本特性从材料特性包括:材料的固有特性,即材料的物理化学特性。材料的派生特性,即材料的加工特性材料的感觉特性和经济特性。特性的综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点。 .5.1材料特性的评价材料特性的评价：基础评价,即以单一因素评价。综合评价，即以组合因素进行评价。 2材料的固有特性材料的固有特性是由材料本身的组成、机构所决定的,是指材料在使用条件下表现出来的性能，他受外界条件的制约。 1.53材料的派生特性材料的派生特性包括材料的加工特性、材料的感觉特性、环境特性和材料的经济性。第二章:材料的工艺

6、特性材料的工艺特性是指:材料适应各种工艺处理要求的能力,材料的工艺性包括材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺。他是材料固有特性的综合反映,是决定材料能否进行加工或如何进行加工的重要因素，直接关系到加工效率、产品质量和生产成本等。2.1材料的成型加工2.成形加工工艺材料的成型加工性是衡量产品造型材料优劣的重要标志成型加工工艺对设计效果的影响因素很多,主要从以下几个方面表现出来：工艺方法 工艺水平 新工艺的采用 工艺方法的综合运用2.2材料成型工艺的选择原则是高效、优质、低成本，即应在规定的周期内，经济地生产出符合技术要求的产品，其核心是产品品质。必须指出，产品的成本运算是以生产合格产品为基础的

7、。根据零件类别、用途、功能、使用性能要求、结构形状与复杂程度、尺寸大小、技术要求等,可基本确定零件应选用的材料与成型方法。2.2 材料的连接工艺材料的连接工艺包括机械连接、焊接、粘接技术、静连接、动连接。2.3材料的表面处理具体说就是要处理注入色彩、光泽、纹理、质地等直接赋予视觉与触觉的一切表面造型要素。在产品造型设计时要根据产品的性能、使用环境、材料性质，正确选择表面处理工艺和面饰材料。2.1表面处理的目的一是保护产品，即保护材料本身赋予产品表面的光泽、色彩、肌理等而呈现出的外观美，并提高产品的耐用性，确保产品的安全性，由此有效的利用材料资源：二是根据产品造型设计的意图，改变产品表面状态,赋

8、予表面更丰富的色彩、光泽、肌理等,提高表面装饰效果,改善表面的物理性能、化学性能及生物学性能，使产品表面有更好的感觉特性。表面处理技术，即可以是相同材料具有不同的感觉特性,又可是不同材料获得相同的感觉特性。 2.2表面处理类型设计中所采用的三类表面处理技术：（1）表面被覆：镀层被覆 涂层被覆 目的:保护作用、装饰作用、特殊作用(如隔热、杀菌等)。涂装工艺一般包括制件表面涂装前处理、涂敷涂料及涂层干燥三大步骤。 珐琅被覆；广泛应用于厨房用具、医疗用具等。（2）表面层改质：化成处理,形成的膜对基物体具有耐蚀保护性耐磨性，不会从基体金属上脱离。阳极氧化处理;得到不同硬度、弹性、孔隙率孔径的氧化膜。（

9、3）表面精加工 2.材料表面处理工艺的选择原则 形态的时代性 求简的单纯性 功能的合理性 情感的审美性 产品档次的经济性成本 环境保护2. 新材料成形技术快速成形技术 快速成型,又称快速原型制造技术、快速制样或实体自由形式制造。快速成型是一种用材料逐层堆积出制件的制造方法。24.1快速成型的原理及特点原理:快速成型是基于离散、堆积原理而实现快速加工原型或零件的加工技术。特点:1、改变了传统模式的制造方式，设计制造一体化。2、设计的易达性。、快速性。 、材料的广泛性。.4.2 快速成型的基本方法1、光固化成型SLA成型工艺 2、选择性激光少杰成型SLS成型技术 3、熔积堆积成型FM成型技术 4、

10、分层实体成型LOM成型技术2.43 快速成型技术在设计领域的应用 快速成型技术在设计领域的应用包括：、优化产品设计；2、支持同步（并行)工程的实施;3、对产品性能进行及时、准确的校验与分析;、快捷、经济地制作各种模型。第三章:材料感觉特性的应用3材料感觉特性的概念 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做出的反映或由人的知觉系统从材料表面特征得出的信息,是人对材料的生理和心理活动,他建立在生理基础上，是人通过感觉器官对材料做出的综合印象。 311材料感觉特性的内容两个基本属性:生理心理属性、物理属性材料感觉特性按人的感觉可分为触觉质感和视觉质感，按材料本身的构成特性可分为自然

11、质感和人为质感。1.材料的触觉质感：生理心理构成物理构成2.材料的视觉质感:生理构成、物理构成、间接性、距离效应3.材料的自然质感；关注材料的天然性、真实性、价值性4.材料的人为质感:突出认为的工艺特性,强调工艺没和技术创造性.1.2材料感觉特性的评价1.材料感觉特性的描述:自然-人造、高雅-低俗、明亮阴暗、柔软-坚硬、光滑-粗糙、时髦保守、干净-肮脏、整齐-杂乱、鲜艳-平淡、感性理性、浪漫-拘谨、协调-冲突、亲切-冷漠、自由-束缚、古典-现代、轻巧笨拙、细致-粗略、活泼-呆板、科技-手工、温暖凉爽2.材料感觉特性的测定： 选取玻璃、陶瓷、木材、金属、塑料、橡胶、皮革比较,表3-3 材料感觉特

12、性的差异。3.1.3影响材料感觉特性的相关因素 材料感觉特性构成因素众多,通常表现为:1.材料种类 .材料成型加工工艺和表面处理工艺同质异感、异质同感：不同加工方法和工艺技巧会产生不同的外观效果，从而获得不同的感觉特性:铸造工艺、焊接工艺、编织工艺、车削工艺、磨削工艺、电镀工艺、喷砂工艺。3.其他因素:时代的科技水平、审美标准、流行时尚3.2质感设计质感设计是对工艺产品造型设计的技术性和艺术性的先期规划,是一个合乎设计规范的”认材-选材-配材理材-用材”的有机过程。3.2.1质感设计的形式美法则实际上是各种材质有规律组合的基本法则:1、调和与对比法则,即，使整体中各部位的物面质感统一和谐。 2

13、、主从法则,即强调在产品的质感设计上要有重点3.22质感设计的运用原则合理的使用材料、艺术性的使用材料、创造性的使用材料3.2.3质感设计的主要作用 提高适用性、增加宜人性、塑造产品的精神品味、达到产品的多样性和经济性、创造全新的产品风格3.3材料的抽象表达1.材料的抽象表达 定义:是将材料的某些特性加以提炼,升华为具有某种审美价值的意象,并沿着抽象表达的共同方向，是材料成为能唤起人们某种感情的具有抽象意义的材料。2.抽象思维是材料抽象表达的基础。3.材料的抽象表达对设计有直接的意义。3.4材料的美感材料的美感与材料本身的组成、性质、表面结构及使用状态有关3.4.1材料的色彩美感材料的色彩可分

14、为材料的固有色彩和材料的人为色彩。只有运用色彩规律将材料色彩进行组合和协调，才会产生明度对比、色相对比、和面积效应以及冷暖效应等现象，突出和丰富材料的色彩表现力。（1）相似色材料组合（2）对比色材料组合 3.4.2材料的肌理美感 肌理是由天然材料自身的组织结构或人工材料的人为组织设计而形成的,在视觉或触觉上可感受到的一种表面材质效果。 根据材料表面形态的构造特征,肌理可分为自然肌理和再造肌理;根据材料表面给人以知觉方面的感受，吉利还可分为视觉肌理和触觉肌理。材料肌理形态的组合方式主要有：同一肌理材料组合、相似肌理材料组合、对比肌理材料组合。3.3材料的光泽美感根据材料受光特性可分为透光材料和反

15、光材料。3.4材料的质地美感材料的质地美是材料本身的固有特性所引起的一种赏心悦目的心理综合感受,具有较强的感情色彩。材料的质地是材料内在的本质特征,主要由材料自身的组成、结构、物理化学特性来表现，主要表现为材料的软硬、轻重、冷暖、干湿、粗细等。质地是与任何材料有关的造型要素,一般分为天然质地与人工质地。产品材料质地特性及美感的表现力实在材料的选择和配置中实现的。分为两种：相似质地的材料配置、对比质地的材料配置。 34.5材料的形态美感设计材料的形态通常分为线材、片材和块材。线材具有长度和方向感，运用线材进行设计构思时，应把握线材的形态变化和组合特征;片材具有延伸感和空间的叙事干，其侧面具有线材

16、的特性;块材具有重量感、充实感和较强的视觉表现力。第四章：材料与环境41环境意识环境意识是现代社会的产物,也是也是后工业社会发展的必然要求。.2绿色设计绿色设计的基本思想就是维护地球绿色生态环境的设计,就是在设计阶段将生态环境因素和预防污染的措施纳入产品设计中，将环境性能作为产品的设计目标和出发点,力求产品对环境的影响最小。4.2.1绿色设计的基本特征1.环境协调性；是指产品开发与使用过程中，对人类生态环境与资源环境的协调有益程度。2.加价值创造性；体现在：结构与零部件设计中的结构技术的更新与进步变化,材料与工艺选择中的污染防范技术的应用，人与环境整体关系中的创新设计和提高产品总体价值的措施。

17、3.功能全程性；42.绿色设计的基本原则6R设计原则6R设计原则：研究 保护 减量化 回收 重复使用 再生4.23产品设计的绿色观念绿色设计与传统设计在设计依据、设计人员、设计技术与工艺、设计目的、产品、产品生命周期之间的比较。产品设计的绿色观念的四个层次:目标层、内容层、主要阶段层、设计因素层。针对产品绿色设计的观念,设计师应考虑的方面:安全性 节能型 生态型 社会性。4.2.4绿色设计的发展方向1.绿色产品的设计：产品的简约设计、产品的可拆卸设计。2.绿色包装设计:无包装设计、再利用包装3.绿色能源的开发。4.创造有生命的材料。4.绿色材料绿色材料是绿色设计的基础，绿色设计首先要选择绿色材

18、料。.1绿色材料的主要内涵绿色材料是指具有良好使用性能。对资源和能源消耗少,对生态环境污染小,可再生利用率或可降解循环利用率高，在材料的备置、使用、废弃及到再循环利用的整个过程中，都与环境协调共存的材料。绿色材料的明显特征:先进行、环境协调性、舒适性。4.3.2典型的绿色材料1.生物降解材料 目前市场上主要两种:淀粉基热塑性塑料制品、脂肪族聚酯塑料制品2.循环与再生材料 特征:可多次重复循环使用，废弃物可作为再生资源,废弃物处理消耗能量少，废弃物的处理对环境不产生二次污染或对环境的影响少。3.净化材料 几种实例说明:陶瓷过滤器、吸附材料、有害气体转换技术、废水净化材料。4.绿色建筑材料 分类：

19、基本型、用废弃物型的建材、节能型建材、健康性材料、抗菌材料。5.绿色能源材料.3.3绿色材料的评价方法(LC)4材料选择对环境保护的考虑选择适合产品使用方式的材料，对各种材料的种类、使用量和使用条件都加以严格的限制。减少使用材料对环境破坏和污染，避免使用有毒有害成分的原料。材料使用单纯化、少量化,尽量避免多种材料的混合使用，限制产品中材料的种类。尽量选用可回收再生或重复使用的材料，避免抛弃式的设计。选用废弃后能自然分解并为自然界吸收的材料。减少不必要的表面装饰，尽量选用表面不加任何涂饰、渡覆、贴覆的原材料,便于回收处理和再利用的目的。4.5影响材料选择的环境因素冲击与震动 温度与湿度 人为破坏

20、 火灾危害生物危害 污损气候影响 噪声第五章:金属材料及加工工艺5.1金属材料的分类及特性 1、金属的分类：金属材料是金属及其合金的总成。金属材料种类繁多,按照不同的要求又有许多分类的方法。可以按照金属材料构成元素、金属材料主要性能和用途、金属材料加工工艺和金属材料密度对金属材料进行不同反面的分类。 、金属的基本特性：（1）金属材料表面具有金属所特有的色彩、良好的反射能力、不透明性及金属光泽 (2)优良的力学性能 （3)优良的加工性能 (4)表面工艺幸好 (5）金属材料是电与热的良导体 （6)金属合金 （7)金属的氧化5.2金属材料的工艺特性金属材料的工业特性包括金属材料的成型加工、金属材料的

21、热处理和金属材料的表面处理技术。5.2.金属材料的成型加工1.铸造好处：成本低,工艺灵活性大,适应性强,适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。缺点：公差较大,容易产生内部缺陷。铸造按铸型所用材料及浇铸方式分为砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造和离心铸造。2金属塑性加工特点：在成型的同时能改伤感材料的组织结构和性能，产品可直接制取或便于加工，无切削，金属损耗小。适用于专业化大规模生产，但须专门的设备和工具，不宜与加工脆性材料或形状复杂的制品金属塑性加工按加工方式分为锻造、轧制、挤压、拔制和冲压加工3.切削加工 按加工方式分为车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削和钳工等 4.焊

22、接加工 常见的焊接方法有熔焊、压焊和钎焊5.粉末冶金 5.2金属材料的热处理1.普通热处理；包括退火、正火、淬火和回火处理2.表面热处理；包括表面淬火和化学热处理3.特殊热处理5.2.3金属材料的表面处理技术作用:保护、装饰1.金属材料表面处理前-应有前处理或预处理工序,应使金属材料或制品的表面达到-可以进行表面处理的状态。其方法主要有：机械处理、化学处理和电化学处理。2.金属材料的表面装饰技术 （1)金属表面着色工艺化学着色 电解着色 阳极氧化染色 渡覆着色 涂覆着色 珐琅着色 热处理着色 传统着色技术 (2)金属表面肌理工艺 是通过锻打、刻划、打磨腐蚀等工艺在金属表面制作出肌理效果：表面锻

23、打 表面抛光 表面镶嵌 表面蚀刻5.常用的金属材料金属材料按不同要求的不同分类方法：按金属材料构成元素分为黑色金属材料和有色金属材料 按金属材料主要性能和用途分为金属结构材料和金属功能材料 按金属材料加工工艺分为铸造金属材料、变形金属材料和粉末冶金材料 按金属材料密度分为轻金属和重金属。.3.钢铁材料根据含碳量多少，钢铁材料可分为三大类:工业纯钢 钢 铸铁1.钢的分类：碳素钢、合金钢 2.常用钢材的品种型钢 钢板钢管 钢丝 .3.2常用的有色金属材料1.铝及铝合金纯铝密度小,属于轻金属，导电性、导热性良好（1）铝合金的分类：变形铝合金 铸造铝合金（2）常见铝合金品种 铝合金型材 铝合金装饰板

24、铝箔铝塑复合膜 真空镀铝膜2.铜及铜合金纯铜的导电性、导热性极好 分类:黄铜 青铜 白铜 5.3其他合金金属1.钛及钛合金,按用途可分为耐热合金、耐蚀合金、高强合金、低温合金和特殊功能合金。广泛应用于航空、化工、机械等工业，还可做渡覆材料，具有耐腐蚀性和良好的装饰性。2.锡和锡合金熔点低，导热性好耐蚀性和减磨性好，可作为焊料和轴承材料，可用来做电容器、电器仪表零件以及装饰品和包装材料。5.4金属材料在设计中的应用设计实例:金属椅、“柔韧度良好”的扶手椅、褶皱花瓶、“猫鱼”剪子、“鹿特丹”桌、明月椅子、“ZEN”灯具、“孔洞”椅、铝制座椅、“钦奇塔”茶几等。第六章:高分子材料及加工工艺6.1高分

25、子聚合物的基本知识 1.高分子聚合物的特点：具有可分割型、具有弹性、具有可塑性、具有绝缘性。2.高分子聚合物的组成和结构(1）高分子聚合物的组成,化学组成都是有简单的结构单元以重复的方式连接而成。(2）高分子聚合物的结构，包括分子链结构和聚集态结构3.高分子聚合物的分类，表-14.高分子聚合物的力学状态随着温度的变化，呈现不同状态。在应用上，材料的耐热性、耐寒性有着重要意义。在现行聚合物中,由于链断热运动程度不同,一般可出现三种不同的力学状态:玻璃态、高弹态和粘流态。62塑料的基本特性1.塑料的组成：塑料是以合成树脂为主要成分,适当加入填料，增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂,在一定温度和压

26、力下塑制成型的一类高分子材料。2.塑料的分类按热行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。按其应用可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。3.塑料的一般特性优点:(1)塑料质轻,比强度高 （2）多数塑料制品有透明性,并富有光泽，能着鲜艳色彩 (3）优质的电绝缘性 (4）耐磨、自润滑性能好 （5）塑有耐化学药品性 (）塑料成型加工方便,能大批量生产。缺点：（1）塑料不耐高温,低温容易发脆（2）塑料制品易变形(3)塑料有老化现象6.3塑料的工艺特性塑料的工艺特性是指将塑料转变为塑料制品的工艺特性。处于玻璃态的塑料，车、铣、钻、刨等机械加工方法和电镀、喷涂等表面处理方法当塑料处于高弹态时，可采用热压、弯曲、真空

27、成型等加工方法把塑料加工到粘流态时，可以进行注射成型、挤出成型、吹塑成型等加工6.3.1塑料的成型工艺1.注射成型 2.挤出成型 3压制成型 4吹塑成型 .压延成型 6.流延成型 7.传递模塑成型.3塑料的二次加工1.塑料机械加工加工时应注意:塑料的导热性很差，加工中散热不良，一旦温度过高易造成软化发粘，以至分解烧焦,制件的回弹性大，易变形，加工表面较粗糙，尺寸误差大,加工有方向性的层状塑料制件是易开裂、分层、起毛或崩落。2.塑料热成型：根据所用的模具可分为无模成型、阳模成型、阴模成型和对模成型。主要成型方法有模压热成型和真空成型。3.塑料连接：分为塑料焊接、塑料熔剂粘结、塑料胶结。4.塑料表

28、面处理:包括：涂饰、镀饰、印刷、烫印、压花、彩饰。4常用的塑料材料1、通用塑料 2、工程塑料 3、增强塑料 4、泡沫塑料6.5塑料产品的结构设计在塑料产品的结构设计中必须遵循的基本原则:（1）在满足使用要求和性能的前提下，力求塑料产品结构简单、壁厚均匀、连接可靠、安装和使用方便 （2)应尽量使结构合理，便于模具和成型工艺的实事，使用最简单的工序和设备来完成产品的成型加工 （3）产品要求外形美观，既满足外观又要结构合理 （4)高效率、低消耗，尽量减少产品成型前后的辅助工作量，并避免成型后的二次机械加工 6.5.1塑料产品的结构要素1、壁厚 2、脱模斜度 3、圆角 、加强筋、支撑面 6、孔 、嵌件

29、 8、分模线 9、凸台 0、雕刻 6.5.2 塑料结构设计的应用 6. 塑料在设计中的应用设计实例：“生态”垃圾桶、“4300”桌、“线龟”缠线器、“令人惊异”花瓶、“THT”盐和胡椒摇罐、“UD医生”苍蝇怕、“Due”衣物挂钩、“翼”式台灯、“苍鹭”台灯、“灯站”灯具。7 橡胶材料及加工工艺橡胶也属于高分子材料具有高分子材料的共性。6.71 橡胶的特性及分类 1、橡胶基本特性:橡胶材料是指在较大变形之后能迅速有力恢复到原状的材料。橡胶的高弹性表现为，在外力作用下具有较大的弹性变形，最高可达10%,除去外力后变形很快恢复。此外，橡胶比较柔软，硬度低,还具有良好的疲劳强度、电绝缘性、耐化学腐蚀、环境老化性、耐磨性以及密封性等。2、分类:通常分类分为天然橡胶和合成橡胶。合成橡胶又分为通用合成橡胶和特种合成橡胶。72 橡胶的加工工艺橡胶产品的制备工艺过程复杂，一般包括塑炼、混炼、压延、压出、成型、硫化等加工工艺。6. 常用橡胶材料1、天然橡胶2、合成橡胶材料主要有：丁苯橡胶、顺丁橡胶、丁基橡胶、乙丙橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、硅橡胶等。. 橡胶材料在设计中的应用Eye数码相机、硅橡胶罐子、“线龟”缠线器、“Molle”台灯、“令人惊异”的花瓶、弹性瓶盖、保鲜软盖、下落壁灯、OO Goorips削皮刀、防水收音机等。第七章:木材及加工工艺7.木材的基本性能 .1木材的组织构造