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文檔簡介
產品造型設計材料與工藝
一個有吸引力的工業設計能使其在眾多產品中顯露出來,它具有與眾不同的符號體系,使消費者在購買時很容易辨認出自己所鐘意的產品。
——美的工業設計公司董事長兼總經理/李錦魁本門課程的重要性材料和工藝是產品造型設計的物質技術條件,是產品設計得以實現的橋梁如何選用材料及其造型工藝,使其性能特點與加工特點相一致,最終實現設計的目標和要求?學習這門課程的目的?
學會根據產品造型設計的目的和要求,靈活地利用各種材料的內在功能和表面特征,合理地選擇材料和加工工藝,設計出功能好、性能高、款式新穎的產品!為什么學習本課程?設計構思的基礎設計創新的法寶你們覺得什么樣的材料能做出這樣的產品?招聘說明:高級工業設計師4人
1、工業設計專業大專以上學歷;
2、1年以上工業設計工作經驗(有家電設計經歷者優先);
3、有超強的手繪功底、熟練運用二維軟件,三維建模與渲染軟件;
4、有很強的責任心和職業精神,做事認真負責,積極進取,善于溝通,具備一定的管理能力和溝通能力;
5、對產品結構、材料和加工工藝有深入了解。3.工作的需要重點、難點重點金屬和非金屬常用造型材料的特點和工藝難點如何充分利用造型材料及其成型工藝,實現完美的造型設計特別是造型結構的合理性、可加性、材料的合理性
第一節天然物質形態與人造物質形態
第二節設計的非物質性與物化意識
第三節材料與設計
第四節材料的分類
第五節材料的一般性質
第六節設計材料應具有的特性
第七節材料科學技術的發展
第一章
概論第一章
概論第一節天然物質形態與人造物質形態
第二節設計的非物質性與物化意識材料的定義材料(廣義):指人的思想意識之外的所有物質材料(狹義):指工業生產加工所使用的物質材料的基本屬性:必須有恰當的性能可用于滿足人類生產和生活的某一特定需要須有加工和利用的可能性必須有某種經濟性材料的五個發展階段
一、使用純天然材料的初級階段(舊石器時代)
使用天然材料,如:獸皮、甲骨、羽毛、樹木、草葉、石塊、泥土等。二、人類單純利用火制造材料的階段
距今約1萬年前—20世紀初至今(橫跨新石器時代、銅器時代和鐵器時代)代表性的三大人造材料:陶、銅、鐵材料的五個發展階段三、利用物理和化學原理合成材料的階段(20世紀初,以合成高分子材料的出現標志)合成高分子材料(合成塑料、合成纖維及合成橡膠等)功能高分子材料(經輻射的高分子聚合物)合金材料(鐵碳合金、鋁合金、銅合金等)無機非金屬材料(陶瓷材料)超導材料、半導體材料、光纖材料、人造金剛石、立方氮化棚、金屬氫等高性能結構材料和功能材料(不銹鋼、鐵合金、超耐熱鋼、超硬合金、壓電材料、鐵電材料、熱電材料、光電材料、激光材料、磁光材料、聲光材料等)材料的五個發展階段四、材料的復合化階段(20世紀50年代,以金屬陶瓷材料的出現為標志)
金屬陶瓷(金屬與陶瓷的復合材料)玻璃鋼(玻璃纖維與高分子材料的復合材料)鋁塑薄膜
在高真空狀態下將鋁蒸發到各種基膜上的一種薄膜產品
梯度功能材料(組成、結構、性能隨材料的空間位置而連續變化的材料)抗菌材料
如:塑料玩具用抗菌材料、紡織品等梯度功能材料一般復合材料的整體材料性能是同一的,但有時希望同一件材料兩側具有不同的性質或功能,且兩側結合完美,不至于在苛刻的條件下因性能不匹配發生破壞例如超音速燃燒沖壓式發動機,燃燒氣體的溫度超過2000℃;燃燒室壁另一側要經受燃料液氫的冷卻,溫度-200℃左右。將金屬和陶瓷聯合使用,陶瓷對付高溫,金屬對付低溫。但將金屬和陶瓷結合時,由于二者的界面熱力學特性匹配不好,在極大的熱應力下還會被破壞。1984年平井敏雄提出梯度功能材料:通過連續地改變兩種材料的組成和結構,使其內部界面消失,得到功能相應于組成和結構的變化而漸變的非均質材料。對上述的燃燒室壁,在陶瓷和金屬之間通過連續地控制內部組成和微細結構的變化,使兩種材料之間不出現界面,從而使整體材料耐熱應力強、機械強度好。材料的五個發展階段五、材料的智能化階段形狀記憶合金感溫磁鋼光致變色玻璃熱致變色玻璃智能混凝土等形狀記憶合金1963年,美國海軍軍械研究室試驗中需要鎳鈦合金絲,領回來的是彎曲的,為使用方便進行拉直后續試驗中:當溫度升到一定值的時候,拉得筆直的合金絲,魔術般地迅速恢復到原狀,且絲毫不差。只要達到一定溫度,便立即恢復到原樣。好像在從前被“凍”得失去知覺時被人們改變了形狀,當溫度升高到一定值,“蘇醒”,又“記憶”起原樣,便恢復面目。形狀記憶合金不僅單次“記憶”能力幾乎可達百分之百,即使重復500萬次以上也不會產生絲毫疲勞斷裂享有“永不忘本”、“百折不撓”等美譽,被比作一個人永不變節、堅貞不屈的精神和氣節1969年7月20日,乘坐“阿波羅-11號”登月艙的美國宇航員阿姆斯特朗在月球上踏下第一個人類腳印,這位勇士從月宮里傳回富于哲理的聲音:“對我個人來說,這只是邁出的一小步;但對全人類來說,這是跨了一大步”阿姆斯特朗當時的圖像和聲音通過形狀記憶合金制成的天線從月球傳輸回地面形狀記憶合金形狀記憶合金眼睛架如何在設計運用形狀記憶合金?形狀記憶合金還可以用作消防報警裝置及電器設備的保險開關裝置
感溫磁鋼溫度特性:在常溫狀態下,為鐵磁物質,能夠吸引硬磁,當溫度升高到某一限界時,其磁性消失。此轉變溫度稱為居里點。居里點隨著軟磁材料的成分而變化應用:電飯煲的控制溫度103℃,在飯熟后斷電,斷電后不能自動復位第三節材料與設計翻開人類進化史,我們不難發現,材料的開發、使用和完善貫穿其始終。人類從石器時代、陶器時代、銅器時代、鐵器時代步入當代的人工合成材料時代,材料早已成為人類賴以生存和生活中不可缺少的重要部分,它是人類文明和時代進步的標志,是社會科學技術發展水平的標志。材料與設計材料及工藝是產品設計的物質技術條件,是產品設計的基礎和前提。設計通過材料及工藝轉化成實體產品,材料及工藝通過設計實現其自身的價值。
材料特性影響產品設計。維持產品形態滿足產品功能要求產品設計只有選用材料的性能特點及其加工工藝性能相一致,才能實現設計的目的和要求。材料與設計新材料、新工藝為設計的可行性創造條件,對設計提出要求,給設計帶來飛躍,出現新的設計風格,產生新的功能、新的結構和新的形態。新的設計構思也要求材料與工藝來實現。這對材料及工藝提出了新的要求,促進了材料科學的發展和工藝技術的改進與創新。材料與設計以家具中的椅子為例,可以看出椅子設計造型的變化與發展和椅子材料的應用與發展是相輔相成、相互影響、相互促進和相互制約的。明代家具----圈椅材料與設計在現代設計發展的進程中,設計師們在材料的運用上給我們留下了豐富的寶貴經驗。自18世紀歐洲工業革命以來,隨著科學技術的發展,出現了各類新材料、新工藝,給家具造型帶來了新的生命
瓦西里椅材料與設計20世紀三四十年代以后,
由于合成樹脂的迅速發展和高頻膠合技術的應用,產生了一種新的椅子形態——膠合板椅,它改變了原有木材的特性,其結構、強度等均發生了變化,賦予椅子新的造型風格。膠合板椅材料與設計新的合金技術和合成化學技術也為椅子提供了各類高性能的輕質合金材料及高分子聚合材料,這一系列材料的問世,為椅子造型設計開辟了更廣闊的領域。
S形塑料椅
材料與設計用乙烯基布縫制成一個錐狀袋子,內裝顆粒狀聚苯乙烯泡沫球,此款布袋椅完全拋棄了家具設計的結構,適宜使用者所采取的各種坐姿。Sacco椅材料與設計各種新材料、新工藝的出現,給椅子造型帶來了新的生機,為椅子造型設計提供了更多的造型方法和手段,產生了完全嶄新的造型風格。圖1-6玻璃椅子
材料與設計材料的不同,必然帶來設計的不同,新的材料會產生新的設計,產生新的造型形式,給人們帶來新的感受。
圖1-7充氣椅子學設計應當了解材料與工藝拿到設計項目后,需要想象和逐步形成將被加工產品的外形。有了良好的材料與工藝的知識基礎后,就可以提出一系列可能的設計方案,又能在一定程度上確信它們是可被加工的。設計與工程需要協作社會分工不同產品設計評審中,要進行可制造性的討論。設計師要有精神準備去維護設計方案的合理性。在設計過程中,與工程人員有必要進行溝通和協作。設計師必須了解材料及加工的知識。
從設計到產品天敏子彈頭攝像頭從最初的設計到形成產品都經過了哪些環節??出色的攝像頭不僅需要有出色的效果,同樣,也要有吸引人的外觀。成功的外觀設計,需要出色的設計理念,但要把將這理念在具體實物體現出來,又需要精湛的工藝。天敏子彈頭攝像頭J-CAM
設計
外觀設計
天敏子彈頭的設計草圖手畫草圖,將自己的的想法粗略地在紙上體現,畫出簡易的大體外觀。
在ID小組討論后決定后,用Rhino犀牛工業造型軟件先畫幾個三維的外觀效果圖,經討論大致確認后,把這個粗略的外觀圖紙文件送去打版中心進行CNC三維雕刻打“手版”,然后對實體模型進行評審,然后會根據模型計師進行不斷的修改,這個過程是要將攝像頭的最后所要實現的外觀確認。外觀打樣后,即進行結構論證和設計工作,一般使用軟件,結構設計。設計材料、模具應如何設計、出模方式等,需要跟模具設計師做大量的討論溝通,也要做很多的樣版來做試驗。在結構設計階段,需要豐富的模具知識,跟模具設計師的大量溝通天敏子彈頭三維外觀效果圖具體的內部尺寸確定,那時設計師就可以將PCB板的尺寸給硬件工程師,在設計同時,PCB的設計從現在開始也在同步地進行,相互之間也要做大量的溝通,有時為了爭一點點空間,相互爭個面紅耳赤。外觀設計
為了檢查結構尺寸和PCB板的配合,還要做結構手板,經過檢測,如果外觀有問題或者內部結構與PCB板不合,再進行修改。修改外觀其實是一個反復的過程,直到所有的設計達到最好的配合,最終確定模具,才正式開始交PRO-E圖紙給專業的模具廠制造模具。從外觀到結構,這個設計的時間最長,不確定的因素也很多,通常要兩三個月,之后就快起來了。設計外觀設計
設計外觀設計
外觀設計的工序:?
靈感:手繪草圖確認大體外觀?
實踐:軟件pro-e或犀牛等畫出大致外觀?
初期顏色確定:用3DMAX進行渲染?
用pro-e做出內部的結構,實現外觀所需要的?
做手版,目的:確認外觀、檢查結構與PCB配合?
修改結構圖?
制造模具(大約30天)設計
PCB板設計
設計PCB板外觀的內部結構確定的同時,硬件工程師就可以根據所給的內部結構尺寸,繪制原理圖。首先是確定方案,因為攝像頭有多種方案可以選擇,所以就首先要確定好方案。然后才能用POWERPCB軟件,開始繪制原理圖。原理圖繪制好后,將其轉換成網表,再在POWERPCB里面把網表導入POWERPCB,制作成PCB文件。然后開始繪制PCB板邊框,將模具所要求一些固定的位置譬如定位孔、燈、電源插座的位置最先確定下來。再對PCB板進行布局、布線。布局主要是保障大功率元件要互相隔遠點,濾波電容要和其對應的IC管腳挨近點等;布線主要考慮的是:電源和地線盡量粗,容易受干擾的線要注意保護等。
設計
PCB板設計
然后就是整理BOM(BillofMaterial物料清單)表,根據原理圖,看有沒遺落以及多出元件。檢查無誤后,就可以發手板了。手板的制造有一定的時間,制作完后,再返回給硬件工程師進行貼元件、調試。調試就是看效果如何,如果效果不滿意,就繼續進行修改,調試,反復達到最好效果。設計
PCB板設計
大體的設計流程:1.確定方案.2.根據方案繪制原理圖3.將原理圖導成PCB文件4.繪制PCB邊框,及其模具所要求的固定位置.5.對PCB板進行布局,布線.6.整理BOM表7.檢查無誤后,發手板.8.手板打回后,貼元件,然后調試.9.調試無誤后,開始生產材料在設計中的作用材料科技與制造技術的發展,使產品設計的內涵不斷外延。過去工業設計師更多被束縛于產品的功能和內在因素,很多創意變為空想無法實現。如今這種狀況被徹底改變,材料激發了設計師的無限創意。例如,塑料材料的誕生產品設計的進步史,也是材料的發展史從木材、陶瓷到金屬、玻璃和塑料,材料的不斷創新實現著人們對于產品的種種夢想,材料的魅力是無窮的材料是設計的載體,設計是材料的體現“巧婦難為無米之炊”;如廚師要了解食材及其加工方法產品的功能、形體和外觀與材料的質地、感官、性能及成型工藝關系密切材料的感官效果;材料的力學、物理、化學性能;材料的加工工藝與性能;材料的改性和表面處理;造型設計要與材料的性能特點及其加工工藝相一致,才能實現設計的目的和要求。
材料、工藝、設計三者間的關系材料、設計和工藝——密不可分創新是工業設計的靈魂,新材料、新工藝和新技術正是為產品的創新設計開辟新天地!設計離不開對材料的認識和制造成型過程的了解設計如何兼顧:實用性、科學性、藝術性、經濟性?如明式家具與現代板式家具設計師必須注重材料的性能特點、實用價值與審美價值,達到功能和形式的統一如塑料兒童餐具要設計出好的產品,必須使材料在制成物和作用于人的過程中,真正做到“料盡其材,物盡其用”
第四節材料的分類
按材料的發展歷史分
天然材料加工材料合成材料復合材料智能材料或應變材料按材料的物理狀態分類氣體、液體、固體(物質在常溫下存在的三大類狀態)
材料的分類按材料用途分類機械加工材料;建筑材料;電工材料;結構材料;電子材料;研磨材料;光學材料;耐火材料;感光材料;耐腐蝕材料;包裝材料等等按材料的化學組成分類金屬材料無機非金屬材料:陶瓷、玻璃等有機高分子材料:塑料、橡膠等復合材料:以前三種材料為組分經人工復合而成。如玻璃鋼、樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、功能復合材料等。—物理化學性能1.密度:材料在絕對密實的狀態下單位體積的質量
式中:m—干燥材料的質量(kg);V—材料在絕對密實狀態下的體積(m3)2.熔點(單位:℃)純金屬由固態轉變為液態時的溫度
有些非金屬材料沒有明顯的熔點(如:高分子材料、熱固性樹脂、陶瓷材料等)
第五節材料的基本性質3.比熱容(單位:J/(kg-K))
將1kg重的材料溫度升高1℃所需要的熱量。4.熱導率(導熱系數)(單位;W/(m·K))
材料將熱量從一側表面傳遞到另一側表面的性質稱為導熱性。由熱導率或導熱系數表示。—物理化學性能第五節材料的基本性質5.熱膨脹系數
材料由于溫度上升或下降會出現膨脹或收縮。
線膨脹系數——
材料上兩點之間的單位距離在溫度升高1℃時的變化稱為線膨脹系數(單位:1∕℃)
線膨脹系數的比較:高分子材料﹥金屬材料﹥陶瓷材料體膨脹系數——材料由于溫度變化出現膨脹或收縮按體積計算時,稱體膨脹系數。一般可概略看作線膨脹系數的3倍。—物理化學性能第五節材料的一般性質—物理化學性能第五節材料的一般性質6.其他需要考慮的性能:包括導電性、磁性、耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化性、親水性、吸水性、耐水性、抗滲性、耐熱性、耐燃性、耐火性、耐久性等等。強度
材料在靜載荷(外力)作用下抵抗塑性變形和破壞作用的能力,包括抗壓強度、抗拉強度、抗彎強度、抗剪強度等。屈服強度:抗拉強度:
—力學性能第五節材料的一般性質彈性材料在外力作用下產生變形,當外力去除后仍能完全恢復其原來形狀的性能彈性極限材料在彈性變形范圍內所能承受的最大應力彈性模量材料承受外力時抵抗彈性變形的能力,衡量材料的剛度—力學性能第五節材料的一般性質塑性材料在外力作用下產生變形,當外力去除后仍保持外力作用時的形狀而不破裂的性能。材料的塑性指標:斷面收縮率
:
伸長率:
—力學性能第五節材料的一般性質脆性
材料在受外力作用達到一定限度時,無明顯變形而突然破壞的性質韌性
材料在沖擊載荷或震動載荷作用下,能承受很大變形而不破壞的能力,也稱沖擊韌性疲勞強度指金屬材料承受無限次交變載荷而不發生斷裂破壞的最大應力—力學性能第五節材料的一般性質硬度
——材料抵抗其他物體壓入自身表面的能力,反映材料局部塑性變形的能力金屬材料的硬度:
布氏硬度(HB)洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)
維氏硬度(HV)—力學性能第五節材料的一般性質布氏硬度試驗原理:
用載荷為P的力,把直徑為d的鋼球壓入金屬表面,保持一定時間后去除載荷,測量鋼球在金屬表面上留有的圓形壓痕的直徑d,并以此求出壓痕面積AB,并以P/AB作為布氏硬度的值。即:HB=P/AB
布氏硬度試驗原理布氏硬度試驗機洛氏硬度試驗原理:
方法與上相同,不同的是,用測量壓痕凹陷深度來表示應度值。有三種試驗規范:HRA、HRC(金剛石圓錐壓頭)、HRB(鋼球)洛氏硬度試驗原理(測量過程)洛氏硬度機維氏硬度試驗原理:
方法與布氏硬度相同,區別在于使用的壓頭形狀為錐面夾角為136°的金剛石四楞錐。鑄造性可鍛性切削加工性焊接性熱處理工藝性第五節材料的一般性質
——材料的工藝性能第六節造型材料應具有的特性1.感覺物性
指人的感覺器官對材料作出的綜合印象,包括人的感覺系統對因材料所給與的生理剌激所作出的反映。
如何合理運用不同材料的感覺物性賦予產品造型新的特色?如何利用材料的感覺物性2.環境耐候性
指所選用材料對環境條件和自然因素的變化,以及周圍介質可能的破壞作用的耐受和抵抗能力。這種能力越強越好。影響耐侯性的常見因素:
物理因素日、風、雨、潮、高溫、冰凍等;化學因素酸、堿、腐蝕性微量元素等第六節造型材料應具有的特性3.加工成型性
材料通過加工而獲得所需產品形狀的難易程度。
容易加工和成型的材料是設計的最佳選材,也是衡量選材好壞的重要因素之一。不同材料的加工成型方法不同:金屬
加工工藝性能優良,具有切削加工性(車、鉆、錘、磨、銑、刨等);熱加工成型(鑄造、錘鍛、軋制、拉拔、擠壓等)。木材
一種優良的造型材料,用途極廣。可切削加工(鋸、刨、打孔、組合等),可壓制成型;塑料可塑性極好,可以在較低溫度條件下加工成型(注射、擠壓、模壓、澆鑄、纏繞、燒結、真空成型、吹塑
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