产品设计中塑料应用研究

产品设计中的塑料应用研究【摘 要】 塑料已经成为当前的四大支柱材料之一，在产品设计领域也有着极其广泛的应用。本文从产品设计中常用的塑料种类及其特性、塑料成型方式和塑料二次加工三个方面对产品设计中的塑料应用进行了较为详尽的研究。【关键字】 产品设计 塑料特性 成型方式 二次加工如今，人们日常生活中随处可见各式各样的塑料产品，清晨起来用到的牙刷、上班乘坐的交通工具、使用的电脑等等，几乎随处可见塑料的影子。资料表明，当前世界塑料总产量已超过 1.5 亿吨，塑料已和钢铁、木材、水泥并列成为四大支柱材料。在产品设计领域，塑料也成为设计师为实现其创意形态而首选的材料之一。然而塑料在产品设计中的应用具体又有哪些方面呢？相关研究表明，产品设计中相关塑料知识按重要性从高到低排列依次为塑料种类及其特性、塑料二次加工、塑料成形方式、塑料模具设计和塑料制品设计 。基于此，下文将从产品设计中常用的塑料种类及其特性、塑料成型方式和塑料二次加工三个方面对产品设计中的塑料应用进行较为详尽的研究。一、 产品设计中常用塑料及其特性产品设计中，材料是影响产品外观的一个重要因素。在确定塑料为产品设计材料时，设计师应当根据实际情况选用恰当的塑料品种。然而塑料是一个有极为广泛意义的术语，包括 30 多种基本材料，接近38000 种配方，并且这一数量仍在不断变化 ，但是大多数的产品设计中实际选用的塑料品种只是塑料总体数量的一小部分。研究发现，产品设计中常用的塑料按频率由高到低依次为：ABS 树脂、聚丙烯 PP、聚乙烯 PE、聚碳酸脂 PC、聚氯乙烯 PVC 和压克力树脂 PMMA；其中 ABS 树脂在产品设计中的重要性和使用频率又明显超过其他五种，是产品设计中最常用也是最重要的塑料。而塑料特性按重要性由高到低依次为：热变形温度、冲击强度、弯曲强度、耐候性、透明度、燃烧性、硬度、抗溶剂性、光泽度、抗张强度以及导电率和电阻率1。该六种塑料的重要特性及其用途如表一所示。表一：产品设计常用的六种塑料之重要特性及用途名称及种类 重 要 特 性 用 途ABS 树脂（无定形热塑性塑料）乳白色、半透明、良好的抗拉强度、耐冲击性能、流动性能、表面硬度、刚性、耐热性、低温性能和电性能，成本适中设备壳体、排水管道配件、汽车缓冲板材、头灯罩、电冰箱（柜）门内衬胆、行李箱、支承物品、电动工具和家具面层等聚丙烯 PP（半结晶热塑性塑料）低成本日用塑料；密度最低的塑料；性能均衡，集电性能、耐热性、刚性、韧性、耐化学药品、尺寸稳定性、表面光泽性和熔体流动性于一体，且弯曲疲劳强度特别高；收缩率大、耐磨性较差、易低温脆化PP 铰链；仪器设备中的管材、搅拌器和泵壳体等；汽车风扇罩、风扇叶片、门板和坐席框架等；医疗器具、行李箱、玩具、包装用品和家用器具等聚乙烯 PE（半结晶热塑性塑料）旋转模塑行业使用的主要原料；低成本日用塑料、品级柔软；耐药品、水，电气绝缘性能良好；耐热及接触印刷差玩具、盖罩、外壳、包装材料、旋转模塑箱、医疗设备、管材、大型容器、教室桌椅、户外家具、桶、容器和家用器具等聚碳酸脂PC（无定形热塑性塑料）淡黄透明、优越的冲击强度、尺寸稳定性好、模塑收缩率低、耐蠕变性好、耐热性高、良好的电性能和自熄性、废旧料可回收再利用；耐油和油脂性差、疲劳强度低、缺口敏感性高、易开裂器械和工具壳体、电话、电视和船舶部件；汽车尾板、指示灯、头灯支承固定装置、仪表板、装饰带和外壳体部件；交通指示灯罩、光学透镜、微波炉器皿等聚氯乙烯PVC（半结晶热塑性塑料）可以配料，良好的刚性和柔韧性，光学、加工和绝缘性能良好，耐热性低、有一定的毒性仪器设备、体育用品、电视机和电动机箱部件、管材配件、玩具、餐具、鞋后跟、信誉卡等压克力树脂PMMA（无定形热塑性塑料）突出的光学透明性、良好的耐候性、机械强度、电性能和耐化学药品性能、硬度85-105HRM、优良的绝缘性能、燃烧速度慢且不产生火花、易受强腐蚀溶剂腐蚀设备面板、旋钮和壳体、汽车透镜、街道荧光灯、户外标牌、船舶风挡、刻度盘、仪器仪表盘、铭牌、窗户等资料来源：本研究搜集整理二、 常用的塑料成型方式在选择塑料产品的成型方式时，应当根据塑料的种类（热塑性或热固性）以及产品的成本要求（产品成本的粗略估算：原材料成本系数产品成本2）选用合适的成型方式。在产品设计中，常用的塑料成型方式按使用频率由高到低排列依次为注射成型、压制成型、挤出成型和吹塑成型。表二列出了此四种成型方式之简述及相关产品设计指南。表二：产品设计常用的四种塑料成型方式及相关产品设计指南指南项 注射成型 压制成型 挤出成型 吹塑成型简 述将粒状塑料从料斗送入料筒，柱塞推进将塑料推入加热区加热，在分流梳里熔化并调节流量，然后通过喷嘴将熔先将粉状、粒状或纤维状等塑料放入成型温度下的模腔中，然后闭模加压使其成型并固化将固态塑料塑化，并在加压情况下使其通过特定形状的口模而成为截面与口模形状相仿的连续体，最后用适当先用挤压法和注射法将塑料熔融成坯性塑料，切断后置于模型中，吹入热空气或冷空气，使塑料膨胀贴在模腔融的塑料注入模腔，冷却后打开模具即获得所需性质的塑料制品的处理方法使挤出的连续体失去塑性状态而变为固体。即得所需制品内壁上，冷却后即得所需中空制品主要优点生产效率极高，每件制品价格低，尺寸精度高，可生产大型结构形状复杂的制品，且制品表面质量好废料少，成本低，可制备大型制品，可利用多模槽进行大量生产模具费用低，可成型各种形状的塑料型材，生产效率高，可在芯材（如金属线）上施加涂料或外壳套可降低工装模具成本，提高生产效率，可成型空心、形状复杂的制品限 制工装模具成本高，不适于小批量生产不适于制造极其复杂的制品，例如带切槽的、侧抽芯的、小孔的和精细嵌件的制品。很难生产出公差极小的制品截面均匀的部件生产受限制成型空心制品或管状制品受限制，壁厚和公差难以控制适用塑料种类 1 ABS、PP 、PE 、 PC、PVC、PMMA 无 ABS、PP、PC 、PVC、 PMMA PP、PE、PC、PVC成本系数 2 1.55，23 210，1.53 25，34 1.55，23主要形状特征 无限制 在一个平面上模塑 不变截面异形材 空心壳体最小斜度（） 1 1 不适用 0制品最小厚度/mm 0.381 0.2543.175 0.0254 0.254制品最大厚度/mm 25.4 12.7 152.4 6.35表面处理 3 1 12 12 12模内设计 能 能 不能 能注：1 只反映产品设计中常用的六种塑料2 工业部门常用的经验成本系数，一般为 1.5103 15 级：1 表示非常光滑；5 表示粗糙资料来源：本研究搜集整理三、 产品设计中的塑料二次加工塑料二次加工是指以塑料成型制得的板、片、膜、管及模制品为原材料，经过机械加工、热成型、接合、表面装饰等工序制得成品的加工工艺 ；它包含多种加工工艺（如表三所示） 。塑料二次加工对产品外观的影响相当明显，可以说产品最终呈现的外观感觉都是由二次加工所确定的。下面本文将对产品设计中常用的二次加工工艺进行论述。表三：塑料二次加工工艺工艺名称 一级构成项 二级构成项裁 断 冲 切 车 削 机械加工其 他 刨削、钻削、铣削、螺纹加工、激光加工热成型 模压、真空 等 机械连接 扣位连接、螺丝连接、压接、嵌接、铆接等焊 接 热气焊接、热工具焊接、摩擦焊接、高频焊接、超声波焊接、其他焊接方式粘 接 聚氨酯类、丙烯酸酯类、环氧树脂类、酚醛树脂类等粘合剂结合方式其 他 成型连接、浇铸连接、混合连接、复合等涂 饰 涂料涂饰、表面染色、溶剂增亮印 刷 凸版印刷、凹版印刷、丝网印刷、移印、喷印、转印、平版印刷、激光刻印等表面上金 电镀、真空蒸镀、喷雾镀银、离子镀等表面处理 锉削和打磨、抛光和滚光、喷砂和揉面；物理方法；化学方法表面装饰其 他 压纹和压光、植绒、模内装饰、光栅和全息资料来源：本研究搜集整理（一） 机械加工由于现在的成型工艺已经非常成熟，例如注射成型可以达到一级的表面精度；部分表面处理（如塑胶蚀纹）也可以由模具实现，因而并不是所有的塑料成型制品都需要进行机械加工。机械加工只是在有需要的时候对成型制品进行诸如毛边、进料口修剪修饰等工作，或者是对在模具限制下无法进行的孔位、沟槽等进行必要的再次修整。（二） 结合方式产品的结合方式也是产品设计必须要考量的因素。目前业界内最常用的方式是螺丝连接、机械扣位或二者结合使用，粘接和超声波焊接等方式也用普遍的应用。螺丝和扣位连接都属于机械连接方式，是所有方式中最简单、成本最低、速度最快的方法。可重复多次的拆卸组合，能提供产品维修、更新与服务的方便。此方法可在产品结构设计时通过在恰当位置设计螺丝位或扣位然后经由模具成型实现，产品外壳上将会出现螺丝孔位，但弥补的方法也很多。例如将螺丝孔预留在产品后壳或底壳以尽量减少对关键面的影响；或者选用恰当的螺丝，将螺丝作为外观设计的一个细节处理。粘接和超声波焊接都是不可逆的结合方式。粘接适用于所有的塑料，且对外形、尺寸和材质没有限制，但是目前并没有一种适用于所有塑料的粘合剂，实际中可根据需要选用合适的粘合剂。超声波焊接也是一种重要的结合方式，占目前所有焊接工作的 80%4。它拥有焊缝强度高、焊缝细的特点，常用于结合对接缝有较高要求的产品或小型、精致制品。（三） 表面装饰产品表面装饰是最为影响产品外观的二次加工工艺，通过表面装饰可以美化产品外观， 、保护产品、改善产品外壳表面性能。目前，产品设计界中最常用的表面装饰工艺包括电镀、喷涂、丝网印刷等。1 电镀电镀是指通过电解方法在物件表面上获得特定金属沉积层的工艺过程。随着现代工业和科学技术的发展，电镀工艺也有了很大的发展，新镀层材料和复合镀技术的出现极大地拓展了电镀的应用领域。在产品设计中，电镀也得到了极其广泛的应用。从手机到家用电器，很多产品上我们都可以找到电镀塑件。由于大多数的电镀件都是作为产品的装饰件而存在的，例如产品的铭牌、手机的装饰中圈等，因此，电镀件的外观就十分重要。影响电镀效果的因素有很多，塑件造型设计便是其中之一。为了能获得高质量的电镀效果，塑件造型设计时应注意以下几方面内容：（1）塑件造型设计时要充分考虑如何分模，避免夹模线出现在关键面上。电镀会使夹模线更明显，从而影响整件的外观质量。（2）避免塑件壁厚不均的状况，且壁厚适中（实际设计中一般取值为 1.2 mm） 。壁厚不均的塑件成型时易缩水，电镀后的金属光泽会使原有的缩痕变得更明显。（3）平面塑件难以获得好的电镀效果，镀层将会厚薄不均，外观上可见痕迹。如确实需要，可将平面形改为略带圆弧的面或制成亚光面。此外，电镀的面积越大，中心部位与边缘的光泽差别也越大，此时也可将其改为略带圆弧的面。（4）塑件设计时避免盲孔。盲孔内的镀前处理液不易清洁，易造成下道工序污染，从而影响电镀质量。（5）塑件设计避免产生“孤岛” 。电镀时电流无法达到“孤岛” ，金属便不会在孤岛沉积形成镀层。（6）塑件边缘过渡尽量设计采用圆角（半径最小 0.2 mm） ，避免有锐边、直角。电镀时这些部位的内应力会对镀层的结合产生不良影响 。（7）塑件上尽量减少设计凹槽和突出部位。在电镀时深凹部位易露塑，而突出部位易镀焦。必要情况下，凹槽深度不宜超过槽宽的 1/3，底面呈圆弧状。有格栅时，孔宽应等于梁宽，并小于厚度的 1/2 。2 喷涂喷涂是指用机械产生的能量作为动力，将涂料用喷具喷涂到经过处理的制品表面然后经干燥成膜的施工方法。它是产品设计中表面装饰的另一常用加工工艺，也是涂装工艺中最常使用的一种。喷涂法的适应性很强，大部分的涂料品种都可用喷涂法施工，而且喷涂法也较少限制产品的形状和尺寸，常用于产品外壳装饰。喷涂能给产品外观带来更丰富的色彩变化，美化产品外观并遮盖模具成型时的一些不良，如流纹等，同时，喷涂还能改进产品外表面的耐磨、耐候等物化性能。此外，利用蒙版可以实现遮喷，使产品表面产生涂层分界线及各种图案，并能在同一制件表面获得多种色彩效果，但实际操作中，较难保证遮喷线整齐。3 丝网印刷丝网印刷是指以丝网为板材，通过感光制版的方法制成图像和文字透空的丝网印版，然后运行橡皮刮板在丝网印版上刮印油墨，使油墨通过透空的网孔，在承印物上形成所需要图文的工艺过程。丝网印刷可以精确地控制油墨的厚度，厚度范围可达 30100m，是凸版印刷的 310 倍，凹版印刷的 28 倍，具有很强的立体感4；丝网印刷不受承印物大小和形状的限制，可在不同形状的成型物及凹凸面上印刷，也不受承印材料、批量等的限制，且适用于各种印刷介质，防水，防紫外线，色彩饱和明快。虽然丝网印刷一次只能印刷一种颜色，但由于成本低廉，加工方便，对于多色的部分可采用套色的多次网版印刷进行。丝网印刷是目前产品设计中印刷商标、文字、图形等最常用的印刷方式，广泛地应用于软硬塑胶、金属等的印刷。参考文献：1 陈士昀工业设计师所具备之塑胶材料加工专业知识范围之研究台湾铭传大学硕士学位论文，200346-892（美）查尔斯 A哈珀（Charles AHarper）主编，张玉龙等译产品设计材料手册北京：机械工业出版社，2004246-2963 栾华塑料二次加工北京：中国轻工业出版社，19995， 245，4414 吴利英ABS 塑料加工工艺对塑料电镀的影响航空制造技术，1999（3）：58-595 吴利英影响塑料电镀的塑料工艺因素分析现代塑料加工应用，2002，14（6）：11-13Plastic Applicatio