设计材料与加工工艺 第一章 概论

设计材料及加工工艺,设计材料及加工工艺,本课程的重要性？,设计材料及加工工艺是工业设计专业一门研究产品造型材料和成型工艺的必修专业基础教育课程。,为什么学？,1. 求职的需要,2. 设计构思的基础,3. 设计创新的法宝,设计材料及加工工艺,1. 求职的需要,招聘说明：高级工业设计师4人 1、工业设计专业本科以上学历； 2、1年以上工业设计工作经验（有家电设计经历者优先）； 3、有超强的手绘功底、熟练运用二维软件，三维建模与渲染软件； 4、有很强的责任心和职业精神，做事认真负责，积极进取，善于沟通，具备一定的管理能力和沟通能力； 5、对产品结构、材料和加工工艺有深入了解。,设计材料及加工工艺,2. 设计构思的基础,材料和工艺是产品造型设计的物质技术条件，是产品设计得以实现的桥梁。,设计材料及加工工艺,3. 设计创新的法宝,如何选用材料及其造型工艺，使其性能特点与加工特点相一致，最终实现设计的目标和要求？,藤条感钢制-Cane table,设计材料及加工工艺,3. 设计创新的法宝,采用基于有机材料的可收卷电视,设计材料及加工工艺,学习这门课程的目的？,学会根据产品造型设计的目的和要求，灵活地利用各种材料的内在功能和表面特征，合理地选择材料的加工工艺，设计出功能好、性能高、款式新颖的产品！,本课程学习的重点、难点,重点 金属和非金属常用造型材料的特点和成型工艺,难点 如何充分利用造型材料及其成型工艺，实现完美的造型设计 特别是造型结构的合理性、可加性、材料的合理性,设计材料及加工工艺,第一章 概 论,一、材料与设计,人类的生存离不开材料 一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持 例如：实现光通讯技术，离不开1970年制成的光导纤维材料的支持 先进的技术反过来促进新材料的诞生翻开人类进化史，材料的开发、使用和完善贯穿其始终,材料的发展历史,1.1 设计与材料,远古的石器时代，人类懂得研磨，用锋利并形状规整的势头制成匕首，斧头和枪尖等。,后来，出现了焙烧陶器，即利用塑性好的粘土，通过烧结而成发明了制陶术。,材料的发展历史,1.1 设计与材料,在青铜器时代，利用青铜的熔点较低，硬度高，便于铸造的特征，制作成食器、酒器、装饰品和兵器。,材料的发展历史,1.1 设计与材料,材料的发展历史,1.1 设计与材料,到了铁器时代，出现了以铁为主的一系列金属和合金材料，被用以制作各种手工艺器具、家庭器具、农生产工具以及武器等。,工业革命以后，科学技术日新月异，新材料不断涌现。发展到今日，出现各种材料百家争鸣的局面。,材料的发展历史,1.1 设计与材料,1.1 设计与材料,从例子看材料的发展,以家具中的椅子为例，可以看出椅子设计造型的变化与发展和椅子材料的应用与发展是相辅相成、相互影响、相互促进和相互制约的。古希腊时期-石椅,1.1 设计与材料,从例子看材料的发展,后来出现用木材制作家具。我国明代家具，在家具发展史中占有重要地位。明式椅子具有简、厚、精、雅之特色，所用木材多为紫檀木、黄花梨木、杞梓木，红木、乌木、铁力木和楠木等。明代家具-圈椅,线条挺拔秀丽、流畅，纹理自然华美,1.1 设计与材料,工业革命后，新材料不断出现。1919年，德国格罗佩斯(Walter Gropius)创办包豪斯学校(Bauhaus)，兴起的“包豪斯”学派，由马谢尔布鲁耶(Marcel Breuer)领导的家具改革，开辟了家具设计新的一页,设计制造出了世界上第一张以标准件构成的钢管椅瓦西里椅。首创了世界钢管椅的设计，突破了原有木制椅子的造型范围。,轻巧优美、华贵高雅、结构坚固,20世纪三四十年代以后， 由于合成树脂的迅速发展和高频胶合技术的应用，产生了一种新的椅子形态胶合板椅，它改变了原有木材的特性，其结构、强度等均发生了变化，赋予椅子新的造型风格。胶合板椅,1.1 设计与材料,新的合金技术和合成化学技术也为椅子提供了各类高性能的轻质合金材料及高分子聚合材料，这一系列材料的问世，为椅子造型设计开辟了更广阔的领域。 S形塑料椅,1.1 设计与材料,1.1 设计与材料,用乙烯基布缝制成一个锥状袋子，内装颗粒状聚苯乙烯泡沫球，此款布袋椅完全抛弃了家具设计的结构，适宜使用者所采取的各种坐姿。Sacco椅,1.1 设计与材料,各种新材料、新工艺的出现，给椅子造型带来了新的生机，为椅子造型设计提供了更多的造型方法和手段，产生了完全崭新的造型风格。玻璃椅子,1.1 设计与材料,材料的不同，必然带来设计的不同，新的材料会产生新的设计，产生新的造型形式，给人们带来新的感受。充气椅子,1.2 产品造型设计的物质基础,1.产品：是由一定的材料经过一定的加工工艺而构成的，是功能、形态和材料三要素的和谐统一。 2.产品造型设计：工业产品技术功能设计与美学设计的结合统一，集现代科学技术与社会文化、经济和艺术为一体，是人类有目的的创造活动。,1.2 产品造型设计的物质基础,材料是工业造型设计的物质基础。 工艺是指材料的成型工艺、加工工艺和表面处理工艺，是人们认识、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，是产品设计的前提，它与产品的功能、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。,1.3 材料设计,材料设计的内容 以包括“物一人一环境”的材料系统为对象 将材料性能、使用、选择、制造、开发、废弃处理和环境保护看成一个整体 着重研究材料特性与人、社会、环境的谐调关系 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，使材料特性与产品的功能达到和谐统一,1.3 材料设计,有意识地运用各种新技术和新手段来创造新材料，运用具有新的组合方式、新的形态和新的性质的各种材料进行新产品的开发。,1.3 材料设计,材料设计的方式,从产品出发功能用途 从原材料出发发挥材料特性开拓产品新功能,原材料,原材料所 具的特性,产品用途,产品所需的功能,比 较 与 评 价,材料选择 材料改良 材料研制开发 应用技术开发,用途开发再利用,1.3 材料设计,材料与产品的匹配关系,功能设计、形式设计要求,维持功能、造型,材料的表面感觉（色泽、纹理）,材料的性能感觉（软硬、轻重、冷暖）,材料的固有特性,材料赋予的性能,使用者要求,视觉,触觉,视觉质感,触觉质感,材料的性能分为三个层次：核心部分是材料的固有性能，包括物理性能、化学性能、加工性能等；中间层次是人的感觉器官能直接感受的材料性能，它主要是部分物理性能，如硬软、重轻、冷暖等；其外层是材料性能中能直接赋予视觉的表面性能，如肌理、色彩、光泽等。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，还必须考虑材料与使用者的触觉、视觉相匹配。,1.3 材料设计,材料与产品的匹配关系,1.4 设计材料的分类,1. 按材料来源分类：（1）天然材料：木材，竹，棉等；（2）加工材料：造纸，水泥，金属等（3）合成材料：塑料，橡胶，纤维等（4）复合材料：有机与无机非金属等原材料复合而成（5）智能材料或应变材料：随环境变化具有应变能力的复合材料,天然材料,1.4 设计材料的分类,1.4 设计材料的分类,加工材料,1.4 设计材料的分类,合成材料,1.4 设计材料的分类,复合材料、智能材料,1.4 设计材料的分类,2.按材料的物质结构分类,3.按材料的形态分类,1.4 设计材料的分类,(1)线状材料 设计中常用的有钢管、钢丝、铝管、金属棒、塑料管、塑料棒、木条、竹条、藤条等。右图为采用金属丝制作的椅子。,3.按材料的形态分类,1.4 设计材料的分类,(2)板状材料 设计中所用的板材有金属板、木板、塑料板、合成板、金属网板、皮革、纺织布、玻璃板、纸板等。图为采用胶合板材制作的凳子。,3.按材料的形态分类,1.4 设计材料的分类,(3)块状材料 设计中所用的块材有木材、石材、泡沫塑料、混凝土、铸钢、铸铁、铸铝、石膏等。图为榉木制作的椅子。,1.5 材料的基本特性,（1）材料的固有特性： 即材料的物理特性和化学特性 如力学性能、热性能、电磁性能、光学性能和防腐性能等；（2）材料的派生特性：它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的加工特性、材料的感觉特性和经济特性。,材料的特性：,1.5 材料的基本特性,制品与材料特性的关系：,1.5 材料的基本特性,材料的特性：,材料所呈现出的性能是材料内部结构的外在表现，受材料内部的微观结构所制约。内部结构的变化通过材料性能变化被人们所感知，这就是我们对材料有“硬”与“软”、“脆”与“韧”、对某种环境“敏感”与“不敏感”的感性认识。,1.5 材料的基本特性,材料特性的评价：,1.5 材料的基本特性,物理性能 1.密度 2.力学性能 强度 弹性和塑性 脆性和韧性 刚度 硬度 耐磨性,3.热性能 4.电性能 5.磁性能 6.光性能,材料的固有特性：,化学性能 1.耐腐蚀性 2.抗氧化性 3.耐候性,1.5 材料的基本特性,1. 密度：材料单位体积内所含的质量，即：式中：m 材料的质量（kg）；V 材料在的体积（m3）。,1.5 材料的基本特性,强度 材料在载荷(外力)作用下抵抗塑性变形和破坏作用的能力，包括抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。屈服强度：抗拉强度：,力学性能,1.5 材料的基本特性,弹性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍能完全恢复其原来形状的性能。,力学性能,塑性 材料在外力作用下产生变形，当外力去除后仍保持外力作用时的形状，而不恢复原形的性能。,塑性变形称为永久变形。永久变形量大而又不出现破裂现象的材料，其塑性较好。,1.5 材料的基本特性,脆性 材料在受外力作用达到一定限度时， 无明显变形而突然破坏的性质韧性 材料在冲击载荷或震动载荷作用下， 能承受很大变形而不破坏的能力，也称冲击韧性.,力学性能,1.5 材料的基本特性,力学性能,刚度 指材料在受力时抵抗弹性变形的能力。材料抵抗弹性变形的能力越大，材料的刚度越好。,强度与刚度的区别：,1）强度是材料破坏时所需要的应力。一般只是针对材料而言的。它的大小与材料本身的性质及受力形式有关，与材料的形状无关。 2）刚度指某种构件或结构抵抗变形的能力，即引起单位变形时所需要的应力。一般是针对构件或结构而言的。它的大小不仅与材料本身的性质有关，而且与构件或结构的截面和形状有关。,1.5 材料的基本特性,硬度 材料抵抗其他物体压入自身表面的能力，反映材料局部塑性变形的能力金属材料的硬度： 布氏硬度（HB）洛氏硬度(HRA、HRB、HRC)维氏硬度(HV),力学性能,1.5 材料的基本特性,布氏硬度,试验规范： 压头材料：淬火钢球 压头直径：10 标准压力：3000kg 适用材料：未淬火钢,1.5 材料的基本特性,洛氏硬度,试验规范： 压头材料：120金刚石圆锥 标准压力：150kg 适用材料：淬火钢,用测量压痕凹陷深度来表示应度值。有三种试验规范： HRA、HRC（金刚石圆锥压头）、HRB（钢球）,1.5 材料的基本特性,维氏硬度,方法与布氏硬度相同，区别在于使用的压头形状为锥面夹角为136的金刚石四楞锥。,力学性能,耐磨性 耐磨性的好坏常以磨损量作为衡量指标。磨损量越小，说明材料的耐磨性越好。,1.5 材料的基本特性,热性能,导热性 材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的能力，通常用导热系数来表示。,耐热性 材料长期在热环境下抵抗热破坏的能力，通常用耐热温度来表示。,热胀性 材料由于温度变化产生膨胀或收缩的性能，通常用热胀系数表示。,耐燃性 材料对火焰和高温的抵抗性能。根据材料耐燃能力可分为不燃材料和易燃材料。,耐火性 材料长期抵抗高热而不熔化的性能，或称耐熔性。耐火材料按耐火度又分为耐火材料、 难熔材料和易熔材料。,1.5 材料的基本特性,电性能,1）导电性：材料传导电流的能力。通常用电导率来衡量导电性的好坏。电导率大的材料导电性能好。2）电绝缘性：与导电性相反，通常用电阻率、介电常数和击穿强度来表示。电阻率是电导率的倒数，电阻率大，材料电绝缘性好；击穿强度越大，材料电绝缘性愈好；介电常数越小 ，材料的电绝缘性越好。,1.5 材料的基本特性,磁性能,磁性能是指金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能。按磁化程度分为： 铁磁性材料在外加磁场中，能强烈被磁化到很大程度，如铁、铂、镍等。 顺磁性材料在外加磁场中，只是被微弱磁化，如锰、铬、钼等。 抗磁性材料能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的材料，如铜、金、银、铅,1.5 材料的基本特性,光性能,材料对光的反射、透射、折射的性质。材料对光的透射率愈高，材料的透明度愈好，材料对光的反射率高，材料的表面反光强，为高光材料。,1.5 材料的基本特性,耐腐蚀性：材料抵抗周围介质腐蚀破坏的能力。 抗氧化性：材料在常温或高温时抵抗氧化作用的能力。 耐候性：材料在各种气候条件下，保持其物理性能和化学性能不变的性质。 玻璃、陶瓷的耐候性好，塑料的耐候性差。,材料的化学性能,1.5 材料的基本特性,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。,材料的经济性不仅要优先考虑价格比较便宜的材料，而且要综合考虑材料在产品整个生命周期过程中的成本等影响，以达到最佳技术经济效益。,2.1 材料的成型加工,材料的工艺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。,不同的材料有不同的成型加工方法，工艺方法与工艺水平的直接影响着产品最终效果。,成型加工包括熔融状态下的一次加工和冷却后车、钳、铣、刨、削等的二次加工。通常将一次加工称成型，二次加工称加工。,不同的材料有不同的成型加工方法。材料的成型技术有很多种，对金属材料而言，有铸造（包括砂型铸造、压铸等）、压力加工（包括锻压、轧制、挤压等）、连接（包括焊接、铆接、粘接等）、切削加工（如车、铣、刨、磨等）；对高分子塑料而言，可采用注射、挤出、压制、压延、注塑、吹塑等方法成型；对陶瓷材料而言，有注浆成型、可塑法成型、模压成型、等静压成型等，并经烧结过程获得最终成品，陶瓷制备还可进行适当的研磨、抛光等加工；对玻璃而言，成型方法有吹制法、压制法、压延法、浇铸法、拉制法、离心法、烧结法等。,2.1 材料的成型加工,2.1 材料的成型加工,(a)为铸造成型；(b)采用厚钢板焊接成型；(c)采用薄钢板弯折成型(为了增加结构强度，在构件上焊接一块加强板)。,不同成型工艺对造型的影响,2.3 材料的表面处理,表面处理技术，既可使相同材料具有不同的感觉特性(同材异感)又可使不同材料获得相同的感觉特性(异材同质感) 。,表面处理的目的：保护和美化产品,2.3 材料的表面处理,设计中所采用的表面处理技术，一般可分为三类。,表面处理类型,2.3 材料的表面处理,1表面精加工,将材料加工成平滑、光亮、美观和具有凹凸肌理的表面状态。通常采用切削、蚀刻、喷砂、抛光等方法。,2.3 材料的表面处理,2表面层改质,改变原有材料的表面性质。可以通过物质扩散在原有材料表面渗入新的物质成分，改变原有材料表面的结构。 钢材的渗碳渗氮处理、铝的阳极氧化、玻璃的淬火等。 也可以通过化学的或电化学的反应而形成氧化膜或无机盐覆盖膜，来提高原有材料的耐蚀性、耐磨性及着色性等。,2.3 材料的表面处理,3表面被覆,在原有材料表面堆积新物质的技术，依据被覆材料和被覆处理方式的不同，表面被覆处理有镀层被覆、有机涂层被覆、珐琅被覆等。,镀层被覆：镀层被覆技术能在制品表面形成具有金属特性的镀层，金属镀层不仅能提高制品的耐蚀性和耐磨性，而且能够增强制品表面的色彩、光泽和肌理的装饰效果，因此能保护和美化表面，提高产品的档次。,2.3 材料的表面处理,3表面被覆,涂层被覆技术是在制品表面形成以有机物为主体的膜层，并干燥成膜的工艺。这是一种简单而又经济可行的表面装饰方法，在工业上通常简称为涂装。,涂层被覆：,2.3 材料的表面处理,3表面被覆,公元前3世纪在埃及已有了在铜器表面的珐琅技术此后作为工艺技术被继承下来，发展为称作景泰蓝的工艺美术品，很受人们器重。 这种技术在工业制品上的应用则被称为搪瓷。 珐琅被覆是用玻璃质材料在金属制品表面形成一被覆层，然后在800左右进行烧制而成。,珐琅被覆,2.4 快速成型技术,成型加工方法的分类：,去除成型 又称减法成型，是指胚料在成型过程中，将多余的部分除去而获得所需的形态。如切削加工成型。,塑性成型 是指胚料在成型过程中不发生量的变化，只发生性的变化。如弯曲、轧制等。,堆积成型 又称加法成型，是指通过原材料的不断堆积而获得所的形态。如铸造成型、注射成型、快速成型等。,2.4 快速成型技术,快速成型过程,2.4 快速成型技术,光固化成型SLA成型工艺,3.1 材料感觉特性的概念,材料发展的历史反映了人类社会的发展和演变。 工业设计所用材料极为广泛。并且具有其自身的特点。,消费者对产品的审美及精神功能提出越来越高的要求。 这也对设计材料与工艺提出更多挑战。,3.1 材料感觉特性的概念,工业设计材料特性,质感表现（感觉物性）,环境耐候性,加工成型性,表面工艺性,绿色环保性（可持续发展性）,创新性,其他（易装卸、原料足等）,3.1 材料感觉特性的概念,“材料”一词的含义包括两层意思：一指材料的物理、化学等性质，称为“材质”。二指物体表面的视觉与触觉效果，称为“质感”。也就是人们常说的肌理、质地，意为物体表面于人视觉或触觉的感受。,3.1 材料感觉特性的概念,质感是物体表面通过触觉和视觉所产生的综合印象，体现的是物体构成材料和构成形式而产生的表面特征。质感有两个基本属性：一是生理属性，即物体表面作用于人的触觉和视觉感觉系统的刺激性信息。如：软硬、粗细、冷暖、凸凹、干湿、滑涩等。按人的生理和心理感觉，质感可分为触觉质感和视觉质感。二是物理属性，即物体表面传达给人知觉系统的意义信息。例如物体的材质类别、价值、性质、机能、功能等。按材料的物理和化学特性，分为自然质感和人为质感。,质感属性及分类,3.1 材料感觉特性的概念,1、触觉质感 触觉质感就是靠手和皮肤对物体的接触而感知的物体表面的特征。味觉、嗅觉一样，属于初级感觉或粗觉。触觉是质感认识和体验的主要感觉。,3.1 材料感觉特性的概念,触觉质感的构成 生理构成：温觉、压觉、痛觉、位置觉、振颤觉等。 心理构成： 按刺激性质分： 快适的：细滑、柔软、光洁、湿润、凉爽、娇嫩。 厌憎的：刺、烫、麻、辣、粘、涩、粗、乱。 按刺激后效分：短暂的模糊的；长久的鲜明的 物理构成：皮肤弹性与物面之间的摩擦作用所产生的生理刺激信息。 物体表面微元的构成形式表面结构，是产生不同触觉质感的主因。物面微元凹凸，规则有序产生快适的触觉质感（均匀的频率变化触觉）；不规则，产生不快适触觉质感（大小不等量的混乱刺激）。,3.1 材料感觉特性的概念,2、视觉质感视觉质感就是靠眼睛的视觉而感知物体的表面特征,是材料被视觉感受后经大脑综合处理产生的一种对材料表面特征的感觉和印象。视觉质感是触觉质感的综合和补充。材料对视觉器官的刺激因其表面特征的不同而决定视觉感受的差异。材料表面的光泽、色彩、肌理和透明度都会产生不同的视觉质感。当触觉的体验上升为经验时，人们会对已经熟悉的物面组织凭视觉判断它的质感，无需再靠手与皮肤的直接感触。,3.1 材料感觉特性的概念,由于视觉质感相对于触觉质感具有间接性、经验性、知觉性、遥测性和相对的不真实性，因此在工程塑料上烫印铝箔呈现金属质感，在陶瓷上真空镀上一层金属，以及在纸材上印制木纹、布纹、石纹等，就可借助这点在视觉上造成假象的触觉质感。这在工业设计中应用较为普遍。,3.1 材料感觉特性的概念,3. 自然质感 自然质感是固有的，符合物体质材构成实况的质感。未经人为加工的质感就属于自然质感，如一粒珍珠，一张兽皮，一块木材都体现了它们自身的物理和化学特性所决定的材质感。自然质感突出的是一种天然的感觉，这样的质感表面通常会使人有亲近自然的向往。,3.1 材料感觉特性的概念,4. 人为质感 人为质感与自然质感不同，强调的是材料经人为加工后产生的工艺美和技术美。,3.1 材料感觉特性的概念,质感的描述及测定,3.1 材料感觉特性的概念,3.1 材料感觉特性的概念,3.1 材料感觉特性的概念,（1）同材异质感同材异质感是指对物面固有质感作改造性的物理加工处理，使其既保留了物面固有的自然质感，又产生了人为质感的系列变化。其在工业产品质感设计中的作用是统一中求变化，具有明显的装饰性。同一材料经过不同表面工艺处理会得到不同效果的质感。基本上不同的材料都有很多适合其材料特性的面饰工艺。,镀铬 磨沙,镀铬 花沙,镀铬 抛光,镀铬 拉丝,镀铬 锻沙,影响材料感觉特性的相关因素,3.1 材料感觉特性的概念,仿真石壁纸,3.1 材料感觉特性的概念,（2）异材同质感异材同质感是指对物面固有质感作破坏性的化学加工处理，赋予物面新的非固有质感或其它质材的质感，使不同质材