产品造型材料与工艺——第一讲.ppt

产品造型设计材料与工艺 上帝造人 设计造物 摘自 美的工业设计公司 一个有吸引力的工业设计能使其在众多产品中显露出来 它具有与众不同的符号体系 使消费者在购买时很容易辨认出自己所钟意的产品 美的工业设计公司董事长兼总经理 李锦魁 工业造型设计与工程设计的区别 本门课程的重要性 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 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 重点 难点 重点金属和非金属常用造型材料的特点和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 课程的体系结构 第一章概论第二章金属材料及其加工技术第三章工程塑料及其加工技术第四章工业陶瓷及其加工技术第五章玻璃及其加工技术第六章木材及其加工技术第七章涂料及其涂装工艺 新材料与新工艺 第一章概论 第一节材料 设计与工艺第二节材料的分类第三节材料的基本性质第四节造型材料应具有的特性第五节产品造型材料的美学基础第六节产品造型设计与工艺性 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 第一节材料 设计与工艺 材料在设计中的作用 材料科技与制造技术的发展 使产品设计的内涵不断外延 过去工业设计师更多被束缚于产品的功能和内在因素 很多创意变为空想无法实现 如今这种状况被彻底改变 材料激发了设计师的无限创意 例如 塑料材料的诞生产品设计的进步史 也是材料的发展史从木材 陶瓷到金属 玻璃和塑料 材料的不断创新实现着人们对于产品的种种梦想 材料的魅力是无穷的材料是设计的载体 设计是材料的体现 巧妇难为无米之炊 如厨师要了解食材及其加工方法产品的功能 形体和外观与材料的质地 感官 性能及成型工艺关系密切材料的感官效果 材料的力学 物理 化学性能 材料的加工工艺与性能 材料的改性和表面处理 造型设计要与材料的性能特点及其加工工艺相一致 才能实现设计的目的和要求 材料 工艺 设计三者间的关系 材料 设计和工艺 密不可分创新是工业设计的灵魂 新材料 新工艺和新技术正是为产品的创新设计开辟新天地 设计离不开对材料的认识和制造成型过程的了解设计如何兼顾 实用性 科学性 艺术性 经济性 如明式家具与现代板式家具设计师必须注重材料的性能特点 实用价值与审美价值 达到功能和形式的统一如塑料儿童餐具要设计出好的产品 必须使材料在制成物和作用于人的过程中 真正做到 料尽其材 物尽其用 材料的定义 材料 广义 指人的思想意识之外的所有物质材料 狭义 指工业生产加工所使用的物质材料的基本属性 必须有恰当的性能可用于满足人类生产和生活的某一特定需要须有加工和利用的可能性必须有某种经济性 材料的五个发展阶段 一 使用纯天然材料的初级阶段 旧石器时代 使用天然材料 如 兽皮 甲骨 羽毛 树木 草叶 石块 泥土等 二 人类单纯利用火制造材料的阶段距今约1万年前 20世纪初至今 横跨新石器时代 铜器时代和铁器时代 代表性的三大人造材料 陶 铜 铁 材料的五个发展阶段 三 利用物理和化学原理合成材料的阶段 20世纪初 以合成高分子材料的出现标志 合成高分子材料 合成塑料 合成纤维及合成橡胶等 功能高分子材料 经辐射的高分子聚合物 合金材料 铁碳合金 铝合金 铜合金等 无机非金属材料 陶瓷材料 超导材料 半导体材料 光纤材料 人造金刚石 立方氮化棚 金属氢等高性能结构材料和功能材料 不锈钢 铁合金 超耐热钢 超硬合金 压电材料 铁电材料 热电材料 光电材料 激光材料 磁光材料 声光材料等 材料的五个发展阶段 四 材料的复合化阶段 20世纪50年代 以金属陶瓷材料的出现为标志 金属陶瓷 金属与陶瓷的复合材料 玻璃钢 玻璃纤维与高分子材料的复合材料 铝塑薄膜在高真空状态下将铝蒸发到各种基膜上的一种薄膜产品梯度功能材料 组成 结构 性能随材料的空间位置而连续变化的材料 抗菌材料如 塑料玩具用抗菌材料 纺织品等 梯度功能材料 一般复合材料的整体材料性能是同一的 但有时希望同一件材料两侧具有不同的性质或功能 且两侧结合完美 不至于在苛刻的条件下因性能不匹配发生破坏例如超音速燃烧冲压式发动机 燃烧气体的温度超过2000 燃烧室壁另一侧要经受燃料液氢的冷却 温度 200 左右 将金属和陶瓷联合使用 陶瓷对付高温 金属对付低温 但将金属和陶瓷结合时 由于二者的界面热力学特性匹配不好 在极大的热应力下还会被破坏 1984年平井敏雄提出梯度功能材料 通过连续地改变两种材料的组成和结构 使其内部界面消失 得到功能相应于组成和结构的变化而渐变的非均质材料 对上述的燃烧室壁 在陶瓷和金属之间通过连续地控制内部组成和微细结构的变化 使两种材料之间不出现界面 从而使整体材料耐热应力强 机械强度好 材料的五个发展阶段 五 材料的智能化阶段形状记忆合金感温磁钢光致变色玻璃热致变色玻璃智能混凝土等 形状记忆合金 1963年 美国海军军械研究室试验中需要镍钛合金丝 领回来的是弯曲的 为使用方便进行拉直后续试验中 当温度升到一定值的时候 拉得笔直的合金丝 魔术般地迅速恢复到原状 且丝毫不差 只要达到一定温度 便立即恢复到原样 好像在从前被 冻 得失去知觉时被人们改变了形状 当温度升高到一定值 苏醒 又 记忆 起原样 便恢复面目 形状记忆合金 不仅单次 记忆 能力几乎可达百分之百 即使重复500万次以上也不会产生丝毫疲劳断裂享有 永不忘本 百折不挠 等美誉 被比作一个人永不变节 坚贞不屈的精神和气节 1969年7月20日 乘坐 阿波罗 11号 登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下第一个人类脚印 这位勇士从月宫里传回富于哲理的声音 对我个人来说 这只是迈出的一小步 但对全人类来说 这是跨了一大步 阿姆斯特朗当时的图像和声音通过形状记忆合金制成的天线从月球传输回地面 形状记忆合金 形状记忆合金 眼睛架 如何在设计运用形状记忆合金 形状记忆合金还可以用作消防报警装置及电器设备的保险开关装置 感温磁钢 温度特性 在常温状态下 为铁磁物质 能够吸引硬磁 当温度升高到某一限界时 其磁性消失 此转变温度称为居里点 居里点随着软磁材料的成分而变化应用 电饭煲的控制温度103 在饭熟后断电 断电后不能自动复位 材料的未来发展趋势 21世纪新材料产品向着实现智能化 多功能化 环保 复合化 低成本化 长寿命及按用户进行订制的方向发展目前新材料的发展热点 信息材料 激光材料 高亮度发光二极管材料 红外探测器材料 液晶显示材料 光纤材料等 只有先知道 才有可能在设计中想到 用到 新能源材料绿色二次电池 氢能 燃料电池 太阳能电池和核能 如 高能储氢材料 聚合物锂离子电池材料 质子交换膜燃料电池材料 多晶薄膜太阳能电池材料等纳米材料比如纺织行业 纳米材料改性的功能纤维产品相继问世 抗菌抑菌 红外保温 负离子释放 自清洁 阻燃和防水防静电产品已进入市场 纳米涂料 材料的未来发展趋势 超导材料不断探求更高温度超导体材料在能源 电力 移动通讯等域的应用 如超导电缆化工新材料向高性能化 多功能化 精细化 低成本化 工艺无害化等方向发展 材料的未来发展趋势 高性能结构材料钢铁和有色金属材料向高性能 多功能化方向发展高性能结构陶瓷向强韧化 易成形加工方向发展高分子材料向集成化 智能化 多功能化方向发展复合材料向高性能 低成本方向发展 材料的未来发展趋势 第二节材料的分类 按材料的发展历史分天然材料加工材料合成材料复合材料智能材料或应变材料按材料的物理状态分类气体 液体 固体 物质在常温下存在的三大类状态 材料的分类 按材料用途分类机械加工材料 建筑材料 电工材料 结构材料 电子材料 研磨材料 光学材料 耐火材料 感光材料 耐腐蚀材料 包装材料等等按材料的化学组成分类金属材料无机非金属材料 陶瓷 玻璃等有机高分子材料 塑料 橡胶等复合材料 以前三种材料为组分经人工复合而成 如玻璃钢 树脂基复合材料 金属基复合材料 陶瓷基复合材料 功能复合材料等 物理化学性能 1 密度 材料在绝对密实的状态下单位体积的质量式中 m 干燥材料的质量 kg V 材料在绝对密实状态下的体积 m3 2 熔点 单位 纯金属由固态转变为液态时的温度有些非金属材料没有明显的熔点 如 高分子材料 热固性树脂 陶瓷材料等 第三节材料的基本性质 3 比热容 单位 J kg K 将1kg重的材料温度升高1 所需要的热量 4 热导率 导热系数 单位 W m K 材料将热量从一侧表面传递到另一侧表面的性质称为导热性 由热导率或导热系数表示 物理化学性能 第三节材料的基本性质 5 热膨胀系数材料由于温度上升或下降会出现膨胀或收缩 线膨胀系数 材料上两点之间的单位距离在温度升高1 时的变化称为线膨胀系数 单位 1 线膨胀系数的比较 高分子材料 金属材料 陶瓷材料体膨胀系数 材料由于温度变化出现膨胀或收缩按体积计算时 称体膨胀系数 一般可概略看作线膨胀系数的3倍 物理化学性能 第三节材料的基本性质 物理化学性能 第三节材料的基本性质 6 其他需要考虑的性能 包括导电性 磁性 耐磨性 耐腐蚀性 抗氧化性 亲水性 吸水性 耐水性 抗渗性 耐热性 耐燃性 耐火性 耐久性等等 强度材料在静载荷 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 第三节材料的基本性质 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弹性极限材料在弹性变形范围内所能承受的最大应力弹性模量材料承受外力时抵抗弹性变形的能力 衡量材料的刚度 力学性能 第三节材料的基本性质 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破裂的性能 材料的塑性指标 断面收缩率 伸长率 力学性能 第三节材料的基本性质 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 也称冲击韧性疲劳强度指金属材料承受无限次交变载荷而不发生断裂破坏的最大应力 力学性能 第三节材料的基本性质 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 第三节材料的基本性质 布氏硬度试验原理 用载荷为P的力 把直径为d的钢球压入金属表面 保持一定时间后去除载荷 测量钢球在金属表面上留有的圆形压痕的直径d 并以此求出压痕面积AB 并以P AB作为布氏硬度的值 即 HB P AB布氏硬度试验原理布氏硬度试验机 洛氏硬度试验原理 方法与上相同 不同的是 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 洛氏硬度试验原理 测量过程 洛氏硬度机 维氏硬度试验原理 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 铸造性可锻性切削加工性焊接性热处理工艺性 第三节材料的基本性质 材料的工艺性能 第四节造型材料应具有的特性 1 感觉物性指人的感觉器官对材料作出的综合印象 包括人的感觉系统对因材料所给与的生理剌激所作出的反映 如何合理运用不同材料的感觉物性赋予产品造型新的特色 如何利用材料的感觉物性 2 环境耐候性指所选用材料对环境条件和自然因素的变化 以及周围介质可能的破坏作用的耐受和抵抗能力 这种能力越强越好 影响耐侯性的常见因素 物理因素日 风 雨 潮 高温 冰冻等 化学因素酸 碱 腐蚀性微量元素等 第四节造型材料应具有的特性 3 加工成型性材料通过加工而获得所需产品形状的难易程度 容易加工和成型的材料是设计的最佳选材 也是衡量选材好坏的重要因素之一 不同材料的加工成型方法不同 金属加工工艺性能优良 具有切削加工性 车 钻 锤 磨 铣 刨等 热加工成型 铸造 锤锻 轧制 拉拔 挤压等 木材一种优良的造型材料 用途极广 可切削加工 锯 刨 打孔 组合等 可压制成型 塑料可塑性极好 可以在较低温度条件下加工成型 注射 挤压 模压 浇铸 缠绕 烧结 真空成型 吹塑等 二次加工工艺成型 以塑料的板 片 模 管及模制品为原料 经过机械加工 热成型 接合 表面装饰等 第四节造型材料应具有的特性 4 表面工艺性造型产品表面能够从防止物理和化学损坏 以及提高和改善材料表面的装饰效果出发而进行性再加工的性能 第四节造型材料应具有的特性 表面处理工艺在产品设计中的应用 视觉效果柔和的枕头造型与其坚硬的钢质地形成强烈对比 抛光研磨工艺的应用枕头看起来并不如想象的那样坚硬 外观柔和而灵活 简直就像平常见到的普通枕头 设计师 斯蒂芬 纽拜 镜面抛光工艺的应用 使普通的餐桌变得生动活泼坐在桌子旁吃水果并欣赏桌上风景 即使坐在旁边也是享受 设计师 罗恩 阿拉德 AonArad 酸蚀工艺的应用 在不锈钢片上加工制作图形不再需要将整片金属全部剪开相对于激光切割具有相同的加工复杂图形能力 但成本低的多 设计师 山姆 布克斯顿 什么是美 什么是造型材料的美学 工业造型材料的美学如何体现 第五节工业造型材料的美学基础 什么是美 美是和谐 美是快感什么是造型材料的美学 研究材料的审美规律 创美规律以及材料的加工方法和使用方法的学科 工业造型材料的美学如何体现 质感设计它是工业造型设计基本构成的三大感觉要素 形态感 色彩感 材质感 质感 之一 第五节工业造型材料的美学基础 1 1质感的定义1 2质感设计在造型设计中的作用 1 3如何进行造型质感设计 造型质感设计的原则有哪些 第五节工业造型材料的美学基础 5 1质感的定义 质感 材质感 物体构成材料和构成形式不同而体现的表面特征质感的形式要素 肌理质感的内容要素 质地质感的两个基本属性 生理属性 产品表面作用于人的触觉和视觉系统的刺激性信息 如软硬 粗细 冷暖 凸凹 干湿 滑涩等物理属性 产品表面传达给人知觉系统的意义信息 如材质类别 性质 机能 功能等 质感的形式要素 肌理 肌理是质感最主要的特征 能将肌理处理的十分恰当 基本上就会形成好质感所谓肌理 由于材料表面的配列 组织构造不同 使人得到触觉质感和视觉质感 或指物体表面的组织构造 按人的生理和心理感觉分为 触觉质感 触觉肌理或一次肌理 凹凸 粗细视觉质感 视觉肌理或二次肌理 花纹 图案按材料的物理和化学特性分为 自然质感人为质感 触觉质感 触觉质感是人对质感认识的主要体验和感觉和味觉 嗅觉一样 属于初级感觉或粗觉 靠人手及皮肤接触外界物体 产品 直接刺激接触部位游离神经末梢带给人的感觉 触觉质感举例 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 或刚性 挠性 弹性 脆性 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 触觉质感的构成 视觉质感 视觉质感是触觉质感的综合和补充在心理学中它与听觉共称为精觉 靠眼睛的观察而感知外界物体 产品 表面 并结合人类长期触觉经验的积累 在头脑中做出的质感反应 视觉质感 视觉质感 日本仿真石壁纸 视觉质感的特点 它是触觉质感的综合与补充间接性 经验性 知觉性 遥测性不真实 综合 估量可利用视觉错觉 营造假象的触觉质感视觉质感设计中 应注意区别远距离的和近距离的视觉质感室内的和室外的视觉质感固定形态的和流动形态的视觉质感主体表面的和背景表面的视觉质感实用的和审美的视觉质感 视觉 视觉质感特点的应用 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在纸材上印制木纹 布纹 石纹等在视觉中造成假像的触觉质感在工业造型设计中应用较为普遍 5 2质感设计在造型设计中的作用 例 青铜 铝合金 石膏等材料成为雕像体之后 人们不再只欣赏这些材料的表面 更是赞叹它们富有有生命力的质感美 5 2质感设计在造型设计中的作用 当不同的材料经加工而组合成为一个完整的产品之后 人的质感就不仅仅停留在材料的表面上 而升华为产品整体的质感上对质感的认识 应该从对材料的局部认识过程过渡到对造型物整体质感的认识上 5 2质感设计在造型设计中的作用 5 2质感设计在造型设计中的作用 质感赋予造型设计以灵性 质感设计虽然不会改变造型的形体 但材料的机理和质地可以通过人的心理作用于人 使人产生丰富的感受 利用质感设计可以做到同材异质感 异材同质感 从而使设计更加灵活多样 变化无穷 同材异质感工程塑料饰面 同一种工程塑料表面可进行涂装 电镀 喷砂 烫印等处理获得多种质感效果 玻璃饰面 同一玻璃器皿 表面可作冷加工 热加工 磨刻 蚀刻 喷砂 化学腐蚀等处理 从而产生效果各异的丰富的质感纹 涡纹 带状纹 皱状纹等纹理变化 成为丰富的质感系列 异材同质感 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 使不同材质有统一的质感与同材异质感相比 异材同质感有伪装性 假借性 在质感设计中的作用是变化中增强统一 提高适用性增加装饰性使设计多样化 经济化用形式美体现产品的真实性和价值 5 2质感设计在造型设计中的作用 提高适用性 良好的触觉质感设计 可以提高整体设计的适用性 比如软质材料对人造成柔软的触感和舒服的心理感 如机箱 收录机 仪表等产品上的开关按纽等操作件 表面压制凹凸细纹 有较明显的触觉刺激 易于使用 避免因滑动而不便使用或易产生各种事故 适用性 增加装饰性 良好的视觉质感设计 可以提高工业产品整体设计的装饰性 还能补充形态和色彩所难以替代的装饰美 如 家用电器 机床 汽车上的各种涂装工艺处理 即有防护性 更有装饰性和伪装性 它能产生诱人的视觉质感美 如各种陶瓷釉面的艺术釉设计 是较典型的视觉质感设计 朱砂釉 雨花釉 冰纹釉 结晶釉等 给人以丰富的视觉质感形式美的享受 釉面装饰 使设计多样化 经济化 良好的人为质感设计可以弥补自然质感的某些不足 达到工业产品设计的多样性和经济性例如 各种表面装饰材料 如塑料镀膜纸能替代金属及玻璃镜 塑料贴面板 可以代替高级木材 各种人造皮毛几乎可以和自然皮乱真 这些材料的人为质感具有普及性 经济性 可以节约大量珍贵的自然材质 经济性 用形式美体现产品的真实性和价值 形态美似乎只是外在美 而良好的质感设计能使人感到一种内在的美 体现真实性和价值 体现真实性和价值 5 3如何进行造型质感设计 5 3如何进行造型质感设计 把握质感设计形式美的基本法则 配比原则 材质整体与局部 局部之间的配比关系和谐 多样统一调和法则 使整体各部位物面质感统一和谐特点 在差异中趋向于 同 对比法则 使各部位物面材质 工艺对比变化特点 在差异中倾向于 对立 和 变化 主从原则 突出重点 注意力中心化 适合原则 质感要与适用性相符 调和法则 各种自然质材与各种人为表面工艺有相亲性 也有相排性 如塑料制品很少和木制品相配 机床配上木手柄也格格不入 最好在同一质材的整体设计中对各部位作相近的表面加工处理 以达到质感的统一 调和法则 对比法则 材质的对比虽不会改变产品造型的形体变化 但它具有较强的感染力 使人产生丰富的心理感受 质感的对比 使人感到鲜明 生动 醒目 振奋 活跃同一形体中 使用不同的材料可构成材质的对比 如 人造材料与天然材料 金属与非金属 粗糙与光滑 亚光与无光 坚硬与柔软 华丽与朴素 沉着与轻盈 规则与杂乱等使用同一种材料也可对其表面进行各种处理 形成不同的质感效果而形成弱对比 对比法则 主从原则 实际上就是强调在产品的质感设计中需要有重点重点是指事物的外在因素在排列组合时要突出中心 主从分明 不能搞平均主义 无所侧重 如果在一件产品上所用材料主辅不分 各自为政 那就必然杂乱无章 不论不类明确这一审美心理在创作时应用尽心思把注意力引向最重要之点 而不搞喧宾夺主的质地表现主体在造型中起着决定作用 客体起烘托作用 两者应互相衬托 融为一体 这是取得造型完整性 统一性的重要手段 主从原则 产品造型中的重点由功能和结构等内容决定 是表现造型目的的特征的关键部位 即主体部位 也可是视觉观察中心质感的重点处理 可以形成视觉中心和高潮 没有主从的质感设计 会使产品的造型显得呆板 单调设计中 对可见部位 常触部位 主要部位 如面板 商标 操纵件等应作良好的视觉质感与触觉质感的设计 加工工艺要精良 对不可见部位 少触部位 次要部位就应略从简处理用材质的对比来突出重点 常采用非金属衬托金属 用轻盈的材质衬托沉重的材质 用粗糙的材质衬托光洁的材质 主从原则 重点如何确定 适合原则 各种质材有明显的个性 在质感设计中应充分考虑到质材的功能和价值 质感应与适用性相符 根据这一法则 应特别注意质感与触觉的关系中国古代帝王的金唾壶 玉衣等质感与适用性不符 反而不美 中国老人黑布帽的额心嵌一块碧玉 现代体育金质奖杯配一些檀木基座 就是适合率的成功范例 农村的新鲜荔枝用带叶的枝条编成提蓝包装 商品的质感和包装的质感相益成趣 引人入胜 适合原则 适合原则 第六节产品造型设计与工艺性 没有合理可行的工艺支持 再美的造型也只是空谈 6 1造型设计与加工工艺6 2造型设计与装配工艺6 3造型设计与装饰工艺 第六节产品造型设计与工艺性 6 1造型设计与加工工艺 选择合适的工艺方法 效果好 成本低运用先进的工艺 保证造型的效果合理采用新工艺 设计更新颖