設計基礎材料——塑料

“材料的美感分為三類：原始狀態(tài)的美；再次創(chuàng)造的美；再次組合的美。材料本身是沒有感情色彩的。它的原始色彩，給予人感情的導視。材料本身只有功能性。”

塑料概述

塑料是指具有塑性行為的材料，所謂塑性是指受外力作用時，發(fā)生形變，外力取消后，仍能保持受力時的狀態(tài)。塑料通常由樹脂和輔助添加劑組成，樹脂約占塑料總重量的40%～100%。

塑料的基本性能主要決定于樹脂的本性，名稱也多由其原料樹脂的名稱來命名。但添加劑也起著改變性能缺陷的重要作用。

塑料設計效果案例

塑料是現(xiàn)代材料的代表，優(yōu)勢與劣勢一樣鮮明，但隨著科技的進步，塑料的性能越來越易于調控，在幾乎所有行業(yè)中，塑料的應用越發(fā)廣泛，“以塑代鋼”、“以塑代木”的趨勢也提醒著設計師們塑料這種材料的地位。塑料的種類繁多，本文并不能一一盤點，但全面的對基礎材料、基礎工藝的總結盤點，也可以提高設計師對產(chǎn)品可制造性的把控。

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塑料性能-種類推薦表

設計師在使用材料的時候，第一位應當考慮材料的性能是否符合要求，而不是從視覺出發(fā)。如何使材料的性能與美感配合服務于產(chǎn)品，正是CMF設計的關鍵所在。

DESIGN HANDBOOK

塑料選用參考手冊

摘自機械工業(yè)出版社2003.10《產(chǎn)品設計材料手冊》

METHOD

塑 料 選 材

正常情況下，產(chǎn)品開發(fā)選定材料的過程可分為如下幾步：

一，定義產(chǎn)品的關鍵要求即CTQ，比如：V0阻燃，長期使用溫度高于80度，拉伸模量大于10Gpa……要求要具體，最好有詳細的數(shù)據(jù)定義。

二，根據(jù)CTQ初步篩選材質種類，比如：尼龍66，玻纖增強PC，POM等，這時候不僅要看材料生產(chǎn)商出具的產(chǎn)品手冊更應該查看知料應用案例。參考其他廠家類似產(chǎn)品選擇材料的要求及原因可以減少項目在這一步的試錯成本，縮短項目開發(fā)周期。

三，根據(jù)上一步確定的材質種類選定具體的材料規(guī)格，選定規(guī)格時不僅要參考知料應用案例還要看知料物性表里的參考價格提前了解原材料的成本和采購渠道。

四，選定具體的材料規(guī)格后在開模具前還需要進行可行性的分析。對比較復雜的結構部件進行模流分析優(yōu)化模具設計，甚至有些產(chǎn)品還需要做3D打印的模型進行更多的驗證。

（搬運自網(wǎng)絡）

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用途分類

通常，塑料可分為加熱熔化的熱塑性塑料和加熱不熔化的熱固性材料。但在設計上更有意義的是通過用途將其分類為通用塑料、工程塑料和特種塑料。

通用塑料

通用塑料在日常生活中是最常見的。

通用塑料是指生產(chǎn)量大、貨源廣、價格低、適用于大量應用的塑料，包含聚乙烯（PE）、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物（ABS）。通用塑料通常具有良好的成型工藝性，可選用多種成型工藝制成用途多樣的產(chǎn)品，包括塑料袋、保鮮膜、飯盒、家具、電器等。

家電中不同種類塑料的應用

聚乙烯(PE)是五大通用塑料消費量第一的產(chǎn)品，擠出成型工藝制成的管材與壓延成型工藝制成的薄膜類產(chǎn)品消費量占比最高，另有吹塑成型工藝制成的中空類產(chǎn)品包括瓶、罐、桶等；注射成型工藝根據(jù)模具形狀可制成更多形態(tài)的桶、盆、日用小器具；高密度聚乙烯還可以作為高頻的電絕緣性材料，應用于雷達和電視。

PE塑料具有無臭，無毒，手感似蠟，具有耐低溫性能（最低使用溫度可達-100~-70°C），化學穩(wěn)定性好，能耐大多數(shù)酸堿的侵蝕（不耐具有氧化性質的酸）、常溫下不溶于一般溶劑，吸水性小，電絕緣性優(yōu)良等特性。不染色時，低密度聚乙烯透明，而高密度聚乙烯不透明。

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聚丙烯(PP)是由丙烯聚合而制得的一種熱塑性樹脂。聚丙烯是無毒、無臭、無味的乳白色高結晶的聚合物，且是目前所有塑料中最輕的品種之一。PP水穩(wěn)定性好、化學成分穩(wěn)定，防腐蝕效果良好，還具有良好的耐熱性。雖然聚丙烯成型性好，但因收縮率大(為1%~2.5%），厚壁制品易凹陷，對一些尺寸精度較高零件，很難于達到要求，但制品表面光澤好。

聚丙烯常被應用于一次性餐具的制作，且易于回收，但應當注意的是回收后的塑料制品不可再應用于餐具的制作。同時由于PP塑料耐高溫的特性，可應用于需要微波加熱的塑料制品，同樣常用于一次性餐盒的PS材料則多應用于冷飲包裝方向。

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聚氯乙烯(PVC)塑料在全球的合成材料中用量在位列第二。PVC塑料不易燃，強度高、硬度高，耐摩擦，具有優(yōu)良的幾何穩(wěn)定性，但不耐高溫，在高溫中易軟化。

在色彩方面PVC本身是微黃色半透明有光澤的質感，但成品穩(wěn)定性較差，長時間使用會發(fā)黃，且在曲折處會出現(xiàn)白化現(xiàn)象。

聚氯乙烯一般應用于保鮮膜、塑料鞋及革制品、薄膜、電纜、塑料袋。

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聚苯乙烯(PS)是指由苯乙烯單體經(jīng)自由基加聚反應合成的聚合物，它是一種無色透明的熱塑性塑料，具有高于100℃的玻璃轉化溫度，因此經(jīng)常被用來制作各種需要承受開水的溫度的一次性容器，以及一次性泡沫飯盒。此外聚苯乙烯還被應用于梳子、盒子、圓珠筆桿、兒童玩具、塑料購物袋等。

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ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，ABS是一種強度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料結構,其綜合性能良好，化學穩(wěn)定性好，電性能良好，有高抗沖、高耐熱、阻燃、增強、透明的特性，同時ABS塑料具有很好的成型性，加工出的產(chǎn)品表面光潔，表面可做電鍍、噴漆處理。

由于ABS塑料的優(yōu)良性能常被應用于汽車、電子電器、辦公設備、通訊設備等對強度硬度有所要求的結構件上，且常被應用作3D打印材料，屬于3D打印材料中最穩(wěn)定的一種。

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工程塑料

工程塑料是指可用作工程材料和代替金屬制造及其零部件等的塑料。與通用塑料相比，工程塑料能夠接受更強的外力作用，且具有良好的機械性能，耐高溫，耐低溫，尺寸穩(wěn)定性好，能夠滿足更高的使用要求。

工程塑料又可分為通用工程塑料和特種工程塑料兩類，前者主要品種有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和熱塑性聚酯五大通用工程塑料；后者主要指耐熱性高達150攝氏度以上的工程塑料。

通常說的“以塑代鋼”、“以塑代木”，多指工程塑料類，常應用于電子電器、汽車·、建筑、辦公設備、機械、航空航天等領域。

特種塑料

一般是指具有特種功能，可用于航空、航天等特殊應用領域的塑料。如氟塑料和有機硅具有突出的耐高溫、自潤滑等特殊功用，增強塑料和泡沫塑料具有高強度、高緩沖性等特殊性能，這些塑料都屬于特種塑料的范疇。

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加工工藝

選定設計材料后的第一步

根據(jù)不同材料、不同需求選定成型工藝

注塑成型

注塑成形又稱注射成形，是加工熱塑性塑料成形制品的一種重要方法。

將熱塑性或熱固性模塑料在可控溫度的料筒內加熱塑化，在壓力作用下通過噴嘴進入澆口、流道在進入模腔，快速固化后，開模，頂出制品。

在改進型工藝——無流道模塑中，流道是模腔的一部分。

注塑制品品種多，如日用塑料制品、機械設備和電器的塑料配件等。除氟塑料外，幾乎所有的熱塑性塑料都可采用注塑加工，另外注塑還可用于某些熱固性塑料的成形。

擠出成型

擠塑成形又稱擠出成形，是利用擠出機把熱塑性塑料連續(xù)加工成各種斷面形狀制品的方法。

將熱塑性或熱固性模塑料裝入料斗，然后進入料筒中，在料筒中加熱、塑化，并通過螺桿放置將物料前推，并通過具有所需截面構成的噴嘴。

這種方法主要用于生產(chǎn)塑料板材、片材、棒材、異型材、電纜護層等。目前，擠塑制品約占熱塑性塑料制品的40%～50%。

吸塑成型

吸塑成型也稱熱成型。成形時將熱塑性塑料板材或片材夾持起來，固定在模具上，用輻射加熱器加熱，當加熱到軟化溫度時，用真空泵抽去板材和模具之間的空氣，在大氣壓力作用下，板材拉伸變形貼合到模具表面，冷卻后定型成為制品。

吸塑成形可用于成形包裝制品，如藥品包裝、一次性餐盒、電子產(chǎn)品如紐扣電池包裝等，較厚的板材還可成形殼罩類制品如冰箱內膽、浴室鏡盒等。

真空成形常用的材料為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯等材料。

吹塑成型

吹塑成形也稱中空成形，源于古老的玻璃吹瓶工藝。依塑料管狀形坯制取的方法不同，吹塑成形還分為兩大類：擠出吹塑成形和注射吹塑成形。

將加熱的熱塑性塑料擠出管放到開口模具的兩半模之間，施加氣體壓力，使其靠住封閉的模具側壁膨脹，開模，頂出制品。

吹塑成形在日用工業(yè)中常用來成形轎車油箱、轎車暖風通道、化學品包裝容器、便攜式工具提箱等。

壓制成型

通常用熱塑性樹脂或部分聚合的熱固性樹脂進行預成型后，將物料放入加熱的型腔中，合模，并加熱加壓，使物料流動并充滿型腔，加熱使其完全聚合，打開模具，取出制品。

壓延成型

壓延成型經(jīng)串聯(lián)式加熱或冷卻輥滾壓將面團式熱塑性塑料熔體制成厚度均勻的板。還可以用于將塑料覆蓋層壓到其他材料背側。

壓延是生產(chǎn)高分子材料薄膜和片材的成形方法，既可用于塑料，也可用于橡膠。如在最后一對輥間同時通過已經(jīng)處理的紙張或織物，使熱的塑料或橡膠膜僅在輥筒壓力下與這些基材貼合在一起，可制造出復合制品。這種方法稱為壓延貼合，對橡膠而言，又稱貼膠。大家熟悉的人造革、地板革、壁紙等均是塑料與基材的復合制品。

發(fā)泡成型

在發(fā)泡成型過程或發(fā)泡聚合物材料中，通過物理發(fā)泡劑或化學發(fā)泡劑的添加與反應，形成了蜂窩狀或多孔狀結構。

(1) 化學發(fā)泡。由特意加入的化學發(fā)泡劑，受熱分解或原料組分間發(fā)生化學反應而產(chǎn)生的氣體，使塑料熔體充滿泡孔。化學發(fā)泡劑在加熱時釋放出的氣體有二氧化碳、氮氣、氨氣等。化學發(fā)泡常用于聚氨脂泡沫塑料的生產(chǎn)。(2) 物理發(fā)泡。物理發(fā)泡是在塑料中溶入氣體或液體，而后使其膨脹或氣化發(fā)泡的方法。物理發(fā)泡適應的塑料品種較多。(3) 機械發(fā)泡。借機械攪拌方法使氣體混入液體混合料中，然后經(jīng)定型過程形成泡孔的泡沫塑料。此法常用于脲眠甲醛樹脂，其它如聚乙烯醇縮甲醛、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯溶膠等也適用。

幾乎所有的熱固性和熱塑性塑料都能產(chǎn)生微孔結構，制成泡沫塑料，常用的樹脂有聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、脲甲醛、酚醛等。

層壓成型

層壓成型需先將熱塑性或熱固性樹脂預浸漬或噴涂增強布、紙、箔等增強材料，在壓力下模塑成板材、棒材、管材或其他簡單形狀的型材。

澆注成型

將液體塑料（除丙烯酸塑料外，通常為熱固性塑料）澆注到模具內，固化成型（無壓力），成型后從模具中脫落。熱塑性塑料則以溶體形式或熱熔體形式沉積到拋光度極高的支撐表面上，制成熱塑性塑料薄膜。

澆注成型能生產(chǎn)厚截面的大型制品，制品表面質量好，適用于大批量生產(chǎn)。

傳遞模塑成型

將熱固性塑料從料斗中進入傳遞箱中，進行加熱塑化，然后利用柱塞通過封閉的磨具澆口和流道進入型腔中，固化成型，再開模，頂出制品。

該項技術近年來發(fā)展很快，在飛機工業(yè)、汽車工業(yè)、艦船工業(yè)等領域應用日廣，并發(fā)展出多種分支，滿足了不同領域的應用需求。

手糊成型

手糊成型又稱手工裱糊成型、接觸成型，指在涂好脫模劑的模具上，采用手工作業(yè)，即一邊鋪設增強材料，一邊涂刷樹脂直到所需塑料制品的厚度為止，然后通過固化和脫模而取得塑料制品的這一成工藝。

熔融沉積成型

這種工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。

數(shù)控成型

CNC計算機數(shù)字控制機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。

該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作并加工零件。

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表面處理

塑料的表面處理不僅是為了提升視覺美觀，而是同時影響著外觀、質感、功能等三方面的因素，通過表面處理，可以改變材料的顏色、光澤、手感、粗糙度、使用壽命、耐劃傷性、抗指紋性等性能。

模內裝飾技術(IMD)

模內裝飾技術(In-Mold Decoration-IMD)亦稱免涂裝技術，是將已印刷好圖案的膜片放入金屬模具內，將成形用的樹脂注入金屬模內與膜片接合,使印刷有圖案的膜片與樹脂形成一體而固化成成品的一種成形方法。

此種表面裝飾技術，表面硬化透明薄膜，中間印刷圖案層，背面注塑層，油墨中間，可使產(chǎn)品耐摩擦，防止表面被刮花，并可長期保持顏色的鮮明不易退色。

IMD包含IML(無拉伸、曲面小)、IMF(高拉伸產(chǎn)品、3D)、IMR(表面薄膜去掉，只留下油墨在表面)。

目前業(yè)內把IML和IMF統(tǒng)稱IML。

膜內裝飾技術的優(yōu)勢在于1、精美的裝飾圖文、標識內藏，不受摩擦或化學腐蝕而消失;2、圖文、標識及顏色設計可隨時改變，而無需更換模具;3、三維立體形狀產(chǎn)品的，印刷精度準確，誤差±0.05mm;4、能提供圖文、標識背透光性及高透光性的視窗效果;5、功能按鍵凸泡均勻、手感好，壽命可達100萬次以上;6、三維變化，可增加設計者對產(chǎn)品設計的自由度;7、復合成型加工達到無縫效果。需注意的是，此種技術良品率不高。

(IMD) 適合于3C、家電、LOGO銘板及汽車零件之塑料產(chǎn)品，特別是目前流行的手機外殼及各式儀表面板。

噴涂( Painting )

噴涂是利用噴槍等噴射工具把涂料霧化后，噴射在被涂工件上的涂裝方法。工藝流程：注塑→底漆→烘干→面漆→烘干。

此種技術優(yōu)點在于1、顏色豐富;2、液體環(huán)境中加工，可實現(xiàn)復雜結構的表面處理;3、工藝成熟、可量產(chǎn);4、有獨特的透明度，光澤度高。

缺點在于1、成本過高，低成本定位產(chǎn)品不適用于此工藝;2、工藝相對復雜，良率較低。

電鍍

電鍍可以使塑料以較高成品率及較低成本獲得金屬效果表面。電鍍方法主要分為真空電鍍和水電鍍。

此種技術優(yōu)點在于1、重量減輕;2、全面節(jié)省成本;3、較少的加工工序;4、仿真金屬零件。

缺點在于電鍍塑料用于某類家庭用具時存在著火的危險。

印刷

印刷根據(jù)印刷條件不同可分為多種種類。

塑膠件印刷是通過移印、網(wǎng)印、轉印等方法將所需圖案印制在塑膠件表面的一種工藝。

移印是一種間接的可凹膠頭印刷技術，先將設計的圖案蝕刻在印刷平板上，把蝕刻板涂上油墨，然后，通過硅膠頭將其中的大部分油墨轉印到被印刷物體上。

網(wǎng)印是孔版印刷術中的一種主要印刷方法:印版呈網(wǎng)狀，印刷時印版上的油墨在刮墨板的擠壓下從版面通孔部分漏印至承印物上。通常絲網(wǎng)由尼龍、聚醋、絲綢或金屬網(wǎng)制作而成。

印刷中的轉印技術又可分為水轉印和熱轉印。

水轉印是利用水壓將帶彩色圖案的轉印紙/塑料膜進行高分子水解的一種印刷；熱轉印是將花紋或圖案印刷到耐熱性膠紙上，通過加熱，加壓，將油墨層的花紋圖案印到成品材料上的一種技術。

鐳雕

鐳雕：也叫激光雕刻或者激光打標，是一種用光學原理進行表面處理的工藝,與網(wǎng)印移印類似，通過鐳雕可以在產(chǎn)品表面打字或者圖案。

鐳射技術擁有應用范圍廣泛、安全可靠；精確細致、安全快捷；成本低廉、節(jié)約環(huán)保的優(yōu)勢。

咬花

咬花是用化學藥品如濃硫酸等對塑料成型模具內部進行腐蝕，形成蛇紋、蝕紋、犁地等形式的紋路，塑料通過模具成型后，表面具有相應紋路的一種工藝方法。

工藝流程：模具接收→噴砂→化學清洗(酸洗)→貼花→上瀝清粉→加熱→上洋→干漆→化學腐蝕→化學清洗→噴砂→品檢

咬花優(yōu)點在于能夠提升產(chǎn)品的視覺效果和手感；防滑；增大表面積，利于散熱；利于脫模，易于成型。

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設計案例分析

最后以家電中的塑料應用為例，請大家體會CMF設計成果。

以微波爐為例

微波爐上的塑料部件主要是外部零件，有外殼、底座、把手、旋鈕等，要求耐熱。所選用的塑料品種有PBT/PET+GF、PBT+GF、PC/ABS、耐熱ABS、HIPS、耐熱PP、PP等。

除此之外家電外觀可選用的材料有：

ABS：光澤度較高，易噴涂，但耐溫不高；

PP：成本低，流動性好，但尺寸穩(wěn)定性較差；

PC：強度高，耐溫高，透明性好，但容易開裂；

PC/ABS合金：綜合性能優(yōu)異，但價格較高。

裝飾件主要選用材料有：

透明材料：透明ABS、PMMA、PC等；

電鍍材料：電鍍級ABS；

膜材料：PET膜，PC膜。

滿足3C關鍵件核心要求的材料有：

阻燃PBT、阻燃PP、阻燃PPO。

滿足其它關鍵結構件的核心要求的材料有：

POM、玻纖增強尼龍、PPS、PPA、PEI。