设计基础材料——塑料

材料的美感分为三类:原始状态的美;再次创造的美;再次组合的美。材料本身是没有感情色彩的。它的原始色彩,给予人感情的导视。材料本身只有功能性。”

塑料概述

塑料是指具有塑性行为的材料,所谓塑性是指受外力作用时,发生形变,外力取消后,仍能保持受力时的状态。塑料通常由树脂和辅助添加剂组成,树脂约占塑料总重量的40%~100%。

塑料的基本性能主要决定于树脂的本性,名称也多由其原料树脂的名称来命名。但添加剂也起着改变性能缺陷的重要作用。

塑料设计效果案例

塑料是现代材料的代表,优势与劣势一样鲜明,但随着科技的进步,塑料的性能越来越易于调控,在几乎所有行业中,塑料的应用越发广泛,“以塑代钢”、“以塑代木”的趋势也提醒着设计师们塑料这种材料的地位。塑料的种类繁多,本文并不能一一盘点,但全面的对基础材料、基础工艺的总结盘点,也可以提高设计师对产品可制造性的把控。

1

塑料性能-种类推荐表

设计师在使用材料的时候,第一位应当考虑材料的性能是否符合要求,而不是从视觉出发。如何使材料的性能与美感配合服务于产品,正是CMF设计的关键所在。

DESIGN HANDBOOK

塑料选用参考手册

性能

推荐意见

耐腐蚀性高

尼龙

成本与质量比低

脲醛、酚醛、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、PVC

抗压强度

聚对苯二甲酰胺、玻纤增强酚醛、环氧、三聚氰胺、尼龙、玻纤增强热塑性聚酯、聚酰亚胺

成本与体积比低

PE、PP、脲醛、酚醛、PS、PVC

介电常数高

酚醛、PVC、氟塑料、三聚氰胺、烯丙基塑料、尼龙、聚对苯二甲酰胺、环氧

介电强度高

PVC、氟塑料、PP、聚苯醚、酚醛、热塑性聚酯、玻纤增强尼龙、聚烯烃、PE

损耗因数高

PVC、氟塑料、酚醛、热塑性聚酯、尼龙、环氧、对苯二甲酸烯丙酯、聚氨酯

承载耐变形能力好

热固性层压制品

弹性模量高

三聚氰胺、脲醛、酚醛

弹性模量低

PE、PC、氟塑料

电阻性高

PS、氟塑料、PP

断裂伸长率高

PE、PP、有机硅、己烯醋酸乙酯

断裂伸长度低

PES、玻纤增强PC、玻纤增强PP、热塑性聚酯、聚醚酰亚胺、乙烯酯、聚醚醚酮、环氧、聚酰亚胺

弯曲模量

(刚性)

PPS、环氧、玻纤增强酚醛、玻纤增强尼龙、聚酰亚胺、对苯二甲酸二烯丙酯、聚对苯二甲酰胺、热塑性聚酯

弯曲屈服强度

玻纤增强聚氨酯、环氧、碳纤维增强尼龙、玻纤增强PPS、聚对苯二甲酰胺、PEEK、碳纤维增强PC等

低摩擦系数

氟塑料、尼龙、聚甲醛

高硬度

三聚氰胺、玻纤或纤维素增强酚醛、聚酰亚胺、环氧

高冲击强度

酚醛、环氧、PC、ABS

高耐湿性

PE、PP、氟塑料、PPS、聚烯烃、热塑性聚酯、聚苯醚、PS、PC、(玻纤或碳纤维增强PC)

软化性

PE、有机硅、PVC、热塑性弹性体、聚氨酯、乙烯醋酸酯

高断裂抗拉强度

环氧、玻纤或碳纤维增强尼龙、聚氨酯、玻纤增强热塑性聚酯、聚对苯二甲酰胺、PEEK、碳纤维增强PC、PEI、PES

高拉伸屈服强度

玻纤或碳纤维增强尼龙、聚氨酯、玻纤增强热塑性聚酯、PEEK、PEI、聚对苯二甲酰胺、玻纤或碳纤维增强PPS

低热导率

PP、PVC、ABS、PPO、聚丁烯、丙烯酸、PC、热塑性聚酯、尼龙

低膨胀系数

碳纤维或玻纤增强PC、玻纤增强酚醛、碳纤维或玻纤增强尼龙、玻纤增强热塑性聚酯、玻纤或碳纤维增强PPS、PEI、PEEK、聚对苯二甲酰胺、烯丙基塑料、三聚氰胺

永久性高透明度

丙烯酸、PC

摘自机械工业出版社2003.10《产品设计材料手册》

METHOD

塑 料 选 材

正常情况下,产品开发选定材料的过程可分为如下几步:

一,定义产品的关键要求即CTQ,比如:V0阻燃,长期使用温度高于80度,拉伸模量大于10Gpa……要求要具体,最好有详细的数据定义。

二,根据CTQ初步筛选材质种类,比如:尼龙66,玻纤增强PC,POM等,这时候不仅要看材料生产商出具的产品手册更应该查看知料应用案例。参考其他厂家类似产品选择材料的要求及原因可以减少项目在这一步的试错成本,缩短项目开发周期。

三,根据上一步确定的材质种类选定具体的材料规格,选定规格时不仅要参考知料应用案例还要看知料物性表里的参考价格提前了解原材料的成本和采购渠道。

四,选定具体的材料规格后在开模具前还需要进行可行性的分析。对比较复杂的结构部件进行模流分析优化模具设计,甚至有些产品还需要做3D打印的模型进行更多的验证。

(搬运自网络)

2

用途分类

通常,塑料可分为加热熔化的热塑性塑料和加热不熔化的热固性材料。但在设计上更有意义的是通过用途将其分类为通用塑料、工程塑料和特种塑料。

通用塑料

通用塑料在日常生活中是最常见的。

通用塑料是指生产量大、货源广、价格低、适用于大量应用的塑料,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艺性,可选用多种成型工艺制成用途多样的产品,包括塑料袋、保鲜膜、饭盒、家具、电器等。

家电中不同种类塑料的应用

聚乙烯(PE)是五大通用塑料消费量第一的产品,挤出成型工艺制成的管材与压延成型工艺制成的薄膜类产品消费量占比最高,另有吹塑成型工艺制成的中空类产品包括瓶、罐、桶等;注射成型工艺根据模具形状可制成更多形态的桶、盆、日用小器具;高密度聚乙烯还可以作为高频的电绝缘性材料,应用于雷达和电视。

PE塑料具有无臭,无毒,手感似蜡,具有耐低温性能(最低使用温度可达-100~-70°C),化学稳定性好,能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸)、常温下不溶于一般溶剂,吸水性小,电绝缘性优良等特性。不染色时,低密度聚乙烯透明,而高密度聚乙烯不透明。

1

2

3

4

聚丙烯(PP)是由丙烯聚合而制得的一种热塑性树脂。聚丙烯是无毒、无臭、无味的乳白色高结晶的聚合物,且是目前所有塑料中最轻的品种之一。PP水稳定性好、化学成分稳定防腐蚀效果良好,还具有良好的耐热性。虽然聚丙烯成型性好,但因收缩率大(为1%~2.5%),厚壁制品易凹陷,对一些尺寸精度较高零件,很难于达到要求,但制品表面光泽好

聚丙烯常被应用于一次性餐具的制作,且易于回收,但应当注意的是回收后的塑料制品不可再应用于餐具的制作。同时由于PP塑料耐高温的特性,可应用于需要微波加热的塑料制品,同样常用于一次性餐盒的PS材料则多应用于冷饮包装方向。

1

2

3

4

聚氯乙烯(PVC)塑料在全球的合成材料中用量在位列第二。PVC塑料不易燃强度高硬度高耐摩擦,具有优良的几何稳定性,但不耐高温,在高温中易软化。

在色彩方面PVC本身是微黄色半透明有光泽的质感,但成品稳定性较差,长时间使用会发黄,且在曲折处会出现白化现象。

聚氯乙烯一般应用于保鲜膜、塑料鞋及革制品、薄膜、电缆、塑料袋。

1

2

3

4

聚苯乙烯(PS)是指由苯乙烯单体经自由基加聚反应合成的聚合物,它是一种无色透明的热塑性塑料,具有高于100℃的玻璃转化温度,因此经常被用来制作各种需要承受开水的温度的一次性容器,以及一次性泡沫饭盒。此外聚苯乙烯还被应用于梳子、盒子、圆珠笔杆、儿童玩具、塑料购物袋等。

1

2

3

4

ABS即丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物,ABS是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料结构,其综合性能良好,化学稳定性好,电性能良好,有高抗冲、高耐热、阻燃、增强、透明的特性,同时ABS塑料具有很好的成型性,加工出的产品表面光洁,表面可做电镀、喷漆处理

由于ABS塑料的优良性能常被应用于汽车、电子电器、办公设备、通讯设备等对强度硬度有所要求的结构件上,且常被应用作3D打印材料,属于3D打印材料中最稳定的一种。

1

2

3

4

5

6

工程塑料

工程塑料是指可用作工程材料和代替金属制造及其零部件等的塑料。与通用塑料相比,工程塑料能够接受更强的外力作用,且具有良好的机械性能,耐高温,耐低温,尺寸稳定性好,能够满足更高的使用要求。

工程塑料又可分为通用工程塑料和特种工程塑料两类,前者主要品种有聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、改性聚苯醚和热塑性聚酯五大通用工程塑料;后者主要指耐热性高达150摄氏度以上的工程塑料。

通常说的“以塑代钢”、“以塑代木”,多指工程塑料类,常应用于电子电器、汽车·、建筑、办公设备、机械、航空航天等领域。

特种塑料

一般是指具有特种功能,可用于航空、航天等特殊应用领域的塑料。如氟塑料和有机硅具有突出的耐高温、自润滑等特殊功用,增强塑料和泡沫塑料具有高强度、高缓冲性等特殊性能,这些塑料都属于特种塑料的范畴。

3

加工工艺

选定设计材料后的第一步

根据不同材料、不同需求选定成型工艺

注塑成型

注塑成形又称注射成形,是加工热塑性塑料成形制品的一种重要方法。

将热塑性或热固性模塑料在可控温度的料筒内加热塑化,在压力作用下通过喷嘴进入浇口、流道在进入模腔,快速固化后,开模,顶出制品。

在改进型工艺——无流道模塑中,流道是模腔的一部分。

注塑制品品种多,如日用塑料制品、机械设备和电器的塑料配件等。除氟塑料外,几乎所有的热塑性塑料都可采用注塑加工,另外注塑还可用于某些热固性塑料的成形。

挤出成型

挤塑成形又称挤出成形,是利用挤出机把热塑性塑料连续加工成各种断面形状制品的方法。

将热塑性或热固性模塑料装入料斗,然后进入料筒中,在料筒中加热、塑化,并通过螺杆放置将物料前推,并通过具有所需截面构成的喷嘴。

这种方法主要用于生产塑料板材、片材、棒材、异型材、电缆护层等。目前,挤塑制品约占热塑性塑料制品的40%~50%。

吸塑成型

吸塑成型也称热成型。成形时将热塑性塑料板材或片材夹持起来,固定在模具上,用辐射加热器加热,当加热到软化温度时,用真空泵抽去板材和模具之间的空气,在大气压力作用下,板材拉伸变形贴合到模具表面,冷却后定型成为制品。

吸塑成形可用于成形包装制品,如药品包装、一次性餐盒、电子产品如纽扣电池包装等,较厚的板材还可成形壳罩类制品如冰箱内胆、浴室镜盒等。

真空成形常用的材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS、聚碳酸酯等材料。

吹塑成型

吹塑成形也称中空成形,源于古老的玻璃吹瓶工艺。依塑料管状形坯制取的方法不同,吹塑成形还分为两大类:挤出吹塑成形和注射吹塑成形。

将加热的热塑性塑料挤出管放到开口模具的两半模之间,施加气体压力,使其靠住封闭的模具侧壁膨胀,开模,顶出制品。

吹塑成形在日用工业中常用来成形轿车油箱、轿车暖风通道、化学品包装容器、便携式工具提箱等。

压制成型

通常用热塑性树脂或部分聚合的热固性树脂进行预成型后,将物料放入加热的型腔中,合模,并加热加压,使物料流动并充满型腔,加热使其完全聚合,打开模具,取出制品。

压延成型

压延成型经串联式加热或冷却辊滚压将面团式热塑性塑料熔体制成厚度均匀的板。还可以用于将塑料覆盖层压到其他材料背侧。

压延是生产高分子材料薄膜和片材的成形方法,既可用于塑料,也可用于橡胶。如在最后一对辊间同时通过已经处理的纸张或织物,使热的塑料或橡胶膜仅在辊筒压力下与这些基材贴合在一起,可制造出复合制品。这种方法称为压延贴合,对橡胶而言,又称贴胶。大家熟悉的人造革、地板革、壁纸等均是塑料与基材的复合制品。

发泡成型

在发泡成型过程或发泡聚合物材料中,通过物理发泡剂或化学发泡剂的添加与反应,形成了蜂窝状或多孔状结构。

(1) 化学发泡。由特意加入的化学发泡剂,受热分解或原料组分间发生化学反应而产生的气体,使塑料熔体充满泡孔。化学发泡剂在加热时释放出的气体有二氧化碳、氮气、氨气等。化学发泡常用于聚氨脂泡沫塑料的生产。
(2) 物理发泡。物理发泡是在塑料中溶入气体或液体,而后使其膨胀或气化发泡的方法。物理发泡适应的塑料品种较多。
(3) 机械发泡。借机械搅拌方法使气体混入液体混合料中,然后经定型过程形成泡孔的泡沫塑料。此法常用于脲眠甲醛树脂,其它如聚乙烯醇缩甲醛、聚乙酸乙烯、聚氯乙烯溶胶等也适用。

几乎所有的热固性和热塑性塑料都能产生微孔结构,制成泡沫塑料,常用的树脂有聚苯乙烯、聚氨酯、聚氯乙烯、聚乙烯、脲甲醛、酚醛等。

层压成型

层压成型需先将热塑性或热固性树脂预浸渍或喷涂增强布、纸、箔等增强材料,在压力下模塑成板材、棒材、管材或其他简单形状的型材。

浇注成型

将液体塑料(除丙烯酸塑料外,通常为热固性塑料)浇注到模具内,固化成型(无压力),成型后从模具中脱落。热塑性塑料则以溶体形式或热熔体形式沉积到抛光度极高的支撑表面上,制成热塑性塑料薄膜。

浇注成型能生产厚截面的大型制品,制品表面质量好,适用于大批量生产。

传递模塑成型

将热固性塑料从料斗中进入传递箱中,进行加热塑化,然后利用柱塞通过封闭的磨具浇口和流道进入型腔中,固化成型,再开模,顶出制品。

该项技术近年来发展很快,在飞机工业、汽车工业、舰船工业等领域应用日广,并发展出多种分支,满足了不同领域的应用需求。

手糊成型

手糊成型又称手工裱糊成型、接触成型,指在涂好脱模剂的模具上,采用手工作业,即一边铺设增强材料,一边涂刷树脂直到所需塑料制品的厚度为止,然后通过固化和脱模而取得塑料制品的这一成工艺。

熔融沉积成型

这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出,按照零件每一层的预定轨迹,以固定的速率进行熔体沉积。

数控成型

CNC计算机数字控制机床是一种装有程序控制系统的自动化机床。

该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,从而使机床动作并加工零件。

4

表面处理

塑料的表面处理不仅是为了提升视觉美观,而是同时影响着外观、质感、功能等三方面的因素,通过表面处理,可以改变材料的颜色、光泽、手感、粗糙度、使用寿命、耐划伤性、抗指纹性等性能。

模内装饰技术(IMD)

模内装饰技术(In-Mold Decoration-IMD)亦称免涂装技术,是将已印刷好图案的膜片放入金属模具内,将成形用的树脂注入金属模内与膜片接合,使印刷有图案的膜片与树脂形成一体而固化成成品的一种成形方法。

此种表面装饰技术,表面硬化透明薄膜,中间印刷图案层,背面注塑层,油墨中间,可使产品耐摩擦,防止表面被刮花,并可长期保持颜色的鲜明不易退色。

IMD包含IML(无拉伸、曲面小)、IMF(高拉伸产品、3D)、IMR(表面薄膜去掉,只留下油墨在表面)。

目前业内把IML和IMF统称IML。

膜内装饰技术的优势在于1、精美的装饰图文、标识内藏,不受摩擦或化学腐蚀而消失;2、图文、标识及颜色设计可随时改变,而无需更换模具;3、三维立体形状产品的,印刷精度准确,误差±0.05mm;4、能提供图文、标识背透光性及高透光性的视窗效果;5、功能按键凸泡均匀、手感好,寿命可达100万次以上;6、三维变化,可增加设计者对产品设计的自由度;7、复合成型加工达到无缝效果。需注意的是,此种技术良品率不高。

(IMD) 适合于3C、家电、LOGO铭板及汽车零件之塑料产品,特别是目前流行的手机外壳及各式仪表面板。

喷涂( Painting )

喷涂是利用喷枪等喷射工具把涂料雾化后,喷射在被涂工件上的涂装方法。工艺流程:注塑→底漆→烘干→面漆→烘干。

此种技术优点在于1、颜色丰富;2、液体环境中加工,可实现复杂结构的表面处理;3、工艺成熟、可量产;4、有独特的透明度,光泽度高。

缺点在于1、成本过高,低成本定位产品不适用于此工艺;2、工艺相对复杂,良率较低。

电镀

电镀可以使塑料以较高成品率及较低成本获得金属效果表面。电镀方法主要分为真空电镀和水电镀。

此种技术优点在于1、重量减轻;2、全面节省成本;3、较少的加工工序;4、仿真金属零件。

缺点在于电镀塑料用于某类家庭用具时存在着火的危险。

印刷

印刷根据印刷条件不同可分为多种种类。

塑胶件印刷是通过移印、网印、转印等方法将所需图案印制在塑胶件表面的一种工艺。

移印是一种间接的可凹胶头印刷技术,先将设计的图案蚀刻在印刷平板上,把蚀刻板涂上油墨,然后,通过硅胶头将其中的大部分油墨转印到被印刷物体上。

网印是孔版印刷术中的一种主要印刷方法:印版呈网状,印刷时印版上的油墨在刮墨板的挤压下从版面通孔部分漏印至承印物上。通常丝网由尼龙、聚醋、丝绸或金属网制作而成。

印刷中的转印技术又可分为水转印和热转印。

水转印是利用水压将带彩色图案的转印纸/塑料膜进行高分子水解的一种印刷;热转印是将花纹或图案印刷到耐热性胶纸上,通过加热,加压,将油墨层的花纹图案印到成品材料上的一种技术。

镭雕

镭雕:也叫激光雕刻或者激光打标,是一种用光学原理进行表面处理的工艺,与网印移印类似,通过镭雕可以在产品表面打字或者图案。

镭射技术拥有应用范围广泛、安全可靠;精确细致、安全快捷;成本低廉、节约环保的优势。

咬花

咬花是用化学药品如浓硫酸等对塑料成型模具内部进行腐蚀,形成蛇纹、蚀纹、犁地等形式的纹路,塑料通过模具成型后,表面具有相应纹路的一种工艺方法。

工艺流程:模具接收→喷砂→化学清洗(酸洗)→贴花→上沥清粉→加热→上洋→干漆→化学腐蚀→化学清洗→喷砂→品检

咬花优点在于能够提升产品的视觉效果和手感;防滑;增大表面积,利于散热;利于脱模,易于成型。

5

设计案例分析

最后以家电中的塑料应用为例,请大家体会CMF设计成果。

以微波炉为例

微波炉上的塑料部件主要是外部零件,有外壳、底座、把手、旋钮等,要求耐热。所选用的塑料品种有PBT/PET+GF、PBT+GF、PC/ABS、耐热ABS、HIPS、耐热PP、PP等。

除此之外家电外观可选用的材料有:

ABS:光泽度较高,易喷涂,但耐温不高;

PP:成本低,流动性好,但尺寸稳定性较差;

PC:强度高,耐温高,透明性好,但容易开裂;

PC/ABS合金:综合性能优异,但价格较高。

装饰件主要选用材料有:

透明材料:透明ABS、PMMA、PC等;

电镀材料:电镀级ABS;

膜材料:PET膜,PC膜。

满足3C关键件核心要求的材料有:

阻燃PBT、阻燃PP、阻燃PPO。

满足其它关键结构件的核心要求的材料有:

POM、玻纤增强尼龙、PPS、PPA、PEI。