塑料设计的基本知识（CMF设计师必须要了解的基础材料）
塑料设计的基本知识（CMF设计师必须要了解的基础材料）二、塑胶材料的主要特性 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，除了仿玻璃、仿陶瓷吗，“以塑代钢”、“以塑代木”的趋势也提醒着CMF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。在1907年世界上出现了第一种合成塑料-酚醛树脂，标志着聚合物时代的引入。塑胶材料以其他材料无法比拟的多样性、灵活性快速的被大量应用。塑料是指具有塑性行为的材料，受一定外力作用时，发生形变，外力取消后，仍能保持受力时的状态。通常塑料是指由树脂和辅助添加剂组成的高分子材料，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，有的树脂本身也是一种添加
设计基础材料——塑料
塑料是一种低成本、易成型的材料，早期被挂上低端、低廉等标签，但随着目前表面处理技术的不断升级，塑料也可以做成仿玻璃、仿金属、仿陶瓷的产品外观效果，在手机、汽车、家电等产业领域的应用可以说越来越广泛。
同时塑胶材料也是设计的基础材料之一，CMF中重要的组成成分。今天我们来全面回顾一下这种经典材料，本文由以下几个部分组成：
- 一、塑料概述
- 二、塑胶材料主要特性
- 三、塑胶材料的选材与种类
- 四、成型工艺
- 五、表面处理工艺
- 六、设计案例分析
一、塑料概述
在1907年世界上出现了第一种合成塑料-酚醛树脂，标志着聚合物时代的引入。塑胶材料以其他材料无法比拟的多样性、灵活性快速的被大量应用。
塑料是指具有塑性行为的材料，受一定外力作用时，发生形变，外力取消后，仍能保持受力时的状态。通常塑料是指由树脂和辅助添加剂组成的高分子材料，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，有的树脂本身也是一种添加剂。
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，除了仿玻璃、仿陶瓷吗，“以塑代钢”、“以塑代木”的趋势也提醒着CMF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。
二、塑胶材料的主要特性
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。
三、塑料材料的选材与分类
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。
按照设计产品用途分类
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。根据结晶行为，可以分为无定形和结晶型，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。
1. 通用塑料
日常生活中最常见的是通用塑料，产量大、货源广、价格低、适用于大量应用，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）等。接下来我们分别介绍一下这些材料（基础介绍 应用）。
家电中不同种类塑料的应用
聚乙烯(PE)是五大通用塑料应用极为广泛的塑料，具备无臭，无毒，手感似蜡，耐低温性能（最低使用温度可达-100~-70°C）、化学稳定性好、常温下不溶于一般溶剂、吸水性小、电绝缘性优良等特性。
聚丙烯（PP）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。
聚氯乙烯(PVC)塑料在全球的合成材料中用量在位列第二。具备不易燃，强度高、硬度高，耐摩擦，优良的几何稳定性等特性，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。
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。
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。ABS应用范围广泛，包括汽车、电子电器、办公设备、通讯设备等产品
2. 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。主要品种有PC、PA、PBT、POM、PPO五大通用工程塑料。
通常说的“仿玻璃”、“仿陶瓷”、“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。
3. 特种工程塑料
这类塑料主要特点是价格昂贵且性能优异，可用于航空、航天、医疗、汽车、5G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。目前国内特种工程塑料主要依靠进口，但部分种类已实现国产化。
四、成型工艺
选定设计材料后的第一步就是根据不同材料、不同需求选定成型工艺。
这里仅介绍几种经典工艺，想了解更全面的塑胶成型工艺，可以查看军团早期写过一篇详细的塑胶成型工艺文章：CMF | 一文深入了解30 塑胶产品成型工艺（动图 视频）
1. 注塑成型
注塑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。
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。
2. 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%。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
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。
五、表面处理工艺
随着技术的不断发展，塑胶产品的表面处理工艺不断升级，目前通过一定的工艺处理后，从质感上甚至可以媲美金属、玻璃、陶瓷，同时还可兼具装饰性与功能性。下面我们介绍几种代表性表面处理工艺。
1. 模内装饰技术(IMD)
IMD又称模内装饰工艺，将印刷完成的薄膜利用不同型式置入模具，经射出成型后，得到具有印刷质感之成型产品，结合产品设计、模具技术与传统后加工技术为一体的制程技术。深入了解的朋友可以查看文章：一文了解，IMD|IMT|IME|OMD|OMF等工艺，不要再傻傻分不清了
图 imd手机壳电镀金银，来源于昊通
IMD是目前国际风行的表面装饰技术，主要应用于家电产品的表面装饰及功能性面板，常用在手机视窗镜片及外壳、洗衣机控制面板、冰箱控制面板、空调控制面板、汽车仪表盘、电饭煲控制面板多种领域的面板、标志等外观件上。
从概念上来讲，IMD包含IML、IMF、IMR，但国内很多行业人士将IML独立于IMD之外，把IMR称之为IMD工艺，IML与IMF工艺一致，即归为两大类：IMD/IMR、IML/IMF。主要原因是于IML和IMR在lens表面的不同，IML表面有PET或PC片材，而IMR表面只有油墨。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
六、设计案例分析
最后放几个塑料在产品中应用的例子，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。
这是汽车上一些需要用到塑料的部分，从通用塑料到特种工程塑料都有，随着“以塑代钢”的进一步加强，也许在将来我们开的都是“塑料车”。
除此之外制品的外观可选用材料有：
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、PET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。
在如此多的塑料中选择产品需要的那一种或几种是一个复杂的过程，要从产品的使用环境、具体应用等方面考虑。总之，在依次考虑到产品使用环境、性能特征、安全性能、外观以及成本等因素之后，你所需要的材料也就浮出水面了。
素材来源 | CMF产品视觉体验
