CMF | 设计师必须要了解的一种材料：塑料、塑料的成型工艺及表面处理工艺
塑料、塑料的成型工艺（注塑成型、挤出成型、吸塑成型、吹塑成型、压延成型）及表面处理工艺（IMD、喷涂、电镀、印刷、镭雕）
产业的发展离不开CMF（色彩、材料、工艺）
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
橡塑材料是CMF设计中重要的组成部分，目前CMF设计军团成立了CMF之橡塑高分子材料群，旨在汇聚橡塑及相关行业企业人士，专注于橡塑材料及对应工艺，交流探讨。有想入群的朋友可以加群主微信 壹捌三肆肆壹肆伍陆伍捌。备注“橡塑”，入群必须实名制，群内严禁广告！
一、塑料概述
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。
塑料选用参考手册
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性能 |
推荐意见 |
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耐腐蚀性高 |
尼龙 |
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成本与质量比低 |
脲醛、酚醛、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、PVC |
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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 |
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成本与体积比低 |
PE、PP、脲醛、酚醛、PS、PVC |
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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 |
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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 |
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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 |
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承载耐变形能力好 |
热固性层压制品 |
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弹性模量高 |
三聚氰胺、脲醛、酚醛 |
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弹性模量低 |
PE、PC、氟塑料 |
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电阻性高 |
PS、氟塑料、PP |
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断裂伸长率高 |
PE、PP、有机硅、己烯醋酸乙酯 |
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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 |
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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 |
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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 |
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低摩擦系数 |
氟塑料、尼龙、聚甲醛 |
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高硬度 |
三聚氰胺、玻纤或纤维素增强酚醛、聚酰亚胺、环氧 |
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高冲击强度 |
酚醛、环氧、PC、ABS |
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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） |
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软化性 |
PE、有机硅、PVC、热塑性弹性体、聚氨酯、乙烯醋酸酯 |
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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 |
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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 |
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低热导率 |
PP、PVC、ABS、PPO、聚丁烯、丙烯酸、PC、热塑性聚酯、尼龙 |
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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 |
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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》
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。
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。
历届大会，来自德国、日本、美国、加拿大、英国、瑞典、韩国等国家；华为、三星、小米、oppo、vivo、广汽、上汽、现代、本田、东风、大众、一汽、北汽、吉利、长安、美的、博世、西门子、科勒、格力、海尔、苏泊尔、TCL、创维、奥克斯、WGSN、Pantone、比亚迪、富士康、科思创等国内外知名品牌，围绕宏观设计思考、CMF、社会趋势、色彩、材料、工艺、图案纹理、CMF设计教育、CMF战略管理、CMF构建、CMF应用等进行专业探讨。
| 拟定议题 | 拟邀请嘉宾 | 行业 |
| 大会组委会致辞 | 李亦文、潘长学、刘振 | 高校科研组织 |
| CMF专委会成立仪式 | 任克雷、李亦文、潘长学、刘振等 | |
| 首本中文CMF设计书籍发布 | 黄明富 Samy | CMF |
| 《CMF设计模型与CMF行业未来发展》 | ||
| 汽车行业中的内饰设计 | 国际知名汽车品牌内饰总监 法国 | 汽车 |
| 汽车行业中的外饰设计 | 国际知名汽车品牌外饰总监 意大利 | 汽车 |
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| 家居行业中的CMF设计 | 国际知名家居设计专家 米兰 |
家居 |
| 未来加工制造新型技术与工艺 | Georg Fischer 瑞士 | 技术 设备 |
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)
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。
