工业产品形态与成型工艺的适应性初探

胡 康 艾险峰 （武汉科技大学艺术与设计学院 湖北武汉 430065）

工业产品的材料主要有五大类，即金属、塑料、玻璃、陶瓷和木材，不同的材料有着不同的成型工艺，不同造型的工业产品的制造过程差别很大，类似造型而材料不同的产品制造过程也可能有很大差别，本文研究的重点在于寻找工业品造型与成型工艺之间的关联，并初步提出工艺与形态之间的适应性。

一、工业产品制造中常见成型工艺

由于成型工艺的多样性，只有对它们进行初步分类才能够找到它们与造型设计中的关联性。首先需要将材料的成型工艺做简单的罗列。金属主要有铸造、冲压、冲裁、反向冲击挤压、滚压、旋压、锻造、轧制、液压、无屑切割以及车钻铣磨焊等多种成型工艺；塑料的工艺则根据热塑性塑料和热固性塑料的特性不同，可分为四类成型工艺，第一类是可以针对热塑性塑料和热固性塑料的成型工艺，包括注塑成型、嵌件成型和挤出成型等。第二类是只能针对热塑性塑料的成型工艺，如气体辅助注塑、压延成型、薄膜吹塑、注射吹塑、挤出吹塑、热真空成型、蘸涂成型、浇铸成型、发泡成型等，第三类是只针对热固性塑料的成型工艺，如反应注塑成型、模压成型等，第四类是针对塑料复合材料的工艺，如层压成型、手糊成型、喷射成型以及缠绕成型等等。玻璃的成型工艺根据产品形态的不同分为平板玻璃成型和其他造型玻璃成型，平板玻璃成型工艺主要是浮法、拉制法、压延法、窑烧玻璃等，而有一定造型的则是通过热弯玻璃、重吹法、压吹法或压制成型制成。陶瓷的成型工艺相对较少，只有可塑成型、注浆成型和压制成型几种。木材则有原木、木芯板、密度板、胶合板、塑料贴面板等材料的不同，也有着多种工艺，简单如钻、刨、铣、锯、磨，复杂的工艺则有蒸煮弯曲、胶合板深度立体成型、挤压成型等等多种工艺。根据以上描述，不难看出，看似针对不同材料的数十种成型工艺，其中的大多数工艺其实都有一定的关联。

二、常见成型工艺的分类与造型能力

我们不妨根据它们的加工流程、材料的初始材型、有无模具以及是否需要拔模将它们分为以下几类：

1.受力变形类工艺，是指在一定的模具内通过作用力（压力、重力等）使片状材料变形的工艺，这就包括金属的冲压、反向冲击挤压、旋压、液压、滚压工艺，塑料的模压成型和热真空成型工艺，玻璃的热弯玻璃成型以及压制成型工艺，陶瓷的压制成型，胶合板的挤压工艺和深度立体成型工艺以及原木的蒸煮弯曲等。这类工艺主要是生产有一定造型的壳体，但是不能生产薄壁中空的容器壳体（反向冲击挤压和旋压除外）。受力变形类工艺根据是否需要拔模可分为两种，需要拔模的工艺有冲压、液压、反向冲击挤压、胶合板挤压和深度立体成型、热弯玻璃、陶瓷压制成型、塑料热真空成型和模压成型，不需要拔模的有旋压、滚压等。需要拔模的工艺在设计产品造型的时候需要注意180度法则，也就是说从合模线开始，一边曲面上的任意一点的法线的方向都应该在合模线所在平面的一边，否则拔模将不能进行，当然如果是在后期使用其他工艺修改造型就另当别论。不需要拔模的几种工艺设计的自由度又受到了其他因素的影响，比如旋压，由于制造过程是旋转成型，它只能加工旋转体，滚压只能将形态进行较为简单的弯曲。

2.液态成型类工艺，是当材料处于高温融液状态时，将他们置于模具中，待冷却后固化成型，主要包括金属的铸造、塑料制品的注塑成型（包括嵌件成型、气体辅助注塑成型），一般生产有一定体积的实体，较少生产壳体（熔模铸造除外）。液态成型类工艺根据是否需要拔模分两种，一种是沙铸、大批量产品的熔模铸造、高压铸造、注塑成型、嵌件成型等，另一种是小批量产品的熔模铸造。第一类工艺都是需要设计拔模角度，同样需要遵循前文所述的180度法则，而使用熔模铸造生产单件或小批量产品则不需要考虑拔模，因为前期的蜡模具不是由铝制模具生产，而后期的石膏模具又可以打破，所以这种情况下，形态设计的自由度可以说是无限的。

3.吹制成型类工艺，吹制成型的原材料只有玻璃和塑料，它们都是在一定温度下具有相当的可塑性的，如玻璃是在膏体的状态下进行的吹制，这类工艺类似于吹泡泡糖，都是将一块材料变成薄壁中空的容器状壳体，这也是吹制成型类工艺的自由度的局限之处，另外吹制模具一般都是两块，合模线一般在竖直方向，因此也要遵循前文所述的180度法则，同时要考虑拔模角。

4.加减材料类工艺，通过加减材料来进行造型的工艺，包括金属和木材的车、钻、铣、磨、冲裁以及焊接等工艺，陶瓷的拉坯成型与盘车成型工艺。这类工艺加工的造型有明显的特征，加材料类往往会有连结点（如焊点），减材料类则是在整体材型的基础上产生一些切口或者洞之类的。

5.浸涂蘸糊类工艺，主要是将模具浸入材料溶液或融液中、或者将材料的溶液或融液涂、蘸、糊在模具的表面，或者将溶液或融液倒入具有吸附性的模具中，待材料附着在模具内表面或外表面后，干燥就可以成型。它们包括热固性增强复合塑料的手糊成型、喷射成型、缠绕成型，普通塑料的浇铸成型（流延铸塑、旋塑成型等）、蘸涂成型，陶瓷的注浆成型（包括压力辅助注浆成型）。这类工艺可以生产的形态也很丰富，大到客车、快艇、飞机的外壳，小到浴缸。这类工艺中有的适合做封闭中空的造型，也有的适合做开放的造型。

不难发现，以上分类基本上涵括了大多数的成型工艺。

三、产品外观部件形态与常见成型工艺的适应性分析

产品造型丰富多样，这里我们将他们简单地分为：

1.具有一定几何规律的实体类。典型产品如家具、铸铁制下水道盖子、刀具、肥皂、纪念章、泡沫制品、工艺品等，这类规则的实体，一般由型材加工而成，经历的工艺相对简单，主要是液态成型工艺中的沙铸、熔模铸造等，加减材料类工艺中的焊接、车削、镗削、铣削、磨削、钻削、等离子狐切割、激光切割等。厚度较低的造型有时候由板材压制而成。总而言之，这类造型在设计的时候自由度较大，受工艺的局限不多。

2.表面复杂无规律的实体类。典型造型如小型生物雕塑、服装店的人体模特等，这类造型较为复杂的实体在制造中受到工艺的制约较前一种更多一些。比如青铜人体雕塑，目前只适合使用液态成型类工艺中的熔模铸造成型，服装店的人体模特只适合用海绵压力传输模切成型技术制造。如果是塑料制品，那么可以考虑注塑成型，但是需要设计好合模线，否则，成本将会非常高，出次品的可能也很大。

3.开放的壳体造型类。由于现代产品中有很多都是技术核心部件或机构在内部，外观造型在外，这导致了开放的壳体造型是工业产品零部件中最为常见的形态，最典型的造型是汽车的引擎盖、家电的表面壳体、个人电脑的机箱壳体等。可以加工这类造型的工艺非常对，比如受力变形类工艺中的冲压、液压、滚压、玻璃陶瓷的压制，塑料的注塑成型，浸涂蘸糊类工艺中的手糊成型、喷射成型等，也包括液态成型工艺中的高压铸造。这类工艺往往受到拔模的限制，需要考虑拔模角度。

4.封闭的中空壳体类。包括管状造型和容器类壳体造型，它们有的多处开口如自行车扶手部分，有的完全封闭无开口如球类产品，有的腹部小开口大，有的腹部大开口小如倒锥形玻璃化学反应器皿，也有的开口与腹部基本一致如一些玻璃水杯，有的壳体带手柄，也有的不带手柄。这类造型的生产工艺有受力变形类工艺中的反向冲击挤压和旋压，吹制工艺中的注塑吹塑、挤出吹塑、压吹法、重吹法都可以生产这类造型，浸涂蘸糊类工艺中的旋塑成型也能生产这类造型。其中需要注意注射吹塑与挤出吹塑相比，挤出吹塑能生产的造型更复杂，比如带手柄的塑料容器。封闭中空壳体类造型都是在模具内成型，因此都有外表面可以装饰，而内表面不能装饰的特征。

笔者根据工艺的流程、模具有无、是否需要拔模以及材料的材型对各种工艺进行了分类，并论述了产品形态与制造工艺之间的适应关系，其根本目的在于在便于设计师在设计流程中合理地设计造型、科学地选择材料进行设计，这样可以避免不着边际天马行空的低效率创作。由于材料与加工技术随着时间在不断的进步，今天不能制造的造型，在未来也可能很容易制造出来，比如一些最新工艺（如SLA立体雕刻）可以不受使得设计师任何约束进行造型。因此，设计师除了需要弄清楚产品形态与材料技术的适应关系，还要不断地跟进学习新的材料的特性和工艺。

[1] (英)克里斯拉夫特里，产品设计工艺经典案例解析[M]，北京：中国青年出版社，2008.

[2] 周达飞 唐颂超，高分子材料成型加工[M]，北京：中国轻工业出版社，2006.

[3] 郑建启，设计材料工艺学[M]，北京：高等教育出版社，2007.