AG九游会最近在学习热压成型工艺时，发现不少行业，针对小批量生产的大型零件，成功应用热压成型去代替金属、代替注塑成型、代替复合材料，来进行降本。

　　—1—降本设计的最高层次：使用新材料新工艺在降本设计的四个层次 降本需要具备系统性、逻辑性和全局性一文中，我介绍了降本设计的四个层次。

　　其中第四个层次，即使用新的材料、新的制造工艺和紧固工艺，代替现有的材料和工艺，这是降本设计的最高层次。这里的“新”并不是绝对意义上的新，是相对于企业现有材料和工艺而言，凡是企业没有使用过的都可以称为新材料新工艺。新材料新工艺，可以给产品成本带来突破性的降低。很多企业的革命性产品，从根本上来说，就是使用了新材料新工艺。也正因为如此，我看到很多企业单独设立了一个部门、或者设定单独的课题，专门研究新材料新工艺来代替现有材料和材料。推荐阅读：向特斯拉学习：如何把70多个零件减少为1个零件（使用压铸代替冲压）

　　—2—热压成型塑胶件 VS 金属零件在很多行业，使用塑料代替金属已经是一个习以为常的轻量化和降本方案，特别是基于注塑成型加工的塑胶件，在大批量生产时更具有成本优势。当我们在考虑使用塑料代替金属时，我们常常默认为是使用注塑成型加工的塑胶件来代替金属件。然而，注塑成型需要使用一副昂贵的模具，一般从几万到几十万不等。因为如此，我们会误以为只有在大批量场合，使用塑料代替金属才具有经济效益，于是在小批量时就理所当然的继续使用金属。事实上，塑料的加工工艺有很多，除了注塑成型之后，还有热压成型、挤出成型、滚塑成型等，这也给小批量场合的塑料代替金属提供了选择。例如，使用热压成型加工的塑胶件替代大型的内部或外部金属件，在航空航天、医疗设备和公共交通等领域获得了成功的应用。相对于金属，热压成型的塑胶件，在重量、比强度、弹性模量、交付周期、设计自由度和成本等五个方面具有优势。2.1 重量重量与成本一般呈正比关系。重量越重，成本越高。燃油效率、维护成本、物流运输和安装等，所有这些都随着零件重量的减少而显著降低成本。常见塑料PC、ABS、等于铝、不锈钢和鈦的比重如图所示。我们可以看出，塑料比重大约是不锈钢的六分之一，是铝的一半。

　　▲比重2.2 比强度使用塑料代替金属的最大障碍之一是塑料在强度上无法与金属抗衡，金属及其合金通常具有非常高的强度。随着塑料复合材料的发展，在塑料中加入玻璃纤维或碳纤维，塑胶件的性能可以做到与金属相当。在某些情况下，甚至在比强度等方面超过金属。比强度，是材料的强度（失效时单位面积的力）除以其密度。各种材料的比强度如图所示。塑料包含聚合物和复合材料。

　　▲比强度2.3 比模量比模量是单位质量密度的弹性模量。同比强度一样，在塑料中加入玻璃纤维或碳纤维，部分塑料的比模量性能可以做到与金属相当，从而可以与金属展开竞争。

　　▲比模量（E/p）2.4 生产和交付周期从可制造性来说，因为本身强度和刚度较高，金属是一种可制造性较差的材料。为了获得所需零件结构，一个金属零件通常需要经过多套复杂的加工工序，例如冲裁、折弯、成型、焊接、装配和喷漆等。一个典型的金属零件加工工序包括：1）胚料裁剪（激光切割或其它机器）2）折弯（折弯机）3）成形（压力机或折弯机）4）装配（焊接、螺丝或胶粘）这些不同工序需要使用不同设备，每一个工序都需要一定的加工工时，而工序之间的替换又会导致加工工时的增加。所以，金属的加工的生产和交付周期，相对较长，成本也较高AG九游会。

　　与金属零件的加工相比，塑胶件的热压成型加工工序简单，大大降低了劳动强度，可以节省生产时间、能源、劳动力和成本等。对于热压成型来说，大多数的零件特征、几何形状、表面纹理、甚至是镶件等，都可以通过一套模具、一个加工工序、一台设备完成（如果需要裁切，则需要两个工序、两台设备），一个零件的平均生产周期一般少于15分钟。同时，热压成型的零件本身可以使用多种颜色的塑料，这也可以消除金属零件所需的额外表面处理工序。2.5 设计自由度与成本由于金属本身的特性，其零件的结构往往比较简单，设计自由度比较低。随着金属零件结构复杂性的增加，那么就需要使用更加复杂加工工序，零件成本和交付周期也快速增加。例如，简单的平板型钣金零件通过数控冲压即可加工；而复杂的金属零件则需要通过机加工或者压铸成型等加工，成本和交付周期可想而知。而对于热压成型来说，可以允许较大的设计自由度，零件结构复杂性的增加对于成本和交付周期的影响较小。这是因为复杂的形状、结构、表面纹理和镶件等，只需要在模具上进行相应加工即可。这可能会稍微增加前期模具成本，但不会增加后期热压成型的生产周期和成本。正因为热压成型自由度较高，热压成型提供了金属零件无法提供的设计复杂度。

　　—3—热压成型 VS 注塑成型热压成型和注塑成型在众多行业中都有广泛的应用。它们都有一些独特的优点和缺点，分别适用于不同的应用场景。在过去，热压成型和注塑成型是非竞争的关系，二者的选择比较容易做出。然而，随着热压成型技术的不断进步，热压成型和注塑成型的应用场景开始出现重叠。此时，选择合适的工艺要求对与每个工艺相关的特性、好处和成本等进行更深入评估。3.1 模具投资注塑成型时会对模具会产生较大的压力，这对模具材料提出了要求，一般使用钢材作为模具材料。同时，由于塑胶件结构的复杂，注塑模具本身结构也比较复杂，零部件数量多；另外，注塑模具的加工、安装和试模等都非常耗时，因此注塑模具的价格比较昂贵。热压成型的模具相对简单，仅仅需要对模具的单面进行加工AG九游会，使用铝或者木材作为模具材料。模具的零部件比较少，设计要求低，安装调试简单，模具成本大大低于注塑成型。因此，热压成型的模具成本远远低于注塑成型模具的成本。3.2 交付周期注塑成型的模具零部件多，加工复杂，交付周期长，通常需要4周~8周。另外模具的调试和试生产也需要1周~2周左右的时间。热压成型的模具简单，通常只需要一个公模或母模，交付周期短，加工周期为2周以内、模具的调试和试生产需要1周左右的时间AG九游会。如果产品上市时间是一个重要考虑，热压成型可能是一个更优的选择。3.3 单件成本注塑成型模具成本较高，当批量较小时，分摊到单件上的成本较高。当批量大过一定数值时，注塑成型才具有经济效益。与注塑成型相反，热压成型的模具成本低，但是其生产效率低，仅仅适用于小批量生产。批量的具体数值取决于零件的尺寸大小和设计，一般在3000~5000之间。也就是说，在3000~5000以下，热压成型的单件成本更低，更具有经济效益。大于3000~5000时，注塑成型的单件成本更低，更具有经济效益。当然，具体准确的数值还需要针对模具成本、单件成本和批量大小等进行详细计算。3.4 材料注塑成型：

　　—4—热压成型塑胶件 VS 玻纤零件4.1 批量大小玻璃纤维(FRP/GRP)零件主要用于批量很小的项目或者原型产品。当批量增加到每年250至3000个时，与玻璃纤维相比，热压成型更具成本优势。当然，无论是热压成型还是玻璃纤维成型工艺，在大批量生产时都没有成本优势。4.2 材料热塑性聚烯烃(TPO)是替代玻璃纤维零件的首选塑料材料。与玻璃纤维材料相比，TPO更耐用、抗裂、抗紫外线、且更轻。还有各种各样的特种原材料，每种材料都是为特定行业和环境设计的，在抗拉强度、易燃性、耐化学性和重量等方面具有不同的性能特征。可以设计材料符合行业标准，如EN45545、德国工业标准5510-2等。4.3 交付周期玻璃纤维零件主要通过手糊成型、模压成型和层压成型等加工而成，这些都是劳动密集型的，并且通常需要多套模具来生产一个零件。与热压成型相比，生产率效较低、成本较高同时交付周期较长。另一方面，热压成型过程高度自动化，相对简单，通常需要较少的劳动力。每个零件仅使用一套模具。因此，与玻璃纤维加工工艺相比，交付周期往往更短，模具和人工成本低。单从纯工艺的角度来看，热压成型的生产周期通常只有玻璃纤维加工工序的六分之一。

　　▲单个零件的生产周期4.4 外观表面玻璃纤维可供选择的高质量外观较有限。而热压成型有多种颜色和外观纹理可供选择，也可以采用丝网印刷和喷漆等后处理工序，增加外观的多样性。因此，热压成型具有更多的美观和实用选择。4.5 模具一套玻璃纤维的模具成本大约只有热压成型模具成本的一半。然而，因为玻璃纤维加工工艺的生产效率非常低，当产品批量增加时，通常需要两套或者多套模具，总体模具成本反而会高于热压成型。

　　4.6 重量与玻璃纤维相比，热成型塑料零件重量轻，可以大大减轻零件重量。典型的热成型零件平均比玻璃纤维零件轻30%。

　　最后的话通过新材料新工艺，代替现有产品使用的材料工艺，这是降本的最高层次。一般来说，这通常可以产生较大幅度的降本。然而，要实现材料工艺的代替，绝非易事；这要求工程师去学习和掌握各种各样的材料和工艺知识。幸运的是，在知识大爆炸的时代，想要学习这些知识其实并非难事，网络上、书籍上到处都有。中国制造业的发达，也可以让我们能够随时随地找到相关材料和工艺的供应商。我们欠缺的，可能仅仅是一个降本设计的思路和一个主动出击的态度。----END---

　　作者简介：钟元，著有书籍《面向制造和装配的产品设计指南》和《面向成本的产品设计：降本设计之道》