降本设计 | 热压成型替代金属、注塑成型和玻纤
当降本设计进入深水区：
原材料已经全面国产，价格降无可降；
零件壁厚已经无法再薄，重量无法再减轻；
产品结构对标行业老大，或者本身就处在行业老大位置，已经没有对标对象了；
我们会发现，此时想再通过产品结构设计来降本，真是难上加难。
别急，我们还有最后一个大招，使用新材料和新工艺。
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。
这就是新材料新工艺的降本案例。
使用塑料代替金属的最大障碍之一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。
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。
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使用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。
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。
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。
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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，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。
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。
注塑成型：
塑料原料为粒料
有多种颜色可以选择
塑料种类众多，甚至可以根据要求定制
热压成型：
塑料原料为板料
有多种颜色、厚度及表面纹理可供选择
塑料种类众多，甚至可以根据要求定制
板料可以通过塑料与玻纤或复合材料共挤而得，以满足机械强度或者外观等要求，这是热压成型在材料上相对于注塑成型的主要优势。当然，板料的生产过程需要成本。
注塑成型：
大多数的零件需要通过后处理，例如喷漆或电镀等获得所需外观面
高光或低光外观面可以通过直接注塑而得
可以咬花
热压成型：
大多数的零件不需要通过后处理， 即可获得出色的外观
高光或低光外观面可以通过直接热压而得
可以咬花
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。
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。
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。
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。
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。
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%。
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来源：降本设计
