深度 | 降本设计：塑料代替金属（上）
通过设计来降低产品成本的方法（降本设计）有很多，其中效果最有效的一个方法是在产品设计时选择最适合的材料、最合适的制造工艺和装配工艺，其最典型的案例就是以塑代钢--使用塑料代替金属。使用塑料代替金属的文章分为上中下三篇：
塑料代替金属是指在不牺牲产品质量和性能等前提下，使用高性能工程塑胶件代替传统的金属零件，以简化产品结构，降低产品成本以及实现产品轻量化等目的。单纯从产品成本上来说，塑料代替金属一般会使得产品成本降低25%~50%，这是因为：1.1 塑胶件形状复杂、设计自由度高，零件合并可节省零部件成本和降低装配成本注塑成型能够加工制造出远比金属形状复杂的塑胶件，塑胶件可以具有复杂的曲面外形和内部结构，可以根据设计要求添加各种特征例如薄壁、孔、倒扣、螺纹、支柱、卡扣、肋条和三角片等特征，以及通过模内埋置方式与螺母等五金件形成一体，而这些通过金属的制造工艺很难获得，往往需要多个零件通过装配而得，成本高。下图显示了一些具有复杂形状和结构的塑胶件。
塑胶件具有复杂形状和结构的特点决定了塑胶件有机会合并周围的金属件或其它零件，一个塑胶件可以代替多个金属件或其它零件，其降低产品成本体现在：塑胶件常见紧固工艺包括卡扣、铰链和热熔等，可避免过多的机械紧固件使用，相对于金属常用紧固工艺如焊接、铆接以及螺纹紧固等工艺，塑胶件的装配效率高，装配时间短，装配成本低。如下图所示，在原始的设计中，两个金属件通过四个紧固件装配，在装配时，需要仔细将两个金属件对齐，再逐一拧紧四个紧固件，装配效率非常低；在次优的设计中，在底座金属件上增加特征来对齐和压紧上部零件，减少紧固件数量，同时装配时可自动对齐，提高装配效率，但是在底座金属上增加的对齐特征会大幅增加材料成本和加工成本；在最优的设计中，将上部零件替换成塑胶件，并设计卡扣特征，装配时只需对齐卡扣和卡槽往下按动即可实现二者的装配，装配可在1秒内完成，装配效率极高，同时节省紧固件成本。
很多金属加工工艺，例如砂型铸造和压力铸造等，由于其尺寸精度、外观质量和颜色达不到使用要求、或者达不到防腐蚀的要求，常常需要二次加工，包括机械加工、喷漆和电镀等，二次加工效率低，时间长，成本很高。而塑胶件的尺寸精度高、外观质量好，有多种外观颜色可选择，同时自身具有抗腐蚀的功能，因此塑胶件基本不需要二次加工，省去二次加工的成本。即使塑胶件的几何形状相当复杂，但只要能从注塑模具中顺利脱模，都比较容易制造，仅仅经过一次注塑成型工序，即可制造出需要的零件，生产效率高。如果将注塑模具设计成一模多穴，一次注塑可同时制造多个相同的零件，生产效率更是大幅提高，因此注塑成型的加工成本较低。
而金属一般要经过好几道、十几道，甚至几十道工序才能加工完成，加工时间长、效率低，加工成本高。另外即使塑料要进行机械加工，也比较容易。
相对于金属的压铸模具，注塑模具的寿命长，合适的模具材料选择和模具设计可使得注塑模具的寿命达到50万次甚至100万次以上。下图显示了锌合金、镁合金和铝合金的压铸模具与PA66注塑模具的寿命对比，注塑模具寿命远高于压铸模具寿命，同时注塑模具的制造成本、维护成本和检修成本也远低于压铸模具。 
塑胶原料是石油工业的附加品之一，原材料丰富易得；一般来说，在相同体积下，塑胶材料的价格远低于相同体积的金属材料。
金属的机加工等工艺是去除材料的加工，去除的材料例如切屑和废料等无法再回收利用。
▲金属机加工材料浪费严重
塑胶件的加工例如注塑成型是添加材料的加工，不会产生多余的切屑和废料。而在大多数的情况下，注塑成型时的浇口与流道等回料以及不良品等可重复利用，节省塑胶原料成本。
▲大多数的塑料可以回收
塑料的密度比金属低，因此重量比金属低，所需的包装材料费用和运输费用就更少。
塑料密度小，产品运行时所耗费的能源少，需要更少的使用费用。最为明显的一个实例是汽车，汽车如果重量轻，耗油量小，则使用费用就更低。
除了以上成本优势外，塑胶还有其它优势：
▲ 塑料与金属的比重对比
▲ 某品牌聚酰胺塑料（PAI）
与金属材料的拉伸强度对比
塑料不是声音传播最佳导体，可用于隔音。
塑料具有不到不导电性，是优良的绝缘体。
塑料具有低的热传导性，触摸起来较舒适暖和。
正因为塑料比金属有如此多的优势，在电子电气、汽车、建筑、机械设备、新能源、交通等多个行业，使用塑料代替金属已成为国际流行趋势。而随着塑料行业的发展，现有塑料的性能不断改进和提高，同时新型高性能塑料正不断被研发出来，在有些领域以往不可能使用塑料正在变成可能。在很多企业内部，使用塑料代替金属被列为降低产品成本的关键策略。随着社会及科技的发展，消费者对汽车提出了更高的要求：轻型、节能、美观、安全和环保等。而塑料由于具有良好的性能、低廉的价格、简单的加工工艺，在和金属材料的竞争中，取得越来越明显的优势。在汽车中，小到踏板、门手柄、入口集管，大到车身板材，甚至发动机等都可以用塑料替代各种昂贵的有色金属和合金材料。下图显示了一辆汽车上部分使用的塑胶件。塑料不仅提高了汽车造型的美观与设计的灵活性，降低了零部件加工、装配与维修的费用，而且还可以降低汽车的能耗。
▲塑料在汽车中的应用
美国通用公司做过一个测试，在一个汽车零部件的制造过程中，原本需要38个金属零件，成本高达75美元。同样，如果采用了塑胶件，把所有零部件整合成一个部件，成本仅需30美元，缩短了55%的装配时间，高达99%的合格产率。这得益于工程塑料的生产工艺可以整合零件、二次加工成本低、缩短设计周期、质量好和生产率高等优点。塑料代替金属是用户需求、节能减排、市场竞争的需要，在1970年1辆汽车上的塑胶总量大约为50公斤，而到2011年已经增加到300公斤。
目前塑料代替金属件的这一趋势已经从汽车行业扩展到重型卡车、拖拉机、柴油和船用引擎、休闲车、以及各种设备例如割草机和发电机的引擎上。在光伏产业中，由于汇流箱用于户外等恶劣环境下，对箱体抗腐蚀性、使用寿命、抗冲击、耐候性、以及对箱体内元器件防护等级等做出了苛刻的要求。相比金属箱体，塑料箱体的抗腐蚀性是金属的2倍，使用寿命是金属的2～3倍，耐候性能也超过金属箱体，防护等级比金属箱体提高22%，可达IP67。目前欧美发达国家在光伏设备塑料汇流箱的使用比例已达53%。
在价格高昂的医疗仪器和多用途的手术设备中，塑料正不断替代不锈钢和其它金属，塑胶件的设计灵活性和加工方便性使得医疗企业能够更快的把新产品推向市场。
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