關於作者：
鍾元，2011年出版書籍《面向製造和裝配的產品設計指南》（DFMA）。 

2019年11月即將出版《面向成本的產品設計：降本設計之道》（DFC）。
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通過設計來降低產品成本的方法（降本設計）有很多，其中效果最有效的一個方法是在產品設計時選擇最適合的材料、最合適的製造工藝和裝配工藝，其最典型的案例就是以塑代鋼--使用塑料代替金屬。

使用塑料代替金屬的文章分為上中下三篇：

• 上篇文章介紹塑料代替金屬為什麼可以降本；
• 中篇介紹塑料代替金屬的設計指南和流程；
• 下篇介紹塑料代替金屬的典型案例；

1.塑料代替金屬為什麼可以降本

塑料代替金屬是指在不犧牲產品質量和性能等前提下，使用高性能工程塑膠件代替傳統的金屬零件，以簡化產品結構，降低產品成本以及實現產品輕量化等目的。

單純從產品成本上來說，塑料代替金屬一般會使得產品成本降低25%~50%，這是因為：

1.1 塑膠件形狀複雜、設計自由度高，零件合併可節省零部件成本和降低裝配成本

注塑成型能夠加工製造出遠比金屬形狀複雜的塑膠件，塑膠件可以具有複雜的曲面外形和內部結構，可以根據設計要求添加各種特徵例如薄壁、孔、倒扣、螺紋、支柱、卡扣、肋條和三角片等特徵，以及通過模內埋置方式與螺母等五金件形成一體，而這些通過金屬的製造工藝很難獲得，往往需要多個零件通過裝配而得，成本高。下圖顯示了一些具有複雜形狀和結構的塑膠件。

▲形狀和結構複雜的塑膠件

塑膠件具有複雜形狀和結構的特點決定了塑膠件有機會合並周圍的金屬件或其它零件，一個塑膠件可以代替多個金屬件或其它零件，其降低產品成本體現在：

• 去除多個金屬件，因此而帶來金屬件的原材料成本和加工成本的節省。
• 產品結構簡單，減少和省去裝配所需的緊固件。
• 避免複雜的裝配工序例如焊接和鉚接等，縮短裝配時間，降低零部件裝配成本。

1.2 塑膠件自身的裝配成本低

塑膠件常見緊固工藝包括卡扣、鉸鏈和熱熔等，可避免過多的機械緊固件使用，相對於金屬常用緊固工藝如焊接、鉚接以及螺紋緊固等工藝，塑膠件的裝配效率高，裝配時間短，裝配成本低。

如下圖所示，在原始的設計中，兩個金屬件通過四個緊固件裝配，在裝配時，需要仔細將兩個金屬件對齊，再逐一擰緊四個緊固件，裝配效率非常低；

在次優的設計中，在底座金屬件上增加特徵來對齊和壓緊上部零件，減少緊固件數量，同時裝配時可自動對齊，提高裝配效率，但是在底座金屬上增加的對齊特徵會大幅增加材料成本和加工成本；

在最優的設計中，將上部零件替換成塑膠件，並設計卡扣特徵，裝配時只需對齊卡扣和卡槽往下按動即可實現二者的裝配，裝配可在1秒內完成，裝配效率極高，同時節省緊固件成本。

▲塑膠件裝配成本低

1.3 避免二次加工

很多金屬加工工藝，例如砂型鑄造和壓力鑄造等，由於其尺寸精度、外觀質量和顏色達不到使用要求、或者達不到防腐蝕的要求，常常需要二次加工，包括機械加工、噴漆和電鍍等，二次加工效率低，時間長，成本很高。

而塑膠件的尺寸精度高、外觀質量好，有多種外觀顏色可選擇，同時自身具有抗腐蝕的功能，因此塑膠件基本不需要二次加工，省去二次加工的成本。

1.4 生產效率高，加工成本低

即使塑膠件的幾何形狀相當複雜，但只要能從注塑模具中順利脫模，都比較容易製造，僅僅經過一次注塑成型工序，即可製造出需要的零件，生產效率高。

如果將注塑模具設計成一模多穴，一次注塑可同時製造多個相同的零件，生產效率更是大幅提高。因此注塑成型的加工成本較低。

而金屬一般要經過好幾道、十幾道，甚至幾十道工序才能加工完成，加工時間長、效率低，加工成本高。另外即使塑料要進行機械加工，也比較容易。

1.5 注塑模具壽命長

相對於金屬的壓鑄模具，注塑模具的壽命長，合適的模具材料選擇和模具設計可使得注塑模具的壽命達到50萬次甚至100萬次以上。

下圖顯示了鋅合金、鎂合金和鋁合金的壓鑄模具與PA66注塑模具的壽命對比，注塑模具壽命遠高於壓鑄模具壽命，同時注塑模具的製造成本、維護成本和檢修成本也遠低於壓鑄模具。

▲鋅合金、鎂合金和鋁合金壓鑄模具與PA66注塑模具壽命對比

1.6 塑膠原料價格低

塑膠原料是石油工業的附加品之一，原材料豐富易得；一般來說，在相同體積下，塑膠材料的價格遠低於相同體積的金屬材料。

1.7 回料可重複利用

金屬的機加工等工藝是去除材料的加工，去除的材料例如切屑和廢料等無法再回收利用。

▲ 金屬機加工材料浪費嚴重

塑膠件的加工例如注塑成型是添加材料的加工，不會產生多餘的切屑和廢料。而在大多數的情況下，注塑成型時的澆口與流道等回料以及不良品等可重複利用，節省塑膠原料成本。

▲ 大多數的塑料可以回收

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1.8 更少的包裝材料和運輸費用

塑料的密度比金屬低，因此重量比金屬低，所需的包裝材料費用和運輸費用就更少。

1.9 更少的能源消耗和使用費用

塑料密度小，產品運行時所耗費的能源少，需要更少的使用費用。最為明顯的一個實例是汽車，汽車如果重量輕，耗油量小，則使用費用就更低。

除了以上成本優勢外，塑膠還有其它優勢：

• 塑料密度小，這為產品的輕量化提供了功能。塑膠材料的密度一般在0.9~1.8kg/dm3之間；而金屬的密度一般在3~8 kg/dm3之間，如圖所示。

▲ 塑料與金屬的比重對比

• 塑料具有抗腐蝕性，適用於大多數的化學和腐蝕性環境，有些塑料甚至可以在惡劣的環境中長期工作。金屬則不耐腐蝕，常常會有腐蝕的風險。當金屬作為電氣連接時，非常容易腐蝕，腐蝕會導致金屬磨損和損壞，最終產生潛在的可靠性問題。
• 大多數的塑料的機械性能低於金屬材料。但有一些高性能的塑料其機械性能甚至超過了金屬。線圖顯示了某品牌聚酰胺塑料（PAI）Torlon 4203L、5030、7130與金屬材料的拉伸強度對比，可以看出，其拉伸強度已經超過了大多數的金屬材料。

• 避免潤滑劑的使用。金屬零件例如齒輪常常需要使用昂貴的潤滑劑以避免磨損；而某些塑膠材料如POM具有耐磨性，可替代這些金屬零件以避免潤滑劑的使用。這在食品行業特別明顯，因為食品級的潤滑劑價格非常昂貴。
• 相對於金屬，塑料較輕較小，消耗更少的能量，使用塑料代替金屬的設備往往運行速度快。
• 塑料不是聲音傳播最佳導體，可用於隔音。
• 塑料具有不到不導電性，是優良的絕緣體。
• 塑料具有低的熱傳導性，觸摸起來較舒適暖和。

2.塑膠代替金屬的成功應用領域

正因為塑料比金屬有如此多的優勢，在電子電氣、汽車、建築、機械設備、新能源、交通等多個行業，使用塑料代替金屬已成為國際流行趨勢。

而隨著塑料行業的發展，現有塑料的性能不斷改進和提高，同時新型高性能塑料正不斷被研發出來，在有些領域以往不可能使用塑料正在變成可能。在很多企業內部，使用塑料代替金屬被列為降低產品成本的關鍵策略。

汽車行業

隨著社會及科技的發展，消費者對汽車提出了更高的要求：輕型、節能、美觀、安全和環保等。而塑料由於具有良好的性能、低廉的價格、簡單的加工工藝，在和金屬材料的競爭中，取得越來越明顯的優勢。

在汽車中，小到踏板、門手柄、入口集管，大到車身板材，甚至發動機等都可以用塑料替代各種昂貴的有色金屬和合金材料。下圖顯示了一輛汽車上部分使用的塑膠件。塑料不僅提高了汽車造型的美觀與設計的靈活性，降低了零部件加工、裝配與維修的費用，而且還可以降低汽車的能耗。

▲ 塑料在汽車中的應用

美國通用公司做過一個測試，在一個汽車零部件的製造過程中，原本需要38個金屬零件，成本高達75美元。同樣，如果採用了塑膠件，把所有零部件整合成一個部件，成本僅需30美元，縮短了55%的裝配時間，高達99%的合格產率。這得益於工程塑料的生產工藝可以整合零件、二次加工成本低、縮短設計週期、質量好和生產率高等優點。塑料代替金屬是用戶需求、節能減排、市場競爭的需要，在1970年1輛汽車上的塑膠總量大約為50公斤，而到2011年已經增加到300公斤。

目前塑料代替金屬件的這一趨勢已經從汽車行業擴展到重型卡車、拖拉機、柴油和船用引擎、休閒車、以及各種設備例如割草機和發電機的引擎上。

光伏產業

在光伏產業中，由於匯流箱用於戶外等惡劣環境下，對箱體抗腐蝕性、使用壽命、抗衝擊、耐候性、以及對箱體內元器件防護等級等做出了苛刻的要求。相比金屬箱體，塑料箱體的抗腐蝕性是金屬的2倍，使用壽命是金屬的2～3倍，耐候性能也超過金屬箱體，防護等級比金屬箱體提高22%，可達IP67。目前歐美髮達國家在光伏設備塑料匯流箱的使用比例已達53%。

醫療器材

在價格高昂的醫療儀器和多用途的手術設備中，塑料正不斷替代不鏽鋼和其它金屬，塑膠件的設計靈活性和加工方便性使得醫療企業能夠更快的把新產品推向市場。

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