当降本增效进入深水区：

• 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。


1 降本设计的最高层次：使用新材料新工艺

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降本的四个层次。



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，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。


2 热压成型塑胶件 VS 金属零件

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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。

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

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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，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。

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：

• 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。

3.5 表面处理

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

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的思路和一个主动出击的态度。