(智能制造)先进制造技术论文

（智能制造）先进制造技术
论文
手机之先进制造的良性循环论文课程先进制造技术
学院名称核技术与自动化工程学院专业名称工业工程
学生姓名
学生学号
指导教师王飞
实验地点6C302
实验成绩
二〇一四年十二月到二〇一四年十二月
目录:
摘要 (3)
第一章概述 (4)
第二章手机的诞生历程篇 (4)
2．1、手机的工业设计（Industry Design） (4)
2.2、MD(Mechanical Design)结构设计 (5)
2.3、HW(Hardware)硬件设计 (5)
2.4、SW(Software)软件设计 (6)
2.5、QA(Quality Assurance)质量监督 (7)
第三章屏幕篇 (7)
3.1、蓝宝石和康宁大猩猩屏幕之争 (7)
3.2、2.5D屏 (8)
3.3、AMOLED 和TFT (8)
第四章机身篇 (9)
4.1贵族范儿的金属材质 (9)
4.1.1、金属光泽、细腻冰凉的手感、重 (9)
4.1.3、高硬度、抗刮抗划、着色难 (11)
4.14、金属的导体特性、信号问题 (11)
4.2价廉物美的塑料材质 (12)
4.2.3、着色容易、绝缘、对信号影响小 (14)
4.2.4、维修简单、替换成本低、能拆电池 (15)
4.3、金属高档与塑料廉价的文化原因 (15)
第五章电池篇 (16)
5.1、锂电池技术难以突破 (16)
5.2、智能手机电池充电新技术 (18)
第六章展望篇之绿色制造技术 (18)
第七章总结篇 (19)
手机之先进制造的良性循环
摘要
我们知道现代化的的智能手机是一个集大成的产品，要在厚度越来越薄，体积越来越小材质各异的机身内实现电路板的流通，电池的电量与体积合理安排，摄像头的精确安装无一不需要极高的技术支持，而屏幕的P排，颜色的校准，以及2.5D屏幕的切割，屏幕硬度的提高，蓝宝石屏幕的量化生产也都需要技术许可，最后金属一体机的切割，聚碳酸酯材料一体机的快速成型，TOUCH id 的
软技术的实现，都离不开先进制造技术的完美配合，本文主要论述先进制造技术在手机的设计、研发、生产阶段的重要地位、内涵、特点、技术前沿及发展趋势。

明确先进制造技术在手机生产中的重要地位。

总结出由于手机的要求不断提高而推动了那些与其他行业交叉，叠合的技术发展，也提高了产业内研发人员积极寻求新技术又反过来推进手机的发展进程最终形成一个良性的技术开发，发展，提升的圈；重要的不是目前的先进制造技术能做什么，而是为了提升产品的质量而一步步不断推进先进制造技术的更新，成熟，从而带动整个社会的进步。

关键词：手机；先进制造技术；电池；屏幕；机身；良性循环。

Abstract:
We know that modern smart phone is a master of products, to become thinner in thickness to achieve the circulation circuit board within smaller and smaller space, battery power and reasonable arrangement, precise installation of cameras and both require very high technical support, and screen P row, color calibration, as well as cutting 2.5D screen to improve the hardness of the screen, the screen can also quantify the production of sapphire technology licensing is required, the last metal cutting machine, one of polycarbonate material rapid prototyping machine, TOUCH id software technology implementations, are inseparable from perfect with advanced manufacturing technology, this paper discusses the important role of advanced manufacturing technology in the phone's design, development, production stage, content, features, technology frontier and trends.
Keywords: mobile phone advanced manufacturing technology
第一章概述
过去20年间发生的科技飞跃实在令人瞠目结舌，手机已经从功利主义的砖头变成由金属和玻璃组成的线条明朗功能强大且极具艺术形态的矩形，且小到仅仅单手就能完全操控。

现在的设备也变得越来越强大，一款新型智能手机的计算能力甚至比当年阿波罗登月飞船的都要强大，我们每个人都用手机，可是又有多少人见识过一部手机是如何生产出来的呢？各式各样的零部件从全球汇集，经过富士康等代工厂一系列的流水线，最终组成为一部可以上网、通话的设备，那么这其间经历了哪些制造技术的洗礼，同时这些技术的高端点，难点又在哪里呢？
第二章手机的诞生历程篇
“这是一个最好的时代，也是一个最坏的时代。

”用这句话来形容现今炙手可热的智能手机行业再好不过，在这短短十几年的发展中，智能手机可谓雨后春笋般，全球涌现除了近百个手机品牌，设计生产了高达一万多款，有些产品甚至有着工艺品级别的评价，不仅在当时备受追捧，现在回过头来看，也足以经典。

在这些光鲜时尚的智能手机背后，厂商们又是如何在实验室去设计打磨这些手机的呢？一部手机的诞生，需要大量工程师们的参与，划分为类别的话，就有如下5个：
2．1、手机的工业设计（Industry Design）
包括手机外观、手感、材质、颜色搭配，手机上看得见摸得着的地方都是属于ID设计的范畴，例如边框用金属还是塑料，背面是弧形的还是直面，用哪几种颜色来搭配等。

工业设计（ID）首要考虑的是视觉效果，它的好坏直接影响着一部手机是否漂亮、经典。

产品立项后工业设计师们就开始各种天马行空的构思，甚至轮番的头脑风暴，重绘成百上千张草图也不是没可能。

有些作品由于太超前，终究只能留存在设计师们的电脑里，最终方案敲定后，要想实现它，就得靠接下来要说的结构设计师。

2.2、MD(Mechanical Design)结构设计
如果工业设计（ID）追求的是视觉感光的效果，那么结构设计（MD）就是力求将这种效果真实还原的方式。

ID设计确定手机的外形后，MD就来一步步去搭建这个手机内部的所有零配件。

例如做成一体还是可拆卸后盖、框架选用金属还是塑料、后壳如何固定在框架上、电池怎么放、主板做成长的还是方的、屏幕用全贴合还是框贴等等，还有所有零件的尺寸把控。

这就好比搭建一所房子，ID完成的就是房子的主体框架，MD则是给房子内部改造装修，然后置办的家具摆设好丰富起来。

如果ID给的外观设计太难实现，这时候MD跟ID设计师们就要坐下来好好谈谈了，光有天才ID设计师还不够，往往还需要结构工程师来把这个天才的设计去付诸实践，这两者是相辅相成的。

MD设计在手机设计过程中的重要性不言而喻，它的设计不合理，就会造成设计缺陷。

2.3、HW(Hardware)硬件设计
硬件主要设计电路以及天线，实现手机的配置需求。

电路部分先根据配置参数制作一个放大版的PCB主板，进行各种调试，方案可行后再浓缩做成手机主板。

主板的设计又分单面布局和双面布局，单面布局意味着主板上的所有零件全部排布在一面，背面没有零件；双面布局则是两面都有零件，而双面布局的主板相对单面会厚一点，但是单面主板的面积就会比双面大，用单面还是双面的主板这就要看结构是怎么设计，所以说硬件设计（HW）设计的过程也是跟结构设计（MD）协商的过程。

硬件设计（HW）还有一个重要的一个部分就是天线设计，手机支持的频段越来越多，天线设计就越考验硬件设计（HW）工程师们的智慧和经验，天线必须离电池远，并且附近不能有金属器件，可以说为了兼顾天线的设计，ID设计和MD设计都要为硬件设计（HW）的天线设计让路，明显的例子就是iPhone6/Plus上备受吐槽的天线条，这就是为了兼顾信号问题所做的妥协。

2.4、SW(Software)软件设计
软件设计（SW）这个很好理解，就是在手机上运行的系统。

在主板硬件和操作系统之间，又有一个叫做BSP（Board Support Package)的东西，是板级支持包，也可以说是属于操作系统的一部分，主要目的是为了支持操作系统，使之能够更好的运行于硬件主板。

软件设计（SW）是一个无底洞的工程，硬件部分的东西可能一次开发定稿就完成了使命，但是软件开发必须不停的迭代更新，开发新功能、修复Bug、完善稳定、开发新功能……这样一个无限循环的过程。

软件部分在智能手机中的地位日益凸显，智能不仅要体现在硬件配置的强悍上，更多功能的实现还需要软件层面的创意，软件设计的使命就是让现有的硬件的潜能发挥到极致，这也是软件设计的伟大之处。

PM(Project Management)项目管理PM也分技术和非技术型，分工也比较细致，制定项目规划和进度，同时也是对外部门的发言人，如果MD的设计要兼顾HW，就需要PM出面进行沟通协调，寻求双方可以接受的解决方案。

当然，研发的老大也是一个大PM，各部门的PM需要定时向大PM汇报成果和进度，以及开发过程中遇到的难题等。

2.5、QA(Quality Assurance)质量监督
中国质量管理协会对QA的定义是：企业为用户在产品质量方面提供的担保，保证用户购得的产品在寿命期内质量可靠。

QA在手机制作中担当着质量把关的工作，项目是否可行，质量可靠性怎么样，每一个创新都需要经过QA的测试审核，如果发现生产难度太大良品率低或者通过不了测试环节，那么这个方案就会被否决了。

生产一部手机不是在实验室内做实验那么简单，一旦生产就是成千上万部，要保证每一部产品的优质绝非一件简单容易的事，生产一部手机的样品和生产10万部手机完全是两码子事。

制造一部手机，简单点说就是这几大流程，每个公司的实施方案根据自身的经验习惯可能不尽相同。

手机制造是一个庞大的系统工程，在这个过程中需要各部门的不断配合、协调和磨合，有时也不得不做出妥协，但共同打造出一部优秀的手机是不变的追求。

第三章屏幕篇
屏幕是消费者购买一部手机所关注的第一点，一块通透，炫目的屏幕是消费者为之买单的重要原因之一，而手机屏幕又分为内屏和外屏，那么内屏外屏的区
别是什么呢？而我们常常听见的IPS、AMOLED、PPI又是什么呢？而最近传的很火热的蓝宝石屏幕以及柔性屏它们的特点有是什么呢？
3.1、蓝宝石和康宁大猩猩屏幕之争
康尼公司最早可以追溯到1851年，目前市值已超270亿美元。

自1950年开始，该公司开始在钢化玻璃领域发力，逐渐成为市场领导者。

而对于康宁公司来说，苹果实际上扮演了伯乐的角色，因为是在乔布斯的坚持下，首款iPhone 才会配备康宁大猩猩玻璃来替代传统塑料面板，这是大猩猩玻璃的首次大规模量产，也引起了一股新的风潮。

此后，大猩猩玻璃2减少了厚度，大猩猩玻璃3则拥有更好的耐划伤性、更大的承受性及更好的显示效果。

目前，除了苹果和索尼拒绝透露它们所采用的面板品牌，其他主流智能手机几乎都配备了大猩猩玻璃。

据9to5Mac等科技媒体报道，苹果极为看好关于蓝宝石玻璃技术，并投资至少5亿美元进行研发，扶植GT Advanced公司成为其最大屏幕面板供应商。

目前，仅有类似Vetru Ti这样的奢华手机采用了蓝宝石屏幕；另外，苹果则在iPhone5s的Home键和摄像头上使用了蓝宝石玻璃，所以相对康宁大猩猩玻璃来说相对小众。

至于GT Advanced公司，一直从事研究多晶硅、蓝宝石玻璃材质的研发，成立于2006年，目前市值为26亿美元，相比康宁显然还是一个新手。

在去年的MWC通信展上，GT Advanced公司对蓝宝石玻璃面板进行了展示，并声称其强度是康宁大猩猩玻璃的3倍左右，不过制作工艺十分困难，仅次于钻石材质。

几个月后，该公司发布蓝宝石材质屏幕贴膜的演示视频，证明了其超强的耐划伤性能。

不过，康宁公司随即进行了反驳，声称虽然蓝宝石玻璃抗划伤能力强，但缺乏大猩猩玻璃的柔韧性，并通过一个压力测试视频来证实这种说法。

也就是说，康宁坚持认为蓝宝石玻璃并不适合使用在手机屏幕上，因为它更加易碎。

显然，两家公司各执一词，也拥有自己不同的判断和测试标准。

3.2、2.5D屏
2.5D屏在苹果最新产品iPhone6和6plus 采用了之后一直是一个热点，其实2.5D屏并非苹果公司首创，早在5,6年前诺基亚就在N8上采用了这种屏幕设计，在当时的惊艳程度不比当年iPhone4发布所造成的影响。

但由于该款产品的火爆程度不高，并没有在国际上造成巨大的反响。

2.5D屏幕整体看上去非常的顺畅缓和，不生硬，给人一种盈而不溢的感觉。

特别是黑色边框的手机，当它静静的躺在桌面上的时候，你能感受到它的静谧，而当外部光线从其表面流过的时候，你能感受到它非常特别的魅力。

除此之外，因为没有了边缘生硬的棱角，因此在操作手机时我们也会感觉手感更好。

这种过渡不仅消去玻璃棱角，也让机身中框棱角对手感的影响降到了最低。

2.5D屏幕是手机业内的一个说法。

目前是区别于3D屏幕而言的。

简单来说，2.5D屏幕玻璃是在玻璃的中心有一个平面的区域，周边则弧面过度，也就是在平面玻璃的基础上对边缘进行了弧度处理。

对于普通屏幕来说，只需要选择好厚度规格，然后做一个切割加工，就可以制造出手机厂商所需要的玻璃。

而2.5D玻璃则要在上述基础上再增加一个工序，在玻璃边缘加工出弧形，然后再经过研磨来处理弧形和中间平面的平滑过度。

其加工难度是不言而喻的。

3.3、AMOLED 和TFT
屏幕材质有很多，但最主体的还是这两种：
TFT（Thin Film Transistor）即薄膜场效应晶体管，它可以“主动”对屏幕上的各个独立的像素进行控制，这样可以大大提高反应时间。

一般TFT的反应时间比较快，约80毫秒，而且可视角度大，一般可达到130度左右，主要运用在高端产品。

从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。

TFT属于有源矩阵液晶显示器，在技术上采用了“主动式矩阵”的方式来驱动，方法是利用薄膜技术所作成的电晶体电极，利用扫描的方法“主动拉”控制任意一个显示点的开与关，光源照射时先通过下偏光板向上透出，借助液晶分子传导光线，通过遮光和透光来达到显示的目的。

AMOLED（Active Matrix/Organic Light Emitting Diode）是有源矩阵有机发光二极体面板OLED发光原理是用ITO透明电极和金属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。

用通俗的语言来说AMOLED是可以自主发出光的一排排灯组成，而IPS （TFT中最具代表性的材质）则是由发出白光的灯在加上外面一层偏振片也就是说IPS有两层，正是由于这一点，三星的曲屏技术只能由AMOLED做成第四章机身篇
在当今手机市场，厂商之间的战争已经慢慢从单一的配置逐渐蔓延到一部手机的各个方面，而产品所具有的“气质”、“手感”、“光泽”这些，则是最难以拿捏的部分。

这种主观色彩十分强烈的体验，对于很多习惯了原来拼营销口号而不重视设计的厂家来讲，着实是一个难处。

但是时代在进步，也有许多厂家开始跟进所谓的体验经济。

他们开始揣摩自家产品的设计语言，选择不同的手机材料，希望能够打造出独特的产品气质。

但是在这过程中，许多技术上或是市场上的问题都开始显现，他们发现产品的气质并不是那么容易打造的。

而在技术与体验上影响产品气质最大的因素无疑是——机身材质。

为什么是金属与塑料？
其实就是因为金属和塑料是目前手机上应用最广泛的材料，也是在气质上最为对立的两种材料。

希望通过分析这两种材料各自的优势劣势，让大家了解到一些厂家“取”与“舍”之间的权衡过程。

金属与塑料对立因素一览
大概地盘点一下金属与塑料的对立因素：金属造价昂贵、塑料造价低廉；金属不易加工、塑料易于成型；金属有信号问题、塑料无信号问题；金属质感良好、塑料廉价感强；金属着色不易、塑料着色容易；金属强度高、塑料强度低；金属修复难度高、塑料配件容易找等等，首先从金属材质开始说起。

4.1贵族范儿的金属材质
金属材质的使用并非起源于智能机时代，早在在功能机时代，许多厂家就开始使用各种各样的金属材质了。

只不过当时的采用的金属材质主要是“钢”与“镁铝合金”，而后来在iPhone上出现的“阳极氧化铝”则是为了更好的耐磨与着色效果。

4.1.1、金属光泽、细腻冰凉的手感、重
采用金属材质，最大的好处当然就是能让产品拥有金属独有的光泽与触感。

金属独有的冰凉而细腻的触感来自于其良好的导热性与致密的原子排列结构，而
美丽的金属光泽则是因为金属内部的自由电子在吸收外部光线之后，再释放出的光线大部分是可见光。

这也就是为什么金属在抛光之后会显得“亮闪闪”的原因了。

金属相较塑料更重一些，但不同金属重的程度也是不同的。

比如镁铝合金就在强度接近的情况下就比钢要轻，但是镁铝合金的价格就比钢要贵多了。

所以手机要想在保持强度的情况下尽可能轻薄，那势必就要用到贵一些的镁铝合金。

但是到底是轻一些好还是重一些好，每个人恐怕都有自己的见解。

4.1.2、高强度、加工难度高
小米手机4采用了金属边框增加强度但是其加工过程也很长
金属材质的一大特点是强度普遍较高，其抗拉，抗压及抗弯能力也是高出塑料一截的。

这也就是为什么很多厂商即使不用金属来制作手机外壳，也会采用金属材料来制作中框，边框又或是背盖的原因了(就如iPhone5c的聚碳酸酯外壳内还有一个金属中框，就是为了加强机身的强度)。

目前有许多手机为了在有限的单手握持宽度内塞入更大的屏幕，不得已只能将边框做得越来越窄，这势必对于边框的强度要求更高，所以高强度的金属材料就成为了窄边框手机的首选。

但是金属材料的强度也不完全等于金属机身的强度。

机身是金属材质就不能能乱用，因为金属材质是很容易压弯的。

金属虽然强度是有，但是韧性却较差，一旦发生了形变，想要还原可就很难了(特别是铝合金外壳的手机)。

除此之外，也正是因为强度的原因，金属的加工难度相较塑料更高。

一般塑料材质的成型仅需要一个模具就能搞定，而金属材质就需要经过诸多的切割、打磨等一系列工序。

不仅在加工工艺上要求更高，加工时间也远远超过塑料。

所以在很多需要快速反应的市场上，费时费力的金属外壳就很难占据优势。

4.1.3、高硬度、抗刮抗划、着色难
iPhone5边框容易掉漆
相比于一般塑料，金属材料的硬度是较强的，所以在抗划伤与抗刮方面，金属机身是占据明显优势的。

但是如果机身上有颜色附着的话，颜色还会被刮掉的。

这也是金属面临的一个大问题，就是着色稳定性不好。

金属不能像塑料一样直接在成型过程中加入着色剂，只能靠在金属表面进行喷涂或者电镀等工艺来着色。

这样的着色工艺虽然比其塑料更加复杂，成本也更昂贵，但是其附着能力却是远比不上塑料的。

唯一的好处就是这些工艺能够在在漂亮的金属光泽上再加上颜色的渲染，让整机的质感更上一层楼。

苹果是这种工艺的好手，但即便是苹果，也同样在这上面栽过跟头。

iPhone5刚发布时饱经诟病的“掉漆门”事件大家应该还记忆犹新，苹果最后也是不得不在新一代iPhone5s上让原本的纯黑色降低为浅一些的深空灰，才解决掉这个问题(浅色相比深色的附着能力更强)。

所以厂商在选择金属材质的机身时，也同样要考虑到着色的问题。

毕竟市场对于多种颜色的需求，还是很强烈的。

4.14、金属的导体特性、信号问题
乔布斯曾经为iPhone4的天线门事件伤透脑筋
如果要说制造金属外壳手机最大的难点，自然就是信号问题了。

无论你的外壳做得多精致，但手机就是手机，它仍旧是要发射与接受信号的。

而恰恰金属的良导体特性会在很大程度上影响手机天线的性能，所以这也是很多厂家不愿采用金属外壳的原因。

目前采用金属外壳(无论是边框，中框还是后盖)的手机，一般都会选择采取用其他非导体介质(如橡胶)来对金属部分进行隔断，从而让信号可以良好通过。

但即便这样能改善信号问题，但是对于隔断材料的选择，隔断宽度、隔断位置等方面的判断也要花费大量的研发成本。

即便花了这么大代价，这其中也很容易出现问题，其中最著名的例子就是iPhone4的“天线门”事件。

iPhone4采用的解决方案是直接将不锈钢边框充当两部分的天线，一部分是WIFI/GPS/蓝牙天线，另一部分则是3G天线，而中间就是我们很熟悉的那条握住就没信号的“缝”。

由于苹果的设计缺陷，一旦用手去握住手机，人体这个良导体就会将两个原本隔开的“边框天线”短路，从而改变天线工作长度(天线长度很大程度上决定了其谐振频率，所以会影响到信号的发射与接受)。

并且由于人体直接接触到了天线，这会让天线阻抗产生极大的改变，进而产生天线与终端的阻抗适配问题，这也会让整个天线的工作效率大幅下降。

所以，“死亡之握”就成为很自然的事情了。

目前其他厂商采取的解决方案是要么是直接将天线内置，不让人体接触到天线；另外要做外部天线的的话，就要对金属表面进行阳极氧化处理，形成一层致密的氧化层以消除人手的干扰(氧化层是绝缘的)。

当然，也有其他的做法，比如苹果的iPhone 4S就是采用的双天线智能切换和改变“隔断”位置来解决的信号问题。

所以我们可以看出，采用金属外壳对于手机的天线设计是有很高要求的。

这样的设计成本与风险，有很多厂家是不愿意去承担的。

4.2价廉物美的塑料材质
塑料材质大家在生活中经常见到，但手机上采用的塑料，和生活中常见的塑料还是有些不同的。

就拿最主流的“聚碳酸酯”来讲，其抗冲击性能以及结构强
度就比生活中常见的塑料要强很多，这也是“聚碳酸酯”逐渐取代原来的“ABS”塑料成为当今厂商首选塑料材质的原因。

4.2.1、价格低廉、易于加工、廉价感
容易加工恐怕是塑料的最占优势的特性了。

由于塑料的成型方法主要是注塑、压制等工艺，所以在大规模生产时很占优势，不像某些金属外壳走一个制作流程就要几十个小时。

这对于需要短时间内完成巨大供货量的厂家来说，是个不小的诱惑(比如说三星)。

但是，这样的工艺也在很大程度上造成了塑料的廉价感。

由于塑料加工的过程中会经历固态到熔融再到固态的过程，这样的收缩性带来的形状变化就很难让塑料制品保持良好的精细化程度。

所以塑料成品到最后，在其边缘或者是接缝处就会产生很多不可控的误差。

比如后盖贴合不紧密，边框后毛刺等等问题，这都会对手机的质感产生很大的影响。

在早期，很多厂商在制作塑料手机时就是先开模，大批量冲压出多块外壳部件，最后再“拼”起来。

这样生产出来的手机往往机身处就会有很多的小缝隙，也很容易掉色。

所以廉价感的标签就这么贴在了“塑料”的头上。

然而现在的一些厂商(如苹果、诺基亚)也开始用机床来处理塑料。

具体就是将一整块聚碳酸酯彩色塑料用钻头钻出摄像头、扬声器、电源和音量键等需要的开口与空间。

这样做就能够保证机身的整体感与精细程度，这也就是为什么iPhone 5C和诺基亚的Lumia系列虽然也是采用塑料机身，但一点也不给人廉价感的原因了。

4.2.2、比金属轻、足够的强度与硬度。