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新藍海市場-先進材料的超音波精密加工

發稿日期:112年5月17日
工程技術研究發展處 聯絡人:郭天舜科長 電話:(02)2737-7285

E-mail:tskuo@nstc.gov.tw

 

為提升我國製造業及機械設備之精密加工能力,協助臺灣製造業因應未來技術挑戰,國科會積極推動智慧製造關鍵技術研發。國立中興大學機械工程學系陳政雄教授在國科會長期支持下,開發超音波振動輔助切削(ultrasonic-vibration assisted machining)技術,針對硬脆、難切削先進材料的電腦數值控制(computer numerical control ,CNC)精密加工,能提升加工效率、刀具壽命與改善加工品質,並進行超音波加工技術的智慧線上監控、線上量測與智慧加值軟體功能的技術整合與創新,研發出本土化獨特技術。
 
鏈結國內產業,發展具深度技術整合之「超音波加工技術」
在半導體、電子、光電、航太、能源、醫療器材與精密機械元件等產業,已大量使用碳化矽(SiC)、藍寶石、石英、陶瓷與複合材料等輕量化、高硬度和耐高溫的先進材料。為強化先進材料之加工技術,陳教授團隊以半導體材料的精密加工為應用載具,結合中興大學、勤益科技大學、朝陽科技大學等多位教授跨領域合作執行「半導體材料超音波複合加工之智慧即時監控與遠端服務技術」計畫,整合超音波加工技術、機上自動化光學刀具量測技術、智慧驅動器、無線電能傳輸物聯網(IoT)智慧刀把技術,期能有效提高半導體材料的CNC製程之加工效率與品質。技術亮點與應用效益如下:
 
1、開發全球最小的非接觸電能傳輸高轉速超音波刀把,來提升超音波之微鑽孔加工技術,可加工微鑽孔直徑為 0.04mm~0.8mm之電漿蝕刻氣體擴散板、IC探針卡,搭配無線電能傳輸技術,與可高速化碳纖維拘束專利設計[1],使刀把的最高轉速可達 40,000rpm 以上。
 
2、應用自動化光學量測方法,開發一種機上的影像式超音波刀具振幅與模態量測技術,可量測頻率高達50kHz以上超音波刀具之刀尖點的二維(2D)振動,與微小刀具在高轉速下的2D動態迴轉誤差,可測量最小刀具直徑為 0.01mm,此量測技術已獲得中華民國專利[2],技術並授權給合作企業進行商品化之用,且於2023 年第 16 屆工具機「研究發展創新產品」競賽中獲得佳作[3]。
 
3、在超音波加工系統之關鍵零組件研發部分,研究團隊開發出 1kW 高功率寬頻超音波驅動器並獲得專利[4, 5],可控制頻率範圍在 20~42kHz,除了在功率與可控制頻寬超越國外大廠規格外,其具有95%以上高能源轉換效率亦優於市面上能源轉換效率普遍為90%以下[6]。
 
4、研發出旋轉中的非接觸電能傳輸智慧刀把,將感測器、微控制器、電力管控模組、無線網路(Wi-Fi) 模組與天線嵌入到智慧刀把的內部,並以無線電能傳輸技術在運轉中持續供電與充電,以克服長時間加工時電力供應的問題。此智慧刀把採用類似樂高積木組合的概念設計(Lego-like),可依據半導體、電子、航太、汽車、醫療與精密機械元件等不同應用情境,進行客製化規格調整。
 
研發關鍵技術,促使臺灣成為新材料加工之創新研發基地
目前所開發的半導體新材料超音波加工之技術,在終端客戶實際測試結果顯示,可提升加工速度2倍以上,增長刀具壽命2倍以上,並導入國內半導體供應鏈業者之批量生產線中,另外,亦於韓國與日本的半導體供應鏈業者進行測試中。超音波加工技術透過在實際場域的應用驗證,並結合產業需求與學界能量,進行軟硬技術整合與製造技術升級,以深化臺灣製造科技之轉型,後續在超音波加工技術的應用上,將可擴散到電子、光電、顯示器、電動車、航太、能源、醫療器材與精密機械元件等產業,應用在玻璃、藍寶石、陶瓷、石英、複合材料與超合金等新材料的精密加工。陳教授團隊希望能藉此帶動國際製造加工技術潮流,使臺灣成為全球在先進新材料CNC加工的創新研發基地。  
 
參考資料:
[1]. 陳政雄、王浩唐。2020。非接觸式電能傳輸的高頻振動主軸系統及拘束件製程方法。中華民國發明專利第I669185號。
[2]. 陳政雄、吳俊寬、林吉翔。2022。週期位移測量裝置。中華民國發明專利第I780777號。
[3]. 漢鼎智慧科技股份有限公司。2023。第16屆工具機研究發展創新產品競賽。網址:https://www.hit-tw.com/tw/newsdetails.aspx?nid=325。上網日期:2023-03-13。
[4]. T. Mishima and Ching-Ming Lai, “Load-Adaptive Resonant Frequency-Tuned Δ-Σ Pulse Density Modulation Class-D ZVS High-Frequency Invert-er-Based Inductive Wireless Power Transfer,” IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics, vol. 3, no. 3, pp. 411-420, Jul. 2022 
[5]. 賴慶明。 2021。 “電容值調整裝置及無線供電裝置,”中華民國發明專利第I754946號
[6]. 明緯1kW電源轉換器型錄,RCP-1000-SPEC 2022-08-08

 

 

 

 

國科會工程處李志鵬處長及中興大學機械工程學系陳政雄教授(右)

國科會工程處李志鵬處長及中興大學機械工程學系陳政雄教授(右)

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更新日期 : 2023/05/17