超音波振動輔助切削技術 先進材料超音波精密加工研發成功
新網記者歸鴻亭台北特稿
2023/5/17 下午 07:49:17 / 科技新知
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教授陳政雄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。
 |
| 國立中興大學機械工程學系教授陳政雄介紹超音波振動輔助切削技術。(歸鴻亭攝影) |
陳政雄表示，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：
 |
| 陳政雄向國科會工程處處長李志鵬說明先進材料超音波精密加工研發成果。(歸鴻亭攝影) |
-
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，使刀把的最高轉速可達 40,000rpm 以上。
-
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，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。
-
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，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。
-
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。
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。
 |
| 李志鵬(左)與陳政雄(右)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。(歸鴻亭攝影) |
國科會工程處處長李志鵬表示，陳政雄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。