■漢鼎智慧科技/ 章宏道 產品經理
什麼是超音波?
音波是人耳能感受到的一種縱波，一般人聽覺得頻率上限在16 ~ 20 kHz，故頻率高於16 kHz，即稱之為超音波。超音波由於頻率可以很高，因而傳播的方向性很強。超音波傳遞過程中，介質振動的加速度非常大。 ( 圖1)超音波在工業上的應用極為廣泛，如超音波探傷、超音波清潔、製造乳液、促進化學反應、超音波焊接、金屬及塑膠塑性加工、切削、研磨……等等。
本文介紹的範圍聚焦於應用超音波加工技術於各種先進材料的切削及研磨的應用領域。超音波切削與研磨加工的方法大致可區分為：固定式超音波加工(USM,UltraSonic Machining)、旋轉超音波加工(RUM, RotaryUltrasonic Machining) 兩大類型。
超音波如何進行加工?
超音波加工應用於先進材料的加工原理，是根據根據各種材料本身俱備的延性加工特性中的臨界切削深度，以高達每秒20,000 至50,000 次的微量衝擊去除材料，輔以旋轉的方式將材料刮除的複合型態的加工方法。可以廣泛應用於各種硬脆材料、難切削材料、耐高溫超合金與復合材料等特殊工藝需求的場合。例如：BK7 光學玻璃的臨界切削深度為50 nm，當切屑厚度小於等於臨界切削深度時，其切削的型態與傳統的金屬材料切削並無不同；但是，當切屑厚度逐漸增加時，超過該材料的延性加工臨界切削深度時，隨即會產生材料破裂的現象，造成加工失敗的結果。 ( 圖2)
圖2：超音波如何進行加工?
但是如此微小的臨界切削深度，以目前一般加工設備的運動解析度而言是不可能達成的，需要藉助於超超精密的加工設備方能達成，因此早在1950 年代超音波加工技術被提出，主要針對硬脆材料的加工解決方案，應用於氧化鋁、氧化鋯、藍寶石、矽、石英、微晶玻璃等硬脆材料。
我們可以經由德國Aachen University 的實驗結果得知( 圖3)，將超音波加工設備安裝於傳統的車床設備上，透過超音波發振器及具備振幅放大結構的刀具固定裝置，根據超音波振幅傳遞與放大的正弦波設計，將刀具固定於超音波振幅最大的位置，對硬脆的光學玻璃材料進行切削。採用的超音波加工頻率達39~40kHz，最大振幅為5μm。可以得到如圖右的切屑結果，呈現如同車削傳統金屬的連續捲曲切屑結果，驗證了以旋轉超音波加工技術可以用傳統的工具機進行非常精微的切削型態，取代了價格高不可攀的超精密加工設備及其極微系運動解析度的技術障礙。
超音波加工的優勢
旋轉超音波加工技術已在光學元件、硬脆性材料、難切削材料、耐高溫超合金與復合材料等特殊工藝需要的場合，驗證了超音波加工的特殊性予優越性。其帶來的主要加工效益分別為：
✓ 切削力降低40%
✓ 切削效率提升300%
✓ 刀具壽命有效提升，並顯著降低切削溫度
✓ 減少硬脆材料工件微裂縫現象
✓ 改善工件加工表面粗糙度
超音波加工應用的領域及市場商機
由於少子化、老人化與地球永續問題，半導體、光電、航太、醫療器材、能源、電動車、3C 電子、精密機械等，未來將大量採用輕量化、更硬韌和耐高溫的先進材料。因此新材料加工已經成為CNC 工具機產業的新藍海市場，未來決勝點將是在於高效率與高品質的硬韌與輕量化先進材料加工技術與裝備，不再是傳統的精密金屬切削技術。 ( 圖4)
圖3：德國Aachen University 的實驗結果
圖4： 超音波加工應用的領域及市場商機
從航太產業不斷的減少飛行器重量的各種努力，應用各式的複合材料，最具代表性的案例為波音787 客機全部機身結構已經應用了50% 的複合材料；航空發動機高溫段的零件從原來的耐高溫超合金漸次的由陶瓷基矩陣複合材料取代，除了減輕重量外，更發揮材料耐高溫特性，令零件的可靠度與使用壽命提升不少。在民生產業中，德國寶馬汽車率先在其電動車產品BMW i3 EV 電動車款上使用了近50% 的纖維複合材料；在3C 電子通訊領域目前也由3D 彎曲玻璃面板及陶瓷機殼背蓋逐步地成為產品材料結構的主流，因應未來5G 通訊協定的推動下，採用鋼化玻璃及陶瓷機殼的趨勢將是必然的潮流；在醫療輔助上，強調輕量化與高度客制化的結構尺寸設計，將進一步協助人類面臨老人化龐大的醫療輔助需求等材料變化的革新時代已經悄悄地在我們的生活周遭逐漸普及。( 圖5)
我們關注的焦點及提供的服務
漢鼎智慧科技股份有限公司成立的願景及使命，是成為全球新材料加工技術與服務業者的隱形冠軍，成為領先全球的獨創技術與解決方案領導者及客戶最值得信賴的合作夥伴，提供客戶們全球最高性價比值的新材料加工技術產品和最佳客戶體驗服務。我們提供客戶全方位的創新解決方案。 ( 圖6)。以I.S2.E 的核心服務範圍，引領客戶邁向成功大道，並藉由類似無人汽車的系統整合串連概念，將客戶現有的設備或是市場上容易取得的設備升級加值為符合時代潮流的智慧化生產設備，讓客戶準備好因應先進材料的加工工藝新趨勢，協助產業升級與增強核心競爭力，讓企業能邁向永續經營的理想境界( 圖7)。
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圖5：採用鋼化玻璃及陶瓷機殼的趨勢在醫療輔助上，強調輕量化與高度客制化的結構尺寸設計，進一步協助人類面臨老人化龐大的醫療輔助需求等材料變化的革新時代未來將在我們的生活周遭逐漸普及
圖6：提供客戶全方位的創新解決方案; 圖7：協助產業升級與增強核心競爭力，讓企業能邁向永續經營的理想境界
