■耀德講堂 / 邱耀弘 博士
楔子
有道是：「若想得知識，臺下十年功；讀者要輕鬆，請花十分鐘」，來看看Dr. Q接下來連續數個月的系列專欄報告，充實一下金屬射出成型(MIM)產品的知識。專欄內容會盡量把文字縮減，並放入精彩的圖片，最後會在Dr. Q的2023年11月做一個總結。這些產品的內容包含以下：「Part I. 轉軸」、「Part II. 縫紉機配件」、「Part III. 菜刀與指甲刀」、「Part IV. 治具與工具」、「Part V. 高檔品牌包的扣件與標牌」、「Part VI. 高爾夫球桿頭配件」、「Part VII. 齒輪」。
Part VII. 齒輪
在1972年MIM工藝發明之後，金屬零件可以被如塑膠射出一樣的製作出來，這引起金屬加工與塑膠製品業的不小震驚與騷動！隨著MIM技術的推廣與時俱進，尤其是最近十年(2012-2022)在移動通訊的電子產品助攻之下，MIM技術和產品能見度大幅提高，且盛況空前。今天要談的對MIM工藝而言是用來作為傳動元件的零件──齒輪，齒輪是傳動元件中最為人類長期使用並值得信任的好夥伴，齒輪的齒形和螺牙的螺紋是一種深度依賴數學作為其設計的基礎，因此電腦數值控制技術越進步，齒輪的製造就更精密。齒輪是用來改變動力的作動方向並準確的傳達動力為人類服務，對於使用MIM工藝製造的齒輪之優勢，Dr. Q將隨後說明。
設計理念
早在公元前人類已經知悉如何利用環狀與柱狀材料給與重複相同的突起特徵，作為動力（包含水、空氣、氣流與動力）傳送的器件，我們可以想像水車、風車與古老的牛馬車上都是齒輪類元件的應用場景，甚至可把它變型成為螺旋槳（中國古代的天工開物已經有記載）和現代風扇（1920年代）也不為過。
最早的齒輪材料當然是以木頭製作，主要在於好加工，但是很快的強度問題就想到石材，但因為沒有好的加工工具導致其精度不佳，並不好做為精密傳動之用。根據網路上的知乎網資料可查詢，早在公元前300年的古希臘哲學家亞裡士多德在他的論著──《機械問題》中，就闡述了用青銅或鑄鐵齒輪傳遞旋轉運動的問題。希臘著名學者阿基米德也都研究過齒輪。在中國，東漢初年（公元1世紀）已有鑄造青銅製的人字齒輪（鑄造的技術早在周朝就有），如圖1所表示。三國時期出現的指南車和記里鼓車已採用齒輪傳動系統，晉代杜預發明的水轉連磨就是通過齒輪將水輪的動力傳遞給石磨的。因此，齒輪在對人類的貢獻早超過二千年的歷史，而且是採用金屬材質的齒輪，與近代的材料幾乎沒有區別，當然早年的齒輪間隙很大、噪音也非常的高。
齒輪的演變和進化
眾所周知，利用圓周上的重複齒形傳送動力已經是非常容易理解的，在18世紀已經有非常多的數學家加入齒輪的設計並發展出數學公式修正齒輪的齒型，以利傳送效率提升和減少噪音，現代化的齒輪傳動元件包含以下幾種。
- 齒輪：各種正齒輪、斜齒輪、蝸輪等等；
- 棘輪：用於許多工具扳手，傳動動力還限制方向防止逆轉與打滑；
- 鍊輪、時規輪：常見於腳踏車與摩托車用的撓性傳動套件，在汽車發動機組件也用上；
- 柔輪：用於減速機構；
- 渦輪：增壓式發動機的轉子、風扇與螺旋槳；
- 凹凸輪：旋轉動力傳動兼具定位，常用在螢幕與盒子開合的轉軸(Hinge)結構上。
以上的原件都屬於齒輪類型的機構元件，在基底上的圓周位置有重複性的突起特徵，這些特徵都是用來作為能量傳送之用。當這些元件要求微型化時，傳統的機加工和其他金屬製程便很難以成型，MIM工藝便能派上用場。如圖2所示為傳動輪家族與親戚們。
因此，在數學和工業技術日積月累的經驗不斷的修正齒輪這個重要的元器件，許多不同齒輪的齒形不斷的更新，以增加傳動的效率與準確性，並減少噪音。因此對於製造齒輪的工藝與所使用的材料也隨著計算齒形技術一起成長，這種具有重複性特徵且越趨精細的齒輪元件已經成為MIM技術適合的產品。就如以前Dr. Q經常提到的機械加工（滾銑切削）、翻砂鑄造、鍛造與失蠟鑄造（Lost wax casting又稱為熔模鑄造），甚至是傳統的粉末壓製法(Press & sinter)。甚至對於小模數(M<1mm)和齒輪外徑小於5mm、齒厚>0.5mm的小型金屬齒輪，連化學蝕刻法和電鑄法都沒有辦法如金屬粉末射出成型的量產速度。表1是齒輪的材料、工藝演進與精度表。
應用案例
採用MIM工藝製作的齒輪組件包含以下，如圖3所展示：
- 筆記本電腦的轉軸，以凹凸輪和部分齒輪蝸桿的組合（1995至今），因為筆電的顯示屏幕必須長期的開啟與關閉，也因個人工作習慣要調整角度，因此需以限制位置和轉動為主，這個機構組件經過很長時間的考驗和設計演變，逐漸取消凹凸輪並改為齒輪和減速蝸桿組合，降低噪音並提升其開合的壽命次數；
- 智慧手機的潛水式升降鏡頭(2017-2019)，當年純粹是因為閃避美國蘋果公司智慧手機iPhone的專利──顯示屏幕前置鏡頭組的瀏海設計，剛開始使用的並非MIM製作的小模數齒輪，而是以玩具常用的塑膠齒輪，但過小的無法承受反覆應力和較大的衝擊，後期便大量使用不鏽鋼及鐵鎳合金製成MIM齒輪；
- 小型家用電器的金屬化齒輪（2019至今），掃地機器人在開始要背負拖地用的水箱就注定塑膠齒輪淘汰成金屬MIM齒輪的命運，強度和耐久性使MIM不鏽鋼齒輪成為主要傳動組件的首選；
- 智慧手機摺疊屏轉軸組件（2020至今），複雜且空間更小的折疊屏幕轉軸脫離不開MIM齒輪結構，把原來筆記本電腦的轉軸更精緻化。
Part VII.小结
齒輪是人類智慧解決動力傳送的象徵，許多機械設備、交通工具的發動機和變速箱、家電、鐘錶手錶以及家裡的玩具，齒輪的用途可能比輪子要更為廣泛，齒輪也是許多大學和學術單位中機械學科最具代表性的圖形，它代表數學、動力和精密的象徵。小模數且小尺寸的齒輪和傳動元件採用MIM工藝是絕佳的選擇，但是絕對精密度的要求則變成MIM工廠要努力達成的目標。
