發稿日期：112年5月17日
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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)
