金屬異質材料結構輕量化設計新技術

摘要：現今工具機的應用範圍很廣，包括:金屬加工產業、PCB產業、半導體產業、汽車產業、航空產業、超精密加工產業等，在現代精密製造扮演了重要角色，工具機結構主要包含底座、橫樑、鞍座、主軸頭等結構件，而這些結構件則代表機台剛性與產品精度呈現的基礎條件，因此工具機結構件材料的選用取決於機台對性能的要求，本文藉由金屬與熱塑性複合材料結構設計技術開發，建立結構製程新技術，最終成品具備高剛性、高強度、低重量、低熱傳導性需求，進而達到降低工具機金屬件重量、高熱阻絕特性，降階進給驅動馬達功耗規格，最終達到降低電力能源消耗與對應碳排目標。
Abstract：The application scope of modern machine tools is extensive, encompassing various industries, including metal processing, PCB manufacturing, semiconductor production, automotive manufacturing, aerospace, ultra-precision machining. They play a crucial role in modern precision manufacturing. The primary components of machine tool structures include the base, crossbeam, saddle, spindle head, and other structural elements. These components represent the fundamental conditions for machine rigidity and product precision. Therefore, the choice of materials for machine tool structural components depends on the machine's performance requirements. This article aims to develop structural design techniques using a combination of metal and thermoplastic composite materials, establishing new manufacturing processes. The final products possess characteristics such as high rigidity, high strength, low weight, and low thermal conductivity, ultimately reducing the weight of metal components in machine tools. This approach also provides high thermal insulation properties and lowers the power consumption specifications for feed drive motors. Ultimately, it contributes to a reduction in electrical energy consumption and aligns with carbon reduction goals.

關鍵詞：金屬異質材料、複合材料、工具機
Keywords：Metal heterogeneous material, Composites material, Machine tool

前言
工具機是一個複雜的系統，是一種用來切削、加工工件的機械設備，通常由多個結構件組成，工具機結構主要包含底座、橫樑、鞍座、主軸頭等結構件，而這些結構件則代表機台剛性與產品精度呈現的基礎條件，因此工具機結構件材料的選用取決於機台對性能的要求，回顧早期工具機材料的應用從1830年開始以鐵為主，機台結構材料的改變從鑄鐵為大宗，發展到人造花岡岩、天然大理石等材料，近年來新型結構材料，如碳纖維複合材料也開始應用，但目前國際應用複合材料在工具機結構設備的實例尚未普遍。
本文開發目的希望藉由金屬與複合材料結構設計技術開發，建立結構製程新技術，最終工具機設備具備高剛性、高強度、低重量、低熱傳導性需求，進而達到降低工具機金屬件重量、高熱阻絕特性，降階進給驅動馬達功耗規格，最終達到降低電力能源消耗與碳排放量。
金屬異質材料結構設計技術研究
全球碳纖複合材料市場規模正快速成長，因應碳纖複合材料於航太、汽機車產業的應用比重逐年攀高，複合材料具有質輕、高剛性、高強度、高設計自由度及耐腐蝕等眾多優點，使其能有效取代傳統金屬材料，被廣泛應用於各種結構物，如工業生產設備、汽車、飛機、船舶、運動器材等，本文中金屬異質材料意指金屬與複合材料結合而成之結構材料，以往主要以熱固性複合材料應用為主，但熱固性複合材料生產上的缺點在於廢料無法再利用、生產效率低等限制，近來發展之熱塑性複合材料，具有剛性、耐腐蝕及可設計性與熱固性複合材料相同的優勢之外，還具有廢料可再生利用、生產效率高的特殊優勢，因此熱塑性複合材料更適合用於工業生產。
現今工業界加工需求的增加，工具機的型式與軸數也跟著改變，在工具機結構發展中，機台結構布局跟材料選用的技術也更加進步，隨著世界環境保護的意識抬頭，工業生產造成的汙染也逐漸被重視。在歐盟等國家訂定未來淨零減碳的目標，工具機產業若想將機台送上國際舞台，就要有節能、減碳的規則須依循，因此全球設備製造產業已經著手尋找替代材料進行機台設計應用。
工具機的結構複雜，材料在設計中占有重大角色會影響工具機性能、精度、重量等，工具機通常由多個結構件組成包含動件與不動件，以龍門型機台為例如圖1，其組成包含結構不動件(底座、立柱)與動件(橫樑、鞍座、主軸頭)，其中要達到高速進給需求，結構設計技術會進行結構拓樸最佳化設計，以期將結構重量減輕進而降低慣性影響達到高速進給目的，但目前應用上已遭遇到金屬材質與結構重量設計會有等值比例現象，尤其當金屬重量損失超過臨界點則剛性會呈現非線性變化，若貿然將結構依照輕量化需求做大幅降低重量的結構設計，會造成結構剛性呈現大幅度剛性降低問題，即代表剛性損失無法預測，因此以往金屬材料的結構輕量化設計技術上會有重量與剛性標準匹配原則。

圖1 龍門型機台結構說明

然而機台材質並非只有金屬可以選擇使用，機台結構材料的改變從鑄鐵為大宗，發展到人造花崗岩、天然大理石等材料，近年來新型結構材料，如碳纖維複合材料也開始應用[1]，複合材料具有強度高、質量輕的特性，因此被選為替代材料使用，但主要以熱固性複合材料應用為主，熱固性複合材料使用上的缺點在於廢料無法再利用、生產效率低，導致實際應用上有所限制；反之，近來發展之熱塑性複合材料，具有剛性、耐腐蝕及可設計性與熱固性複合材料相同的優勢之外，還具有廢料可再生利用、生產效率高的特殊優勢，因此熱塑性複合材料更適合用於工業生產。