｜非導電硬脆材料微電化學放電加工應用研究

摘要：電化學放電加工為近年較受矚目的非傳統製程技術之一，由於不受限於加工材料的導電性，因此極有潛力應用於非導電硬脆材料上。一般而言，電化學放電的產生是在劇烈的電解過程中，由於刀具電極（陰極）受到電解氣泡聚集而成的氣膜所包覆，造成電極表面的電流密度激增引發放電火花。放電能量與產生頻率將直接取決於氣膜的結構特徵與包覆穩定性，同時也被視為影響製程精度、表面品質與材料移除率的主要關鍵因子。然而在實際加工系統內，刀具電極所處之環境界面更為複雜，導致氣膜結構控制不易及加工區內電解液循環困難。故對於的應用上，實為一必需審慎正視及克服的研究課題。本研究中擬導入磁流體對流技術，藉以維持整體電極表面上氣膜結構之穩定性與增進電解液在加工區之循環效能，使放電能量釋放均一與加工效率提昇。

Abstract: Electrochemical discharge machining (ECDM) is a non-traditional manufacturing technique that has attracted much attention in recent years. With its performance unaffected by the conductivity of machined materials, ECDM is a promising technique with great potential for application to machining non-conducting brittle materials. In ECDM, electrochemical discharge occurs under intense electrolysis when gas bubbles produced accumulate and form a gas film on the tool electrode (cathode). As a result, current density on the tool electrode surface increases, thus producing discharge sparks.  Both the energy of the discharge sparks and the frequency they are produced are directly determined by the characteristics and stability of gas film, which in turn are critical factors affecting the machining accuracy and material removal rate.

In fact, the environment of the tool electrode in an ECDM system is complex, posing problems to quality control of gas film structure as well as smooth circulation of electrolyte. Hence, how to overcome these problems when applying ECDM to the process is worth further investigation. In this study, the technique of magneto hydrodynamic (MHD) convection is employed in the ECDM system to maintain stability of gas film structure and enhance circulation of electrolyte, both of which contribute to achieve even discharge energy and enhance machining efficiency.

關鍵詞：電化學放電加工、磁流體對流、非導電硬脆材料

Keywords：Electrochemical Discharge Machining, Magneto Hydrodynamic, Non-conductive Brittle Materials

前言
隨著材料製程技術的進步，其應用主軸已由結構用材料轉向功能形材料，因此各類非導電性硬脆材料逐步成為微機電系統的主要基底材料之一，如光學玻璃、石英、藍寶石及工程陶瓷等。然而作為一項與傳統工業存在較大差別的新興領域，加工製程決定了產品本身的結構特徵及應用範圍，而在材料的選擇與製程技術之間依存的關係亦更為密切。然而隨著產品壽命周期不斷的縮短及微利化的時代來臨，研究發單位無不設法縮短產品開發時程。在開發的過程中，經常需要修改結構的設計以獲得最佳的效能表現。但大部份的非導電硬脆材料由於其晶體結構的敏感性，常因加工設備或外在的影響導致材料去除量局部突增，使得加工難度大增，因此很難實現高精度、高效率、高可靠性的加工，特別是微元件製作更是困難。因此有別於傳統的機械加工模式，對於非導電性硬脆材料其高附加價值與高產值的加工技術正迅速崛起，以因應各類功能性產品之製造需求。目前以非傳統加工方式，利用熱能、光能、電能與化學能來達到傳統機械製造方法所不及之精度與加工尺寸，儼然已成為非導電硬脆材料精密加工的主流。

目前非導電硬脆材料之微加工尚未有標準的製程體系，且在同一產品結構特徵要求下往往存在多種製程方案。目前較有可能應用於非導電硬脆材料微形元件之製程技術有蝕刻加工（Etching Machining）、雷射加工（Laser-beam Machining）、超音波加工（Ultrasonic Machining）等非傳統加工方法。上述各方法的加工機制不同，其加工穩定度與適用範圍也各有不同。蝕刻加工製程技術可藉由大量試驗資料的統計與最佳化，即可符合不同刻蝕深度及表面品質的需求，並解決了高刻蝕速率與高刻蝕表面品質並存的難題。然對於大面積與複雜的三維結構較難達成，不僅製作成本高，且對環境的清潔度之要求甚高。此外在產品的開發及小量試產的過程中，恐失其成本優勢。雷射加工方面，配合適當波長的調節及搭配精準的透鏡系統，即可利用高能量密度的製程特性，在工件材料上作準確及有效的加工，且該技術易於與其它微機電製程技術結合，因此是可考慮選用的製程方法之一。但由於加工後工件上所存在的熱物理效應，常會有熱裂紋、加工變質層及或在加工區上產生有如火山口狀的突起，不利於後續對位或鍵合等製程的整合。超音波振動加工運用於硬脆材料加工上，由於超音波在硬脆材料上能量傳遞效果良好因此極有運用的優勢，但早期但卻受限於微小刀具的製作因此無法適用於微細加工上。隨著東京大學增澤教授對於微細工具製程方法成功的開發[1]，利用簡單形狀的微電極及層狀製造原理的微超音波振動加工正在受到重視，但該製程技術加工效率偏低，且加工中所使用的磨粒對於工件的污染將使後續製程變的更為繁雜。

相對於前述的製程方法，電化學放電加工（Electrochemical Discharge Machining, ECDM） [2]，乃是利用激烈的電解過程中所產生的放電火花來加速被加工材料的蝕刻速度，與放電加工及電解加工、雷射加工等技術相比，既不依賴於材料的導電性又沒有熱物理作用，與半導體製程相比不須要任何的遮罩（Mask）且環境對應性較低製程簡單，因此可被視為極具潛力運用於非導電硬脆材料細微加工製程上。本文將針對ECDM製程參數與加工環境變異對於實際應用於Pyrex Glass微加工製程上的影響作一說明，以協助讀者對於ECDM製程有進一步的瞭解。文末亦提出一輔助加工概念以改善加工效率與品質，期待能建立一種可應用於石英及硼矽玻璃材料微創成加工技術，並有助於相關產業的應用。