數位設計科技應用於航太級加工設備之趨勢

摘要：倚靠經驗法則設計機台的時代在設計人員交接上常會造成斷層的情況發生，新的設計人員無法完全傳承經驗，因此工具機的開發常會因此狀況而造成不必要的成本浪費，當世襲制的設計思維已不敷使用之際，唯有運用高智慧化的工具才能開創新的局面，在國內傳統產業機台價格平均低於國際的情況下，要如何走出一條屬於國內傳統產業的路就是一大重要的課題，為此工研院運用數位設計技術於傳統產業以新的方式，進行高價規格機台設計，以航太級加工設備要求之高精度、高品質，作為發展目標。文內以虛擬切削技術評估機台加工性能，應用虛擬主軸動態性能評估機台動態性能，定義機台加工性能目標，最後搭配結構自動化構型合成技術完成數位設計流程，進行符合航太級加工設備機台要求之構型設計，以數位設計取代人為設計，降低不適當工具機構型設計造成之成本發費，及縮短機台開發時程，提高國內傳統產業的國際競爭力。

Abstract: Due to the process of passing down experience of machine designs and the departure and arrival of new employees, the development of machine tools is often marred with unnecessary costs. New prospect can only be achieved by using highly intelligent machines. Since the price of machines for the traditional industry in Taiwan is lower than the international average price, how to create a way for these traditional industries becomes an important issue. With the high precision and quality of requirement for aerospace-processing devices as the development goals, ITRI designs premium machines by using the technique of digital design for the traditional industry. This paper evaluates the processing performance of machines by virtual cutting technology and by applying dynamic performance analysis of a virtual spindle to define the processing goals of machines. Finally, to improve the international competitiveness of domestic traditional industries, we finished the digital design procedure with automatic configuration structure synthesis technology to meet the requirements of aerospace equipment configuration design and replaced artificial design with digital design to reduce the cost caused by design of inappropriate machine tools and development time of machines.

關鍵詞：雷射披覆、碳膜、金屬雙極板、燃料電池

Keywords：Digital Design, Topology Optimization, Machine Center

前言
航太工業具備高科技產業技術，產業關聯性廣、附加價值高，為綜合性的尖端技術工業，更是國力的指標工業，其精密的技術水準、嚴格的品質要求，與管理制度，不但可達到產業昇級的目的，更可改善傳統產業的體質，提高產品品質與技術，增加總體競爭力，與國家的發展息息相關。是以不惟各先進國家全力發展本身的航太工業，亦為開發中國家積極努力培植的重點工業。但由於其投資金額大、回收期較長，以及進入風險高，在整體的發展上各國政府無不全力配合與支持並作廣而深的投入。

對於航太級加工設備其開發所耗費的資源及風險皆相當大。當中兩個最大的關鍵問題，一是現今設計階段的常用之CAE模擬技術並無法真實反應出最後的切削效能，也就是從最終加工製程的剛性需求在機台設計時並未被真正直接地顯示出來。另一問題則是結構設計受限於師徒制與經驗法則這種固有思考邏輯，性能上較難有大幅跳躍式的提升。為此，本文提出學理性精益求精的設計技術：整合切削顫振穩態圖與結構拓樸優化兩大核心技術，建立目標導向式的航太級工具機設計流程，並應用主軸動態特性評估技術，幫助設計人員在開發初期即可完整解析機台切削能力，根據目標加工性能要求進行構型合成技術之工具機設計，可以快速的找到符合加工性能目標的機型，如因機台剛性不足需進行設計變更，在CAD階段即可完成，無須耗費過多時程等待機台發包製作及組裝測試，大幅降低開發成本，並可有效提升設計人員在開發過程中之效率與可靠度。