陳佩吟、廖建智 / 工研院智慧機械科技中心
工具機結構主要包含底座、橫梁、鞍座、主軸頭等結構件，此些結構件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。本研究探討產業應用困難點，突破設計瓶頸，藉由異質結合結構設計技術開發，建立設計新趨勢，最終成品具備高剛性、高強度、低重量、低熱傳導性需求，進而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。
【內文精選】
工具機異質結構設計技術
2. 技術開發與應用
為輔助產業應用金屬異質材料，本研究特將目前業者缺少之預測金屬異質結合特性技術進行研究探討。本研究完成金屬異質結合強度等效分析流程規劃，此技術透過有限元素分析技術，模擬複材與金屬異質接合強度等效分析，目前市面上常見的接合強度分析技術多應用在單一材質（例如金屬或是複材），本研究結合複材與金屬分析，在單一分析中設定複材與金屬材質，耦合計算完成異質材料接合強度等效分析，特將此技術進行流程制定，確保分析結果與實驗比對處於同等基準點進行比對。
完成模擬分析結果與實驗試片數據比對，驗證金屬異質接合試片實驗結果吻合程度，確保有達到等效需求，比對模擬分析曲線與試片實驗曲線，藉由結合界面設定實現以模擬分析預測金屬異質結合等效強度，以高準確性分析技術達到以複材取代金屬並確保設備需求剛性符合目標。
(2) 試驗條件設定與試驗比對
依照金屬異質材料試片試驗條件，進行有限元素模型固定與施力條件設定（圖七），固定與施力條件依循DIN EN 1465測試規範進行，以結構分析進行金屬異質接合試片模擬分析，得到試片位移量。
圖七、試驗條件施力圖(DIN EN 1465)
(3) 複材金屬異質結合等效強度分析技術應用
金屬與複合材料的結合使用，可以在工具機結構上實現機台輕量化的目標，同時保有機台結構穩定性。本研究透過有限元素分析，建立金屬異質接合強度等效分析模型，以高準確方法協助設計者應用複合材料與金屬結合設計時可正確掌握設備性能，期產生符合目標要求的設備。
應用此分析技術於工具機主軸結構輕量化設計，進行複材異質結合主軸結構性能分析。以下為性能分析流程：
①主軸模型實體化；
②建立複材主軸有限元素模型；
③複材主軸熱阻絕分析邊界條件設定；
④進行複材主軸水套最佳化設計分析；
⑤完成水套厚度最佳化設計，透過複材最佳厚度分析得到範圍2.2 mm~3 mm（見圖十）---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖十、複材水套最佳厚度
★本文節錄自《工業材料雜誌》468期，更多資料請見下方附檔。