制振碳纖複材技術：材料世界網-專利推廣

■ 技術說明

台灣製造產業早期為因應勞力成本上漲，將產品生產製造基地轉移至東南亞與中國大陸地區；但近年來隨著上述地區勞工成本上漲，加上自動化技術的進步，台灣產業開始採用智慧自動化製造組裝，以期提高人力產值與產品品質。然而，機器人(Robot) 進行少量多樣的產品自動化組裝時，難以迅速自主地進行零組件的取放組裝，造成目前電子零組件取放與組裝仍相當程度地仰賴人工裝配，形成自動化生產製造的瓶頸。因此，其關鍵問題為如何維持機器人高產能且同時減低馬達功耗。全自動化產線技術開發的另一個關鍵點為低功耗設備但不犧牲產能，如何以輕量化的材料/ 結構代替高剛性的鋼材為機器人的手臂，並以非線性控制技術，控制低剛性但高速運動結構所激發的振動幅度及較長的穩定時間(Settling Time) 為此專利技術開發的重點。

工研院材化所開發制振碳纖複材技術，將一種兼具高阻尼與高剛性並存的碳纖複材，可大幅降低在機器手臂結構體運動時產生的振動，進而使產線效率大幅提升，並導入新型高荷重碳纖維預浸材料以降低重型手臂結構件所需之低形變物性要求，提高系統運行精度，以解決長支臂金屬製機器人無法同時滿足高荷重、高工作空間與結構制振上的需求，也能降低後續設備的運轉成本，同時滿足協作及節能的性能指標。

■ 技術特徵

隨著時代進步及環境變遷等因素，使高分子纖維複合材料朝向輕量化、高強度發展，包括如自行車、高爾夫球桿、球拍、球棒等運動器材、風力發電葉片及工業生產設備方面的應用，皆因應輕量化、提升強度之需求，必須同時解決高分子纖維複合材料結構振動所產生的制振問題，以提升使用者的舒適性與工業生產設備應用的效能。

由於高分子纖維複合材料相關產品為配合人類在輕量化、高強度及高設計自由度等要求下，結合各種功能特性及用途於輕量化的各種結構物用品中已是現今必然的發展趨勢。而複材產品朝輕薄短小發展，結構設計以高強度為重點，而物性強度越高的材料卻常會伴隨著脆性增加，所以當材料受力後常會因此脆性增加而斷裂。舉例而言，運輸用機械手臂在高速移動(2.8m/秒)、旋轉(210°/秒) 時會產生位移、變形與震動，高分子纖維複合材料製成之機械手臂因運動而產生形變之振幅擺動至停止的時間若過長時，需待較長的時間至擺動靜止或振幅降低至可接受之程度，方得再進行下一動作，如此勢必使產能受到影響，所以必須縮短振動的衰減時間，其產能動作才不致於降低。通常，多層之高分子纖維複合材料的製備主要係透過疊層，亦即疊合複數層高分子纖維層，並調整上下層高分子纖維層之間的纖維角度，以達成欲設定的機械或物理特性，亦或者調整疊層的厚度或高分子的厚度，但此類的調整或改變效果仍然有限。為解決此一問題必須改善材料的阻尼特性，以增加其吸收受力後的制振效果。

碳纖維複合材料(Carbon Fiber Rein-forced Plastic; CFRP) 質量輕、剛性高、韌性佳，具有能耐天候、耐腐蝕、耐疲勞等性質，明顯較金屬優越；且可針對桿件所需的力量分佈去設計桿件外型，設計的自由度高，可成形為複雜零件，結構機能也可以由添加纖維(Fiber) 加以補強。採用碳纖維材料取代傳統的鋁製等金屬材料以降低支臂本身的重量，可省重20~40%，並可搭配較小功率的馬達，以降低運轉成本，達成節能減碳的需求。工研院材化所開發一種具有制振(Vibration Damping) 特性之纖維複合材料及製法技術，以碳纖維複合材料應用於並聯式機器人支臂上，結合上述複材的優點製成機器人所需的支臂，並透過靜態進行衝擊鎚之衝擊試驗，結果其碳纖維複材桿件整體剛性為22 Hz，優於鋁合金桿件的10 Hz。動態實驗以振動衰減測試的方式量測，量測系統高速移動至定點，桿件須多久時間才回至穩態，其結果顯示，碳纖維複材桿件系統在急停後0.4817秒就回至穩態，優於鋁合金桿件系統的1.0613秒。綜合以上結果，可驗證碳纖維制振複合材料製成的桿件具優良的剛性，抑制振動效果卓越，其重量又比鋁合金桿件輕，很適合應用於並聯式機器人的支臂，並可取代現有的高剛性或輕量化鋁合金支臂。

工研院材化所制振碳纖複材技術利用多層奈米碳管之多個微界面層間產生的微滑動現象，所累積的阻尼特性將可快速的被放大，進而達到有效抑制振動的作用，並突破製程上的技術限制，其所製備出的碳纖維複材支臂之阻尼性質可被大幅提高，殘餘振動衰減(Vibration Decay) 時間大幅縮減約55%，且剛性不受影響。此外，以輕量化的手臂結構設計，彌補剛性不足的缺陷，解決系統因受限傳統材料特性，為勉強維持的力學強度而增加不必要的重量與尺寸厚度，以降低後續不必要的維修成本支出。

■ 技術規格

工研院材化所制振碳纖複材技術採用新型高荷重碳纖維預浸材料，可同時滿足高荷重與低形變要求。在制振碳纖複材搭配位置和扭矩控制的方式，能有效減振，其阻尼係數達0.54，具備穩定的運動性能、最短的週期時間與高準確度。

複材制振結構件之振動衰減時間：殘餘振動於0.2秒之內衰減之全振幅為0.0426 μm，相對全振幅縮減近77%。

■ 應用範圍/領域

►精密鑄造製程

►水五金業

►高荷重上下料應用

■ 技術成果

制振碳纖複材技術運用多層奈米碳管間的滑動抵消外部施力，提供一種兼具高阻尼與高剛性並存的複合材料，可大幅降低在機械手臂結構體運作時，所產生的震動可快速減振，更因支臂重量遠小於鋁合金，可大幅降低能耗達50%以上，非常適合於精密加工、切削等作業，使國產化機器手臂具備高節能和高精準度，產業應用範圍包括3C 製造業、水五金業和金屬加工業等，工研院材化所開發之輕量化高制振碳纖機械手臂90%以上採用台灣零件，此技術可加速整合上中下游，形成國產化產業鏈，提升台灣國際競爭力。