微放電加工原理(Micro Electrical Discharge Machining 簡稱 Micro EDM) 應用於本研究的微孔模具製造，與雕模放電加工(Die Sinking Electric Discharge Machining)原理相同，都利用金屬導電的特性，在兩端給予工作 電壓，將兩極靠近至一臨界間距，極間因電場(Electrical Field)作用而產生 放電行為。相較於雕模放電加工，微放電加工主要用於微模具開發，兩者 放電能量及放電迴路亦有所不同，如表2-1 所示[39]。
表2-1 微放電加工與一般雕模放電加工之特性比較[39]
放電比較 微 細 放 電 加 工 (Die Sinking EDM)
雕模放電加工 (Die Sinking
8 流通處產生大量熱能，其所產生熱能溫度可高至8,000℃以上[40]，短時間 內集中作用於欲加工的小區域範圍內，加工區域瞬間成為高溫狀態，金屬
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圖2-1 微放電加工材料去除機制[41,42]
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3. 放電加工後，工件表面會生成重鑄層(Recast layer)，而重鑄層會影響工 件表面，需要多一道後處理加工程序去除。
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圖2-3 (a)、(b)所示為實心及空心電極加工。實心電極於微孔深處積屑排出 不易，容易造成短路，加工時間相對提高；空心電極旋轉將高壓加工液由 電極內部噴出，積屑受壓力從孔深處向外排出，短路現象少，加工時程縮 短，但電極消耗較實心電極快速為其缺點。
圖2-2 行星式放電孔加工
(a) 實心電極加工微孔 (b) 空心電極加工微孔 圖2-3 細孔放電加工
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2-2-2 電極選用對微孔表面粗糙度的影響
陣列微孔模具孔壁粗糙度，影響蠟柱成型外貌。擠製過程，蠟經由模 孔，於模具上成型，蠟直接接觸微孔，外觀會複製孔壁外貌，進而影響蠟 柱外觀，金屬沉積過程，完全複製蠟柱外型，故模孔表面粗糙度受孔壁影 響甚大。
加工微細小孔之電極分為實心及空心，實心電極常用碳化鎢(WC)材 料，取鎢熔點高能耐高熱，減少消耗量，但加工微細孔前，須先依孔徑製 作其外徑，前置作業時間較長；空心電極選擇黃銅(Brass)管電極，黃銅熔 點低，加工過程產生劇烈消耗，但排渣容易、加工速度快。圖2-4為實心與 空心電極加工前後差異比較，圖(a)及(b)分別為實心電極及空心電極加工前 後外貌，兩電極加工後，頭端皆呈現圓弧狀，銅管因太過微細前端受殘渣 影響，焊疤(Welding scars)融熔而其堵塞。(c)及(d)圖為加工後的微孔表面 粗糙度，圖中得知，相同工作能量下，實心電極加工的表面，其表面粗度 較銅管好，銅管熔點低，受高溫產生劇烈燃燒，表面易發生凹凸不平放電 坑。實心電極雖然消耗少，但碳化鎢電極熔點高，金屬去除率較低，工作 效率低；相較銅管電極金屬去除率高，加工時間遠快於實心電極。雖然實 心電極表面粗度略勝於空心電極，但加工時間上，空心電極較實心電極 快，故選用銅管為鑽孔電極。
(a) 實心電極(WC)加工前後比較 (b) 空心電極(Brass)加工前後比較
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(c) 實心電極，(Ra=1.3694) (d) 空心電極，(Ra=2.3801) 圖2-4 實心與空心電極加工前後比較
2-3 擠製成型原理
本複合製程技術，將犧牲材應用在擠製工作上，以便於脫模後，移除 犧牲材而成陣列微孔結構。金屬成型加工有許多方法，包括鍛造(Forging)、
壓延(Rolling)、抽拉(Drawing)、擠製(Extrusion)、衝壓(Press)及高能量成形 (Energy Forming)等加工方法。其中，擠製加工於製作棒、管、線材及異型 材時，可製作斷面一致且尺寸精密度高之成品，且可大量生產加工，符合 經濟效益，所以，擠製加工為目前市面成形加工最常用的方法。所謂擠製 係將胚料放入可承受高壓之盛錠筒(Chamber)容器，利用擠壓桿對胚料進行 加壓，強行將胚料通過模具，改變胚料斷面的加工法。擠製加工較常應用 於軟金屬材料，如亞鉛、鋁、銅等單一材料擠製，近幾年工業界對於高強 度、耐摩耗、耐高溫、抗腐蝕性及超高導電性等產品需求提高，由於具有 上述特性之材料多有硬且脆之特性，且加工不易，因此，擠製加工逐漸應 用於難加工材料中，尤其是靜水壓擠製。
2-3-1 擠製材料的選用
擠製加工可應用於多種產業，視需求選擇合適材料。擠壓加工初應用 在鉛管的製造，後續亦應用於錫、鉛、鋁等合金材料，最近更針對合金鋼
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類硬質材料、各種難加工金屬，甚至非金屬材料進行擠製。目前常用的擠 製材料有以下數種[43]。
1. 蠟：蠟本身具有便宜且易去除等優點，其熔點約80~100℃，在工業界蠟 通常做為潤滑劑使用，1998年Tatsuo Besshi等人利用蠟材料，做為鋁擠 製潤滑劑，鋁材擠製完成，成品外圍包覆一層蠟材，對此加工機制做分 析研究[44]。本研究將蠟視為犧牲材，試片成型後，置入沸純水中，遇 熱融化而浮出水面，此填蠟製法能製作細長比300以上的微流道 [45]。
蠟常溫下為固體狀，恆溫加熱後軟化容易成型，將其應用在擠製成型及 犧牲材料上，能大量使用且價格便宜，於微複製技術(Micro duplicating process)上，具有相當良好應用優勢。
2. 鋁系材料：其特性為輕、強、耐蝕性良好、容易再生及加工性良好，上
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6. 粉末材料：利用擠壓製程可生產高強度且耐摩耗之材料，如鋁基材料用 於引擎活塞。在真空或保護氣體下的壓縮、擠伸加工，可提升產品性能，
或利用反覆壓縮、擠伸可得到微細組織，可使擠伸製品性能提升。
7. 特殊材料：在特殊材料中，超導材料最常被說起，如NbTi、Y-Ba-Ca (釔 鋇銅)及Bi-Sr-Ca-Cu (鈹-鍶-鈣-銅)等都屬於超導材料，其擠伸製程和接 合情形被廣泛研究。Y-Ba-Ca系超導線及Bi-Sr-Ca-Cu系超導線其材料特
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1. 直接擠製法
將擠錠(胚料)放入盛錠筒內，於擠桿處施予壓力，擠桿向前推進，胚 料受到擠壓便往模具出口處流動，於出口處形成擠製品，胚料流動方向與 擠桿運動方向相同，故稱為直接擠製，是屬於最基本的擠製法，本論文實 驗選用直接擠製加工法。如圖2-5所示，此法適用於鋁、銅合金等軟性材料 之擠製。不過，此種擠製法會因胚料及盛錠筒發生相對運動而產生摩擦及 溫度上升等問題，易使製品產生缺陷。
圖2-5 直接擠製示意圖 2. 間接擠製法
將擠錠(胚料)置於盛錠筒中，將模具置於空心擠桿前端，當擠桿受壓 前進，胚料通過模具往空心擠桿流動，胚料流動方向和擠桿前進方向相 反，故稱間接擠製，如圖2-6所示。擠製過程中胚料與盛錠筒不發生相對運 動，故胚料於盛錠筒中不產生摩擦，材料流動較均勻，加工所需壓力較直 接擠製壓力低，所得產品品質較佳。
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圖2-6 間接擠製示意圖 3. 高溫潤滑擠製加工法
此法主要是應用於鋼材加工，特徵為將胚料及擠壓工具在高溫下，加 入黏度性高之潤滑劑，利用潤滑減輕擠製過程中摩擦力，使成品不易受摩 擦力影響改變外貌，如圖2-7所示。此法常將胚料加熱至1,000℃以上，並 快速加壓讓配料成品高速擠出。此法常使用的潤滑劑有玻璃、二硫化鉬及 礦質潤滑劑等。
圖2-7 高溫潤滑擠製示意圖 4. 連續擠製法
此法有效利用擠輪圓周上的凹洞及胚料與模套所產生摩擦力，利用推 進模具將胚料進行擠出，有低能量消耗、降低工具使用與維修費用及自動
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化大量生產等特性，如圖2-8所示。此法大量且廣泛應用在鋁、銅及其它合 金之擠製加工。
圖2-8 連續擠製示意圖
5. 靜水壓擠製加工法
靜水壓擠製是以高壓液體作為施壓材質，對欲加工胚料給予等方性應 力，使胚料受壓強制通過設定好的模具，使胚料成形之加工法。將胚料置 入盛錠筒中，筒內注入高壓液體，讓胚料完全沉浸在高壓液體中，擠製過 程中盛錠筒及擠桿之間不會直接接觸，所以，兩物間並不產生摩擦效應，
加工時高壓液體會強制介入模具與胚料的縫隙，產生潤滑的效果，降低胚 料和模具間摩擦力，所得到之成品其外貌會呈現比較完整的狀態，且高壓 液體用在擠製材料上，可抑制成品表面的破裂。如圖2-9所示，為擠桿加壓 在包圍胚料之高壓液體上示意圖，因胚料浸於高壓液體中，胚料並無直接 接觸到盛錠筒，所以胚料長度並無限制，即較長的胚料，擠製時無挫曲情 形，靜水壓擠製主要特徵為胚料與盛錠筒之間沒有摩擦，成品擠製時有相 當良好的潤滑效果，且胚料尺寸有變化空間。
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圖2-9 靜水壓擠製示意圖
根據上述所整理的擠製方式，發現大多用於金屬材料的擠製成型，本 研究所擠製的材料為蠟，其特性為熔點低、便宜且容易去除，所以，在擠 製方式的選擇上，便選用直接擠製法，其加工原理簡單及設備製作容易，
相當符合本研究所提出效率高及省成本的概念。
2-4 金屬沉積基本原理
本研究係應用金屬沉積製程，大量複製強度高及耐摩耗的微型孔元 件。實驗所用金屬沉積原理和電鍍(電鑄)原理相同，皆利用化學方法，分 離金屬離子，使基質金屬離子和固體顆粒在欲沉積物表面產生沉降，藉此 達到美觀、防蝕及耐摩耗等特性。以下即為沉積原理介紹。
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2-4-1 金屬沉積原理與應用
金屬沉積與一般常見電鍍原理相當雷同，本研究將其定義為一種電化 沉積過程，主要將陽極電極通以電流，使陽極金屬析出金屬離子，於陰極 物體表面還原，附著於沉積物體表面，目的在改變表面特性或物品尺寸 [51]，目前市面上有以下幾種應用。1.成品美觀(如今、銀及黃銅等金屬)，
2.成品防銹(於金屬成品上沉積 Zn、Cr 及 Ni 等金屬，可防止氧化。)，3.
提高成品強度(於塑膠製品上沉積金屬增加製品強度)等。圖 2-10 為金屬沉 積架構。金屬沉積是沉積液通電而沉積金屬於欲沉積物上之過程。金屬離 子自沉積液中析出，常發生如下之反應式：
M+z + ze
-
→ M ( 2-1)
沉積液中存在帶有Z價正電荷之金屬離子M+z，在接受其價數Z相等之 電子e-時，變成金屬原子M，並在適合之情況下，附著於沉積物表面而成 為沉積層。在化學上而言，此種需要耗用電子之反應稱為還原，金屬離子 還原時所需之電子，可由各種不同方法供應。
圖2-10 金屬沉積架構圖
金屬沉積之電流量通入大小和金屬析出量，都遵守法拉第電解定律
22 於0.01μm的加工面粗糙度(Ra)。
(4)形狀無限制。其它加工方法不可能加工的複雜形狀或微細形狀也容易製
(4)形狀無限制。其它加工方法不可能加工的複雜形狀或微細形狀也容易製