本實驗提出一種新型複合製程技術，結合微放電鑽孔、精密蠟擠製及 金屬沉積，複合製程的開發需使用微製造技術之相關硬體設備，與製程互 相做應用結合，以下是加工硬體設備介紹。
3-1 複合式 CNC 微型加工機
本實驗所使用之精密微型 CNC 複合製造系統為微製造實驗室研發團 隊自行開發的微型加工機[59]。本微型製造系統結合傳統與非傳統技術，
將微放電加工、微線切割放電加工與微複合沉積等技術加入系統設計中，
同時融入微銑削、微高速銑削、微鑽削與微研削等精密技術，專用於微型 模具、微型刀具、微型零件、微型結構與微型機構的加工、製造與組裝，
提供之製程功能如圖3-1 所示，在本實驗中精密微型 CNC 複合製造系統即 用來加工陣列微孔，圖3-2 為精密微型 CNC 複合製造系統。
圖3-1 精密微型 CNC 複合製造系統之製程與功能 [59]
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(a) 精密微型複合製造系統 (b) 實體外貌 圖3-2 精密微型 CNC 複合製造系統[59]
3-1-1 微孔加工機能
微細孔加工為本研究模具製作重點，於微製造系統上製作微孔，有以 下幾種方法：
1. 高速鑽削：利用製造系統上的高速主軸夾持微鑽頭，於欲加工材料上鑽 削微孔，視材料不同，選擇合適鑽削刀具。
2. 微孔銑削：利用高速主軸夾持微銑刀，將材料以逐層方式去除，銑出需 求的微孔，但孔徑受限於刀具尺寸及加工路徑。
3. 微放電鑽孔：利用空心或實心電極，在導電金屬材料上進行微放電鑽 孔，但電極也產生消耗。
4. 微放電銑削微孔：使用線式放電研削機構(WEDG)[56,60]修整電極，利 用電極做微放電銑削動作，逐層向下移除材料，達到微孔加工目的。
實驗所設計之陣列微型孔，其孔徑尺度為100µm-150µm，根據上述方 法，陣列微孔模具，需能承受擠壓壓力，模具厚度須大於孔徑尺寸，擠製 過程中，模具不易受壓變形甚至崩壞。且擠製模具選用材料為不銹鋼 (SUS304)，屬難切削材料，傳統鑽削不易加工，而微放電鑽孔能提供非接 觸式的微孔加工，相當符合本研究需求，故選擇微放電鑽孔做為微孔模具
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製作方法。
3-1-2 電極短路退離機制
微孔製造於本研究中是相當重要的，需能快速製造微孔模具，以微放 電加工方式製作微孔，電極會有短路發生情況，須設計電極短路時的退離 機制，對此，本研究設計兩種退離電極的方法，啄鑽法(Peck-drilling)與路 徑返回法(Retrace)法。
方法一：啄鑽法(Peck-drilling)
圖3-3 為啄鑽模式下的電極短路退離機制，電極由起始點進行啄鑽，
給予固定進給速率，兩個設計條件讓電極進行啄鑽，一個是短路發生在電 極與工件之間，電極迅速拉回，遠離短路點，並排出殘渣；另一個是每段 固定加工距離抵達，快速拉升電極，將底部殘渣帶出，減少因殘渣所產生 的短路現象。SCR(Short-circuit return)情況下電極拉升，並快速回歸短路 點，提供+Q 為緩衝距離，繼續進行加工。
圖3-3 啄鑽模式下的電極短路退離機制[61]
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方法二：路徑返迴法(Retrace)
於此利用路徑返迴法，降低短路所造成的時間及材料浪費。圖 3-4 為 短路退刀的Retrace 加工法程序圖，解釋程序圖前，兩項參數須先做解釋，
分別為 VC(比較電壓) 和 VR(即時間隙電壓)，兩者所量測電壓皆從 RC 放 電迴路中擷取，於電阻連接 AD 卡，利用 V=IR 電壓公式，電阻固定，當 工件和刀具接近，電流I 竄升，電壓 V 也隨之升高，做實驗比較得到短路 電壓值，將其設定為比較電壓(VC)，加工狀態下，同時截取電壓，做線上 電壓比對，即時間隙電壓大於比較電壓，便判定為短路，所以，即時間隙 電壓(VR)為加工瞬間電壓值。
程序先執行CNC 程式指令，給予進給速率+F ，接著判斷 VR (即時間 隙電壓)，和比較電壓做比較，若小於比較電壓，其速度便可分成五階段，
根據電壓百分比做判定；若大於比較電壓，表示此情況為短路，進給向量 變為負，即為短路返迴法，退刀過程中持須監視電壓變化，若短路情況解 除，便繼續執行 CNC 指令，進給速率回復。退刀過程中，積屑經由刀具 退出而被帶離，後續加工短路現象較不易產生。
圖3-4 短路退刀(Retrace)程序
啄鑽機制適用於大量製造，條件設定完成，機器執行指令，人力耗費 較少，但是，為求排屑順暢，工作一定深度須將電極拉起，無形中造成時
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間浪費，整體加工時間較長；短路退刀機制適用於單孔加工，進行多孔加 工需耗費人力，但加工時間快為其優點。研究中微孔模具的製造相當重 要，須快速加工，減少成本及時間的浪費，故選用路徑返迴法為陣列微孔 模具加工。
3-1-3 銅管電極夾持裝置
本研究使用之銅管電極直徑為100µm，管材質地軟且直徑細小，加工 過程銅管旋轉，易受離心力影響造成偏擺，必須設計拘束機構精確控制偏 擺。銅管偏擺除了造成加工孔徑變化外，也會造成加工不穩定，短路增加，
圖3-5 為迴轉控制裝置，銅管進入鑽石眼模(Φ100µm)受到完整拘束，讓旋 轉擺幅減小，精確控制旋轉精度，其裝置中有高度調節設計，讓機構適用 於各種不同加工情況，並可用微調輪做細部高度微調，減少大幅度位移造 成的結構晃動，減低加工不穩定因素。
(a) 電極拘束設計 (b) 架設實體成品 圖3-5 精密電極夾持裝置
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3-2 精微擠製裝置設計
材料擠製硬體相當多樣，這些硬體裝置多用於軟金屬材料，與本研究 提出的蠟擠製有所不同。蠟屬高分子材料[62]，擠製情況與常見軟金屬不 同，所以，本研究針對蠟材設計出專用擠製機構，此設計概念能廣泛應用 於各類高分子材料之擠製。擠製硬體分為本體裝置及溫度控制，如下說明。
圖3-6 (a)為精密之蠟擠製裝置，固態蠟置於擠製管中。擠製管套入基 座並固定，導管外部以圓柱型加熱器包覆，均勻加熱各區域。恆溫溫度由 PID 感溫器所控制，溫度誤差控制範圍為±0.5°C。加熱目的是使固態蠟軟 化，並長時間維持固定的軟化溫度，以利蠟柱成型。透過擠製桿的加壓，
將軟化蠟經微模具緩速擠出，形成微細蠟模。為有效傳熱軟化蠟材，擠製 導管以碳鋼製作，其具備熱傳效率高、耐摩耗、易加工且價格便宜等優點。
為防止軟化的蠟材受擠壓後，由擠製管與擠壓柱之間的間隙滲出，壓柱的 前端設計銜接一圓柱形塑鋼(POM)，利用擠製管加熱的同時，塑鋼材料受 熱產生些微膨脹，塑鋼和管壁呈現精密接觸，在蠟擠製過程中不會逆向溢 出，能獲致精密擠製效果。
(a) 精密擠製裝置設計 (b) 完成之精密擠製裝置 圖3-6 精密之蠟擠製裝置
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對蠟進行擠製動作，須經受熱軟化，本裝置設計有加熱器，利用加熱 器對蠟進行加熱軟化。擠製管外部設置熱感電偶，對溫度進行感測，並回 傳至PID 溫度控制器內做溫度控制，圖 3-7 為溫度控制器及內部電路。PID 控制器可將溫度控制在±0.5°C，讓蠟材料在受熱過程中，能不受外在環境 影響，均勻且平均受熱。
(a) 溫度控制器外觀 (b) 溫度控制器內部電路 圖3-7 溫度控制器及內部電路
3-3 金屬沉積
本研究利用兩種沉積技術，複製微小孔陣列，分別為金屬沉積及複合 沉積，具製作外貌精密、成型快速、無內應力及高耐摩耗等多樣特性元件。
兩技術應用沉積槽體不同，前者與一般電鍍所用槽體相同；後者槽體自行 設計，包括溫控、循環及沉積槽，槽體設計以節省成本、降低沉積液及磨 粒用量與修正容易為基礎做設計。
3-3-1 沉積裝置設計
槽體設計影響沉積品質，圖 3-8 為精密沉積裝置，兩硬體主要分為三 大部分：溫控系統、沉積槽體及循環系統。溫控系統主要功能為控制液體 溫度，讓沉積液能維持恆溫，液體內硼酸成份不因溫度降低產生結晶，影 響沉積液流動。沉積槽體主要放置欲沉積金屬及基材，透過電流解離金
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屬，金屬原子沉積在基材上，堆疊長出厚度。循環系統主要功能為帶動沉 積液流動循環及過濾雜物保持槽體清潔。圖 3-8 所介紹的金屬沉積裝置與 複合沉積裝置，差別在於循環系統不同，(a)圖循環系統多增加了濾心，目 的在清除液體中的雜質，(b)圖複合沉積裝置上，並無此配備，主要是在沉 積液中有添加大量非水溶性顆粒，若加裝濾心，顆粒容易被過濾，槽體內 顆粒含量大幅減少，導致沉積試片上顆粒數量不足，耐摩耗性及硬度大幅 降低。表3-1 為複合沉積設備規格表。
(a) 金屬沉積裝置 (b) 複合沉積裝置 圖3-8 精密沉積裝置
表3-1 複合沉積設備規格表
設備形式 規格
鑄液成份 氨基磺酸鎳鍍液 槽體容積 2 liter
磨粒 CBN、Diamond (0-2µm)
陽極 Ni
陰極基材 不銹鋼(SUS304) 電源供應器 110V 直流電源供應器
金屬與複合沉積過程中，沉積液內含硼酸，溫度過低時會產生硼酸結 晶，故溫控系統在沉積裝置中相當重要。溫控系統熱源可來自沉積槽外部 或內部，本研究所使用槽體材質為壓克力材，不適宜採用外部直接加溫方
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式，必須利用隔水加溫法。不過，隔水加溫液面溫度升降幅度不易控制，
所以採用內部直接加溫方式，利用石英加溫管直接置入沉積液中加熱，使 用溫感元件進行溫度感測與控制，能將沉積液溫度控制在適溫，不因外在 溫度變化改變。如圖3-9(a)所示為溫度控制器實體圖。
金屬與複合沉積，沉積液濃度隨著沉積時間變化，要讓沉積液濃度保 持定值，採用適當攪拌的系統來達成。槽體設計採用微型耐酸鹼抽泵將液 體抽離槽體，經管路使沉積液由槽體上方注入，如此可使沉積液產生流 動，沉積液濃度趨向均勻，另一方面亦能將複合沉積槽體內微顆粒充分攪 拌，達到均勻分散及分佈效果，改善非水溶性顆粒因比重較水大而沈積在 槽底，或顆粒攪拌不均勻形成團狀物。耐酸鹼抽泵採用的是日本 IWAKI
金屬與複合沉積，沉積液濃度隨著沉積時間變化，要讓沉積液濃度保 持定值，採用適當攪拌的系統來達成。槽體設計採用微型耐酸鹼抽泵將液 體抽離槽體，經管路使沉積液由槽體上方注入，如此可使沉積液產生流 動，沉積液濃度趨向均勻，另一方面亦能將複合沉積槽體內微顆粒充分攪 拌，達到均勻分散及分佈效果，改善非水溶性顆粒因比重較水大而沈積在 槽底，或顆粒攪拌不均勻形成團狀物。耐酸鹼抽泵採用的是日本 IWAKI