這種比紅血球小的材料,竟然可以做機械手臂!

05 / 13 . 2019
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在工研院一處實驗室裡,有兩顆乒乓球正在兩根長管上下跳動著,左邊的球跳得忽高忽低,相對之下,右邊的球振幅穩定多了。兩者差異的關鍵在於右邊的長管加入了工研院研發的奈米材料,這種材料外觀看似平淡無奇的黑色粉末,每單位的體積比紅血球還小,卻有抑振與強化材料的功能。複合材料大廠明安國際看上它的吸振效果,與工研院合作,現已導入應用在全球前兩大羽毛球拍品牌,甚至進軍以金屬為主流的機械手臂!

工研院打破「黑金」神話,昂貴奈米材料下凡

故事要從2011年開始說起,當時,與工研院合作長達30年的明安,向工研院提出需求,希望能協助他們強化碳纖維材料,以開發出更輕量化的休閒運動產品。當時,市面上已有加入「胺基奈米碳管」來強化碳纖維複合材料的做法,但是因工法繁複,每公克單價比黃金貴上1倍,業界戲稱根本是「黑金」,成本過高難以商業化。於是,團隊在經濟部技術處科技專案支持下,著手進行研究,開發出「改良式奈米碳管胺基改質技術」。研發團隊成員劉時州博士指出,與傳統的處理方法相較,新製程從三個加工步驟減少為一個,處理時間減少20%,產生的廢液也大幅減少80%,生產成本更只有市售的15%,大大提高該材料在產業應用上的競爭力。

工研院把改質後的「胺基奈米碳管」,結合碳纖維,創造出一種新的碳纖維複合材料-「輕量化/高制振碳纖維複合材料」。奈米碳管會緊緊抓住碳纖維,就好像建築物有了鋼骨材料,達到強化的效果。而且在開發過程中,研發團隊還意外發現了新的「胺基奈米碳管」在碳纖維複合材料裡,形成了類似「煞車」的效果,可抵消外部施力,達到抑制振動的作用。

工研院材化所劉時州博士左手拿的是改質後的「胺基奈米碳管」粉末,右手則為以「輕量化高制振碳纖維複合材料」製成的產品。

 

世界知名羽球拍,材料「ITRI Inside

果然,明安大為滿意,將之導入在為大廠代工的羽毛球拍,明安專案開發副理蔡清山指出,品牌客戶也對強化後的產品十分滿意,讚美「球員試揮後,手不會麻,可以很快揮拍。」目前全球前兩大品牌的羽毛球拍,都隱藏著工研院研發的「輕量化/高制振碳纖維複合材料」,堪稱「ITRI Inside」!(ITRI為工研院縮寫)

「輕量化/高制振碳纖維複合材料」在運動領域告捷,也讓工研院思考,這樣的創新材料,是否能跨出運動領域,創造出新應用。工研院團隊靈機一動,想起這項材料曾經被工研院機械所研發團隊「借將」,用來改善機械手臂運轉時振動的狀況。當時經過實機驗證,不但讓機器更輕,振動衰減時間比金屬打造的手臂大幅減少50%,換算後產線效能增加50%到1倍,電費成本也同步減少50%。

恰巧,長期為運動用品代工的明安,積極想突破運動產業,擴大複合材料的應用領域,他們看好智慧製造是下一波藍海商機,明安因而決定繼續與工研院合作,讓「輕量化/高制振碳纖維複合材料」應用在機械手臂,為下一個30年的發展奠基。

世界首創,碳纖維也能做機械手臂

為此,工研院研發團隊,針對「輕量化/高制振碳纖維複合材料」應用在機械領域,進行一連串的研究,終於找到最適合應用在機械手臂的振動抑制結構,堪稱獨步全球的創新研發技術,工研院已申請到相關專利。

在此同時,明安也透過與高科大教授吳宗亮合作,完成碳纖維複合材料機械手臂的驗證流程,並找來國內廠商共同合作,明安負責量產「輕量化/高制振碳纖維複合材料」,機械廠商達奈美克負責開發輕量化/高制振機器手臂原型及量產。終於在2019年正式推出問世,成為全球第一套使用複合材料的工業用機器手臂。

蔡清山表示,採用輕量化/高制振碳纖維複合材料,可以讓機械手臂輕量化,所需要的馬達功率變小,進而提高工作速度、拉高稼動率。此外,因為複合材料高制振的特色,也讓機械手臂運轉時,因減少晃動,而提高精準度以及產線效率。

蔡清山指出,過去的自動化設備很少會使用非金屬的材料進行製造,然而透過明安與工研院、高科大所形成的產學研合作模式,讓輕量化/高制振碳纖維複合材料成為提升自動化設備競爭力的新興選擇。如以10%市佔率為目標估算,明安預估輕量化/高制振碳纖維機械手臂的銷售額一年可達新台幣2.7億元,為產業帶來創新商機。

明安副理蔡清山指出,用輕量化高制振碳纖維複合材料製成的機械手臂,更輕、更精準。

產業看科專:

 與工研院長期合作的明安,為世界五大高爾夫球知名廠商之OEM及ODM代工夥伴,成立於1987年。從公司成立後的第三個月,在金屬中心牽線下,找上工研院材化所開發碳纖維高爾夫球桿,雙方合作至今已逾30個年頭。明安專案開發副理蔡清山指出,公司的策略是提供客戶完整一條龍高爾夫相關產品生產製造服務,因此透過和工研院的合作便從一路從碳纖維材料布、球桿、自行車車架等都有。

 蔡清山認為,明安受惠於科專計畫,讓材料得以差異化,並與學研緊密合作,進而拓展到過去不曾接觸的系統廠產業鏈,並造就切入自動化設備新領域的機會,衍生出智慧製造另一片新藍海,有利於該公司未來30年的發展。