華興課本100

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第二章 製造科技
2-1 材料的特性
材料的性質-機械性質
• 硬度:物體堅硬的程度
材料的性質-機械性質
• 強度:物體抵抗外力變形和破壞的能力
– 抗壓
– 抗拉
– 彎曲
– 抗剪
材料的性質-機械性質
• 韌性:突受外力衝擊,不容易破壞
韌性
脆性
材料的性質-機械性質
• 剛性:受外力後不會扭曲變形,維持原樣
材料的性質-機械性質
• 延展性:物質能被拉長或碾薄而不折斷的
特性
材料的性質-機械性質
• 塑性:物質可以被塑造的能力
– 塑性佳:陶土、鐵絲、紙張
– 特殊塑性:鑄鐵、玻璃
材料的性質-物理性質
• 導電性:物質導電的能力
– 導體:銀、金、銅、鐵等金屬物質
– 半導體:碳、矽、鍺
– 絕緣體:
材料的性質-物理性質
• 導熱性:物質傳導熱能的能力
– 較佳:金屬
– 較差:布質、木材、石棉
材料的性質-物理性質
• 磁性:金屬物質接近磁石時,相互吸引的
特性
– 強磁性體:鐵、鈷、鎳
– 常磁性體:鋁、鉻、錳、鉑
– 反磁性體:金、銀、銅、銻
材料的性質-物理性質
• 熱膨脹:物質隨溫度變化而使體積發生變
化的狀況
– 正熱膨脹係數:溫度上升體積變大
– 負熱膨脹係數:0~4 ℃的水
材料的性質-化學性質
• 耐久性:物質抵抗風化或腐蝕的能力
– 耐久性佳:鋁、鉻、杉木
– 耐久性差:塑膠、鐵、松木
日常生活材料的分類-依性質分類
日常材料
金屬材料
無機非金
屬材料
天然有機
材料
人工聚合
材料
複合材料
半導體材
料
鐵金屬
石材
木屬材料
塑膠
碳纖維
矽
非鐵金屬
陶瓷
玻璃纖維
鍺
合金
玻璃
砷化鎵
鐵金屬
• 被稱為鋼或鐵,為鐵和碳的合金
• 會加入鉻、錳、釩、鉬、鎳、銅等金屬元
素,以及碳、矽、磷、硫等非金屬元素改
變鐵的性質。
– 例如不鏽鋼即是碳鋼中加入約12~22%的鉻,以
及8~16%的鎳。
碳鋼的含碳量及特性與應用
非鐵金屬-金
•
•
•
•
金的密度最高
延展性最佳
有極高的抗氧化性
有極佳的導電性
非鐵金屬-銀
• 化學活性小
• 質地柔軟價格昂貴
• 導電性為金屬中最佳
非鐵金屬-銅
• 富有延展性
• 具紫紅色光澤
• 自然界存量豐富,是人類應用於生產的第
一種金屬
• 導電性、導熱性僅次於銀,但價格較低許
多
非鐵金屬-銅
銅的重要合金
非鐵金屬-錫
• 在空氣中不易氧化,常做為食物容器
• 表面細緻光滑
• 習與鐵的合金,俗稱馬口鐵,即是用來製
做罐頭的容器。
合金-鋁合金
• 鋁的比重只有鋼鐵的三分之一,強度卻不
輸鋼鐵。
• 鋁在自然環境中,表面會形成薄膜的氧化
層,保護內層,因此耐腐蝕性佳。
合金-鎂合金
• 商用上最輕的結構金屬。
• 冶煉時會添加3~10%的鋁增加硬度。
• 適合用於筆記型電腦、手機外殼等。
合金-鈦合金
• 高強度且質地輕、耐腐蝕之材料
• 鈦合金表面會氧化形成一良好的薄膜,
抵抗氯離子等的腐蝕。
• 鈦合金不會被人體排斥,所以廣泛的
用於骨釘、骨板等醫學治療上。
合金
• 合金比較表
木屬材料
• 實木:經由原木鋸切形成原木板或原木條
• 木心板、合板:由大面積的板材及小片的
木條拼接而成。
• 纖維板、密集板:木材打成碎屑或粉狀,
經高溫、高壓膠合而成。
木屬材料
• 板材
– 厚度單位為分,一分的厚度為3mm
– 長度單位為尺,一尺為30.3cm,常見的板材為
3x6、3x7及4x8
• 角材
– 常用單位為寸,一寸的厚度為3cm,常見的角材
尺寸為1.2寸x1寸x8尺、1.2寸x2寸x8或1.2寸x1
寸x12尺、1.2寸x2寸x12尺
– 常見的材質為紅柳安角材、黃柳安角材及合板
角材
塑膠
• 由碳、氫、氧及氮所聚合而成的高分子化
合物。
• 由天然的動物骨骸、植物樹脂、松香提煉,
或由化石原料人工提煉而成。
塑膠-熱塑性塑膠
塑膠-熱固性塑膠
陶瓷
• 人類最早利用的材料之一
• 主要成分為氧化鋁、氧化矽、氧化鈣、氧
化鎂、結晶水及成色金屬。
• 陶瓷的特性
玻璃
• 一種透明、強度及硬度頗高的材料。
• 主要成分為氧化矽、灰石及碳酸鈉。
• 加入各種金屬氧化物可改變玻璃的顏色,
例如錳可造成淡紫色,加入鈷則變藍色。
石材
• 花崗石:耐腐蝕、耐磨,具鮮明的色彩,
適用於大樓外牆裝飾。
• 大理石:為變質岩,花色繁多,容易風化
故只適用於室內。
• 人造石:仿天然石材紋理製作而成,利用
破碎天然石材加入石粉、膠及水泥人工合
成。
複合材料-玻璃纖維
• 以高分子樹脂為基體,以玻璃絲為增強體,
複合而成的材料。
• 耐腐蝕、抗老化、絕緣性佳。
• 應用於運動用品、汽車及電子產品外殼、
造船等。
複合材料-碳纖維
• 以Rayon纖維、Poly-acrylonitrile纖維、
瀝青為基材,編織或多層複合,經高溫燒
結而成。
• 質地輕且堅硬
• 應用於腳踏車車身、網球拍,以及飛機駕
駛艙之控制面板、門板,用以減輕重量。
半導體材料
• 導電力介於金屬等導體與玻璃等絕緣體間
的物質。
• 正常狀態下不導電,提高溫度、光罩或給
予一點電能,便可改變電阻質,形成良導
體。
• 元素半導體有矽、鍺,化合半導體有砷化
鎵。
2-2 材料的加工與成形
切銷加工-鋸
手線鋸
折鋸
雙面鋸
線鋸機
圓鋸機
帶鋸機
切銷加工-切
尖嘴鉗
水刀切割
斜口鉗
剝線鉗
鋼筋油壓剪
切銷加工-鉋
• 將材料表面做平整處理
手工鉋刀
平鉋機
手壓鉋機
切銷加工-車削
• 利用車床將材料製成圓柱形狀
• 亦可用來車削螺紋或螺絲
切銷加工-銑
• 利用銑床在材料表面銑出凹槽
切銷加工-鑽孔
手搖鑽
手提電鑽
鑽床
木工鑽頭
金工鑽頭
水泥鑽頭
切銷加工-磨
砂紙
銼刀
手提砂磨機
桌上型砂輪機
模塑加工
射出成形
注漿成型
翻砂鑄造
模塑加工-翻砂鑄造
旋轉成形
• 拉坯
• 旋坯
塑性加工-軋延(Rolling)
• 材料放置於兩個滾動的軋輥間,利用軋延
而減低其厚度。
塑性加工-鍛造(Forging)
• 材料放置於上下一對的模具中,上方以鍛
槌施以重擊,改變材料的厚度、形狀與表
面紋路。
塑性加工-拉製(Drawing)
• 將圓棒、線材或管才通過直徑較小的拉模,
並用力向前方抽拉成更細小的線徑或管徑。
塑性加工-擠製(Extrusion)
• 將材料放置於裕成形的擠模中,由後方用
力擠壓,使材料通過擠磨而成形。
塑性加工-壓製(Pressing)
• 材料至於壓模上,以壓筒由板上施以適當
速度與壓力,製成中空成品。
粉末冶金
• 將金屬粉末擠壓至具有成品形狀的模子中,
並經高溫燒結,而得成品。
• 優點:
– 成品率高,適合大量生產
– 加工至最終成品,省去許多切削加工
– 可製成氣孔分散之材料
– 容易製成高熔點材料、複合材料
調質加工
• 經過熱處理,材料本身性質跟著改變,如
硬度、強度。
– 退火
– 淬火
– 回火
– 燒結
表面處理
• 物件加工完成後,須修飾其表面達到美化
效果。
• 進一步更可以改變物件表面的機械性能或
物理、化學特性,例如:耐磨損、耐高溫、
耐腐蝕。
表面處理-油漆
• 在物件表面上一材保護膜。
• 油漆種類:
– 調和漆
– 乳膠漆
– 水泥漆
– 磁漆
– 凡立水
表面處理-油漆
• 物件噴塗有顏色油漆之步驟
• 物件噴塗透明漆之步驟
表面處理-釉藥
• 釉的成分:長石、石英、高嶺土、石灰、草
木灰等物質,依比例調製而成。
• 上釉方式:
浸釉法
淋釉法
刷釉法
噴釉法
表面處理-釉藥
• 彩繪方式
– 釉上彩:再燒結的坯體上彩繪,再以較低溫度燒
成
– 釉下彩:在已燒結或未經素燒之素坯上以色料或
化妝土彩繪,再噴上一層透明釉,高溫燒成。
表面處理-釉藥
• 藝術釉:
– 窯變釉:還原燒製陶瓷器時,煙灰飛落和某些坯
體上的釉藥產生化學變化,產生特殊的釉色。
– 結晶釉:鐵在高溫時會融化在釉中,溫度下降後
鐵會局部附集,產生氧化物結晶。
表面處理-電鍍
• 一種電解過程,將特殊金屬均勻塗布在物
件上面。
• 電鍍的表面除美觀外,更具有保護內部物
件的功能。
• 另可提供如高導電性、高反光性等特殊功
能。
表面處理-陽極處理
• 把金屬放在陽極吸引氧離子使金屬產生氧
化,藉由氧化物保護內部金屬。
• 最常見的陽極處理金屬即為鋁。
表面處理-琺瑯
• 以熱融的方式將彩色玻璃物質固定於金屬
質、玻璃質或陶瓷質的物件上。
• 主要是以石英、長石等原料燒結而成的矽
酸鹽類。
• 比例要控制到使釉藥的膨脹係數比物件小,
熔點比物件低,才能使琺瑯完美附著。
表面處理-噴砂
• 利用細小金屬對金屬表面衝擊,使表面產
生顆粒化般的凹陷。
• 目的:
– 讓表面具有規則化的紋路,像是霧面處理。
– 讓表面看起來更閃亮。
• 噴砂材質:
材料的接合方式-膠合
• 材料間塗上一材接著劑,待乾燥後即可將
材料黏接。
• 膠合材料
– 紙張:白膠、膠水
– 木材:白膠(樹脂)、強力膠
– 金屬、陶瓷:環氧樹脂
– 塑膠:瞬間膠
– 建築用:矽氧樹脂
材料的接合方式-釘接
• 利用鐵釘、銅釘、鋼釘、螺絲、鉚釘將材
料彼此固定。
• 鐵釘、銅釘常用於木材上,但接合性差,
須搭配膠材使用。
• 螺絲接合性佳,但工序較多。
材料的接合方式-釘接
• 木材使用螺絲接合步驟
材料的接合方式-榫接
• 應用於木材上的接合,將材料一側面鑿孔
做榫眼,另一末端做榫頭,然後彼此倆緊
密接合。
材料的接合方式-焊接
• 應用於金屬連接,材料和焊料融化形成一
熔融區域,冷卻後便形成材料間的連接。
• 焊接的能量多為氫氧焰、電弧、雷射等。
材料的接合方式-溶接
• 材料結合表面塗上一層溶劑,溶劑會融化
接合面,代溶劑揮發,即可完成接合。
• 例如壓克力接合,即是利用氯仿。
電腦輔助設計製造
•
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電腦輔助設計(CAD)
電腦輔助製造(CAM)
精準加工控制(CNC)
雷射切割
水刀切割
2-3 製造科技的發展
製造型態的變遷
工匠生產
少量多樣
小型工廠
中量多樣
大型工廠
大量少樣
現代化工廠
大量多樣
企業化發展
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標準化與大量生產
流水作業
彈性生產線
專業分工與決策
產品行銷
售後服務
製造科技的發展趨勢-ODM
• Original Design Manufacturer知名品牌
委託專業製造工廠,從設計到生產產品一
手包辦。
• 共同創造品牌的多樣性與知名度,並且共
享利潤。
製造科技的發展趨勢-ISO認證
• 各國家對各廠商立下品質保證之最低要求。
• ISO 9000:適應政府要求、提升企業形象、
建立客戶信心、強化品質意識、健全管理
制度及增進工作效率。
• ISO 14000:制定標準環境管理,協助企業
在生產、銷售、產品使用及廢棄後的整個
生命週期,降低對環境的衝擊。
製造科技的發展趨勢
• 綠色材料
• 客製化商品
• 個性化商品