【國家重點實驗室】追求超精密加工極限 理大不讓研究流於理念

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「差之毫釐,謬以千里。」用此形容超精密加工技術最好不過。高解像度手機鏡頭、照明範圍大且光源均勻的LED街燈、不戴3D眼鏡也能看到3D效果的電視……種種生活的便利統統拜超精密加工技術所賜。超精密加工是尖端工業生產的核心工序,理工大學「超精密加工技術國家重點實驗室」(下稱「實驗室」)專注研發相關建模及仿真、精密測量等技術,讓高精準度產品走入尋常百姓家。

此乃《國家重點實驗室》系列報道之七

成立於2009年的實驗室鑽研超精密加工技術及研製生產模具,助企業完成不可能的任務。(高仲明攝)

「我們所追求的加工是一種極限。」實驗室署任主任兼理大工業及系統工程學系教授張志輝說。走進實驗室,除了林林總總的加工及精密注塑儀器外,還有一間擺了數部測量設備的防塵間,人們進入前要先徹底吹走身上灰塵,以防沾上儀器影響測量結果。零部件即使不起眼如螺絲,但只要有一點點誤差,影響也舉足輕重。

張志輝說,現時實驗室追求的形狀誤差限制在亞微米級,表面粗糙度則要符合納米級水平。亞微米是一個怎樣的概念?一條頭髮的直徑為約40微米(一微米等於千分之一毫米),亞微米即頭髮直徑的百分之一,隨着素材、工件及標準不斷推陳出新,實驗室希望藉着提高超精密加工技術的精度及可供加工的複雜程度,向業界提供技術改善加工效果。

人們進入放有測量設備的防塵間前,要先徹底吹走身上灰塵,以防沾上儀器影響測量結果。(高仲明攝)

滿足社會需要 填補企業空白

成立於2009年的實驗室前身為先進光學製造中心,自1996年起為工業界提供光學設計、超精密加工、超精密測量等科技應用顧問服務。現時實驗室的常規職員連同研究生約40人,主要圍繞五大研究方向工作:超精密加工切削機理、加工技術、測量檢測、儀器研發及先進光學設計製造,以提升香港及內地先進光學和關鍵精密部件的設計、製造和測量能力。

張志輝記得,中心成立初期,社會對非球面技術仍一竅不通,但隨着應用日益廣泛,創作空間擴大,可設計更多新產品。當工件結構複雜程度愈來愈高,傳統加工方法滿足不了未來的要求,需要加緊研發嶄新超精密加工技術及設備,基礎研究自然不可或缺。他解釋,研究人員不時需要分析,為何加工後可以做出這種精度,「一般企業不會研究這些,但我們便要問『為什麼』,如何優化才可做得更好、更精準。」

工件愈做得精密,便能發揮特別的功能。(高仲明攝)

全球對「工業4.0」趨之若鶩,不論是「中國製造2025」,還是美國《振興美國先進製造業報告》,均有提及。「工業4.0」的核心在於高度自動化,藉智慧型整合感控系統等技術提高生產力。對實驗室而言,成熟的測量技術是基本,團隊現時着力開發「在位測量設備」,即在加工過程中直接在機器上測量,減少生產線人手處理,增強自動化元素。研究團隊於兩年前研發出用於三維表面原位測量的多傳感器系統。張志輝解釋,系統由運動感測器和雷射掃描儀組成,可安裝於不同機械上,用作3D高動態範圍原位表面測量,改善了精密加工的程序。

超精密加工技術應用廣泛,除了較常見的先進光學零部件如手機鏡頭及LED街燈之外,閉路電視的塑膠外罩、漸進鏡片及AR鏡片等自由曲面,也需很精密的加工才可做到清晰度高而影像不變形。此外,實驗室同時涉獵適用於能源、生物醫學、訊息通訊,甚至國防及航天等領域的精密光學元件和製造技術。

超精密加工技術應用廣泛,常用於手機鏡頭。(資料圖片/鄭子峰攝)

團隊得到創新及科技基金100萬元資助,花了近兩年時間研發出超精密加工技術的滾筒切削法,並仿效昆蟲複眼原理,成功製造出「高清3D成像複眼透鏡系統」。系統採用創新的微透鏡陣列,以多組「小眼」構成的鏡片可同時拍攝多達六萬張圖像,再組成照片,經後期製作重新對焦及分析相片物件的距離及大小,便可解決因光線、角度和解像度不足等造成的失真問題,讓鏡頭範圍內所有影像也有足夠細緻度。這項技術可應用於閉路電視鏡頭、3D電視、3D掃描儀,甚至醫療設備如胃鏡等光學產品。

對張志輝而言,精密製造技術最吸引之處在於可將一些難以想像的效果化為現實。他說,每個工件表面理應有一些特別功能,如能做得精密,便會發揮一些特殊功能,可以抗磨損、提升光學效果,甚至幫助許多人。他指着眼前的銀色人工關節解釋,人工關節表面的光滑度有其功能需求,如果拋光技術可達致納米級,便不易磨損,大大提升其壽命,由五年至二十年不等;又如素來被稱為集傳統光學、人體工程學、精密機械、資訊電子等尖端技術於一身的醫學內窺鏡,檢測儀器的鏡頭是核心所在,但內窺鏡細小如藥丸,鏡頭既要高解像度,尺寸又不能過大及過厚,便需倚賴極精準的技術製造。

對張志輝而言,精密製造技術最吸引之處在於可將一些難以想像的效果化為現實。(高仲明攝)

推動技術轉移 告別空中樓閣

從事生產,最忌諱的是紙上談兵。實驗室讓研究不再流於理念。「我們要透過產業化及在行業中應用,才能看到技術影響力。」身兼理大知識管理及創新研究中心副總監的張志輝認為,基礎研究及設備開發固然重要,但同時需要滿足實地場景測試及應用,適合生產線運作,才能將知識轉移把技術發揚光大。他介紹,理大本身設有顧問公司,提供顧問服務式合作,也可與企業進行為期兩至三年的聯合研究項目。他解釋,有些企業本身已有產品理念及原型,但未能解決生產要求,便需依靠實驗室。

張志輝指出,將來行業的發展方向並非用標準設備去加工標準工件,「可能要做一些特別的加工設備,去應付複雜的加工任務。」為此,實驗室近年着重超精密加工裝備及儀器研發,把基礎研究中發掘的概念應用於設計加工裝備上,甚至協助將技術融入生產線,供廠家製造需要的精密產品。

(高仲明攝)

張志輝表示,現時不少企業因缺乏超精密加工技術未能製作精密模具,難量產高精度關鍵零部件。他以玻璃光學元件為例解釋,由於模製溫度較塑料光學材料高,模具需用極難加工的硬質合金製造,令要將玻璃微細結構壓印於微米級光學元件上倍加困難。他的團隊去年以自主的加熱技術及模具設計,研發出含類石墨烯塗層的新型精密微壓印設備,成功解決上述生產難題。

新型微壓印設備採用類石墨烯塗層,能更精確快速地加熱光學玻璃,有助壓印過程後順利將玻璃工件從模具剝離,直接做出3D效果,毋須再做一層鍍膜。這較傳統紅外線方法節省60倍電力,製作成本也降低三分之二;研究團隊同時開發出控制和監測軟件,可即時在網上讀取溫度讀數,從而微調運作參數,縮短生產時間,為產業朝着高效高質、低成本及環保等方向發展創造條件。

新型微壓印製造出來的微米級玻璃光學元件,可應用於光學電子產品及儀器如投影機放大鏡。(資料圖片/葉璋時攝)

而製造出來的微米級玻璃光學元件,除了可應用於光學電子產品及儀器,如手機鏡頭、投影機放大鏡外,還可以用在醫學掃描、天文、安全監控系統等範疇。此項新型精密微壓印設備也獲得創新及科技基金資助,已取得八項專利,並在「第46屆國際發明展」贏得金獎。「實驗室希望技術能去到不同角落,如何推廣技術轉移?其中一個方法就是將裝備研發做得更好。」張志輝解釋,有別於往日進口設備、再從中了解機理運作,「實驗室經過一段時間沉澱掌握一定經驗,能自行研發設備。」張志輝形容,這就是實驗室的成長過程。

從宏觀到微觀 未來製造基礎

往日的工業追求產量,但時移世易,今天已要求質量並重,而從宏觀的大型零件加工轉向微觀更是未來製造業發展趨勢之一,超精密加工技術則是高科技產品的基礎,成為發達國家高度重視的研發領域。張志輝表示:「超精密加工技術已成為高科技國力指標,不論是研究及產品,我們一定要有高精度能力,才可以到世界市場競爭。」

張志輝認為,開發儀器是推動技術轉移的重要力量之一。(高仲明攝)

近十多年來,各地致力協助企業升級轉型,香港也提出「再工業化」,期望改變經濟過度依賴金融及地產的局面。在張志輝眼中,香港是中國一個舉足輕重的研究基地,而發展基礎研究的能力及人才培訓,方可形成頂尖的科學力量。他指出,成為國家重點實驗室不單是科技水平得到指標性的認可,還可促成不同層面的合作。現時實驗室除了與天津大學及清華大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室共同研究外,還與廣東省及陝西省等地區合作測量及精密儀器的製造研發,也有與海外公司合作。

張志輝期望2023年初落成的落馬洲河套港深創新及科技園,以及大灣區發展規劃可更貼近企業,建立生態鏈,以發揮最大經濟效益,同時提高中國超精密加工技術至頂尖水平。他強調,實驗室雖然並非為客戶解決問題的公司,但也希望可為企業解難,為業界推動新標準,「我們算是幫自己實踐夢想的同時,也能成就業界的夢想。」

上文刊載自第145期《香港01》周報(2018年1月7日)《工業4.0核心 追求極限的超精密加工》。

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