研究動機：中鋼專門開發給手工具業者生產高強度之手工具用鋼9865在不同熱處理條件下，因高硬度(HRC 58以上)導致拉伸試驗時，材料受力超過降伏強度後進入塑性區即產生斷裂，使塑性應力與應變資訊不足，造成材料機性塑流曲線回歸分析失真，影響模擬分析之準確性。然而，若以扭力試驗作材料強度測試時，可測出大角度之塑性變形行為。為解決拉伸曲線回歸分析不精確之問題並提高CAE分析精準度，本研究嘗試利用扭力實驗值，搭配扭力CAE分析進行塑流曲線修正之可行性研究與評估，提高手工具產品的CAE預測分析精準度，從模擬分析解決手工具設計不佳造成之破壞斷裂問題。
研究方法：設計扭力試棒並在扭力試驗前對中鋼9865材料進行2組不同參數的熱處理，分別為A組的880°C淬火與300°C回火，B組的840°C淬火與300°C回火。將A、B兩組熱處理後之標準拉伸試棒作拉力試驗以獲得材料塑流應力應變曲線，此曲線用在扭力CAE分析初期之材料機性設定值。另外將不同熱處理之扭力試棒作扭力測試，並記錄扭轉角度對應之扭矩，作為修正塑流曲線之基礎。接著建立扭力CAE模型模擬扭轉過程，輸出扭轉角度與扭矩之關係曲線，再與扭力實驗的扭轉角度與扭矩曲線作對照，針對模擬與實驗間的差異來修正塑性區之塑流應力應變曲線，再代回CAE模型作分析反覆修正，直到模擬獲得之扭轉角度與扭矩的曲線與實驗值近似，此時再與拉伸實驗獲得之應力應變曲線進行交叉分析，以評估由扭力反推材料塑流曲線之可行性。
結果討論：在扭力實測方面，當熱處理條件為淬火880°C與回火300°C時，扭轉角度可高達218°才斷裂失效，最大扭矩為88.55 Nm，而淬火840°C與回火300°C之熱處理條件時，最大扭轉角度108°，僅為熱處理A組扭轉角度一半，但最大扭矩85.95 Nm，此結果表示9865鋼材在較高淬火溫度下，雖然最大扭矩值差異不大，但可提高扭轉角度而延後破壞斷裂的發生時機，有助於手工具使用上的安全。現行塑流曲線之回歸分析，依材料機械特性使用不同回歸方程以更趨近實驗獲得之塑流曲線，並預測實驗值以外之應力與應變趨勢。9865鋼材因在塑性區域之拉伸資料不足，以Swift法回歸獲得塑流曲線後，在作扭力CAE模擬分析得到之扭轉角度與扭矩關係曲線時，誤差極為顯著，因此在近十次的修正後發現，Swift搭配Hockett-Sherby作為曲線表示式可使誤差值降低並與實驗相近。然而，複合式回歸曲線在小應變時即與實驗值有誤差，因回歸曲線是為了趨近扭力實驗值所獲得，若以此曲線值作拉伸模擬，會與拉伸實驗值有差距，此兩者間之差異需進一步探討或作另外修正以獲得適用於拉伸與扭力的塑流應力曲線方程式。
結論：本研究利用扭力實驗數據期望對應找出高應變時的塑流應力應變曲線預測，當前以Swift & Hockett-Sherby複合式方程作塑流應力應變曲線回歸後，可找到一組解滿足扭力之數值解與實驗值相近。在高硬度鋼材時，目前之結果若由扭力反推塑流應力應變曲線看似可行，有望解決塑性特徵預測困難的問題，但仍有理論上的不足，未來將由理論分析深入探討並尋找出數學修正轉換式，完成適用於高硬度鋼材之正確塑流應力應變曲線預測方法。

小型史特靈致冷器為高經濟與戰略價值之致冷設備，其一般使用致冷溫度為70～150 K，致冷功率(Cooling capacity)為0～1 W，而輸入功率小於50 W，相較於Joule-Thomson、Brayton、Gifford-McMahon等低溫致冷器，史特靈致冷器在微型化、可靠度及系統整合更具競爭力，目前主要應用包含紅外線光學感測器、高溫超導體、氣體液化與可攜式致冷冰櫃等。
本研究完成一小型史特靈致冷器之設計製造，由兩個動件(活塞、移氣器)對工作流體反覆壓縮膨脹，配合內部再生熱交換器完成致冷循環，驅動動力為一自製直流無刷馬達，額定轉速與功率分別為3000 rpm與30 W，此外本研究建立史特靈致冷器之實驗量測系統，包含致冷器之驅動控制、溫度、振動感測、熱負載調節。馬達控制法採用六步方波驅動法(Six-step square wave switching)，致冷溫度之變化使用矽二極體(Silicon diode)感測器紀錄，以振動分析儀量測史特靈致冷器系統振動頻率，整理不同速度及壓力下之 XYZ 軸三方向振動大小，熱負載方面則以PI電熱片供應加熱功率。
本研究以氦氣作為工作流體，於致冷器內部填充35 bar壓力密封，在操作轉速達3000 rpm條件下致冷頭(Cold head)可獲得88 K之冷卻溫度。原型機於30 bar填充壓力、3000 rpm轉速操作條件下，在113 K致冷溫度可獲得0.2 W 之致冷功率。實驗中將振動分析儀致於馬達表面並量測三軸之振動輸出，可發現在x軸與z軸有較大振動發生，x軸振動為活塞壓縮膨脹造成，而z軸之振動為馬達軸受負載導致。

積層製造或現在廣稱的3D列印技術自1980年代發展至今，已可運用不同製造技術與製程，列印出多種不同材料並運用在不同領域之中，但是列印一個物件以單一材料為主，多材料光固化積層製造於感測器之應用與製程還在初期萌芽階段，而為尚存在之研究缺口。依先前研究之積層製造技術其中分支，微米擠出直寫技術 (Micro-Dispensing Direct Write Technology)，使用具功能性碳黑墨水，可將設計之應變規(strain gauge)直接寫在軟性基材、陶瓷及鈦合金基材上，經過熱處理後，使其具有傳感應變功能及感測表面應變，測量之應變係數優於市售應變規 達三倍之多。建立在積層製造技術的基礎上，透過智能材料的開發衍生之所謂“4D列印”技術，在近幾年的研究中有快速的發展趨勢，並應用於醫療、感測器、制動器及電子電路上。本研究透過光聚合高分子混合物與數位光固化成形技術(Digital Light Processing)，其主要配方為光啟始劑、交聯劑、與單體，列印出具溫度響應之形狀記憶高分子，並對於材料配方與可列印性做最佳化研究，在後段研究中將光固化材料添加導電粒子使列印之物件具電性，期望最終能將感測器在列印過程中嵌入，開發新型智慧零件製程。

地球暖化日益嚴重的氣候炎熱，冷氣空調設備成為家家戶戶必備的產品，其中集風箱為連接空調機體與風管之裝置，其作用如吹風機吹嘴，能使冷氣集中輸送至連接的出風管及出風口，集風箱接頭則為連接集風箱跟風管。目前空調集風箱接頭在製造及組裝上存在許多缺點，在製造部分，由於尺寸規格多達12種，模具費用高昂。另外接頭材質多為鍍鋅鐵金屬，金屬板金成型製程複雜，生產成本高。在組裝部分，集風箱、接頭及風管組裝，需要靠安裝人員爬到高處進行膠帶纏繞，安裝過程困難，施工危險高。
本計畫為開發高效率安全空調集風箱接頭產品，透過創新結構設計來改善目前集風箱與風管接合費時、費工及危險的問題，在產品材料以工程塑膠取代金屬材料，透過射出成型可大量生產，減少金屬成型繁瑣，降低生產成本。另外集風箱接頭有12種不同尺寸規格，透過替換式模組化模具設計，只需一組模座就可適用全部尺寸產品，可大幅降低模具生產成本，在模具開發過程將導入CAE軟體進行流道與水路設計分析，以找出最適化的模具設計，並建立產品優化參數成型視窗，以減少試模次數，得到最佳化產品品質。
從開發結果顯示，在創新性快速組裝結構部份，將產品設計成上座及底座兩段式卡榫，上座連接集風箱，底座連接風管，將上座、底座直接對插即可完成集風箱與風口組裝，可以提高安裝效率及施工人員安全性。材料選用PP塑膠，具有較高的耐衝擊性，機械性質強韌，抗拉強度28MPa，50CM高度摔落不會產生脫落破碎。在模具開發部分，以資源循環運用為目的，建置一套模組化替換式模仁，只需一組模座就可適用全部尺寸產品，可大幅降低模具生產成本，同時符合循環經濟之發展趨勢。本計畫開發改善傳統空調集風箱接頭缺點，開發安裝效率高、安全性高及模具生產成本低的產品，對企業升級及競爭力有很大的幫助。

關鍵詞：集風箱接頭；創新結構；替換式模仁；循環經濟

射出成型製程已經廣泛地應用於許多汽車、航太、精密零組件、5C產品及日常生活用品之大量生產。然而，隨著產品結構越變越複雜，規格要求日益嚴格，傳統利用嘗試-錯誤-嘗試法 (trial-and-error)進行開發，很難有效掌握系統遭遇之問題。因此，利用電腦輔助工程技術(Computer-aided engineering, CAE)之理論模擬分析協同產品或製程開發已經成為新世代射出成型產品開發之主流。然而，針對相同條件與環境下，CAE模擬分析預測結果常與實際實驗結果有所差異，此部份常困擾產學界。有鑑於此，我們將利用圓平板為幾何系統，以射出成品之直徑尺寸當成是品質因子，透過虛擬之CAE模擬系統與實際射出系統組成數位雙生(digital twin system)系統進行深入研究。首先，我們透過文獻蒐集與整理，選定6個重要之操作參數，包括：射出速度、塑料溫度、模具溫度、保壓時間、保壓壓力以及冷卻時間等參數進行單一因子測試。結果顯示，保壓壓力造成之品質因子變化效應最大，且具有規律變化，因此將之選定為後續研究之實務操作因子。之後，我們嘗試利用從澆口處所得之壓力歷程曲線當成是內在驅動力的基準，具體針對CAE模擬系統與實際射出系統之壓力歷程曲線進行比較，結果顯示，我們從外觀設定以為完全相同之虛擬與實體射出系統，實際上並不相同。為此，我們針對虛擬射出系統不斷改變其射速，再與固定之實體射出系統之壓力歷程曲線進行比較，當兩個系統具有近似之壓力歷程曲線時，該等系統才是實質相當之系統。接著，我們思考並提出機台校正程序，並將該等程序於虛擬與實體射出系統進行校正作業。當完成校正程序後，我們利用另外一組子母模具進行虛擬與實體射出系統之內在驅動力之比較，結果顯示兩者之內在驅動力非常相近。