機械加工，包括材料的精確切割及成形，是製造業的核心工序，隨着具備極高強度及硬度的先進材料獲廣泛採用，傳統技術漸漸難以達到所需的精密度。香港理工大學研究團隊研發了一項突破性機械加工技術，在金剛石切削過程中耦合原位激光與磁場，提升切削流暢度與加工表面精度，同時減輕材料的亞表面損傷及降低刀具磨耗。此項雙場技術展現了超越其他現有能量場輔助切削技術的卓越效能，有望在更多難加工新型先進材料上實現超精密加工。
由理大工業及系統工程學系教授及超精密加工技術全國重點實驗室副主任杜雪教授與其研究團隊獨創的多能量場耦合輔助超精密加工技術，名為「原位激光－磁場雙場輔助金剛石切削」（LMDFDC）。相關研究成果已刊登於國際期刊《國際極限製造雜誌》（International Journal of Extreme Manufacturing）。
理大研發激光與磁場雙場輔助金剛石切削技術。理大圖片
原位場加工是指在機械加工過程中，將激光或磁場等外部能量場，同步直接施加於切削區域。現有的能量場輔助技術均存在一定局限，例如激光場雖能軟化硬脆材料，令其更易被切削，卻有機會因過熱導致材料熔融損傷；磁場可減小切削阻力、強化散熱以令切削過程更順暢，但其效果在不同材料間表現不穩定，且無法避免在高性能材料（如高熵合金）中因硬質顆粒脫落而造成表面劃痕。
LMDFDC通過結合激光及磁場，令兩者優點得以協同發揮，同時克服各自不足。研究團隊在高熵合金工件上，分別採用新技術和另外三種加工方式以進行比較，包括僅激光切削、僅磁場切削及無任何外場切削。他們利用了一系列先進分析工具，從表面形貌特徵、亞表面演化規律，乃至原子尺度的結構特性等多個層面，觀察材料的變化。
理大杜雪教授與其研究團隊。理大圖片
結果顯示，在「熱—磁—機械」多物理協同作用下，LMDFDC將加工性能提升至單一能量場無法達到的精度程度。具體而言，技術通過磁場增強熱傳導，抑制激光引起的熱損傷，同時利用激光軟化硬顆粒以避免劃痕，並提升切削穩定性，從而令完成品表面更平滑、亞表面損傷更少。雙場耦合效應還防止了因嚴重摩擦導致的刀具邊緣積屑，以及高溫引致的刀具快速損耗，顯著降低刀具磨損，延長其使用壽命。
走在先進製造技術研究的最前沿，杜雪教授在2017年帶領團隊首次提出磁場輔助金剛石切削技術，提升了難加工材料的可製造性。她表示：「隨着時代發展，單一能量場輔助加工技術越來越不足以應付新型高性能材料的超精密加工，尤其是新興的高熵合金。這種金屬材料兼具優異的強度與穩定性，在先進工程應用上具高度吸引力，特別於航天、能源等高端領域發展潛力龐大。LMDFDC正為這類新材料的加工帶來了技術突破，更開闢了超精密製造技術的嶄新發展路徑。」
理大杜雪教授。理大圖片
除了引入這項變革性的雙場輔助加工技術， 研究亦探究了當雙場同時被應用時，材料產生的反應、其內部發生的變化，以及這些變化帶來的具體效能提升。這深化了學術界對材料變化背後的科學原理及機制的理解，填補了多能量場加工領域中的知識缺口，對未來因應不同先進材料作技術設計具關鍵意義。
杜教授補充：「這項研究是首次全面探究激光與磁場在超精密加工中，如何產生協同效應，以及其與單一場效應有何不同。研究成果對於推動與多物理場加工理論相關的前沿學術發展，以及發掘創新加工技術帶來了重要貢獻。」
研究團隊目前正對這項創新技術進行專利申請，並計劃未來探索更多不同能量場的協同組合，為新一代高性能材料的製造提供更豐富且可靠的技術途徑。
此項研究獲得國家自然科學基金委員會的「面上項目」，以及香港特別行政區政府研究資助局的「優配研究金」和創新科技署創新及科技基金的「內地與香港科技合作資助計劃」資助。
