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理大研發新型多能量場輔助金剛石切削技術 實現高性能材料的超精密製造

社會事

理大研發新型多能量場輔助金剛石切削技術 實現高性能材料的超精密製造
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理大研發新型多能量場輔助金剛石切削技術 實現高性能材料的超精密製造

2026年03月30日 16:19 最後更新:17:03

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

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

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

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。

香港理工大學由10月1日起,舉辦為期兩周的「客韻灣區·同啟未來」大灣區客家文化聯展。作為第三屆「理大中華文化節」的重點項目,是次聯展透過展覽、舞劇、論壇及非物質文化遺產課堂等一系列豐富活動,展現客家文化與香港的深厚淵源,致力推動大灣區的文化交流、傳承與創新。

理大由10月1日起,舉辦為期兩周的「客韻灣區·同啟未來」大灣區客家文化聯展。理大圖片

理大由10月1日起,舉辦為期兩周的「客韻灣區·同啟未來」大灣區客家文化聯展。理大圖片

是次聯展獲惠州、河源、梅州及韶關四個城市的海外聯誼會鼎力支持及協辦。理大校董會主席林大輝表示,活動展示客家文化瑰寶,校方會盡力做到最好,助力香港建設「中外文化藝術交流中心」。

理大校董會主席林大輝。資料圖片

理大校董會主席林大輝。資料圖片

率先登場的「大灣區客家文化歷史及名人展」,展期由10月1日至16日。展覽旨在介紹大灣區客家文化,展示惠州、韶關、河源及梅州四市「四府同源」的深厚文脈。展出內容特別聚焦「粵港同心」與「僑脈通寰」兩大主題,並向公眾展出多份珍貴的「僑批」,以及海峽兩岸暨海外客屬史料,深刻見證客家兒女心繫桑梓的赤子情懷。

「大灣區客家文化歷史及名人展」將展示大灣區客家文化,例如珍貴僑批複製品。理大圖片

「大灣區客家文化歷史及名人展」將展示大灣區客家文化,例如珍貴僑批複製品。理大圖片

在10月1日的啟動儀式中,大會特別安排由惠州歌舞劇院傾情上演原創舞劇《1942 穿越封鎖線》。該劇以震撼的舞蹈藝術,重現抗日戰爭時期從香港成功拯救數百名文化人士和愛國民主人士的歷史事件這場驚心動魄的行動,曾被著名文學家茅盾譽為「抗戰以來最偉大的營救工作」。

由惠州歌舞劇院演出的原創舞劇《1942 穿越封鎖線》,以舞蹈藝術重現日佔時期的省港營救行動。理大圖片

由惠州歌舞劇院演出的原創舞劇《1942 穿越封鎖線》,以舞蹈藝術重現日佔時期的省港營救行動。理大圖片

為深化學術交流,理大於10月2日舉辦大灣區客家文化高端論壇,由嘉應學院客家文化研究院院長肖文評,以及理大中國歷史及文化學系講師劉繼堯,為公眾深入剖析客家文化的底蘊與傳承。

「梅縣提線木偶」非遺文化體驗課堂於10月7日舉辦。理大圖片

「梅縣提線木偶」非遺文化體驗課堂於10月7日舉辦。理大圖片

此外,為了讓參加者能親身體驗客家文化的獨特魅力,大會將分別於10月6日、7日、14日及15日,特設四場非遺文化主題體驗課堂。內容涵蓋「龍形拳」、「梅縣提線木偶」、「忠信花燈」以及「瑤族刺繡」,參加者可透過互動體驗,近距離感受非遺文化之美。

「龍形拳」非遺文化體驗課堂於10月6日舉辦。理大圖片

「龍形拳」非遺文化體驗課堂於10月6日舉辦。理大圖片

「瑤族刺繡」非遺文化體驗課堂於10月15日舉辦。理大圖片

「瑤族刺繡」非遺文化體驗課堂於10月15日舉辦。理大圖片

「理大中華文化節」作為該校的年度重點盛事,一直期望通過豐富多元的活動弘揚中華文化,藉此培養理大師生及公眾人士的家國情懷與文化自信,進一步提升他們對國家的身份認同、自豪感和歸屬感。

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