輕合金材料與生活 Meinong 高美醫專100學年度第1學期【通識講座】課程 分享人:古錦松 ◎台灣地區美濃博士學人協會秘書長 ◎中山大學助理教授 ◎中華民國第四十屆十大傑出青年 ◎台灣銲接協會証照委員會主任委員 ◎中華民國技能競賽銲接職類裁判長 資料來源部份取於金屬中心

材料方面的演進史

材料 金屬材料 複合材料 陶瓷材料 高分子材料 電子材料

未來社會與文化變遷對金屬製品之需求 生醫照護 金屬相關產業潛在商機需求 輕量化/節能化 環保無公害 個性化與時尚化 精微化 高齡化社會 生醫用產品 行動照護輕便化 人性化、少量多樣、多功能 休閒活動增加 交通工具節能 與智慧化 輕量化及多功能性運動休閒器材 運輸工具輕量化 舒適化、智慧化 資訊化社會 輕量化/節能化 環保無公害 個性化與時尚化 精微化 生醫照護 對環境的關心 可攜式資訊產品 高速網路 資訊產品精緻化 綠色生產製程 廢金屬回收製程 金屬相關產業潛在商機需求

金屬材料依使用金屬的不同，大致可分為兩大類：第一類是以金屬鐵（Fe）為主，並含有其他元素的合金，鐵元素所佔的比率較高，如 鋼、不鏽鋼；第二類為非鐵金屬的金屬材料，如銅（Cu）、鋁（Al）、鎳（Ni）、鈦（Ti）等。 不鏽鋼是由鐵、鉻、碳及其他不同元素所組成的合金，不鏽鋼產品如餐具、廚具、門、窗、機械零件、水塔、室內裝潢、3C 產業（通訊、電腦與消費性電子產品）、醫療及航太材料等。 低碳鋼:含碳量0.02到0.3wt% 中碳鋼:含碳量0.3 到0.5wt% 高碳鋼:含碳量0.5 到2.0wt% 碳鋼 低合金鋼:合金元素總含量小 於5wt%; 中合金鋼:合金元素總含量介 於5wt%到10wt%; 高合金鋼:合金元素總含量大 於10wt% 合金鋼

不銹鋼 •麻田賽鐵不銹鋼 肥粒鐵不銹鋼 奧斯田鐵不銹鋼 析出硬化不銹鋼 雙相不銹鋼 不銹鋼是一種含鉻 12％ 以上的合金，因為不銹鋼內有鉻的存在，會在表面產生一層肉眼看不見的薄膜，這層膜具有保護作用，可以隔絕空氣、水氣，還可以防止外來酸鹼的攻擊，在拋光後，表面好像一面鏡子，閃閃發亮。不銹鋼依用途會製成不同的形狀，棒狀、管狀、線狀、板狀等。 鋼鐵表面很容易生鏽，就是鐵被空氣中的氧氣氧化，生成銹層，叫做氧化鐵，為多孔質，周圍之空氣與水氣仍能穿透銹層，繼續腐蝕，以至完全敗壞。 不銹鋼依金相組織分為： •麻田賽鐵不銹鋼 肥粒鐵不銹鋼 奧斯田鐵不銹鋼 析出硬化不銹鋼 雙相不銹鋼

Steel(7.9)＞Ti(4.5)＞Al(2.7)＞Mg(1.8) 輕合金定義 高功能輕合金定義（High Performance Light Alloys） 定義：常溫下具質輕、高強度、特殊功能性及地球蘊藏豐 富合金元素等特性之金屬材料 範圍：鋁、鎂、鈦等金屬材料【註】金屬元素地球蘊藏量 排序：Al ＞ Fe ＞ Mg ＞ Ti ... 比重 Steel(7.9)＞Ti(4.5)＞Al(2.7)＞Mg(1.8) 比強度, σB/ρ Mpa/(Mg/m3) 比剛性, E1/3/ρ GPa1/3/ (Mg/m3) PC CF10% Mg鑄件 AZ91D 制震性 Mg(25%)＞鑄鐵(17%)＞Al(1%) Al 鑄件 鋼 Ti

輕合金材料價格及回收殘值比較  相對價格比 合金鋼(0.2) ：鋁合金(0.5) ：鎂合金(1) ：鈦合金(8.5) (以常用合金材料及其較潔淨之廠內餘料殘值為例)  單位：元/kg (Cr-Mo鋼) (ADC 12) (AZ91D) (Ti-6-4) 相對價格比 合金鋼(0.2) ：鋁合金(0.5) ：鎂合金(1) ：鈦合金(8.5)

－ 輕合金於生技福祉產業之應用 － 人體親和性 質輕/ 高耐蝕性 高比強度 高功能輕合金 Al、Mg、Ti 非磁性/ 金屬質感 電磁遮蔽性 •人工植入物(關節、骨骼、齒根…) •飾品(首飾、手錶、眼鏡…) •抗菌產品 •福祉產品 (輪椅、拐杖、殘障設施…) •醫療輔具 (義肢、復健器具…) •製程設備結構件 •食品加工/生技產業機具 (管路、閥件…) •人工植入物、手術器具… 人體親和性 質輕/ 高比強度 高耐蝕性 高功能輕合金 Al、Mg、Ti 非磁性/ 電磁遮蔽性 金屬質感 •醫療檢測電子儀器 •心律調節器等人工電子器官 •器皿、手術器具、 檢測儀器殼體… •飾品(首飾、手錶、 眼鏡…)

輕合金於福祉產品之應用—輪椅 競速用 籃球競賽用 網球競賽用 居家用 乘坐飛機用 簡易電動輪椅 電動輪椅(龍頭把手可前後傾仰、座椅可左右轉動) 雙人電動輪椅 易拆解組裝

產品發展趨勢 材料技術需求 多功能複合化(電動、復健、資訊產品、醫療檢測…) 輕便化(摺疊式、迅速拆解組裝…) 輕量化/高比強度 站、坐、躺、臥多功能輪椅 防撞 感應器 緊急停止按鈕 後輪電動驅動 座位調整機構 氣壓開關 音響裝置 個人 電腦 充電裝置 產品發展趨勢 多功能複合化(電動、復健、資訊產品、醫療檢測…) 輕便化(摺疊式、迅速拆解組裝…) 材料技術需求 輕量化/高比強度 加工性佳 防電磁波、抗菌、質感 鋁、鎂、鈦 頭部操控式電動輪椅概念產品

輕合金於福祉產品之應用—汽車 產品高行動化 材料輕量化/高比強度

輕合金於福祉產品之應用—義肢、醫療輔具 質輕/高比強度：降低患者負荷、提高活動性 復健固定器 義肢(手、腳掌) 輔具(腿、腳、手) 助行/復健器 多功能復健自動病床 殘障用 腋下拐、前臂拐、多腳拐、摺疊拐

輕合金於福祉產品之應用—殘障輔助設施 樓梯輔助器-2 消減高低階差裝置 樓梯輔助器-1 樓梯輔助器零件 (鎂合金) 居家懸吊式輔助行動裝置 樓梯輔助器-3

輕合金於生技/醫療設備之應用 產品材料訴求： 核磁共振儀(鋁合金結構) 生物晶片自動化生產設備 (生物晶片陣列點印機) 鋁合金框架 三次元植點機構及陣列點印頭 溶液微井盒 核磁共振儀(鋁合金結構) 生物晶片自動化生產設備 (生物晶片陣列點印機) 產品材料訴求： 抗靜電、抗電磁波干擾 質輕/高強度(利於結構強度及操作性) 潔淨化(抗腐蝕、不純物釋出率低) 齒科X-ray檢查設備零件(鎂合金)

輕合金應用案例1. 現有招牌支架皆為碳鋼材質，其較容易因風吹日曬而腐蝕生鏽，使用壽命短，具有潛在危險性 。 新招牌採用「鋁合金金屬」，其材質特性質輕、耐腐蝕、強度佳、加工容易、可塑性高、價格低廉，其優勢易於量產加工使用。

此招牌設計主要採用輕合金來改善以往天災過後，招牌掉落造成的危險意外事件，以「安全問題」角度切入探討 。

產品介紹與展示

輕合金應用案例2. 鈦合金結構管(專利) 超輕型的車架 製作過程 X-ray: Perfect weld

鈦合金之特性與用途 ◎醫療材料 低溫導電性 超導體 ●穩定需求 ○預期需求 ◎新的需求 流行、時尚 流行、時尚 輕 量 低剪力模數 高強度 ○超導發生器 流行、時尚 ○超導 發生器 流行、時尚 ◎照相機體 輕　量 ◎ 照相機體 輕　量 ◎運動器材(高爾夫球頭) ●眼鏡框 ◎ 運動器材 ( 高爾夫球頭 ) ●眼鏡框 ○ 汽車 ●手錶 ●手錶 ◎消音器(機車，汽車) ◎消音 器 ( 機車，汽車 ) ○汽車 ( 連桿 ) (連桿) 低剪力模數 ◎ ◎自行車架 自行車架 ●航太：體結構 ●航太：體結構 ○汽車(閥彈簧) ●航太：引擎組件 ○汽車 ( 閥彈簧 ) ●航太：引擎組件 ◎ 渦輪葉片 ◎ ◎烹調容器 烹調容器 ◎渦輪葉片 　　　○海洋油井提升管 ○餐具 ○餐具 　　　○海洋油井提升管 　　　○深海研究艇 　　　○深海研究艇 　　　　　◎土木工程與結構 ●板式熱交換器　○食品加工設備 　　　　◎土木工程與結構 ●板式熱交換器　○食品加工設備 ●熱交換器　●冷凝器　●陽極 / 陰極 ●熱交換器　 ●冷凝器 ●陽極/陰極 ●塔槽與容器　　　　　◎海水淡水設備 ●塔槽與容器　　　　　◎海水淡水設備 高強度 高 強度 耐腐蝕 抗 腐蝕 輻射半衰期 ○ 造船與零組件 ○造船與零組件 非毒性 ◎ 輻射廢棄物處理設備　　　　　　　　　◎醫療材料 ◎輻射廢棄物處理設備 ◎醫療材料 生物相容性 　　　　　　　◎靶材　　　　○抗菌建材 ◎靶材 ○抗菌建材 　　　　　　　○電子零件 ○電子零件 磁性非敏感性 光觸媒反應 資料來源：神戶製鋼技報，Dec.1999

鈦合金特性及其應用

國內之鈦合金產業前景

鈦合金材料於民生/休閒產品之應用 室內擺設藝品(壁飾、花器、造型藝品) 唇膏外殼 儲酒器 印章

鈦合金材料於生醫產品之應用 高齡化社會來臨，預估2005~2015年為骨科植體之黃金期，全球市場規模約NT$ 6,000億元