109 高普考高考三級 工業設計 材料及製造程序（包括金屬及塑膠） 考古題詳解

核心觀念

本題考查三種常見工程熱塑性塑膠的辨識與選材：PC、PA、POM。作答時要掌握各材料的中文名稱、代表性優缺點，以及能反映其性能的產品用途。

工程塑膠通常具有較一般塑膠更好的機械強度、耐磨性、耐熱性或尺寸穩定性，常用於需要承受負荷或反覆運動的零件。

解題方法

先將英文縮寫對應至中文材料名稱，再以每種材料最具代表性的性能連結到應用：

1. PC：以透明性與高衝擊強度辨識。
2. PA：以強韌、耐磨，但容易吸水辨識。
3. POM：以剛性、低摩擦與耐磨耗辨識。

優缺點各列一項即可；應用例應與所列性能相呼應，讓名稱、性質與用途形成完整的選材理由。

分項說明

一、PC（聚碳酸酯）

• 材質特性
• **優點：**透明性佳，且耐衝擊性高，適合製作需要透光並承受撞擊的零件。
• **缺點：**耐化學藥品性較差，接觸某些溶劑或化學品時容易產生劣化或應力龜裂。
• 應用範圍：

1. 安全眼鏡鏡片或防護面罩。
2. 透明燈罩或電器外殼。

二、PA（聚醯胺，俗稱尼龍）

核心觀念

本題考查鋁合金的陽極氧化，包括處理原理、氧化膜特性與應用範圍。陽極氧化是電化學表面處理：將鋁合金工件接為陽極，在適當電解液中通電，使工件表面生成氧化鋁膜。它是由基材表面轉化形成的膜層，與外加的電鍍層不同。

解題方法

依序說明「如何形成、形成什麼膜、膜能做什麼」即可完整作答。說明原理時，須指出工件為陽極、電解液與通電條件；說明膜的特性時，應兼顧耐蝕、耐磨、絕緣、孔隙結構及其限制；應用則可由裝飾與保護、耐磨、電氣絕緣等需求舉例。

加工原理

1. 前處理：工件先經除油、清洗，視需求進行化學或機械前處理，以去除油污與表面氧化物，並使表面狀態均一。
2. 電解氧化：將鋁合金工件接為陽極，置於電解槽中；陰極通常採用適當的導電材料。通入直流電後，鋁表面發生氧化，生成氧化鋁： $2Al+3H_2O\rightarrow Al_2O_3+6H^++6e^-$
3. 膜層成長：電解液常用硫酸，也可依用途採用其他酸性電解液。氧化膜由鋁基材向外及向內生長；在一般硫酸陽極氧化中，膜層具有多孔結構。
4. 後處理：多孔膜可吸附染料以取得色彩，也可經封孔處理降低孔隙與吸附性，提升耐蝕性及耐污性。若需維持吸附或塗裝能力，則依用途決定是否封孔。

氧化膜特性

• 耐蝕性良好：氧化鋁膜可隔絕基材與環境，封孔後防護效果通常更佳。
• 硬度與耐磨性高：適當製程可形成較硬的表面膜，硬質陽極氧化特別適用於需耐磨的零件。
• 電氣絕緣性佳：氧化鋁為電氣絕緣材料，可用於需要表面絕緣的鋁件。
• 多孔、可染色與吸附：未封孔的膜層具有微細孔隙，能吸附染料或其他處理材料；

核心觀念

本題考查木材的樹種分類與材質差異、夾板的積層構造原理，以及曲木加工如何利用木材受熱、受濕後的可塑性製作家具構件。作答時須將「樹種分類依木材構造」與「材質輕重、軟硬」區分，並說明夾板與曲木各自如何改善木材加工或使用上的限制。

解題方法

（一）闊葉樹與針葉樹

判別重點是木材的解剖構造：

• 闊葉樹多具有導管（俗稱木材中的孔隙），材質與紋理差異大；有些堅硬耐磨，有些則較輕軟。常見樹種如橡木。
• 針葉樹通常不具導管，主要由管胞構成，材質多較輕、直紋且易加工，常作建築材與結構材。常見樹種如杉木。

「闊葉樹」不等於一定堅硬，「針葉樹」也不等於一定柔軟；分類名稱主要指樹木類群，實際材質仍依樹種而異。

（二）夾板的製造原理與材質特性

夾板是將薄木單板逐層膠合而成的板材。製造時通常將原木旋切或刨切成薄片，再將單板以相鄰層木紋方向大致互相垂直的方式交錯排列，塗布膠合劑後加壓膠合。層數多採奇數，使板材兩側的木紋方向對稱。

交錯木紋可限制木材沿單一方向的收縮、膨脹與翹曲，使板材的尺寸穩定性及不同方向的強度較實木均衡。

• **優點：**不易因木材各向異性而沿單一方向大幅變形，板面穩定，且可利用較薄單板製成大幅面板材。
• **缺點：**製造需使用膠合劑，膠層可能受潮或老化而降低黏著性；切邊也可能露出層次，需另行封邊或修飾。

核心觀念

快速成型（Rapid Prototyping，RP）是以三維 CAD 模型為基礎，將模型切分成一層層薄截面，再由機器逐層堆疊材料，製作出實體模型。流程的重點是把「三維資料」轉換為「可供設備逐層製造的指令」。

解題方法與步驟

1. 建立三維 CAD 模型 依產品外形與需求建立三維實體模型，確認尺寸、特徵與幾何形狀。模型須能正確表達預定製作的物件。

2. 轉換為 STL 檔案 將 CAD 模型轉成 STL（Standard Tessellation Language）格式，以許多小三角形近似物體表面。三角形數量愈多，表面近似通常愈細緻，但檔案也會較大。

3. 檢查並修補模型資料 檢查 STL 網格是否封閉、法線方向是否正確，以及有無孔洞、重疊面或非流形邊等錯誤。必要時修補模型，避免切片時產生空隙或輪廓錯誤。

4. 設定製程並切片 依設備與材料設定成型方向、模型位置、支撐結構、層厚及製程參數，再將模型沿高度方向切分成一系列薄層，產生各層的輪廓與機台路徑資料。

5. 逐層成型並後處理 RP 設備依切片資料逐層製作，完成後取出工件，移除支撐或未固化材料，並依製程進行清洗、固化、修整或表面處理，得到可檢視或使用的成品。

解題技巧

五階段可記為：建模 → 轉檔 → 修檔 → 切片 → 成型與後處理。常見失分點是只寫「切片、列印」，未交代 STL 網格檢查與支撐、後處理等重要工作。

（二）SLS、SLA、FDM 快速成型技術