112 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

本題考的是工業設計材料選用（Material Selection）的系統性方法，核心觀念有三：

1. 輕量化與防護性是一組互相抵換（trade-off）的設計目標：一般而言材料越厚、越密實，防護力越強，但重量也隨之增加；因此不能只挑「單一材料」，而要以材料—結構—製程三位一體的思維去解決。

2. 材料力學評估指標：輕量化設計常用「比強度」與「比剛度」作為篩選依據：

$\text{比強度}=\frac{\sigma_y}{\rho}\qquad\qquad \text{比剛度}=\frac{E}{\rho}$

其中 $\sigma_y$ 為降伏強度、$E$ 為楊氏模數、$\rho$ 為密度。此即 Ashby 材料選擇圖（Material Selection Chart）的基本原理，考生應知道 CFRP（碳纖維複合材料）與鋁合金在此二指標上優於一般鋼材與塑料。

3. 防護性（抗衝擊、緩衝吸能）評估：以材料在應力-應變曲線下所圍面積（單位體積吸收能量）評估，發泡材料（EVA、PU foam）因具有大應變的平緩應力平台區（stress plateau），特別適合作衝擊緩衝層。

由於本科目為「材料及製造程序」，答題時務必把每一種材料對應的成型／加工方法一併寫出，才能拿到製程面的配分。

解題方法（作答架構）

申論題應採「總—分—總」架構作答：

1. 破題：說明電腦包設計需同時滿足「輕量化」（降低攜帶負擔）與「防護性」（保護精密電子元件不受衝擊、壓迫、刮傷、潮濕損害）兩項互斥需求。
2. 界定功能需求：抗衝擊、抗壓、防刮耐磨、防水、耐候、成本、外觀質感、可回收性。
3. 分類列舉候選材料並逐一評估（依構造分為：外殼/骨架材料、緩衝避震材料、外層布料材料三大類），對每種材料說明其物性、優點、缺點、適用製程。
4. 提出材料—結構整合方案：說明如何以複合結構（三明治結構／蜂巢結構）克服「輕量化 vs 防護性」的矛盾。
5. 總結：提出建議之材料組合方案作為完整答案。

以下依此架構展開。

材料逐一評估與選用理由

(a) 外殼／骨架支撐材料（決定抗壓、抗變形能力）

選用理由說明：一般量產、中低價位電腦包，選 PC/ABS 合金射出成型，兼顧成本與抗衝擊性；高階商務或防護等級要求高的產品，選 鋁合金薄殼＋加勁肋設計或 CFRP 以達到「輕量卻高剛性」的目標。CFRP 之所以優於金屬，是因為其比剛度 $E/\rho$ 遠高於鋁合金與鋼，能用更少的重量達到相同的抗壓剛性。

(b) 緩衝避震材料（決定抗衝擊吸能能力）

一、核心觀念

本題考的是鋼鐵材料熱處理三大基礎製程（淬火、退火、回火）背後的相變化原理與微觀組織—機械性質對應關係，屬於材料科學中「Fe–Fe₃C 相圖」與「TTT/CCT 轉變曲線」的應用題。作答核心必須緊扣以下幾個關鍵概念：

1. 沃斯田鐵化（Austenitizing）：加熱到 $A_{c1}$（共析溫度，約 $727^\circ C$，共析成分約 $0.8\%C$）或 $A_{c3}$ 以上，使鋼轉變為單一相沃斯田鐵（FCC），是三種熱處理的共同起點。
2. 冷卻速度決定相變路徑：冷卻速度由快到慢依序為「淬火（急冷）> 正常化（空冷）> 退火（爐冷）」，冷卻速度不同會落在 CCT 曲線的不同區域，因而得到不同的顯微組織（麻田散鐵、變韌鐵、波來鐵、肥粒鐵）。
3. 擴散型相變 vs. 無擴散型相變：退火、正常化屬於擴散型相變（原子有時間擴散，形成平衡組織）；淬火屬於無擴散型（剪變）相變，形成麻田散鐵（Martensite）。
4. 回火是淬火的後續調整：淬火組織雖硬但極脆，須經回火使碳原子適度擴散析出碳化物，換取韌性。

二、解題方法（作答架構建議）

申論題作答應採**「定義 → 加熱溫度 → 冷卻方式 → 微觀機制 → 顯微組織 → 機械性質變化 → 應用目的」**七段式架構，逐一處理淬火、退火、回火，最後以一張比較表與「調質處理」整合收尾，展現「知其然更知其所以然」的完整度。以下依此架構展開。

三、淬火（Quenching）

定義與製程：將亞共析鋼加熱至 $A_{c3}$ 以上約 $30\sim50^\circ C$（過共析鋼則為 $A_{c1}$ 以上），保溫使組織完全沃斯田鐵化後，以大於臨界冷卻速率的速率急速冷卻（常用介質：水、鹽水、油、鹽浴，冷卻能力依序遞減）。

微觀機制：快速冷卻使沃斯田鐵中的碳原子來不及擴散析出成雪明碳鐵，被迫以過飽和固溶的狀態被「凍結」在體心正方（BCT）晶格中，形成麻田散鐵（Martensite）。此為剪變型（shear-type）無擴散相變，轉變瞬間完成，其發生與否取決於冷卻曲線是否避開 CCT 圖上波來鐵與變韌鐵的「鼻端」。

對性能的影響：

• 硬度、強度大幅提升（碳含量愈高，晶格畸變愈嚴重，硬度愈高）。
• 延展性、韌性大幅下降，材料變脆。
• 產生殘留應力、可能有變形或淬裂（quench crack），並可能殘留部分未轉變的殘留沃斯田鐵。

工程重點：淬火介質須依鋼種淬火性（hardenability，與合金元素、Jominy 端淬試驗相關）選用，避免冷卻過急造成開裂、過緩則無法達到麻田散鐵臨界冷卻速率。

四、退火（Annealing）

定義與目的：加熱後緩慢冷卻（通常隨爐冷卻），目的在軟化材料、消除內應力、均質化組織、細化或調整晶粒，以利後續機械加工或冷加工。依目的不同可分為：

核心觀念

本題考的是非傳統加工法（Nontraditional Machining Processes, NTM）於複合材料（Composite）二次加工上的應用，屬於製造程序中「特殊加工」章節的重點，常與傳統切削加工（車、銑、鑽、磨）的比較一併命題。

複合材料的加工特性（先破題）

複合材料（尤其是纖維強化複合材料 FRP，如 CFRP、GFRP）由「增強纖維」與「基材（樹脂）」兩相構成，具有：

• 異質性（heterogeneity）與異向性（anisotropy）：纖維與基材機械性質差異極大（纖維硬而脆、樹脂軟而韌）。
• 層狀結構（laminate）：多層鋪疊而成，層間僅靠樹脂膠合，抗剪強度低。
• 對熱與機械應力敏感：傳統刀具切削時容易產生分層（delamination）、纖維拉脫／起毛（fiber pull-out / fuzzing）、基材燒焦（matrix burning）、**刀具嚴重磨損（因纖維極硬、磨蝕性強）**等缺陷。

因此傳統的車削、銑削、鑽孔等「靠刀刃剪切」的加工方式，對複合材料而言容易造成不可逆的品質缺陷與刀具壽命短的問題，這正是非傳統加工法被大量導入複合材料加工的根本原因。

非傳統加工法的分類依據（Groover 教科書分類法）

依「能量移除材料的形式（energy form）」，NTM 可分為四大類：

1. 機械能式（Mechanical）：靠高速流體或粒子的動能沖蝕、剪切材料。
2. 熱能式（Thermal）：靠局部高溫熔化、氣化或燒蝕材料。
3. 電化學式（Electrochemical）：靠電化學反應溶解材料（僅限導電材料，複合材料極少用）。
4. 化學式（Chemical）：靠化學蝕刻反應移除材料（複合材料應用有限，樹脂易受化學腐蝕不易控制精度）。

由於複合材料多為非導電（樹脂基材+玻璃纖維）或僅局部導電（碳纖維），因此本題可用的方法集中在機械能式與熱能式兩大類，電化學式（如 ECM）因複材不導電幾乎無法使用，僅在極特殊情況（如碳纖維含量極高）才有條件性應用。

解題方法（可用於複合材料切削加工之非傳統加工法逐一分析）

以下依「機械能式」與「熱能式」分類，逐一說明各方法的加工機制、適用性、優點與限制，此為本題申論作答的主體骨架，考生應以此架構展開論述。

一、機械能式非傳統加工

1. 磨料水刀加工（Abrasive Waterjet Machining, AWJM）── 最主要、最廣泛使用的方法

• 原理：以高壓幫浦（可達 300–600 MPa）將水加壓，經噴嘴形成高速射流（可達音速數倍），並於噴嘴出口混入磨料顆粒（常用石榴石 garnet），藉磨料顆粒的沖蝕（erosion）與微切削作用移除材料。
• 適用性：冷加工（cold process），加工區域溫度僅微幅上升，不會產生熱影響區（HAZ），可有效避免樹脂基材因高溫產生的燒焦、汽化或纖維與基材界面脫層。
• 優點：可切割任意方向的纖維排列、不受纖維導電與否限制（GFRP、CFRP、KFRP 皆適用）、無刀具磨損問題、可加工複雜輪廓、切邊品質佳、分層與毛邊問題遠低於傳統銑削鑽孔。
• 限制：切割邊緣可能有輕微錐度（taper）、高壓水流可能造成邊緣局部濕潤或磨料嵌入、加工速度較傳統切削慢、設備與磨料耗材成本高。
• 應用：飛機蒙皮、複材板材之外形裁切（trimming）、鑽孔、開窗口等。

2. 超音波加工（Ultrasonic Machining, USM）／旋轉超音波加工（Rotary Ultrasonic Machining, RUM）

• 原理：工具（sonotrode）以超音波頻率（約 20 kHz）產生微小振幅（約數十微米）的高頻振動，帶動磨料漿（abrasive slurry）對工件進行微觀沖擊與磨削；RUM 則結合旋轉運動與超音波振動，常用於鑽孔。
• 適用性：特別適合脆性材料與纖維強化複合材料的鑽孔，因振動切削力小、接觸時間短，可大幅降低分層與纖維拉脫。
• 優點：加工力小、熱影響低、孔壁品質佳、出口分層（exit delamination）明顯改善（優於傳統鑽頭）。
• 限制：材料移除率（MRR）較低，加工效率不如水刀，設備成本較高。
• 應用：CFRP、GFRP 板材之精密鑽孔（如飛機結構件的鉚接孔）。

3. 磨料噴射加工（Abrasive Jet Machining, AJM）

核心觀念

本題考的是機械製造（材料及製造程序）中「塊材成形（bulk deformation）」製程裡最基礎也最核心的一項——鍛造（Forging）。考生須掌握三個層次：

1. 原理：鍛造屬於塑性加工（plastic deformation），利用外力使金屬在固態下產生永久變形，同時不破壞材料的連續性，屬於「材料守恆」（無切屑）的成形方式，與切削加工（除料）及鑄造（液態成形）在原理上根本不同。
2. 適用性：什麼樣的材料、零件、生產條件適合用鍛造。
3. 流程：從胚料準備到後處理的完整製程順序。

這是一道申論題型的製程原理題，答題架構應仿照教科書（如 Kalpakjian《Manufacturing Engineering and Technology》）對鍛造章節的鋪陳方式，分點論述，並適度舉例（如汽車曲軸、螺栓、飛機起落架）以展現實務理解。

解題方法

申論題的解題策略是「先定義、後分類、再流程、末優缺點」，讓閱卷者能清楚看到考生的邏輯層次。以下依此架構作答。

一、鍛造的原理

鍛造是利用壓縮應力（compressive force），透過鎚擊（impact）或緩慢加壓（gradual pressure）的方式，使金屬胚料（通常先加熱至再結晶溫度以上或以下）產生塑性流動，最終被迫填入模具型腔或依自由端伸展，形成所需之幾何形狀。

原理上的重點：

• 應力狀態：鍛造過程中材料主要承受三軸壓應力（尤其是密閉模鍛），此種應力狀態可抑制材料內部微裂縫、孔隙（porosity）的擴展，甚至能將鑄造胚料中原有的縮孔、氣孔壓合密實，故鍛件的機械性質優於同材質的鑄件。
• 流線（grain flow / fiber flow）：鍛造過程會使金屬原本的晶粒與夾雜物沿零件外形方向連續流動、拉長，形成「流線」。流線若能與零件承受應力的方向一致（尤其是沿零件輪廓不被切斷），可大幅提升零件的抗疲勞強度與韌性，這是鍛件相較於「切削自棒材」或「鑄造」零件最大的性質優勢。
• 溫度分類：
• 熱鍛（Hot Forging）：加工溫度高於再結晶溫度，材料變形阻力低、延展性佳，適合大變形量、複雜形狀之成形，但表面氧化皮（scale）多、尺寸精度與表面粗糙度較差。
• 溫鍛（Warm Forging）：介於室溫與再結晶溫度之間，兼顧變形阻力與尺寸精度。
• 冷鍛（Cold Forging）：於室溫下進行，尺寸精度高、表面光潔、無氧化皮，且因加工硬化（work hardening）可提升強度，但所需成形力大、模具壽命與設備噸位要求高，且材料延展性需求較高。

二、鍛造的適用性

依上述原理，可歸納鍛造適用之情境：

1. 材料方面：適用於具良好塑性延展性之金屬，如碳鋼、合金鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等；不適用於脆性材料（如鑄鐵、陶瓷）。
2. 零件功能需求方面：適用於承受高應力、高疲勞負荷、需高韌性與可靠度的關鍵結構件，例如：汽車曲軸（crankshaft）、連桿（connecting rod）、齒輪胚、飛機起落架、螺栓螺帽、扳手、渦輪盤等。這類零件若改用鑄造或切削製造，其疲勞強度與抗衝擊性明顯較差。
3. 生產量方面：

• 模鍛（Closed-die Forging）因需開發昂貴模具，適合中大量生產以攤平模具成本；

核心觀念

本題考的是「產品生命週期末端管理」（End-of-Life Management, EOL）中的材料回收系統（Material Recycling System），屬於綠色設計（Green Design）／生態設計（Eco-Design）與循環經濟（Circular Economy）範疇的核心知識。作答時必須掌握三個理論框架：

1. 廢棄物處理層級（Waste Hierarchy）：優先順序為 Reduce（減量）> Reuse（再利用）> Recycle（再生）> Recover（能源回收）> Dispose（最終處置），本題聚焦於中段的 Recycle 與 Reuse／Remanufacture。
2. 逆物流（Reverse Logistics）：與正向供應鏈（原料→製造→配送→消費）方向相反，指產品由消費端回流至生產端或處理端的物流體系，是回收系統得以運作的骨幹。
3. DfR／DfD（Design for Recycling／Disassembly）：產品若在設計初期即考慮易拆解、材料單一化、避免異材質不可逆黏合，將大幅提升後端回收效率，此為工業設計師在回收系統中的關鍵角色。

命題者要考生完整陳述「收集→處理→再利用／再製造」三大階段的具體作法與技術手段，並能點出設計端與回收端的連動關係。

解題方法

此類申論題採**「流程展開＋技術細節＋設計者角色」三段式**寫法最容易拿高分：

• 先破題說明回收系統的整體目的（資源保存、減少環境衝擊、符合循環經濟）。
• 依時間軸展開三大階段，每階段列出具體作業內容與技術方法（避免只寫抽象名詞，要舉出分選技術、拆解方式等實務細節，展現專業深度）。
• 收尾呼應工業設計專業，說明設計端如何配合回收系統（DfD、材料標示、模組化設計），並提及台灣現行回收體系作為佐證，展現理論與實務結合的能力。

以下為正式作答內容，考生可依此架構於考場中重現。

詳解正文（可直接作為考場作答範本）

一、回收系統概述

產品材料回收系統（Material Recycling System）係指產品於使用壽命結束（End-of-Life）後，透過一套組織化的逆物流機制，將廢棄產品中之材料予以收集、分類處理，並轉化為可再利用或再製造之資源，藉此降低原生資源耗用、減少廢棄物對環境之衝擊，並落實循環經濟之精神。完整流程可分為三大階段：收集（Collection）→ 處理（Processing）→ 再利用或再製造（Reuse／Remanufacturing）。

二、收集階段（Collection）

此階段目的在建立有效之逆物流通路，使廢棄產品能由消費端回流至處理端，主要方式包括：

1. 定點回收：於社區、賣場、公部門設置回收箱或資源回收站，供消費者主動投遞（如台灣之「資源回收四合一計畫」，結合社區、回收商、地方政府與回收基金）。
2. 通路回收（生產者延伸責任）：由原製造商或經銷商於銷售據點設置回收機制，例如家電、3C 產品之以舊換新、電池與燈泡之店面回收。
3. 押金退還制度（Deposit-Refund System）：於購買時收取押金，消費者歸還廢棄物或容器時退還，藉經濟誘因提高回收率（如寶特瓶、玻璃瓶）。
4. 路邊資源回收車／專車收運：針對大型或量大之廢棄物（如家具、大型家電）採預約到府收運。

此階段之關鍵成敗因素在於回收通路密度與便利性，通路越普及、成本越低，回收率越高。

三、處理階段（Processing）

回收物進入處理端後，須經以下步驟才能成為可用之次生原料：

1. 分類與分選（Sorting）：

• 人工分選：依外觀、標示（如塑膠之樹脂辨識碼 Resin Identification Code, 1 至 7 號）初步分類。
• 自動化分選：包括磁選（磁性金屬分離）、渦電流分選（Eddy Current Separation，分離鋁等非磁性金屬）、密度分選（浮沉法分離不同密度塑膠）、光學分選（近紅外線光譜辨識材質），可大幅提升分選效率與純度。

2. 拆解（Disassembly）：

• 對於結構複雜之產品（如家電、電子產品），須先拆解為次組件或單一材料元件，才能進行後續處理。
• 手動拆解適用於高附加價值或含有害物質之零件（如電路板、電池），自動化拆解則適用於量產且結構標準化之產品。