淺談鑽石在機械工程的應用與挑戰｜專家論點【郭啟全】

郭啟全（明志科技大學 機械工程系 教授兼系主任、智慧醫療研究中心 教授）

知名美國歌手、女演員和模特兒瑪麗蓮·夢露（Marilyn Monroe）曾經唱一首歌「珠寶是女人最好的朋友（diamonds are a girl’s best friend）」。真有趣，鑽石（diamond）也是機械工程最好的朋友，因為它具有優良之機械性質。鑽石之學名為金剛石，它是地球上最硬度的東西，莫式硬度（Mohs scale of mineral hardness）為10。筆者於課堂上介紹「鑽石」時，為了讓學生加深記憶，常常舉例感冒藥之電視廣告，「斯斯有兩種」。很巧的，鑽石也是有兩種，「人造鑽石」與「天然鑽石」。因為鑽石硬度最硬，所以聰明的機械工程師就運用它來製作車刀（cutting tools）。此外，筆者於課堂上一定會問的三個問題：第一問題是鑽石既然是地表最硬度的東西，請問，那要如何加工鑽石？第二問題是鑽石具備「三高」與「兩低」，請問是哪三高與哪兩低？第三問題是鑽石是否有「美中不足」的地方？

鑽石之三高指的是高硬度（hardness）、高強度（strength）與高熱傳導率（thermal conductivity），所謂兩低指的是低膨脹係數（thermal expansion）以及低摩擦係數（coefficient of friction）。從自然界角度來分析，要加工鑽石就是要選擇它的「天敵」，才能完成此任務。所以，「鑽石怕甚麼？」。此時，於課堂中最能夠與學生產生互動，引起學生動腦思考這三個有趣的問題。

鑽石是機械工程最好的朋友，因為它具備優良硬度，可以使用它來製作鑽石車刀（diamond inserts），來加工模具或精密光學元件。所謂機械加工（mechanical machining）是運用加工機械（machine）對工件（workpiece）之外形尺寸進行改變的一種過程。於光學模具產業，蘋果Apple iPhone手機鏡頭之光學鏡片模仁（mold insert）加工，即是應用鑽石車刀最佳應用實例，鑽石車刀可以進行光學鏡片模仁之精密加工（precision machining）與超精密加工（ultra-precision machining），所加工完成之模仁是屬於鏡面。

筆者曾經於媒體文章看到一句話：「只有鑽石可以切割鑽石」。其實，從機械工程之機械加工角度來看，假如A要切割（cutting）B，那麼A之硬度一定要大於B。機械加工所重視「加工效率（efficiency）」與「加工品質（quality）」。圖1為明志科技大學機械工程系郭啟全教授兼系主任所指導的研究生林致揚所設計之經由鑽石車刀所加工之非球面鏡原型件與非球面鏡射出成型快速模具。

最後，筆者引用經濟學一個專有名詞「機會成本」（opportunity costs），即一位工程師重視加工品質時，是否影響到加工效率；反之，當一位工程師重視加工效率時，是否影響到加工品質。所以，鑽石於機械工程的應用一定要重視機會成本，因為「錙銖必較」的老闆是很重視工廠之產出率（throughput）。

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