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傳統的機械設計方法主要基於簡單的理論公式，並透過經驗係數來調整，以適應特定情況。例如，在設計軸時，通常將其視為樑來計算「名義應力」，再乘以「理論應力集中係數」來估算最大臨界應力。這些應力集中係數可以在設計手冊中找到，但當遇到新的或獨特的設計時，則需要透過實驗測定，或者參考類似情況來進行調整，若實驗成本過高，則可能採用近似推估的方法。 |
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隨著有限元素分析（FEA）的興起，設計方法發生了重大變革。FEA 可以提供更準確的應力計算結果，減少對繁瑣實驗的依賴，使設計變得更加精細化與數值化。儘管如此，即使是 FEA 模擬，也常假設材料是均勻、連續且無缺陷的。然而，在實際應用中，材料內部不可避免地存在缺陷，例如表面缺陷、夾雜物、孔洞等，這些缺陷可能成為裂紋擴展的起點，顯著影響材料的疲勞強度。 |
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積層製造（AM）與材料缺陷的挑戰 積層製造（Additive Manufacturing, AM）作為一種新興的製造技術，能夠實現複雜幾何結構、拓撲最佳化設計，並減少材料浪費。然而，與傳統的減材製造（如切削、鑄造）相比，AM 仍然面臨一些關鍵的材料缺陷問題，包括： •孔洞與氣孔（Porosity）：在粉末床熔融（PBF）或選擇性雷射熔融（SLM）過程中，粉末顆粒熔融不完全或氣體捕獲，可能導致微小孔洞，進一步降低疲勞壽命。 •殘餘應力（Residual Stress）：由於 AM 透過逐層熔融材料，冷卻過程中不同區域的膨脹與收縮不均勻，可能導致高殘餘應力，使零件易於變形或產生微裂紋。 •微裂紋（Microcracks）：層間熔接不良或重疊熔池的不均勻性，會形成初始裂紋，影響結構強度與耐久性。 •表面粗糙度（Surface Roughness）：AM 零件通常具有較高的表面粗糙度，這不僅影響接觸疲勞，還可能形成應力集中區，加速裂紋的萌生與擴展。 這些缺陷對 AM 零件的疲勞壽命產生極大的影響，特別是在航太、汽車與生醫領域，對於零件的強度與可靠性有嚴格要求。因此，如何有效地降低 AM 零件的缺陷影響，成為提升其結構性能的關鍵挑戰。 |
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珠擊處理（Shot Peening）如何改善 AM 零件的性能？ 珠擊處理是一種有效的表面強化技術，可用於改善 AM 零件的疲勞性能。其主要作用機制如下： 1. 消除殘餘拉應力（Residual Tensile Stress） •AM 製造過程可能導致高殘餘拉應力，促使裂紋擴展。而珠擊可引入殘餘壓應力（Residual Compressive Stress），有效抑制裂紋的形成與擴展，提高疲勞壽命。 2. 封閉微裂紋與孔洞 •珠擊可部分封閉表面與近表層的微裂紋，減少缺陷對疲勞強度的影響，特別是在高應力循環環境下，顯著提升抗疲勞能力。 3. 降低表面粗糙度 •AM 零件的表面較為粗糙，而珠擊能透過塑性變形使表面更加均勻，降低應力集中效應，提高零件耐久度。 4. 提升機械性質 •透過珠擊，AM 零件的表層可形成細晶強化區，提高抗拉強度與耐磨性，使其適用於更嚴苛的工作環境。 研究顯示，經過珠擊處理的 AM 零件，其疲勞壽命可提升30% ~ 100%，具體效果取決於材質、珠擊參數與缺陷類型。例如，在鈦合金 AM 零件的疲勞測試中，適當的珠擊條件能將其疲勞極限提高 50%，使其能夠符合航太等高要求應用場景。 |