【国家重点实验室】追求超精密加工极限　理大不让研究流于理念

“差之毫厘，谬以千里。”用此形容超精密加工技术最好不过。高解像度手机镜头、照明范围大且光源均匀的LED街灯、不戴3D眼镜也能看到3D效果的电视……种种生活的便利统统拜超精密加工技术所赐。超精密加工是尖端工业生产的核心工序，理工大学“超精密加工技术国家重点实验室”（下称“实验室”）专注研发相关建模及仿真、精密测量等技术，让高精准度产品走入寻常百姓家。此乃《国家重点实验室》系列报道之七

“我们所追求的加工是一种极限。”实验室署任主任兼理大工业及系统工程学系教授张志辉说。走进实验室，除了林林总总的加工及精密注塑仪器外，还有一间摆了数部测量设备的防尘间，人们进入前要先彻底吹走身上灰尘，以防沾上仪器影响测量结果。零部件即使不起眼如螺丝，但只要有一点点误差，影响也举足轻重。

张志辉说，现时实验室追求的形状误差限制在亚微米级，表面粗糙度则要符合纳米级水平。亚微米是一个怎样的概念？一条头发的直径为约40微米（一微米等于千分之一毫米），亚微米即头发直径的百分之一，随着素材、工件及标准不断推陈出新，实验室希望借着提高超精密加工技术的精度及可供加工的复杂程度，向业界提供技术改善加工效果。

满足社会需要　填补企业空白

成立于2009年的实验室前身为先进光学制造中心，自1996年起为工业界提供光学设计、超精密加工、超精密测量等科技应用顾问服务。现时实验室的常规职员连同研究生约40人，主要围绕五大研究方向工作：超精密加工切削机理、加工技术、测量检测、仪器研发及先进光学设计制造，以提升香港及内地先进光学和关键精密部件的设计、制造和测量能力。

张志辉记得，中心成立初期，社会对非球面技术仍一窍不通，但随着应用日益广泛，创作空间扩大，可设计更多新产品。当工件结构复杂程度愈来愈高，传统加工方法满足不了未来的要求，需要加紧研发崭新超精密加工技术及设备，基础研究自然不可或缺。他解释，研究人员不时需要分析，为何加工后可以做出这种精度，“一般企业不会研究这些，但我们便要问‘为什么’，如何优化才可做得更好、更精准。”

全球对“工业4.0”趋之若鹜，不论是“中国制造2025”，还是美国《振兴美国先进制造业报告》，均有提及。“工业4.0”的核心在于高度自动化，藉智慧型整合感控系统等技术提高生产力。对实验室而言，成熟的测量技术是基本，团队现时着力开发“在位测量设备”，即在加工过程中直接在机器上测量，减少生产线人手处理，增强自动化元素。研究团队于两年前研发出用于三维表面原位测量的多传感器系统。张志辉解释，系统由运动感测器和雷射扫描仪组成，可安装于不同机械上，用作3D高动态范围原位表面测量，改善了精密加工的程序。

超精密加工技术应用广泛，除了较常见的先进光学零部件如手机镜头及LED街灯之外，闭路电视的塑胶外罩、渐进镜片及AR镜片等自由曲面，也需很精密的加工才可做到清晰度高而影像不变形。此外，实验室同时涉猎适用于能源、生物医学、讯息通讯，甚至国防及航天等领域的精密光学元件和制造技术。

团队得到创新及科技基金100万元资助，花了近两年时间研发出超精密加工技术的滚筒切削法，并仿效昆虫复眼原理，成功制造出“高清3D成像复眼透镜系统”。系统采用创新的微透镜阵列，以多组“小眼”构成的镜片可同时拍摄多达六万张图像，再组成照片，经后期制作重新对焦及分析相片物件的距离及大小，便可解决因光线、角度和解像度不足等造成的失真问题，让镜头范围内所有影像也有足够细致度。这项技术可应用于闭路电视镜头、3D电视、3D扫描仪，甚至医疗设备如胃镜等光学产品。

对张志辉而言，精密制造技术最吸引之处在于可将一些难以想像的效果化为现实。他说，每个工件表面理应有一些特别功能，如能做得精密，便会发挥一些特殊功能，可以抗磨损、提升光学效果，甚至帮助许多人。他指着眼前的银色人工关节解释，人工关节表面的光滑度有其功能需求，如果抛光技术可达致纳米级，便不易磨损，大大提升其寿命，由五年至二十年不等；又如素来被称为集传统光学、人体工程学、精密机械、资讯电子等尖端技术于一身的医学内窥镜，检测仪器的镜头是核心所在，但内窥镜细小如药丸，镜头既要高解像度，尺寸又不能过大及过厚，便需倚赖极精准的技术制造。

推动技术转移 告别空中楼阁

从事生产，最忌讳的是纸上谈兵。实验室让研究不再流于理念。“我们要透过产业化及在行业中应用，才能看到技术影响力。”身兼理大知识管理及创新研究中心副总监的张志辉认为，基础研究及设备开发固然重要，但同时需要满足实地场景测试及应用，适合生产线运作，才能将知识转移把技术发扬光大。他介绍，理大本身设有顾问公司，提供顾问服务式合作，也可与企业进行为期两至三年的联合研究项目。他解释，有些企业本身已有产品理念及原型，但未能解决生产要求，便需依靠实验室。

张志辉指出，将来行业的发展方向并非用标准设备去加工标准工件，“可能要做一些特别的加工设备，去应付复杂的加工任务。”为此，实验室近年着重超精密加工装备及仪器研发，把基础研究中发掘的概念应用于设计加工装备上，甚至协助将技术融入生产线，供厂家制造需要的精密产品。

张志辉表示，现时不少企业因缺乏超精密加工技术未能制作精密模具，难量产高精度关键零部件。他以玻璃光学元件为例解释，由于模制温度较塑料光学材料高，模具需用极难加工的硬质合金制造，令要将玻璃微细结构压印于微米级光学元件上倍加困难。他的团队去年以自主的加热技术及模具设计，研发出含类石墨烯涂层的新型精密微压印设备，成功解决上述生产难题。

新型微压印设备采用类石墨烯涂层，能更精确快速地加热光学玻璃，有助压印过程后顺利将玻璃工件从模具剥离，直接做出3D效果，毋须再做一层镀膜。这较传统红外线方法节省60倍电力，制作成本也降低三分之二；研究团队同时开发出控制和监测软件，可即时在网上读取温度读数，从而微调运作参数，缩短生产时间，为产业朝着高效高质、低成本及环保等方向发展创造条件。

而制造出来的微米级玻璃光学元件，除了可应用于光学电子产品及仪器，如手机镜头、投影机放大镜外，还可以用在医学扫描、天文、安全监控系统等范畴。此项新型精密微压印设备也获得创新及科技基金资助，已取得八项专利，并在“第46届国际发明展”赢得金奖。“实验室希望技术能去到不同角落，如何推广技术转移？其中一个方法就是将装备研发做得更好。”张志辉解释，有别于往日进口设备、再从中了解机理运作，“实验室经过一段时间沉淀掌握一定经验，能自行研发设备。”张志辉形容，这就是实验室的成长过程。

从宏观到微观　未来制造基础

往日的工业追求产量，但时移世易，今天已要求质量并重，而从宏观的大型零件加工转向微观更是未来制造业发展趋势之一，超精密加工技术则是高科技产品的基础，成为发达国家高度重视的研发领域。张志辉表示：“超精密加工技术已成为高科技国力指标，不论是研究及产品，我们一定要有高精度能力，才可以到世界市场竞争。”

近十多年来，各地致力协助企业升级转型，香港也提出“再工业化”，期望改变经济过度依赖金融及地产的局面。在张志辉眼中，香港是中国一个举足轻重的研究基地，而发展基础研究的能力及人才培训，方可形成顶尖的科学力量。他指出，成为国家重点实验室不单是科技水平得到指标性的认可，还可促成不同层面的合作。现时实验室除了与天津大学及清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室共同研究外，还与广东省及陕西省等地区合作测量及精密仪器的制造研发，也有与海外公司合作。

张志辉期望2023年初落成的落马洲河套港深创新及科技园，以及大湾区发展规划可更贴近企业，建立生态链，以发挥最大经济效益，同时提高中国超精密加工技术至顶尖水平。他强调，实验室虽然并非为客户解决问题的公司，但也希望可为企业解难，为业界推动新标准，“我们算是帮自己实践梦想的同时，也能成就业界的梦想。”

上文刊载自第145期《香港01》周报（2018年1月7日）《工业4.0核心　追求极限的超精密加工》。

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